命悬陀螺仪:从哈勃望远镜故障谈起

作者: 苟利军, 孙阳

来源: 公众号:赛先生

发布日期: 2019-04-24 11:43:16

本文详细介绍了哈勃望远镜因陀螺仪故障而暂时停止观测的事件,探讨了陀螺仪在太空望远镜中的重要性及其工作原理,并分析了哈勃望远镜恢复运行的过程。

去年10月,哈勃望远镜的一个陀螺仪出现了故障,用来修理的备份陀螺仪也出现故障,于是望远镜进入安全模式,暂时停止了观测。NASA后来通过“来回重启”修好了陀螺仪,哈勃终于恢复了正常运行。那么问题来了:陀螺仪为何这么重要?它又是如何工作的?

北京时间2018年10月6日,哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope,HST)因故障暂时停止观测的消息传出,再次让全世界的天文学家为之忧心。研究人员发现,原来是哈勃的一个陀螺仪出现了故障,而备份陀螺仪又不能正常启动,于是望远镜进入了安全模式。

在2009年对哈勃的最后一次维修中,科学家重新更换过所有6个陀螺仪。一般来说,太空望远镜只需3个陀螺仪就可以精确测量方向,同时还会多安装几个以备不时之需。在过去的几年中,尤其是2018年,哈勃的陀螺仪的使用年限陆续到期,相继停止工作。

在接下来的一个星期里,操作小组猜测,由于备份陀螺仪已经存放了将近10年之久,其内部用于隔离卫星振动的液体封装层出现了气泡,导致陀螺仪转子跑偏。10月18日,操作小组让望远镜进行了一系列来回启动和转动,同时让陀螺仪在高低速模式之间来回切换。说白了,就是试图摇晃陀螺仪,希望把气泡摇开。

10月26日晚间,哈勃终于恢复了正常运行,并于次日凌晨2点10分再次完成了一项科学观测。哈勃“病愈”后的第一个观测对象是遥远的星系DSF2237B-1-IR,宽视野相机3号仪器拍摄到了它的清晰红外照片。哈勃又暂时健康了!

回过头来,我们要提出的问题是:陀螺仪为何这么重要?如果陀螺仪无法正常工作,耗资巨大、全球科学家排队等待使用的太空望远镜就只能“歇菜”了吗?陀螺仪是如何工作的?哈勃的陀螺仪与你的智能手机里的陀螺仪是一回事吗?

对于任何一个太空望远镜而言,精确指向都是通过测量和执行两个步骤来完成的,所以相关的设备也包含这两个方面。除了上文提到的陀螺仪,测量设备通常还包括其他一些姿态敏感器,比如红外地平仪、星敏感器、太阳敏感器和磁强计等。

在测量好望远镜的方位之后,如果我们需要调整望远镜的指向,就轮到执行设备上场了。执行设备包括矢量喷气系统、反作用飞轮、磁力矩器等。其中磁力矩器通过与空间中的磁场相互作用来调整卫星指向,输出力矩较小,因此卫星指向调整主要通过矢量喷气系统和反作用飞轮来完成。

以上就是哈勃、开普勒等等太空望远镜为我们带来的气势恢弘的宇宙照片背后的秘密。借由这些集中了人类智慧巧思与物理原理的特殊设备,甚至是特殊的安装构型,人类的太空之眼才得以对准遥远星系,为我们带回宇宙深处的震撼、美好与奥妙。

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