“哈勃”的太空維修傳奇

2018年10月5日，由于哈勃空間望遠鏡的陀螺儀出現(xiàn)問題，美國宇航局（NASA）地面控制中心“哈勃”小組，宣布哈勃空間望遠鏡進入安全模式，暫停太空探測任務。

到2018年年底，哈勃空間望遠鏡（以下簡稱“哈勃”）已經服役了整整28年，超過設計壽命13年。這可以看做是工程史上的奇跡。雖然航天飛機退役后，在軌維修“哈勃”已經是不可能的任務了，但在這20多年時間里，“哈勃”為航天維修、特別是艙外活動提供的經驗和知識，是寶貴而無可替代的。特別是NASA具體從中總結出了哪些經驗教訓，尤其是在哥倫比亞號航天飛機失事后，執(zhí)行的最后一次“哈勃”維護任務有哪些改進和特點，是值得深入探究的，這也為“哈勃”后續(xù)的使用積累了很多經驗。

湊合著用的那些年

因為哥倫比亞號航天飛機事故，“哈勃”的最后一次維護任務（SM4）推遲到了2009年。為了在這幾年時間里保證“哈勃”還能勉強工作，美國宇航局認真分析了主要的風險，認為最大的麻煩在于陀螺儀和電池，必須想出有效的辦法，讓這兩種器件再多堅持幾年。

陀螺儀要省著用

▲ 航天員在SM3A任務中更換陀螺儀和速率傳感器

“哈勃”在發(fā)射之初，有兩套陀螺，共6副。正常情況下，需要用其中3副陀螺來服務于指向控制系統(tǒng)和飛行軟件。3副陀螺儀才能為“哈勃”提供足夠的姿態(tài)測量精度，來服務于鏡頭的精確指向和拍攝。然而作為一種精密的機械設備，陀螺的壽命是有限的。在2005年之前，“哈勃”一直在用3個陀螺儀運行。這種模式下，望遠鏡的指向誤差不超過200角秒。如果陀螺儀漂移過多，就使用固定式星敏感器（FHST）來修正，把偏移量降低到一定程度，然后再用精密制導敏感器（FGS）來修正。FGS的搜索范圍只有50角秒，如果偏差太大，它就不起作用了。另外，“哈勃”上還有兩套磁敏感器（MSS），用于動力學管理，并不直接向指向控制系統(tǒng)提供姿態(tài)數(shù)據(jù)。

但是，為了讓剩余的陀螺儀工作更長的時間、減少老化和磨損，NASA設計了一種雙陀螺科學模式（TGS）。顧名思義，TGS就是只用2副陀螺。然而，必須有來自其他傳感器的信息來替代第3副陀螺，否則就會發(fā)生精度嚴重下降的問題。NASA用上面說到的FHST、FGS和MSS信息綜合起來，從大到小修正陀螺儀漂移帶來的誤差。

在TGS模式下，“哈勃”優(yōu)先選擇精度最高的F2G模式來運行，不能保持則降低到T2G模式，最后是M2G模式。如果“哈勃”遭到嚴重問題而被迫進入安全模式，那么在恢復的時候，會先進入M2G模式，然后漸次升級到T2G模式和F2G模式。假設狀態(tài)比較好，也可以直接從安全模式進入T2G模式，再恢復到F2G模式。

這些模式聽起來很復雜，但因為NASA對于“哈勃”的運行已經得心應手，所以實施上沒有遇到太大困難。只經過了三圈軌道，“哈勃”就成功進入了F2G模式，精確地實現(xiàn)了角速度控制、星圖繪制、姿態(tài)確定和糾偏操作。2005年8月起，TGS模式進入正式運行。

電池充電有講究

在1990年發(fā)射的時候，“哈勃”用的是鎳氫蓄電池，總容量520安時，大概是相當于192.5個iPhone X手機電池。但是經過20多年的運行之后，“哈勃”和我們的手機一樣，也面臨著電池衰減的問題。到2004年，這些電池的總容量已經下降到246安時，而且會繼續(xù)下降。SM4任務的重要工作就是給它換新電池。然而SM4的推遲迫使NASA只能想辦法用舊電池繼續(xù)湊合幾年。

▲ 在SM4任務中，被機械臂抓回的哈勃空間望遠鏡

傳統(tǒng)上，“哈勃”采用充滿模式。但是為了延長電池壽命，從2006年1月開始采用所謂的“尖峰充電模式”。每圈軌道飛行中，盡量延長充電時間，但充電電路逐步減小。這是通過有選擇地斷開部分太陽電池來實現(xiàn)的。最多時利用12塊太陽電池，最少用4塊。這樣就可以用比較小的電流來維持比較高的電壓。不過這樣充電會導致電池溫度比設計溫度高兩攝氏度左右。所以，必須用計算機自動平衡電壓和溫度之間的關系。而且，要對“哈勃”上的6塊蓄電池分別獨立充電，這樣就可以避免6塊電池同時升溫。事實證明，這樣的方法效果還不錯，“哈勃”的電池容量后來一直保持在246安時，沒有發(fā)生顯著下降。

