“哈勃”的太空维修传奇

2018-12-06

太空探索 2018年12期

2018年10月5日，由于哈勃空间望远镜的陀螺仪出现问题，美国宇航局（NASA）地面控制中心“哈勃”小组，宣布哈勃空间望远镜进入安全模式，暂停太空探测任务。

到2018年年底，哈勃空间望远镜（以下简称“哈勃”）已经服役了整整28年，超过设计寿命13年。这可以看做是工程史上的奇迹。虽然航天飞机退役后，在轨维修“哈勃”已经是不可能的任务了，但在这20多年时间里，“哈勃”为航天维修、特别是舱外活动提供的经验和知识，是宝贵而无可替代的。特别是NASA具体从中总结出了哪些经验教训，尤其是在哥伦比亚号航天飞机失事后，执行的最后一次“哈勃”维护任务有哪些改进和特点，是值得深入探究的，这也为“哈勃”后续的使用积累了很多经验。

凑合着用的那些年

因为哥伦比亚号航天飞机事故，“哈勃”的最后一次维护任务（SM4）推迟到了2009年。为了在这几年时间里保证“哈勃”还能勉强工作，美国宇航局认真分析了主要的风险，认为最大的麻烦在于陀螺仪和电池，必须想出有效的办法，让这两种器件再多坚持几年。

陀螺仪要省着用

▲ 航天员在SM3A任务中更换陀螺仪和速率传感器

“哈勃”在发射之初，有两套陀螺，共6副。正常情况下，需要用其中3副陀螺来服务于指向控制系统和飞行软件。3副陀螺仪才能为“哈勃”提供足够的姿态测量精度，来服务于镜头的精确指向和拍摄。然而作为一种精密的机械设备，陀螺的寿命是有限的。在2005年之前，“哈勃”一直在用3个陀螺仪运行。这种模式下，望远镜的指向误差不超过200角秒。如果陀螺仪漂移过多，就使用固定式星敏感器（FHST）来修正，把偏移量降低到一定程度，然后再用精密制导敏感器（FGS）来修正。FGS的搜索范围只有50角秒，如果偏差太大，它就不起作用了。另外，“哈勃”上还有两套磁敏感器（MSS），用于动力学管理，并不直接向指向控制系统提供姿态数据。

但是，为了让剩余的陀螺仪工作更长的时间、减少老化和磨损，NASA设计了一种双陀螺科学模式（TGS）。顾名思义，TGS就是只用2副陀螺。然而，必须有来自其他传感器的信息来替代第3副陀螺，否则就会发生精度严重下降的问题。NASA用上面说到的FHST、FGS和MSS信息综合起来，从大到小修正陀螺仪漂移带来的误差。

在TGS模式下，“哈勃”优先选择精度最高的F2G模式来运行，不能保持则降低到T2G模式，最后是M2G模式。如果“哈勃”遭到严重问题而被迫进入安全模式，那么在恢复的时候，会先进入M2G模式，然后渐次升级到T2G模式和F2G模式。假设状态比较好，也可以直接从安全模式进入T2G模式，再恢复到F2G模式。

这些模式听起来很复杂，但因为NASA对于“哈勃”的运行已经得心应手，所以实施上没有遇到太大困难。只经过了三圈轨道，“哈勃”就成功进入了F2G模式，精确地实现了角速度控制、星图绘制、姿态确定和纠偏操作。2005年8月起，TGS模式进入正式运行。

电池充电有讲究

在1990年发射的时候，“哈勃”用的是镍氢蓄电池，总容量520安时，大概是相当于192.5个iPhone X手机电池。但是经过20多年的运行之后，“哈勃”和我们的手机一样，也面临着电池衰减的问题。到2004年，这些电池的总容量已经下降到246安时，而且会继续下降。SM4任务的重要工作就是给它换新电池。然而SM4的推迟迫使NASA只能想办法用旧电池继续凑合几年。

▲ 在SM4任务中，被机械臂抓回的哈勃空间望远镜

传统上，“哈勃”采用充满模式。但是为了延长电池寿命，从2006年1月开始采用所谓的“尖峰充电模式”。每圈轨道飞行中，尽量延长充电时间，但充电电路逐步减小。这是通过有选择地断开部分太阳电池来实现的。最多时利用12块太阳电池，最少用4块。这样就可以用比较小的电流来维持比较高的电压。不过这样充电会导致电池温度比设计温度高两摄氏度左右。所以，必须用计算机自动平衡电压和温度之间的关系。而且，要对“哈勃”上的6块蓄电池分别独立充电，这样就可以避免6块电池同时升温。事实证明，这样的方法效果还不错，“哈勃”的电池容量后来一直保持在246安时，没有发生显著下降。

最后一次SM

2009年的SM4因为是最后一次，并且考虑到詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射日期一再推迟，所以美国宇航局为SM4规划了大量内容，希望“哈勃”能多坚持几年，避免出现观测能力空白。

