命悬陀螺仪:从哈勃望远镜故障谈起

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你掌握陀螺仪位于图中的哪个部分吗?(来源:onenewspage.com)

行文 | 苟利军 (中科院国家天文台,中科院大学)

孙阳(中科院戈亚尼亚光学精密机械斟酌所)

编辑 | 韩越扬 金庄维

时尚之都时间二零一八年11月6日,哈勃太空望远镜(哈勃勒 Space Telescope,HST)因故障权且苏息观测的音信传来,再一次让中外的天文学家为之忧心。商讨人士开采,原来是哈勃的叁个陀螺仪出现了故障,而备份陀螺仪又不能够正常运维,于是望远镜步向了平安形式。

在二〇〇八年对哈勃的最后贰遍维修中,化学家再度改动过全体6个陀螺仪。日常的话,太空望远镜只需3个陀螺仪就足以准确衡量方向,相同的时候还或许会多安装多少个以备不经常之需。在过去的几年中,尤其是二〇一八年,哈勃的陀螺仪的应用时间限制时有时无到期,相继结束工作。陀螺仪故障在二零一八年10月份就产生过一次。而在十二月份的事故中,用来“续命”的备份陀螺仪竟也现身故障,无法接棒实践任务了。

在接下去的三个星期里,操作小组预计,由于备份陀螺仪已经贮存了将近10年之久,个中间用于隔断卫星振动的液体封装层出现了血泡,导致陀螺仪转子跑偏。

7月四日,操作小组让望远镜进行了一密密麻麻来回运转和旋转,同一时间让陀螺仪在高低速情势里面往来切换。说白了,正是希图摇曳陀螺仪,希望把气泡摇开。英国媒体用一连串充满风趣(大概是“过分有趣”)的标题归纳了NASA的这一维修措施——

CNET称NASA的做法是“用修路由器的招儿来修望远镜”(NASA may have fixed the 哈勃勒 Telescope the way you fix your router; Turn it off,turn if on,fiddle with the setting,pray.)

科技(science and technology)网址Engadget说她们那是在“来回重启修陀螺(NASA fixes Hubble gyroscope by turning it off and on again)”。

《今天米国》(USA Today) 网址则用了这么的标题:“怎么维修HST?来回扳按钮就行。(What fixed NASA’s 哈勃勒 Space Telescope? Someone flipped a switch on and off)”。

任由外部如何评价,操作小组最终成功了。八月26昼晚上,哈勃终于平复了例行运转,并于次日黎明(英文名:lí míng)2点10分再次变成了一项科学考查。哈勃“病愈”后的首先个观望对象是漫漫的星系DSF2237B-1-ILAND,宽视界相机3号仪器拍片到了它的明明白白红外照片。哈勃又有的时候健康了!

回过头来,大家要建议的主题材料是:陀螺仪为啥如此重大?借使陀螺仪不能够平常干活,耗资巨大、满世界化学家排队等候使用的太空望远镜就只可以“歇菜”了吧?陀螺仪是何许做事的?哈勃的陀螺仪与您的智能手提式有线电话机里的陀螺仪是三遍事吗?

标准指向:太空望远镜卓绝职务的完毕前提

天管理学中有一个明了的道理:即便您想要看见越来越深更远的大自然,就须求望远镜全体越来越大口径,观测保持更加长日子。依据光的衍射原理,望远镜口径越大,分辨率就越精细;望远镜观测时间越长,越能看清更远的灰暗天体。无论怎么样,那都须要望远镜指向准确,不然获得的图像就能搅乱,那就犹如拍夜景手抖就能够收获模糊照片相像。所以“精确指向”对于太空望远镜的体察来说更为关键。

在过去的28年中,哈勃望远镜位于地球表面之上海高校约540英里的圆形轨道上,每间隔差比非常少90分钟就到位绕地球16日的宇航,它的成都百货上千观察结果创新了作者们对那个盛大宇宙的认识。在哈勃几百万次的观看中,影响最风趣的一回当属“哈勃深场观测”(HubbleDeep Field,HDF)。这一次观测于1995年七月拓宽,时任空间望远镜研商所所长的RobertWilliams大学生开销了大意上2五十七个轨道周期的年华,对大熊座中如针尖般大小的一律区域(可以看到准确指向是何其首要),实行了长达10天的连年稳固观测,最后收获了一幅照片,个中布满大小不一的星系,那正是着名的哈勃深场。

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哈勃深场(图源:wikipedia)

