命悬陀螺仪：从哈勃望远镜故障谈起
引言
撰文 | 苟利军 （中国科学院国家天文台，中国科学院大学）
孙阳（中国科学院长春光机所）
编辑 | 韩越扬
北京时间2018年10月6日，哈勃太空望远镜（hubble space telescope，hst）因故障暂时停止观测的消息传出，再次让全世界的天文学家为之忧心。研究人员发现，原来是哈勃的一个陀螺仪出现了故障，而备份陀螺仪又不能正常启动，于是望远镜进入了安全模式。
在2009年对哈勃的最后一次维修中，科学家重新更换过所有6个陀螺仪。一般来说，太空望远镜只需3个陀螺仪就可以精确测量方向，同时还会多安装几个以备不时之需。在过去的几年中，尤其是2018年，哈勃的陀螺仪的使用年限陆续到期，相继停止工作。陀螺仪故障在2018年4月份就发生过一次。而在10月份的事故中，用来“续命”的备份陀螺仪竟也出现故障，不能接棒执行任务了。
在接下来的一个星期里，操作小组猜测，由于备份陀螺仪已经存放了将近10年之久，其内部用于隔离卫星振动的液体封装层出现了气泡，导致陀螺仪转子跑偏。
10月18日，操作小组让望远镜进行了一系列来回启动和转动，同时让陀螺仪在高低速模式之间来回切换。说白了，就是试图摇晃陀螺仪，希望把气泡摇开。美国媒体用一系列充满幽默（也许是“过分幽默”）的标题概括了nasa的这一维修方法——
不管外界如何评价，操作小组最后成功了。10月26日晚间，哈勃终于恢复了正常运行，并于次日凌晨2点10分再次完成了一项科学观测。哈勃“病愈”后的第一个观测对象是遥远的星系dsf2237b-1-ir，宽视野相机3号仪器拍摄到了它的清晰红外照片。哈勃又暂时健康了！
回过头来，我们要提出的问题是：陀螺仪为何这么重要？如果陀螺仪无法正常工作，耗资巨大、全球科学家排队等待使用的太空望远镜就只能“歇菜”了吗？陀螺仪是如何工作的？哈勃的陀螺仪与你的智能手机里的陀螺仪是一回事吗？
精确指向：太空望远镜卓越任务的实现前提
天文学中有一个显而易见的道理：如果你想要看到更深更远的天体，就需要望远镜拥有更大口径，观测保持更长时间。根据光的衍射原理，望远镜口径越大，分辨率就越精细；望远镜观测时间越长，越能看清更远的暗淡天体。无论如何，这都需要望远镜指向精确，不然得到的图像就会模糊，这就如同拍夜景手抖就会得到模糊照片一般。所以“精确指向”对于太空望远镜的观测而言尤为重要。
在过去的28年中，哈勃望远镜位于地表之上大约540公里的圆形轨道上，每隔大约90分钟就完成绕地球一周的飞行，它的众多观测结果革新了我们对这个广袤宇宙的认识。在哈勃几百万次的观测中，影响最深远的一次之一当属“哈勃深场观测”（hubble deep field，hdf）。这次观测于1995年12月开展，时任空间望远镜研究所所长的robert williams博士花费了大约250个轨道周期的时间，对大熊座中如针尖般大小的同一区域（可见精确指向是多么重要），进行了长达10天的连续定点观测，最终得到了一幅照片，其中布满大小不一的星系，这就是著名的哈勃深场。
这张看似简单的照片实则意义非凡。在上世纪20年代，天文学家爱德文•哈勃发现宇宙由众多星系构成，而哈勃深场首次帮助我们推断出了宇宙中星系的总数目，并帮助我们了解星系的演化。在这次长时间的连续定点观测中，环地飞行的望远镜需要与陀螺仪系统出色配合，不断调整指向，才能始终保持精确对准大熊座的同一区域。