最后一次SM

2009年的SM4因為是最后一次，并且考慮到詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的發(fā)射日期一再推遲，所以美國宇航局為SM4規(guī)劃了大量內容，希望“哈勃”能多堅持幾年，避免出現(xiàn)觀測能力空白。

全換成新的

按照計劃，SM4基本上是把“哈勃”的內臟全換成新的。為此要進行5次出艙活動。更換兩套電池、6臺陀螺儀，換掉兩臺科學儀器，更換新的精密制導敏感器，三塊新的防護氈。

6塊鎳氫電池分成兩組，放置在2號和3號設備架的維護艙門后面。這些電池的分量都不輕，每組大約有227千克重。如果不是在失重環(huán)境下，人力是抽不出來的。每塊電池有23個單元，其中22個用于夜間給“哈勃”供電，剩下1個是地面測試用的。每塊電池配套兩個連接器，其中一個連接器用于直接供電，另外一個用于測量和發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括電池內部壓力和溫度等。

舊的蓄電池采用干式電解質，SM4打算換成濕式的。另外，新電池設置了隔離開關，可以通過電子控制的方式實現(xiàn)與連接器的通斷控制。這樣更有利于安全運行。除此之外，新舊電池沒有什么區(qū)別。

“哈勃”共攜帶了3臺“速率陀螺組件”（RGA），每個RGA包括2副“速率集成陀螺”，它們裝在同一個設備盒里，稱為“速率敏感器單元”（RSU）和一個“電子控制單元”（ECU）。SM4任務打算把這6副陀螺全都換掉。陀螺儀是“哈勃”用來測定自身姿態(tài)的主要敏感器，測量的結果用數(shù)字信號和模擬信號兩個信道輸出。在1993年的SM1任務期間，更換了兩個RSU；在1999年的SM3任務期間又全部更換了一次。

▲ 這是一張非常有趣的照片，照片上看起來有好幾個航天員在工作，實際只有兩個航天員，其它的只是哈勃望遠鏡反射出來的影像

▲ 航天員安德魯·費斯特爾在SM4任務中進入第一次太空行走

精密制導敏感器（FGS）用來跟蹤某些具體的恒星，來輔助陀螺儀確定“哈勃”的姿態(tài)。即使在6個陀螺儀都能正常工作的時候，F(xiàn)GS的作用也非常重要。FGS包括兩臺主要設備，首先是精密制導電子系統(tǒng)（FGE），其次是精密制導輻射帶單元（RBM）。RMB由兩類光學器件組成：干涉計組件和星敏感伺服機構組件。FGS是一件相當沉重的設備，總質量達到220多千克。

具體的任務內容包括更換精密制導敏感器（FGS）、更換新一代外層防護氈（NOBL）（替換已經嚴重損壞的多層隔離氈MLI）。在科學儀器方面，要換掉上一代的寬視場行星相機2（WFC2），換掉那臺用來解決主鏡超差的空間望遠鏡主軸修正光學設備（COSTAR），用寬視場行星相機3（WFC3）和宇宙起源成像儀（COS）取而代之。還要修理已經老舊的空間望遠鏡成像光譜儀（STIS）

STS-125任務共有7位航天員升空，執(zhí)行11天任務。其中4人分成兩組進行了5次艙外維修活動，第一組兩人出艙兩次，第二組兩人出艙三次。一般來說，一次飛行中航天員出艙不能超過三次，每次出艙活動持續(xù)不超過6小時。所以第一組預備把最后一次出艙機會留給可能的航天飛機本身維修。

五次艙外活動的任務時間其實很緊張，第一次需要更換寬視場行星相機和科學儀器指令及數(shù)據(jù)處理模塊，還需要更換軟捕獲機構(SCM)和維護艙門閂。第二次需要安裝新的速率敏感器單元并更換一個電池組。第三次需要安裝宇宙起源波譜成像儀，并徹底修復先進巡天相機。第四次需要修復Space 望遠成像攝譜儀(STIS)。第五次，也就是最后一次，需要更換精密制導系統(tǒng)和另一個電池組。

