SOHO飞船:如何在地球150万公里外重生?

2017年07月18日 10:08 新浪综合

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  来源:科学大院微信公众号

  作者:李会超(中国科学院国家空间科学中心)

  提起SOHO,不少人可能会把它和某个地产公司联系起来。但我们今天谈到的SOHO并非地产项目,而是“太阳和日球层观测台”(Solar and Heliospheric Observatory)飞船的简称。

SOHO飞船SOHO飞船

  神圣使命

  吹袭地球的太阳风暴产生于太阳大气中的不稳定磁场结构,而这些磁场结构的雏形,在太阳光球层定义的太阳表面之下就已经形成了。

  SOHO的任务,就是研究太阳内部和外部各个圈层中的物理过程,为我们更深入的理解太阳这颗恒星、理解太阳风暴产生和发展的过程提供观测数据。

  为了完成这个任务,SOHO被发射到了日地第一拉格朗日点(L1)。

日地第一拉格朗日点(图片来源于网络)日地第一拉格朗日点(图片来源于网络)

  在这里,地球和太阳引力的共同作用,使SOHO飞船绕太阳公转的角速度和地球绕太阳公转的角速度一样。也就是说,地球绕太阳公转过多少角度,SOHO就会转过同样的角度,因此,它始终处于地球和太阳连线上的固定位置,最适合连续不断地监测太阳活动。

  欧美共建

  SOHO配备了种类丰富的观测仪器,这让我们的观测更加得心应手。

  既能用多普勒效应和日震学理论洞悉太阳内部的秘密,又能用紫外波段的成像、光谱的观测研究日冕的结构;既能利用塞曼效应测量太阳光球的磁场,又能用白光日冕仪跟踪太阳风暴的踪迹,还能在太阳风暴到达飞船所在位置时进行实地测量。

  这样一个功能强大、设计精巧的飞船,凝聚了欧洲和美国最优秀的空间物理学家和空间技术人员十多年的心血。它搭载的科学仪器,由欧洲和美国各研究机构的团队分别设计,飞船的总装、测试由欧洲航天局(ESA)负责,而飞船发射和飞船在轨运行期间的控制和数据传输等工作,则由美国国家航天局(NASA)负责。

  由SOHO各个仪器数据组合成的图片,展示了从太阳内部到太阳大气不同圈层的状态

  1995年12月2日,SOHO搭乘美国的宇宙神IIAS火箭升空,顺利到达日地L1点,所有科学仪器成功开机。

  直到今天,SOHO的大部分科学仪器依然能够正常工作,依旧是我们监视太阳风暴,研究太阳奥秘不可替代的航天器。当然,它的数据也支撑了不少空间物理界的科研工作者的研究,让他们拿到了学位和项目。

  欲速不达

  喜欢摄影的读者应该会有这样的体验,当快门曝光时间稍长一些时,“手抖”会让拍摄出来的照片模糊不清。由于SOHO卫星上装配了不少需要“拍照片”的成像观测仪器和光谱仪,因此,对卫星指向太阳的稳定性有比较苛刻的要求。

  为了保持卫星姿态的稳定,不让卫星在太空中“手抖”,卫星上设置了三个飞轮来抵消卫星自身工作过程中的振动。但随着振动的累积,飞轮的转速会越来越快,每隔一段时间,卫星上的发动机会来接过飞轮的负担,彻底地修正飞船姿态,同时使飞轮的转速变慢。这样一次“动量修正”需要花费48小时

  SOHO对太阳的极紫外观测成像,科学家们可以利用这个图像洞悉离太阳表面不远的地方的等离子体和磁场状态。

  对于48小时的维护时间,科学家们意见很大。因为一次维护会让他们失去两天的观测机会。而太阳上爆发事件的时间尺度要比48小时小很多,因此一次维护可能会让科学家们失去对许多太阳爆发事件的宝贵研究机会。

  为此,SOHO的运控人员编制了新的维护流程,并让承包商的码农们重新编写了代码,上传到了飞船上,将这个过程压缩到了24小时之内

  而闯祸的,正是这个新的流程和有bug的代码。

  1998年6月24日,飞船正使用新流程进行一次例行的“动量修正”。在SOHO飞船上,共配置了3台陀螺仪,它们用于测量飞船的姿态和滚转状态。为了延长陀螺仪的寿命,在正常情况下,这三台陀螺仪并不全部开机,只在飞船进行维护或进入紧急状态时才一起工作。