除了著名的哈勃望远镜，今年受陀螺仪故障影响的还有钱德拉x射线天文台（chandra x-ray observatory）。就在哈勃望远镜陀螺仪失效之后不久，2018年10月10日，这个已服役19年之久的美国大型空间天文台也因为陀螺仪故障进入了安全运行模式，暂时停止观测。研究小组21日对陀螺仪进行了新的配置，使得钱德拉恢复了科学观测工作。
除了作为一个测量指向设备的陀螺仪频发故障之外，用来调整指向的设备也是导致太空望远镜发生故障的一个重要原因。一些太空卫星或设备是通过反作用飞轮来调整指向，从而实现精准观测的。比如我们熟知的行星猎手——开普勒卫星（kepler）。
在2009年发射之后，开普勒通过对天鹅座和天琴座区域的固定观测，发现了我们现在所知道的绝大多数的系外行星，从而改变了我们对于系外行星的众多认识。开普勒项目收获巨大，nasa原本打算将其任务延长到2016年，但在2012年7月14日，开普勒卫星上用来调整方向的四个反作用飞轮中有一个由于摩擦太强，最终停止了转动。2013年5月11日，第二个反作用飞轮以同样的方式坏掉了。五个月之后，nasa宣布放弃修复尝试。开普勒利用剩余两个反作用飞轮和矢量喷气系统协同调姿，得以在安全模式下继续工作。由于正常工作的飞轮数量不足，在开普勒视野中原本能够保持稳定的恒星现在开始慢慢漂移，观测能力极大下降。2018年，矢量喷气系统燃料耗尽，无法帮助飞轮调姿，开普勒望远镜终于在10月30日宣布退役。
既然精确指向对于太空望远镜而言如此重要，事关探测项目存亡，那么，太空望远镜又是如何实现精确指向的呢？
如何精准：望远镜的指向工作原理
对于任何一个太空望远镜而言，精确指向都是通过测量和执行两个步骤来完成的，所以相关的设备也包含这两个方面。
a、测量系统
除了上文提到的陀螺仪，测量设备通常还包括其他一些姿态敏感器，比如红外地平仪、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测量精度有限，所以太空望远镜所需的高精度指向信息通常由星敏感器和陀螺仪来协同测量完成。
所谓星敏感器，实际上是一组指向不同方向的小型望远镜，通过拍摄不同方向的星空，并与预存的星图比对，从而求解出卫星在太空中的绝对指向。
在某些情况下，如果陀螺仪出现损坏或故障、能够工作的陀螺仪不足三个，缺少的方位测量信息可以由太阳敏感器、星敏感器等补充，进行一定程度的挽救。但是，因为这些辅助设备或精度不高，或做不到高频率测量，仍无法完全替代陀螺仪，只能作为权宜之策。所以一旦陀螺仪数量低于三个，精确指向就无法实现了。
说到陀螺仪，或许你的脑海中会浮现出几个嵌套的圆环的形象，那是历史上一种十分古老的机械式陀螺仪的外观。此外，自苹果公司2010年在iphone4中引入陀螺仪以来，这一元件已经广泛应用在我们如今使用的智能手机里，并被大家熟知。（当然，手机里的陀螺仪不再是几个圆环嵌套的样子）
因为陀螺仪具有保持自身转动状态的特点，所以通常被用来实现太空望远镜在太空中的稳定定位和角度测量。随着技术发展，最初的机械式陀螺仪已经衍生出了根据光学原理工作的光学陀螺，乃至根据原子自旋等性质工作的新概念陀螺。需要注意的是，原子自旋是一个量子力学概念的物理量，并不是讲原子本身真的在旋转。可见“陀螺仪”的内涵已经被大大扩展了。
由于每个陀螺仪能够测量一个方向的转动，因此要测量望远镜在三维空间中的指向状态，需要至少三个陀螺仪同时工作，这就类似我们所了解的坐标轴。通常的太空望远镜会多安几个陀螺仪，多出来的作为冗余备份，待有陀螺仪故障后作为补充，以延长太空望远镜的寿命。作为美国的旗舰型望远镜，哈勃空间望远镜不仅同时安装了六个陀螺仪，并且，在之前针对哈勃的共五次维修中，宇航员曾两次对陀螺仪进行在轨更换，保证了望远镜的长久正常运转，这也是哈勃能够工作至今的一个重要原因。