安全性問題

考慮到SM4就是因為哥倫比亞號事故才推遲的，所以2006年NASA決定恢復任務時，對安全性問題的重視達到了空前的高度。特別是在SM3A到SM4的這些年里，NASA在國際空間站艙外活動工作中積累了大量新的經驗，開發(fā)了新的工具和接口，也對安全性問題有了很多新的認識。如何把這些新的知識應用到SM4當中去，成為任務籌備中的一項重要工作。

“哈勃”設計于上世紀80年代，許多用于維護和維修它的工具設計于90年代，在安全性上可能已經無法滿足21世紀的標準。例如有些工作具有鋒利邊緣，用于切割、翻撬和夾緊。在國際空間站運行中，已經不允許有這些工具了。于是NASA對整個安全工作進行了重新梳理。

SM4的安全性工作，要考察系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設備、人員位置、接觸和人員動作中可能存在的風險。其中不僅僅要考察與“哈勃”相關的內容，還要參考其他艙外活動中存在的風險。這項工作由約翰遜中心的載荷安全性評估委員會負責，要針對新的載荷架、軟件、電池、設備、任務環(huán)境、艙外環(huán)境分別給出報告。

▲ 航天員邁克爾·費爾在水下的哈勃望遠鏡模型中進行維修訓練

安全工作的一個基本思路是，航天員在接受訓練并掌握相關知識后，能夠知道安全風險的位置和存在，能夠采取合適的對策來減緩這些風險，使之降低到一個可以接受的程度。

通過分析，約翰遜中心找出了哪些風險呢？我們不妨來挨個看一看。

1.踢壞設備

這聽起來很荒唐，訓練有素的航天員還能干這么不靠譜的事兒？然而研究發(fā)現(xiàn)，在失重環(huán)境下，航天員要保持身體平衡是有困難的，當他們在航天飛機貨艙里運動的時候，很可能會踢到腳下的設備架，而嬌氣的“哈勃”儀器就裝在上面。比如IMAX相機的存放位置就在氣閘艙和修理位置之間，它上面有個不算結實的玻璃蓋。一旦被踢碎，不但設備本身壞了，還會形成尖利的碎玻璃，危及航天服，進而威脅航天員的生命安全。為了減緩這種風險，需要給航天員設計一個艙外行走路線圖，指出哪里有風險存在，根據(jù)這個路線圖進行反復而嚴格的訓練。

2.機械臂操作

在維修“哈勃”的時候，需要用航天飛機上的機械臂把它抓住，拉到貨艙里固定住，然后再展開維修。這個時候，“哈勃”的太陽電池還處在展開狀態(tài)，內部的科學儀器也正在工作。因此無論抓還是拉，動作幅度都不能太猛烈。而且要防止“哈勃”撞到航天飛機貨艙，造成損壞。在SM3A任務之前，NASA并沒有對這項操作做出定量規(guī)定。但是在SM4任務中，給出了操作機械臂的具體限制條件。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)，此前任務中航天員因為擔心兩者相撞，把“哈勃”夾持在了距離航天飛機太遠的位置，其實完全可以再近一些。

3.漏電風險

在維修“哈勃”期間，太陽電池和蓄電池依然有電壓，有一定的危險。在更換電連接器的過程中，當附近有航天員的時候，需要采取絕緣措施。但是，如果帶電的連接器接頭彎折了，或者其中夾雜有太空垃圾，就可能破壞絕緣。因此約翰遜中心要求，在更換接頭時必須采取兩重絕緣。

3.接觸導致的風險

▲ SM4任務中的航天員在地面的哈勃望遠鏡模型上進行訓練

▲ 航天員約翰·斯菲爾德在SM4任務中測試電動工具，為出艙維修做準備

有四種直接接觸會對航天員的安全造成威脅，其中包括極端溫度、尖銳的邊緣、狹窄點和突出部。其中極端高溫和極端低溫都會超過航天服手套的防護能力，對航天員的手部造成傷害。尖銳邊緣可能刺穿艙外航天服或者手套，造成身體傷害，或者降低艙外活動持續(xù)時間。狹窄點和突出部會影響航天員的行動能力，妨礙他們接近“哈勃”或者收納架上的設備。這類風險可能在哪個位置、哪個時刻發(fā)生，都寫在了任務文件當中，供航天員訓練之用。

