命懸陀螺儀：從哈勃望遠鏡故障談起
引言
撰文 | 茍利軍 （中國科學院國家天文臺，中國科學院大學）
孫陽（中國科學院長春光機所）
編輯 | 韓越揚
北京時間2018年10月6日，哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）因故障暫時停止觀測的消息傳出，再次讓全世界的天文學家為之憂心。研究人員發(fā)現(xiàn)，原來是哈勃的一個陀螺儀出現(xiàn)了故障，而備份陀螺儀又不能正常啟動，于是望遠鏡進入了安全模式。
在2009年對哈勃的最后一次維修中，科學家重新更換過所有6個陀螺儀。一般來說，太空望遠鏡只需3個陀螺儀就可以精確測量方向，同時還會多安裝幾個以備不時之需。在過去的幾年中，尤其是2018年，哈勃的陀螺儀的使用年限陸續(xù)到期，相繼停止工作。陀螺儀故障在2018年4月份就發(fā)生過一次。而在10月份的事故中，用來“續(xù)命”的備份陀螺儀竟也出現(xiàn)故障，不能接棒執(zhí)行任務了。
在接下來的一個星期里，操作小組猜測，由于備份陀螺儀已經(jīng)存放了將近10年之久，其內(nèi)部用于隔離衛(wèi)星振動的液體封裝層出現(xiàn)了氣泡，導致陀螺儀轉子跑偏。
10月18日，操作小組讓望遠鏡進行了一系列來回啟動和轉動，同時讓陀螺儀在高低速模式之間來回切換。說白了，就是試圖搖晃陀螺儀，希望把氣泡搖開。美國媒體用一系列充滿幽默（也許是“過分幽默”）的標題概括了NASA的這一維修方法——
不管外界如何評價，操作小組最后成功了。10月26日晚間，哈勃終于恢復了正常運行，并于次日凌晨2點10分再次完成了一項科學觀測。哈勃“病愈”后的第一個觀測對象是遙遠的星系DSF2237B-1-IR，寬視野相機3號儀器拍攝到了它的清晰紅外照片。哈勃又暫時健康了！
回過頭來，我們要提出的問題是：陀螺儀為何這么重要？如果陀螺儀無法正常工作，耗資巨大、全球科學家排隊等待使用的太空望遠鏡就只能“歇菜”了嗎？陀螺儀是如何工作的？哈勃的陀螺儀與你的智能手機里的陀螺儀是一回事嗎？
精確指向：太空望遠鏡卓越任務的實現(xiàn)前提
天文學中有一個顯而易見的道理：如果你想要看到更深更遠的天體，就需要望遠鏡擁有更大口徑，觀測保持更長時間。根據(jù)光的衍射原理，望遠鏡口徑越大，分辨率就越精細；望遠鏡觀測時間越長，越能看清更遠的暗淡天體。無論如何，這都需要望遠鏡指向精確，不然得到的圖像就會模糊，這就如同拍夜景手抖就會得到模糊照片一般。所以“精確指向”對于太空望遠鏡的觀測而言尤為重要。
在過去的28年中，哈勃望遠鏡位于地表之上大約540公里的圓形軌道上，每隔大約90分鐘就完成繞地球一周的飛行，它的眾多觀測結果革新了我們對這個廣袤宇宙的認識。在哈勃幾百萬次的觀測中，影響最深遠的一次之一當屬“哈勃深場觀測”（Hubble Deep Field，HDF）。這次觀測于1995年12月開展，時任空間望遠鏡研究所所長的Robert Williams博士花費了大約250個軌道周期的時間，對大熊座中如針尖般大小的同一區(qū)域（可見精確指向是多么重要），進行了長達10天的連續(xù)定點觀測，最終得到了一幅照片，其中布滿大小不一的星系，這就是著名的哈勃深場。
這張看似簡單的照片實則意義非凡。在上世紀20年代，天文學家愛德文?哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙由眾多星系構成，而哈勃深場首次幫助我們推斷出了宇宙中星系的總數(shù)目，并幫助我們了解星系的演化。在這次長時間的連續(xù)定點觀測中，環(huán)地飛行的望遠鏡需要與陀螺儀系統(tǒng)出色配合，不斷調(diào)整指向，才能始終保持精確對準大熊座的同一區(qū)域。
除了著名的哈勃望遠鏡，今年受陀螺儀故障影響的還有錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）。就在哈勃望遠鏡陀螺儀失效之后不久，2018年10月10日，這個已服役19年之久的美國大型空間天文臺也因為陀螺儀故障進入了安全運行模式，暫時停止觀測。研究小組21日對陀螺儀進行了新的配置，使得錢德拉恢復了科學觀測工作。