陀螺仪按照工作原理，可分为常规（机械式）陀螺、光学陀螺以及基于新技术的新概念陀螺等。
（1）常规陀螺
常规陀螺仪是一台利用高速旋转的质量来敏感测量指向的设备。根据陀螺的进动性原理，当卫星运动使陀螺仪的自转轴变动，导致陀螺在其输入轴方向存在一个进动角速度时，在陀螺的输出轴将产生一个力矩。通过将力矩转换为电信号，即可测得陀螺仪当前的转角。
常规陀螺仪的工作原理，其实在很早之前就已经被发现并广泛应用于生活当中。法门寺曾经出土过一件罕见的唐鎏金银香囊，不管外面的圆球如何晃动，里面的香囊总是保持水平状态。在科技并不发达的唐代，这也可以被认为当时的黑科技了，其实它就是一个类似的陀螺仪系统。
陀螺只有在高速且高稳定的情况下，才能保证高测量精度。这个目标可以靠液浮、气浮、磁悬浮等技术实现。哈勃望远镜采用的是气浮和液浮相结合的方式，这可以隔离卫星的振动干扰，同时将阻力降到极低，从而保证望远镜定位的高精度及稳定性。
常规陀螺采用的是高速旋转的转子，受工艺水平限制，很难达到长使用寿命的要求。但是，考虑到哈勃望远镜的制造时间，或许还有历史沿革的原因——当时光学陀螺等才刚刚发明出来，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检验，毕竟上天无小事——哈勃使用的一直是常规机械陀螺仪。
（2）光学陀螺
光学陀螺分为激光陀螺和光纤陀螺两类。它们的工作原理都是基于sagnac效应，即在光路有旋转运动时，光在闭合光路中沿顺时针和逆时针方向的传播时间会产生差别，这种时间差对应着光路的旋转角速度，测出时间差就能知道陀螺仪转角。
激光陀螺随着激光技术诞生而出现，采用光学谐振腔作为光通路，使用镜面反射建立光路闭环。
光纤陀螺出现较晚，随光纤技术而诞生。它使用绕成环形的光纤作为光通路，通过多圈卷绕，大大提高了灵敏程度。它不需要活动部件，可以做得较小，安装简单，寿命长，耐恶劣环境，使用非常方便。
光学陀螺目前主要用于航空、舰船等领域。未来待到成本继续下降，也许我们会在消费用品上见到它们的身影。
（3）新概念陀螺
在过去的几十年当中，随着材料科学、测量控制技术的发展，人们得以将一些独立于传统陀螺仪发展路径的物理原理应用到陀螺仪上。这方面的代表有微机电（mems）陀螺、原子自旋陀螺等。
微机电陀螺仪根据驱动方式可划分为静电驱动、电磁驱动、压电驱动，按检测方式可分为电容检测、压阻检测、压电检测等。虽然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，成本可以做到人民币5元上下，所以目前已经成为手机的标配，极大增强了手机的应用和娱乐功能。
原子自旋陀螺仪使用原子内禀的自旋角动量进行惯性测量。2002年，科学家发现，在碱金属原子进入高温下的无自旋交换弛豫态（spin exchange relaxation free，serf）后，原子自旋密度会提高若干数量级，从而可以与外界载体的转动相互作用，实现陀螺仪功能。
目前，这些新概念陀螺仪尚处于雏形状态，技术尚不成熟，工作指标还无法满足太空望远镜的高精度需求。但广阔的前景已经依稀可见，相信在不久的将来，我们可以在太空望远镜上发现它们的身影。
b、执行设备