那张类似简单的相片其实意义非同平常。在上世纪20年份,天国学家爱德文·哈勃开采宇宙由相当多星系组成,而哈勃深场第贰遍救助大家想见出了宇宙空间中星系的总的数量量,消除了天国学家哈勃在70年前留给大家的疑点:宇宙中有多少个星系;並且协理我们询问了星系的嬗变。在此番长日子的接连稳固观测中,环地飞行的望远镜要求与陀螺仪系统完美协作,不断调节指向,工夫始终维持标准对准大熊座的平等区域。

除外着名的哈勃望远镜,二〇一七年受陀螺仪故障影响的还应该有钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)。就在哈勃望远镜陀螺仪失效之后尽快,2018年12月31日,那些已从军19年之久的美利坚合众国民代表大会型空间天文台也因为陀螺仪故障步入了安全运会行情势,一时半刻停止观测。切磋小组二十二日对陀螺仪进行了新的配备,使得钱德拉复苏了不易考察职业。

除了这几个之外作为衡量指向设备的陀螺仪频发故障之外,用来调解指向的器具也是促成太空望远镜爆发故障的多个根本原由。一些太空卫星或设施是透过反效果飞轮来调动指向,进而完结精准观测的。例如大家熟谙的行星猎手——开普勒卫星。

在二〇一〇年发射之后,开普勒通过对英仙座和天琴座区域的原则性观测,开掘了我们后日所理解的大部分的系外行星,进而退换了作者们对此系外行星的不在少数认知。开普勒项目获取巨大,NASA原来筹算将其职务延长到2014年,但在二零一三年7月31日,开普勒卫星上用来调治趋势的多少个反效果飞轮中有三个由于摩擦太强,最后安息了旋转。贰零壹叁年四月10日,第贰个反效果飞轮以同一的章程坏掉了。五个月之后,NASA宣布舍弃修复尝试。开普勒利用剩余多个反效果飞轮和矢量喷气系统同步调姿,得以在安全方式下继续职业。由于健康办事的飞轮数量不足,在开普勒视界中原来能够保证安澜的恒星今后始发逐年漂移,观测本事庞大裁减。二〇一八年,矢量喷气系统燃料耗尽,不能增加援救飞轮调姿,开普勒望远镜终于在十二月四日公布退役。

既然准确指向对于太空望远镜来讲如此主要,事关探测项目存亡,那么,太空望远镜又是什么样落到实处标准指向的吧?

怎么精准:望远镜的对准职业原理

对此其余二个太空望远镜来说,准确指向都以透过衡量和实行多少个步骤来完结的,所以有关的道具也带有那多少个方面。

A、衡量系统

除了那几个之外上文提到的陀螺仪,度量装置日常还包涵别的部分态度敏感器,举个例子红外市平仪、星敏感器、太阳敏感器和磁强计等。又因地平仪、太阳敏感器和磁强计度量精度有限,所以太空望远镜所需的高精度指向消息经常由星敏感器和陀螺仪来一同度量完结。

所谓星敏感器,实际上是一组针对不一样侧向的微型望远镜,通过拍照不相同方向的星空,并与预存的星图比对,从而求解出卫星在高空中的绝对指向。

在有些意况下,假如陀螺仪出现损坏或故障、可以专门的学问的陀螺仪不足八个,那么贫乏的方向衡量新闻方可由阳光敏感器、星敏感器等补偿,举办自然水准的弥补。不过,因为那一个帮扶设施或精度不高,或做不到高频率度量,仍敬谢不敏完全代表陀螺仪,只好当做权宜之策。所以一旦陀螺仪数量低于七个,正确指向就无法实现了。

聊到陀螺仪,也许你的脑海中会展现出多少个嵌套的圆环的形象,那是历史上一种非常古老的机械式陀螺仪的外观。此外,自苹果公司二零零六年在Nokia4中引进陀螺仪以来,这一部件已经分布应用在我们前天应用的智能手提式有线电话机里,并被大家熟稔。(当然,手提式有线电话机里的陀螺仪不再是多少个圆环嵌套的旗帜。)

图片 3机械式陀螺仪(图源:wikipedia)" style="width:十分二;margin:1rem auto">

{"type":1,"value":"因为陀螺仪具备保持本人转动状态的性状,所以平日被用来贯彻太空望远镜在满恶月的牢固定位和角度度量。随着本领提升,最早的机械式陀螺仪已经衍生出了依据光学原理专门的工作的光学陀螺,以至依据原子自旋等质量专门的学业的新定义陀螺。供给注意的是,原子自旋是三个量子力学概念的物理量,并不是讲原子本人确实在打转。可以看到“陀螺仪”的内蕴已经被大大扩展了。

