像哈勃和 TESS 这样的太空望远镜是如何通过“安全模式”保护的

当事情出错时,就该严阵以待。
这张照片是由“亚特兰蒂斯”号航天飞机在哈勃太空望远镜被该航天飞机的机械臂截获后不久拍摄的,当时正值第四次维修任务。NASA

熊和太空望远镜可能有什么共同之处?上个月,哈勃太空望远镜和凌日系外行星巡天卫星(TESS)都进入了一种休眠状态。当面临某种威胁时,这些望远镜会关闭所有非必要系统,只做最基本的工作来维持生命,并尽可能防止进一步的损坏——这有点像熊如何在漫长的冬天生存下来。

对于望远镜来说,它们的休眠被称为“安全模式”。不过,望远镜进入安全模式的程序并非源于天生的自我保护本能,而是由设计它们的工程师编写进代码中的。 

德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家萨姆·法克特(Sam Factor)解释说,安全模式“几乎正如其名”。“当望远镜遇到无法自动恢复的问题时,它会关闭所有非必要系统,以保护精密科学仪器。”这包括将太阳能电池板对准太阳以确保稳定的能源供应,并将天线对准地球以确保能够接收指令,了解下一步该怎么做。

法克特补充道,安全模式“是一种能让望远镜保持运行状态,并希望不会让情况变得更糟的状态,直到地面控制人员评估并解决问题。”“这就像你冬天去度假时离开家一样。所有的灯都关了,电脑也关机了,但你的暖气仍然以最低水平运行,以防止水管结冰,冰箱也还在运转。当你回到家时,一切都应该准备好了。”

许多情况都可能导致望远镜进入安全模式。有时是某个传感器损坏,产生了奇怪的读数,让望远镜看起来像是出现了故障,但实际上除了那个传感器之外一切都很好。另一些时候,硬件组件确实会磨损损坏,或者软件遇到了意外的错误。 

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有些问题对太空来说尤为特殊。例如,NASA戈达德太空飞行中心的一名通信官员克莱尔·安德烈奥利(Claire Andreoli)说:“在严酷的太空环境中,一种名为宇宙射线的高能粒子可能会击中内存芯片并翻转一个比特,需要进行重置才能恢复功能。”如果预测到强烈的空间天气,望远镜的操作团队甚至可能会故意将其置于安全模式,以保护精密电子设备,度过太阳风暴。

安德烈奥利补充说:“每艘航天器都经过编程,能够处理此类情况。”

NASA的每艘航天器也都有一个专门的地面团队负责其操作。当望远镜进入安全模式时,其团队必须收集来自望远镜机载传感器和计算机的所有信息,以确定真正的问题所在。至于修复望远镜,所有维修都必须远程进行——一些望远镜,如JWST,距离太远,宇航员无法进行维修;而像哈勃这样的望远镜,在航天飞机计划结束后多年未进行维修。这意味着科学家们必须发挥创意,通过软件解决方案来解决问题,无论是修复代码中的错误还是引入新的代码来规避故障硬件。

安全模式事件常常是望远镜生命周期的一部分——谁不想在健康恐慌后时不时地去看医生,以确保一切正常运作?——但这些事件仍然常常让天文学家们心神不宁。此外,任何在安全模式下花费的时间都是损失的科学时间。太空望远镜的观测任务都是提前数月安排好的,因此运营的中断会打乱精心规划的时间表。

法克特解释说:“任何原本计划观测的东西都会被推迟到稍后的时间。”通常这意味着计划中的观测仍然会按计划进行,只是会延迟,但“如果修复望远镜需要很长时间,那么观测就可能丢失,例如,如果你的目标是时效性的,或者在一个因为太阳位置而无法再观测的天区,”他补充道。

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哈勃和TESS都在4月23日进入了安全模式,并且已经从各自的健康危机中恢复过来。 

哈勃的事件是由于该航天器的一个陀螺仪出现问题,陀螺仪对于望远镜正确指向天文目标至关重要。这不是第一个遇到老龄化陀螺仪的航天器;寻找行星的开普勒太空望远镜在2013年就遭受了陀螺仪故障,哈勃团队也早已意识到这种故障的可能性——事实上,早在2009年,宇航员就在哈勃的最后一次维修任务中安装了六个新的陀螺仪来避免问题。截至4月30日,这三个陀螺仪中有三个目前功能正常,包括导致近期安全模式事件(以及2023年11月发生的类似事件)的那个。幸运的是,如果这个有问题的陀螺仪再次发生故障,NASA已经制定了方案,让哈勃只依靠三个中的一个来工作。

TESS也受到了这种棘手硬件的影响。在4月8日的一次早期事件重启失败后,它的一个反应轮(一种陀螺仪)发生了故障。这个问题已经得到修复,于5月3日恢复运行,但团队仍在试图弄清楚导致4月8日首次安全模式事件的原因。

从远处维持一艘航天器的生命是一个巨大的挑战,但安全模式为任务团队提供了一些时间来弄清楚问题所在,然后再发生更多损坏——就像熊待在温暖舒适的洞穴里,而不是冲进暴风雪中,或者在你注意到新的疼痛时就去看医生,而不是等到需要去急诊室。当然,当事情出错时总会有点压力,但至少现在哈勃和TESS都很安全、健康,并准备好进行更多科学观测。

 

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Briley Lewis

撰稿人

Briley Lewis 博士(她/她)是一位自由撰稿的科学作家和天文学家。在 Twitter @briles_34 上关注她,或访问她的网站 www.briley-lewis.com。


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