全换成新的

按照计划，SM4基本上是把“哈勃”的内脏全换成新的。为此要进行5次出舱活动。更换两套电池、6台陀螺仪，换掉两台科学仪器，更换新的精密制导敏感器，三块新的防护毡。

6块镍氢电池分成两组，放置在2号和3号设备架的维护舱门后面。这些电池的分量都不轻，每组大约有227千克重。如果不是在失重环境下，人力是抽不出来的。每块电池有23个单元，其中22个用于夜间给“哈勃”供电，剩下1个是地面测试用的。每块电池配套两个连接器，其中一个连接器用于直接供电，另外一个用于测量和发送监测数据，包括电池内部压力和温度等。

旧的蓄电池采用干式电解质，SM4打算换成湿式的。另外，新电池设置了隔离开关，可以通过电子控制的方式实现与连接器的通断控制。这样更有利于安全运行。除此之外，新旧电池没有什么区别。

“哈勃”共携带了3台“速率陀螺组件”（RGA），每个RGA包括2副“速率集成陀螺”，它们装在同一个设备盒里，称为“速率敏感器单元”（RSU）和一个“电子控制单元”（ECU）。SM4任务打算把这6副陀螺全都换掉。陀螺仪是“哈勃”用来测定自身姿态的主要敏感器，测量的结果用数字信号和模拟信号两个信道输出。在1993年的SM1任务期间，更换了两个RSU；在1999年的SM3任务期间又全部更换了一次。

▲ 这是一张非常有趣的照片，照片上看起来有好几个航天员在工作，实际只有两个航天员，其它的只是哈勃望远镜反射出来的影像

▲ 航天员安德鲁·费斯特尔在SM4任务中进入第一次太空行走

精密制导敏感器（FGS）用来跟踪某些具体的恒星，来辅助陀螺仪确定“哈勃”的姿态。即使在6个陀螺仪都能正常工作的时候，FGS的作用也非常重要。FGS包括两台主要设备，首先是精密制导电子系统（FGE），其次是精密制导辐射带单元（RBM）。RMB由两类光学器件组成：干涉计组件和星敏感伺服机构组件。FGS是一件相当沉重的设备，总质量达到220多千克。

具体的任务内容包括更换精密制导敏感器（FGS）、更换新一代外层防护毡（NOBL）（替换已经严重损坏的多层隔离毡MLI）。在科学仪器方面，要换掉上一代的宽视场行星相机2（WFC2），换掉那台用来解决主镜超差的空间望远镜主轴修正光学设备（COSTAR），用宽视场行星相机3（WFC3）和宇宙起源成像仪（COS）取而代之。还要修理已经老旧的空间望远镜成像光谱仪（STIS）

STS-125任务共有7位航天员升空，执行11天任务。其中4人分成两组进行了5次舱外维修活动，第一组两人出舱两次，第二组两人出舱三次。一般来说，一次飞行中航天员出舱不能超过三次，每次出舱活动持续不超过6小时。所以第一组预备把最后一次出舱机会留给可能的航天飞机本身维修。

五次舱外活动的任务时间其实很紧张，第一次需要更换宽视场行星相机和科学仪器指令及数据处理模块，还需要更换软捕获机构(SCM)和维护舱门闩。第二次需要安装新的速率敏感器单元并更换一个电池组。第三次需要安装宇宙起源波谱成像仪，并彻底修复先进巡天相机。第四次需要修复Space 望远成像摄谱仪(STIS)。第五次，也就是最后一次，需要更换精密制导系统和另一个电池组。

安全性问题

考虑到SM4就是因为哥伦比亚号事故才推迟的，所以2006年NASA决定恢复任务时，对安全性问题的重视达到了空前的高度。特别是在SM3A到SM4的这些年里，NASA在国际空间站舱外活动工作中积累了大量新的经验，开发了新的工具和接口，也对安全性问题有了很多新的认识。如何把这些新的知识应用到SM4当中去，成为任务筹备中的一项重要工作。

“哈勃”设计于上世纪80年代，许多用于维护和维修它的工具设计于90年代，在安全性上可能已经无法满足21世纪的标准。例如有些工作具有锋利边缘，用于切割、翻撬和夹紧。在国际空间站运行中，已经不允许有这些工具了。于是NASA对整个安全工作进行了重新梳理。

SM4的安全性工作，要考察系统、分系统、设备、人员位置、接触和人员动作中可能存在的风险。其中不仅仅要考察与“哈勃”相关的内容，还要参考其他舱外活动中存在的风险。这项工作由约翰逊中心的载荷安全性评估委员会负责，要针对新的载荷架、软件、电池、设备、任务环境、舱外环境分别给出报告。