鉴于各样陀螺仪能够衡量一个势头的团团转,由此要度量望远镜在三个维度空间中的指向状态,需求最少多个陀螺仪同期职业,那就恍如大家所掌握的坐标轴。通常的太空望远镜会多安多少个陀螺仪,多出来的当做冗余备份,待有陀螺仪故障后作为补充,以延长太空望远镜的寿命。作为美利哥的风尚型望远镜,哈勃空间望远镜不止同不经常候设置了七个陀螺仪,並且,在前头针对哈勃的共四回维修中,宇航员曾三回对陀螺仪实行在轨退换,有限协助了望远镜的遥远符合规律运营,那也是哈勃能够工作到现在的一个首要原由。

陀螺仪依据专门的学业规律,可分为常规陀螺、光学陀螺以致基于新手艺的新定义陀螺等。

常规陀螺

常规陀螺仪是一台使用高速旋转的成色来灵活度量指向的设备。依照陀螺的进动性原理,当卫星移动使陀螺仪的自转轴变动,导致陀螺在其输入轴方向存在多个进动角速度时,在陀螺的输出轴将生出八个力矩。通过将力矩转变为邮电通讯号,就可以测得陀螺仪当前的转角。

常规陀螺仪的专门的职业规律,其实在很早在此之前就曾经被发觉并广泛应用于生存在这之中。秘籍寺早已出土过一件稀世的唐鎏金牌银牌香囊,不管外部的圆球如何摇拽,里面包车型地铁香囊总是保持水平状态。在科学技术并不发达的宋朝,那也足以被感觉当下的黑科学和技术了,其实它正是叁个近乎的陀螺仪系统。

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陀螺唯有在飞速且高稳定的情形下,技巧有限支撑高度量精度。这么些指标能够靠液浮、气浮、磁悬浮等技术完成。哈勃望远镜选拔的是气浮和液浮相结合的法子,那能够凝集卫星的抖动忧愁,同不经常间将阻碍降到好低,进而确认保证望远镜定位的高精度及牢固性。

常规陀螺选用的是高速旋转的转子,受工艺水平限制,很难达到规定的规范长使用寿命的供给。不过,牵记到哈勃望远镜的创建时间,恐怕还会有历史沿革的原故——那时候光学陀螺等才刚好发明出来,机械式陀螺仪最为成熟,也经过了多代卫星与国际空间站的核准,究竟上天无小事——哈勃使用的直白是例行机械陀螺仪。

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哈勃望远镜上海飞机制造厂轮与陀螺仪的布局(图源:spacetelescope.org)

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光学陀螺

光学陀螺分为激光陀螺和光导纤维陀螺两类。它们的办事原理都以依照Sagnac效应,即在光路有旋转运动时,光在关闭光路中沿顺时针和逆时针方向的传播时间会生出距离,这种时间差对应着光路的旋转角速度,测出时间差就能够清楚陀螺仪转角。

激光陀螺随着激光手艺诞生而出现,选拔光学谐振腔作为光通路,使用镜面反射创设光路闭环。

光导纤维陀螺出现较晚,随光导纤维手艺而诞生。它应用绕成环形的光导纤维作为光通路,通过多圈卷绕,大大进步了灵活程度。它无需活动部件,能够做得非常小,安装简便,寿命长,耐恶劣情形,使用极其方便。

光学陀螺近年来器重用于航空、舰船等世界。今后待到资金继续下滑,大概大家会在消花费品上观察它们的人影。

新定义陀螺

在过去的几十年当中,随着材质科学、度量调整技术的提升,大家得以将一部分单独于守旧陀螺仪发展路线的情理原理应用到陀螺仪上。那地点的意味有计算机电陀螺、原子自旋陀螺等。

微型Computer电陀螺仪依据驱动情势可分割为静电驱动、电磁驱动、压电驱动,按检查实验方法可分为电容检查测验、压阻质量评定、压电检查评定等。即使它的精度不是那么高,但这种陀螺仪有着尺寸小、价格低的优势,开支能够做到毛外公5元上下,所以最近已经济体改成手机的标配,不小增长了手机的应用和游乐作用。

原子自旋陀螺仪使用原子内禀的自旋角动量进行惯性度量。二零零三年,化学家开采,在碱金属原子进入高温下的无自旋交流弛豫态(Spin Exchange Relaxation Free,SE揽胜极光F)后,原子自旋密度会增高多少数额级,进而能够与外面载体的转动互相作用,达成陀螺仪功效。