  由于流程和代码的bug,在动量修正完成后,陀螺仪A正确关机,陀螺仪B没有从维护时的高增益状态转换回正常情况下的低增益状态。此时,陀螺仪B开始输出不正确的数据,飞船上的飞控计算机据此错误判断飞船姿态不正常,进而进入了“紧急太阳再捕获”(Emergency Sun Re-acquisition,缩写ESR)模式,试图修正并不存在的偏差。

  按照正确流程,此时陀螺仪A应该重新开机,但又是代码的bug让陀螺仪A仍然处于关机状态。在歇菜的陀螺仪A和抽风的陀螺仪B的共同努力下,飞控计算机彻底凌乱了。

  按照陀螺仪给出的错误参数,飞控计算机指挥飞船发动机不断工作,修正飞船姿态,但异常却在这些修正下越来越严重。在进入一个ESR模式尚未完成修正时,各类参数便会触发另一个ESR。

  NASA戈达德飞行中心的地面运控人员一开始并不惊慌,因为自SOHO开始在L1点工作起,已经进入过4次ESR模式,每次都能顺利回到正常状态。但当飞船在短时间内连续触发3次ESR后,他们开始意识到问题的严重性。

  然而,后来的调查表明,控制人员当时并没有判断清楚出现问题的原因,甚至给飞船发出的一系列命令还恶化了事态。最终,SOHO在太空中的姿态完全失控,用于收发控制信号的天线不能再稳定的指向地球,最终导致与地面丧失了联系。 

  在飞船失控后,NASA和ESA随即召集精通这艘飞船技术的相关人员,组成了一只“抢险队”,试图挽救这个弥足珍贵的太阳观测台。

  涅槃重生

  对事态进行分析后,技术人员们发现,留给他们的时间不多了。首先,SOHO所在的轨道并不稳定,而失控状态下的飞船无法进行轨道维持。如果在3-4个月内不救回SOHO,它就将从所在的位置逃逸,进入绕日轨道。

  同时,飞船姿态失控后,太阳能电池板不能得到充分的照射,飞船的供电会处在持续不足的状态。用于加热飞船的相关系统无法工作,飞船上的仪器将不得不忍耐比设计值低10倍的低温。时间一长,那些精密的科学仪器将有可能被冻坏。 

  为了尽快确定SOHO目前的位置和状态,抢险队打起了当时口径最大的射电望远镜阿雷西博的主意。

  由美国国家自然科学基金会资助、曾经立下汗马功劳的阿雷西博望远镜如今已经陷入了经费不足的窘境。如果望远镜有灵魂,不知道会不会发出“我为天文流过汗,我为航天立过功,我要见委员会”的呼喊

  和一般只能接收信号的望远镜不同,阿雷西博还同时具有发送信号的功能。1974年,它就曾经向武仙座M31球状星团发出一通信号,试图与那里的地外文明建立联系。这次,阿雷西博仍然用来发射信号,而接收信号的任务则由NASA“深空测控网”的大型天线承担。

  7月3日,技术人员们成功锁定了SOHO。它的实际位置和预测位置相差不远,正以52.8秒的周期在太空中翻滚。 

  令技术人员感到欣慰的是,在与SOHO恢复通信后,他们发现控制飞船的通信和控制系统基本正常,电池里的电能也没有被彻底耗竭。

  拯救飞船的工作首先从恢复电池电量开始。此时,飞船的姿态只能使太阳能电池板输出不到一半的功率,而飞船与地面通信时又要大量耗电,控制人员们不得不间或中断与飞船的通信,来保证飞船电池能够尽快充满。

  飞船燃料箱里携带的200公斤燃料中,有48公斤已经被低温冻住。五个助推器和它们的燃料管道也同时被冻住了。依靠飞船有限的电能所提供的加热,技术人员用了长达11天的时间才完成了对飞船的解冻

  最后,飞船的姿态得以纠正,SOHO重新回到了朝向太阳的正常工作状态。 

  万幸的是,经过这一番折腾之后,SOHO几乎毫发未损,所有的科学仪器都能正常产生可用的数据,只有惹祸的陀螺仪A和陀螺仪B不能再继续工作。为此,ESA利用卫星上仍然能够使用的仪器,应急研发了一套不依赖陀螺仪后的姿态控制方案。

  SOHO“抢险队”队员合影

  前段时间,与拯救SOHO剧情差不多的事件也发生在了我们国家。因为火箭工作出现问题,一开始未能成功入轨的中星9A卫星,在地面控制人员的努力下,利用自身的发动机连续调整轨道,最终成功进入预定工作位置。

  用智慧和勇气克服困难力挽狂澜,也许这正是航天工作的魅力之一吧!

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