以后怎么辦？

10月27日，美國宇航局宣布，在控制人員修復了故障陀螺后，“哈勃”空間望遠鏡已于10月26日恢復正?？茖W運行，并于5小時后利用寬視場行星相機3完成了對一個遙遠星系的觀測。這是“哈勃”自6臺陀螺儀中的第三臺于10月5日報廢以來首次恢復科學觀測。余下的3臺陀螺儀中，此前一直留作備份的3號陀螺儀在開機后報出的轉速遠高于實際轉速，致使望遠鏡轉入安全模式。工程技術人員通過實施一系列機動動作最終找到了降低3號陀螺反常轉速的辦法。因仍有3臺陀螺儀能用，“哈勃”仍能正常開展科學觀測。如若3號陀螺儀修不好，美國宇航局曾打算讓“哈勃”以單陀螺儀模式恢復運行。在該模式下，“哈勃”仍能開展三陀螺儀模式下所能開展的大部分觀測，但觀測區(qū)域會減小。

“哈勃”在設計之初就采取了模塊化的思維，而且很多需要更換的部件都安排在外側容易接近的地方。事實證明這個想法其實在很大程度上實現(xiàn)了。如果沒有這樣的基本設計，上天之初那次誤差就無從解決，后續(xù)的修理也不可能那么容易。

不過NASA已經放棄了這種思路。即使在航天飛機被迫退役之前，NASA也無法再承受用它來維護空間望遠鏡的巨大成本。因此用來接替“哈勃”的詹姆斯·韋伯望遠鏡不再考慮維護?！绊f伯”望遠鏡部署在地月之間的拉格朗日L2點，距離地球有150萬公里，不可能再隔幾年維護一次。這就對“韋伯”本身的可靠性提出了很高的要求。

然而從另一個角度說，空間維護和維修其實是航天時代無法回避的問題。哪怕不再有“哈勃”，哪怕沒有航天飛機了，人們也要為大型空間設施的維護和維修尋找一套切實可行的手段。所以，NASA在“哈勃”之后打算怎么建設空間維修能力，還是一個需要探討的問題。

相關鏈接：

“哈勃”維修檔案

任務編號：SM1

時間：1993年12月2日-13日

航天飛機任務編號：STS-61

1993年12月，奮進號航天飛機執(zhí)行了對哈勃空間望遠鏡的第一次維護任務，安裝了空間望遠鏡主軸修正光學設備(COSTAR)，校正了“哈勃”望遠鏡主鏡成像模糊的問題。將廣域和行星照相機及內部的光學系統(tǒng)升級，更換了太陽能帆板及其電子設備、陀螺儀、二個控制盤、二個磁力計和其他電子組件。

任務編號SM2

時間：1997年2月11日-21日

航天飛機任務編號：STS-82

1997年2月，發(fā)現(xiàn)號航天飛機執(zhí)行了第二次維護任務。用空間望遠鏡成像光譜儀(STIS)和近紅外線照相機和多目標分光儀(NICMOS)替換掉戈達德高解析攝譜儀(GHRS)和暗天體攝譜儀(FOS)、修護防護氈。

任務編號：SM3A

時間：1999年12月19日-27日

航天飛機任務編號：STS-103

由于“哈勃”的6個陀螺儀中有4個失效，“哈勃”不得不進入休眠狀態(tài)，為了使“哈勃”盡快恢復使用，NASA將原計劃的第三次常規(guī)維護，拆分為兩次。于1999年12月發(fā)射發(fā)現(xiàn)號航天飛機執(zhí)行“哈勃”望遠鏡第三次維護的第一部分任務。在這次維護中更換了全部的6臺陀螺儀，也更換了一個精密制導敏感器和計算機，安裝一套組裝好的電壓/溫度改善工具(VIK)以防止電池過熱，更換防護氈。

任務編號：SM3B

時間：2002年3月1日-12日

航天飛機任務編號：STS-109

2002年3月，哥倫比亞號航天飛機執(zhí)行第三次維護的第二部分任務，用先進巡天照相機(ACS)替換了暗天體照相機(FOC)，更換了新的冷卻系統(tǒng)和太陽能板。升級了“哈勃”望遠鏡的配電系統(tǒng)，使哈勃空間望鏡的電力自升空以后首次可以充分使用。

任務編號：SM4

時間：2009年5月 11日-24日

航天飛機任務編號：STS-125

2009年5月，阿特蘭蒂斯號航天飛機執(zhí)行了哈勃空間望遠鏡的最后一次維護任務，為其更換了大量設備和輔助儀器:用寬視場行星相機3(WFC3)取代WFPC2;安裝新的宇宙起源成像儀(COS)、取回該處的COSTAR主軸光學修正設備;修復損壞的先進巡天照相機(ACS);修復損壞的空間望遠鏡成像光譜儀(STIS);替換損壞的精密制導敏感器(FGS);更換科學儀器指令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(SIC&DH);更換全部的電池模組;更換所有的6個陀螺儀和3組定位傳感器(RSU);更換對接環(huán)、安裝全新的熱防護氈(NBOL)、補充制冷劑等等。