在测量好望远镜的方位之后，如果我们需要调整望远镜的指向，就轮到执行设备上场了。执行设备包括矢量喷气系统、反作用飞轮、磁力矩器等。其中磁力矩器通过与空间中的磁场相互作用来调整卫星指向，输出力矩较小，因此卫星指向调整主要通过矢量喷气系统和反作用飞轮来完成。我们接下来逐一进行介绍。
（1）矢量喷气系统
矢量喷气系统通过喷射气体所获得的反作用力来调整卫星指向。所使用的气体是通过燃烧卫星所携带的燃料而产生的，因此工作寿命受卫星携带燃料量限制。燃料一旦用完，矢量喷气系统也就无法工作了。前面提到的开普勒望远镜就是一个典型例子。
（2）反作用飞轮
反作用飞轮的工作也基于陀螺原理。差别在于，陀螺仪质量较小，对卫星指向的影响小，仅用于测量；而反作用飞轮一般质量较大，且飞轮转子的质量主要分配在轮缘，以尽可能获得更大的转动惯量，来最大化提供调节能力。飞轮安装在卫星上，连带飞轮的整个卫星系统角动量守恒；通过调整飞轮转子转速，可以将转动角动量在飞轮转子和卫星之间进行分配，从而控制卫星的转动，调节卫星指向。
与矢量喷气系统不同，反作用飞轮仅需要电能即可输出转动角动量，不需要燃料，因此更加方便。但是，由于飞轮一直在转动，本身质量也很大，其故障率高于非活动件，并且飞轮自身也是卫星振动的主要来源之一，这些都会影响望远镜的工作。卫星有一个叫做“平台”的系统，它隔离了科学仪器与卫星其余部分的直接连接，打个不太恰当的比方，有点类似于笔记本电脑的主板的功能。飞轮一般安装在卫星平台上，望远镜通过隔振装置与平台连接，从而尽可能降低飞轮振动带来的影响（当然也在降低太阳帆板、卫星天线等其它振动的影响）。
与陀螺仪相似，在框架转动的某一瞬间，单个飞轮产生的转动角动量仅限于单个方向，因此在实际航天应用中，需要至少三个飞轮配合使用才能完成航天器的三自由度指向控制。在航天任务中，我们一般将多个飞轮以特定的空间构型集中安装使用。
说到反作用飞轮（reaction wheel），就需要说明一下动量轮（momentum wheel）。二者有类似之处，但差别也十分巨大。前者既可以正向转，也可以反向转，所以平均角动量有可能为零；而动量轮通常只沿着一个方向转动，但是其转速可调节，平均在一个固定转速上，所以它的角动量不为零，转速范围被“偏置”到某一数值附近，所以动量轮也被称作偏置动量轮。动量轮的转动方向更单一，于是可以通过优化设计，使转速达到更高，实现更大的转动惯量。这种性能上的优点将其从反作用飞轮中分离成为单独一种类型，并衍生出更多的功能。
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宇宙照片背后的秘密。借由这些集中了人类智慧巧思与物理原理的特殊设备，甚至是特殊的安装构型，人类的太空之眼才得以对准遥远星系，为我们带回宇宙深处的震撼、美好与奥妙。
作者简介
苟利军：现任中国科学院国家天文台研究员，黑洞及其高能爆发现象研究小组负责人，中国科学院大学天文学教授。北京天文学会副理事长。曾经创作科普作品将近20篇和翻译过多部书籍，作品曾获中国科协组织的“2016点赞中国10大网络科普文章”。曾获得中国国家图书馆文津奖、全国优秀科普作品获得者和全国优秀科普微视频大赛第一名。
孙阳：毕业于中国科学技术大学物理系，现工作于中国科学院长春光机所航空光学成像与测量重点实验室。研究领域以光电成像系统为主。工作以来参与多项国家重点大型科技工程项目。
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参考资料
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