日前,这个新概念陀螺仪尚处在雏形状态,本领尚不成熟,工作目标还不能满足太空望远镜的高精度供给。但周边的前景已经模糊不清可知,相信在不久的明天,大家能够在高空望远镜上开掘它们的身影。

B、实践设备

在衡量好望远镜的方向之后,即便大家供给调节望远镜的对准,就轮到实施设备上台了。实行设备包蕴矢量喷气系统、反效果飞轮、磁力矩器等。个中磁力矩器通过与上空中的磁场相互作用来调动卫星指向,输效劳矩异常的小,因而卫星指向调度主要透过矢量喷气系统和反效果飞轮来达成。大家接下去逐条开展介绍。

矢量喷气系统

矢量喷气系统经过喷射气体所获取的反成效劳来调动卫星指向。所选取的气体是经过焚烧卫星所指引的燃料而发生的,由此职业寿命受卫星指引燃料量限制。燃料一旦用完,矢量喷气系统也就不可能专门的事业了。前面提到的开普勒望远镜就是壹个超人事例。

反效果飞轮

反效果飞轮的做事也依据陀螺原理。差距在于,陀螺仪质量极小,对卫星指向的震慑小,仅用于衡量;而反效果飞轮日常质量十分大,且飞轮转子的品质第一分配在轮缘,以尽心尽力获得越来越大的转动惯量,来最大化提供调度技术。飞轮安装在卫星上,连带飞轮的一体育卫生星系统角动量守恒;通过调节飞轮转子转速,能够将转动角动量在飞轮转子和卫星之间进行分配,进而调控卫星的旋转,调治卫星指向。

与矢量喷气系统分化,反效果飞轮仅须要电能就可以输出转动角动量,无需燃料,由此更进一竿平价。可是,由于飞轮一贯在打转,本人质量也异常的大,其故障率高于非活动件,并且飞轮本人也是卫星振动的显要根源之一,那一个都会影响望远镜的行事。卫星有二个叫做“平台”的种类,它隔开分离了科仪与卫星别的部分的第一手连接,打个不太切合的只要,有一点类似于台式机计算机的主板的效果与利益。飞轮平时安装在卫星平台上,望远镜通过隔振装置与平台连接,进而尽只怕收缩飞轮振动带来的震慑(当然也在减低太阳帆板、卫星天线等其余振动的影响)。

与陀螺仪相似,在框架转动的某一一眨眼,单个飞轮爆发的转动角动量只限于单个方向,由此在实际航天应用中,要求最少多少个飞轮协作使用技术达成航天器的三自由度指向决定。在航天职责中,大家日常将五个飞轮以一定的半空中构型聚焦安装使用。

提及反效果飞轮(reaction wheel),就须要证多美滋(Dumex)下动量轮(momentum wheel)。二者有类似之处,但距离也极其宏大。前面八个既可以够正向转,也得以反向转,所以平均角动量有希望为零;而动量轮平日只沿着三个势头转动,但是其转会可调护治疗,平均在贰个固定转速上,所以它的角动量不为零,转速范围被“偏置”到某一数值左近,所以动量轮也被称作偏置动量轮。动量轮的旋转方向更单一,于是能够经过优化规划,使转速达到更加高,完成越来越大的转动惯量。这种属性上的长处将其从反功用飞轮中分离成为独立一类别型,并衍生出更加的多的职能。

结语

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大自然照片背后的绝密。借由那一个聚焦了人类智慧巧思与物理原理的超过常规规设施,以致是独特的设置构型,人类的太空之眼才得以对准长时间星系,为我们带回宇宙深处的感动、美好与神秘。

作者简要介绍

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苟利军:现任中科院国家天文台研究员,黑洞及其高能爆发掘象商讨小组领导,中科院大学天管教育学助教。香港(Hong Kong)天管理学会副监护人长。曾经创作科学普及通文科章将近20篇和翻译过多部图书,文章曾获中国科学技协团队的“二〇一五点赞中中原人民共和国10大互连网大规模文章”。曾获得中中原人民共和国国家体育地方文津奖、全国能够科学普及文章获得者和全国家级优品秀科学普及微录制大赛头名。

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孙阳:毕业于中国科学技术大学物理系,现工作于中科院郑州光机所航空光学成像与衡量珍视实验室。研商领域以光电成像系统为主。工作的话参加多项国家重要大型科技(science and technology)工程项目。

来源:赛先生

编辑:Shiny

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