▲ 航天员迈克尔·费尔在水下的哈勃望远镜模型中进行维修训练

安全工作的一个基本思路是，航天员在接受训练并掌握相关知识后，能够知道安全风险的位置和存在，能够采取合适的对策来减缓这些风险，使之降低到一个可以接受的程度。

通过分析，约翰逊中心找出了哪些风险呢？我们不妨来挨个看一看。

1.踢坏设备

这听起来很荒唐，训练有素的航天员还能干这么不靠谱的事儿？然而研究发现，在失重环境下，航天员要保持身体平衡是有困难的，当他们在航天飞机货舱里运动的时候，很可能会踢到脚下的设备架，而娇气的“哈勃”仪器就装在上面。比如IMAX相机的存放位置就在气闸舱和修理位置之间，它上面有个不算结实的玻璃盖。一旦被踢碎，不但设备本身坏了，还会形成尖利的碎玻璃，危及航天服，进而威胁航天员的生命安全。为了减缓这种风险，需要给航天员设计一个舱外行走路线图，指出哪里有风险存在，根据这个路线图进行反复而严格的训练。

2.机械臂操作

在维修“哈勃”的时候，需要用航天飞机上的机械臂把它抓住，拉到货舱里固定住，然后再展开维修。这个时候，“哈勃”的太阳电池还处在展开状态，内部的科学仪器也正在工作。因此无论抓还是拉，动作幅度都不能太猛烈。而且要防止“哈勃”撞到航天飞机货舱，造成损坏。在SM3A任务之前，NASA并没有对这项操作做出定量规定。但是在SM4任务中，给出了操作机械臂的具体限制条件。有趣的是，研究发现，此前任务中航天员因为担心两者相撞，把“哈勃”夹持在了距离航天飞机太远的位置，其实完全可以再近一些。

3.漏电风险

在维修“哈勃”期间，太阳电池和蓄电池依然有电压，有一定的危险。在更换电连接器的过程中，当附近有航天员的时候，需要采取绝缘措施。但是，如果带电的连接器接头弯折了，或者其中夹杂有太空垃圾，就可能破坏绝缘。因此约翰逊中心要求，在更换接头时必须采取两重绝缘。

3.接触导致的风险

▲ SM4任务中的航天员在地面的哈勃望远镜模型上进行训练

▲ 航天员约翰·斯菲尔德在SM4任务中测试电动工具，为出舱维修做准备

有四种直接接触会对航天员的安全造成威胁，其中包括极端温度、尖锐的边缘、狭窄点和突出部。其中极端高温和极端低温都会超过航天服手套的防护能力，对航天员的手部造成伤害。尖锐边缘可能刺穿舱外航天服或者手套，造成身体伤害，或者降低舱外活动持续时间。狭窄点和突出部会影响航天员的行动能力，妨碍他们接近“哈勃”或者收纳架上的设备。这类风险可能在哪个位置、哪个时刻发生，都写在了任务文件当中，供航天员训练之用。

以后怎么办？

10月27日，美国宇航局宣布，在控制人员修复了故障陀螺后，“哈勃”空间望远镜已于10月26日恢复正常科学运行，并于5小时后利用宽视场行星相机3完成了对一个遥远星系的观测。这是“哈勃”自6台陀螺仪中的第三台于10月5日报废以来首次恢复科学观测。余下的3台陀螺仪中，此前一直留作备份的3号陀螺仪在开机后报出的转速远高于实际转速，致使望远镜转入安全模式。工程技术人员通过实施一系列机动动作最终找到了降低3号陀螺反常转速的办法。因仍有3台陀螺仪能用，“哈勃”仍能正常开展科学观测。如若3号陀螺仪修不好，美国宇航局曾打算让“哈勃”以单陀螺仪模式恢复运行。在该模式下，“哈勃”仍能开展三陀螺仪模式下所能开展的大部分观测，但观测区域会减小。

“哈勃”在设计之初就采取了模块化的思维，而且很多需要更换的部件都安排在外侧容易接近的地方。事实证明这个想法其实在很大程度上实现了。如果没有这样的基本设计，上天之初那次误差就无从解决，后续的修理也不可能那么容易。

不过NASA已经放弃了这种思路。即使在航天飞机被迫退役之前，NASA也无法再承受用它来维护空间望远镜的巨大成本。因此用来接替“哈勃”的詹姆斯·韦伯望远镜不再考虑维护。“韦伯”望远镜部署在地月之间的拉格朗日L2点，距离地球有150万公里，不可能再隔几年维护一次。这就对“韦伯”本身的可靠性提出了很高的要求。

然而从另一个角度说，空间维护和维修其实是航天时代无法回避的问题。哪怕不再有“哈勃”，哪怕没有航天飞机了，人们也要为大型空间设施的维护和维修寻找一套切实可行的手段。所以，NASA在“哈勃”之后打算怎么建设空间维修能力，还是一个需要探讨的问题。