除了作為一個測量指向設備的陀螺儀頻發(fā)故障之外，用來調(diào)整指向的設備也是導致太空望遠鏡發(fā)生故障的一個重要原因。一些太空衛(wèi)星或設備是通過反作用飛輪來調(diào)整指向，從而實現(xiàn)精準觀測的。比如我們熟知的行星獵手——開普勒衛(wèi)星（Kepler）。
在2009年發(fā)射之后，開普勒通過對天鵝座和天琴座區(qū)域的固定觀測，發(fā)現(xiàn)了我們現(xiàn)在所知道的絕大多數(shù)的系外行星，從而改變了我們對于系外行星的眾多認識。開普勒項目收獲巨大，NASA原本打算將其任務延長到2016年，但在2012年7月14日，開普勒衛(wèi)星上用來調(diào)整方向的四個反作用飛輪中有一個由于摩擦太強，最終停止了轉動。2013年5月11日，第二個反作用飛輪以同樣的方式壞掉了。五個月之后，NASA宣布放棄修復嘗試。開普勒利用剩余兩個反作用飛輪和矢量噴氣系統(tǒng)協(xié)同調(diào)姿，得以在安全模式下繼續(xù)工作。由于正常工作的飛輪數(shù)量不足，在開普勒視野中原本能夠保持穩(wěn)定的恒星現(xiàn)在開始慢慢漂移，觀測能力極大下降。2018年，矢量噴氣系統(tǒng)燃料耗盡，無法幫助飛輪調(diào)姿，開普勒望遠鏡終于在10月30日宣布退役。
既然精確指向對于太空望遠鏡而言如此重要，事關探測項目存亡，那么，太空望遠鏡又是如何實現(xiàn)精確指向的呢？
如何精準：望遠鏡的指向工作原理
對于任何一個太空望遠鏡而言，精確指向都是通過測量和執(zhí)行兩個步驟來完成的，所以相關的設備也包含這兩個方面。
A、測量系統(tǒng)
除了上文提到的陀螺儀，測量設備通常還包括其他一些姿態(tài)敏感器，比如紅外地平儀、星敏感器、太陽敏感器和磁強計等。又因地平儀、太陽敏感器和磁強計測量精度有限，所以太空望遠鏡所需的高精度指向信息通常由星敏感器和陀螺儀來協(xié)同測量完成。
所謂星敏感器，實際上是一組指向不同方向的小型望遠鏡，通過拍攝不同方向的星空，并與預存的星圖比對，從而求解出衛(wèi)星在太空中的絕對指向。
在某些情況下，如果陀螺儀出現(xiàn)損壞或故障、能夠工作的陀螺儀不足三個，缺少的方位測量信息可以由太陽敏感器、星敏感器等補充，進行一定程度的挽救。但是，因為這些輔助設備或精度不高，或做不到高頻率測量，仍無法完全替代陀螺儀，只能作為權宜之策。所以一旦陀螺儀數(shù)量低于三個，精確指向就無法實現(xiàn)了。
說到陀螺儀，或許你的腦海中會浮現(xiàn)出幾個嵌套的圓環(huán)的形象，那是歷史上一種十分古老的機械式陀螺儀的外觀。此外，自蘋果公司2010年在iPhone4中引入陀螺儀以來，這一元件已經(jīng)廣泛應用在我們?nèi)缃袷褂玫闹悄苁謾C里，并被大家熟知。（當然，手機里的陀螺儀不再是幾個圓環(huán)嵌套的樣子）
因為陀螺儀具有保持自身轉動狀態(tài)的特點，所以通常被用來實現(xiàn)太空望遠鏡在太空中的穩(wěn)定定位和角度測量。隨著技術發(fā)展，最初的機械式陀螺儀已經(jīng)衍生出了根據(jù)光學原理工作的光學陀螺，乃至根據(jù)原子自旋等性質工作的新概念陀螺。需要注意的是，原子自旋是一個量子力學概念的物理量，并不是講原子本身真的在旋轉?？梢姟巴勇輧x”的內(nèi)涵已經(jīng)被大大擴展了。
由于每個陀螺儀能夠測量一個方向的轉動，因此要測量望遠鏡在三維空間中的指向狀態(tài)，需要至少三個陀螺儀同時工作，這就類似我們所了解的坐標軸。通常的太空望遠鏡會多安幾個陀螺儀，多出來的作為冗余備份，待有陀螺儀故障后作為補充，以延長太空望遠鏡的壽命。作為美國的旗艦型望遠鏡，哈勃空間望遠鏡不僅同時安裝了六個陀螺儀，并且，在之前針對哈勃的共五次維修中，宇航員曾兩次對陀螺儀進行在軌更換，保證了望遠鏡的長久正常運轉，這也是哈勃能夠工作至今的一個重要原因。
陀螺儀按照工作原理，可分為常規(guī)（機械式）陀螺、光學陀螺以及基于新技術的新概念陀螺等。
（1）常規(guī)陀螺
常規(guī)陀螺儀是一臺利用高速旋轉的質量來敏感測量指向的設備。根據(jù)陀螺的進動性原理，當衛(wèi)星運動使陀螺儀的自轉軸變動，導致陀螺在其輸入軸方向存在一個進動角速度時，在陀螺的輸出軸將產(chǎn)生一個力矩。通過將力矩轉換為電信號，即可測得陀螺儀當前的轉角。
常規(guī)陀螺儀的工作原理，其實在很早之前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)并廣泛應用于生活當中。法門寺曾經(jīng)出土過一件罕見的唐鎏金銀香囊，不管外面的圓球如何晃動，里面的香囊總是保持水平狀態(tài)。在科技并不發(fā)達的唐代，這也可以被認為當時的黑科技了，其實它就是一個類似的陀螺儀系統(tǒng)。
陀螺只有在高速且高穩(wěn)定的情況下，才能保證高測量精度。這個目標可以靠液浮、氣浮、磁懸浮等技術實現(xiàn)。哈勃望遠鏡采用的是氣浮和液浮相結合的方式，這可以隔離衛(wèi)星的振動干擾，同時將阻力降到極低，從而保證望遠鏡定位的高精度及穩(wěn)定性。
常規(guī)陀螺采用的是高速旋轉的轉子，受工藝水平限制，很難達到長使用壽命的要求。但是，考慮到哈勃望遠鏡的制造時間，或許還有歷史沿革的原因——當時光學陀螺等才剛剛發(fā)明出來，機械式陀螺儀最為成熟，也經(jīng)過了多代衛(wèi)星與國際空間站的檢驗，畢竟上天無小事——哈勃使用的一直是常規(guī)機械陀螺儀。
（2）光學陀螺
光學陀螺分為激光陀螺和光纖陀螺兩類。它們的工作原理都是基于Sagnac效應，即在光路有旋轉運動時，光在閉合光路中沿順時針和逆時針方向的傳播時間會產(chǎn)生差別，這種時間差對應著光路的旋轉角速度，測出時間差就能知道陀螺儀轉角。
激光陀螺隨著激光技術誕生而出現(xiàn)，采用光學諧振腔作為光通路，使用鏡面反射建立光路閉環(huán)。
光纖陀螺出現(xiàn)較晚，隨光纖技術而誕生。它使用繞成環(huán)形的光纖作為光通路，通過多圈卷繞，大大提高了靈敏程度。它不需要活動部件，可以做得較小，安裝簡單，壽命長，耐惡劣環(huán)境，使用非常方便。
光學陀螺目前主要用于航空、艦船等領域。未來待到成本繼續(xù)下降，也許我們會在消費用品上見到它們的身影。
（3）新概念陀螺
在過去的幾十年當中，隨著材料科學、測量控制技術的發(fā)展，人們得以將一些獨立于傳統(tǒng)陀螺儀發(fā)展路徑的物理原理應用到陀螺儀上。這方面的代表有微機電（MEMS）陀螺、原子自旋陀螺等。
微機電陀螺儀根據(jù)驅動方式可劃分為靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動，按檢測方式可分為電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測等。雖然它的精度不是那么高，但這種陀螺儀有著尺寸小、價格低的優(yōu)勢，成本可以做到人民幣5元上下，所以目前已經(jīng)成為手機的標配，極大增強了手機的應用和娛樂功能。
原子自旋陀螺儀使用原子內(nèi)稟的自旋角動量進行慣性測量。2002年，科學家發(fā)現(xiàn)，在堿金屬原子進入高溫下的無自旋交換弛豫態(tài)（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）后，原子自旋密度會提高若干數(shù)量級，從而可以與外界載體的轉動相互作用，實現(xiàn)陀螺儀功能。
目前，這些新概念陀螺儀尚處于雛形狀態(tài)，技術尚不成熟，工作指標還無法滿足太空望遠鏡的高精度需求。但廣闊的前景已經(jīng)依稀可見，相信在不久的將來，我們可以在太空望遠鏡上發(fā)現(xiàn)它們的身影。
B、執(zhí)行設備
在測量好望遠鏡的方位之后，如果我們需要調(diào)整望遠鏡的指向，就輪到執(zhí)行設備上場了。執(zhí)行設備包括矢量噴氣系統(tǒng)、反作用飛輪、磁力矩器等。其中磁力矩器通過與空間中的磁場相互作用來調(diào)整衛(wèi)星指向，輸出力矩較小，因此衛(wèi)星指向調(diào)整主要通過矢量噴氣系統(tǒng)和反作用飛輪來完成。我們接下來逐一進行介紹。
（1）矢量噴氣系統(tǒng)
矢量噴氣系統(tǒng)通過噴射氣體所獲得的反作用力來調(diào)整衛(wèi)星指向。所使用的氣體是通過燃燒衛(wèi)星所攜帶的燃料而產(chǎn)生的，因此工作壽命受衛(wèi)星攜帶燃料量限制。燃料一旦用完，矢量噴氣系統(tǒng)也就無法工作了。前面提到的開普勒望遠鏡就是一個典型例子。
（2）反作用飛輪
反作用飛輪的工作也基于陀螺原理。差別在于，陀螺儀質量較小，對衛(wèi)星指向的影響小，僅用于測量；而反作用飛輪一般質量較大，且飛輪轉子的質量主要分配在輪緣，以盡可能獲得更大的轉動慣量，來最大化提供調(diào)節(jié)能力。飛輪安裝在衛(wèi)星上，連帶飛輪的整個衛(wèi)星系統(tǒng)角動量守恒；通過調(diào)整飛輪轉子轉速，可以將轉動角動量在飛輪轉子和衛(wèi)星之間進行分配，從而控制衛(wèi)星的轉動，調(diào)節(jié)衛(wèi)星指向。
與矢量噴氣系統(tǒng)不同，反作用飛輪僅需要電能即可輸出轉動角動量，不需要燃料，因此更加方便。但是，由于飛輪一直在轉動，本身質量也很大，其故障率高于非活動件，并且飛輪自身也是衛(wèi)星振動的主要來源之一，這些都會影響望遠鏡的工作。衛(wèi)星有一個叫做“平臺”的系統(tǒng)，它隔離了科學儀器與衛(wèi)星其余部分的直接連接，打個不太恰當?shù)谋确?，有點類似于筆記本電腦的主板的功能。飛輪一般安裝在衛(wèi)星平臺上，望遠鏡通過隔振裝置與平臺連接，從而盡可能降低飛輪振動帶來的影響（當然也在降低太陽帆板、衛(wèi)星天線等其它振動的影響）。
與陀螺儀相似，在框架轉動的某一瞬間，單個飛輪產(chǎn)生的轉動角動量僅限于單個方向，因此在實際航天應用中，需要至少三個飛輪配合使用才能完成航天器的三自由度指向控制。在航天任務中，我們一般將多個飛輪以特定的空間構型集中安裝使用。
說到反作用飛輪（reaction wheel），就需要說明一下動量輪（momentum wheel）。二者有類似之處，但差別也十分巨大。前者既可以正向轉，也可以反向轉，所以平均角動量有可能為零；而動量輪通常只沿著一個方向轉動，但是其轉速可調(diào)節(jié)，平均在一個固定轉速上，所以它的角動量不為零，轉速范圍被“偏置”到某一數(shù)值附近，所以動量輪也被稱作偏置動量輪。動量輪的轉動方向更單一，于是可以通過優(yōu)化設計，使轉速達到更高，實現(xiàn)更大的轉動慣量。這種性能上的優(yōu)點將其從反作用飛輪中分離成為單獨一種類型，并衍生出更多的功能。
結語
以上就是哈勃、開普勒等等太空望遠鏡為我們帶來的氣勢恢弘的宇宙照片背后的秘密。借由這些集中了人類智慧巧思與物理原理的特殊設備，甚至是特殊的安裝構型，人類的太空之眼才得以對準遙遠星系，為我們帶回宇宙深處的震撼、美好與奧妙。
作者簡介
茍利軍：現(xiàn)任中國科學院國家天文臺研究員，黑洞及其高能爆發(fā)現(xiàn)象研究小組負責人，中國科學院大學天文學教授。北京天文學會副理事長。曾經(jīng)創(chuàng)作科普作品將近20篇和翻譯過多部書籍，作品曾獲中國科協(xié)組織的“2016點贊中國10大網(wǎng)絡科普文章”。曾獲得中國國家圖書館文津獎、全國優(yōu)秀科普作品獲得者和全國優(yōu)秀科普微視頻大賽第一名。
孫陽：畢業(yè)于中國科學技術大學物理系，現(xiàn)工作于中國科學院長春光機所航空光學成像與測量重點實驗室。研究領域以光電成像系統(tǒng)為主。工作以來參與多項國家重點大型科技工程項目。
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我是小標題
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我是圖說（圖源：簡化url）
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參考資料
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【2】
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賽先生
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