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第2章 科学与神话——太空望远镜来历(2)

精密制导传感器(FGS)用于望远镜定向和准确测量恒星的具体位置、双子星的分离和星体的直径。哈勃望远镜有三个FGS,其中两个用于引导望远镜瞄准并锁定目标,寻找哈勃望远镜视野范围内位于观测目标附近的“导向”星体。一旦找到导向星体,FGS便将其锁定并向哈勃望远镜的制导系统反馈信息,以便让导向星体保持在望远镜的视野内。在这两个FGS引导哈勃望远镜的同时,另一个则进行天体测量(星体位置)。天体测量对探测行星起着重要作用,因为行星在轨道上运行会导致母星在运动中晃动。

(3)航天器系统

动力系统。哈勃望远镜的所有仪器和计算机都需要电力。这些电力由两块巨大的太阳能电池板提供,每块长 12.2米。它们能够提供2,400瓦的电力,相当于60盏40瓦灯泡的耗电量。望远镜被地球挡住时,则由6个镍氢电池提供电力(相当于20个汽车电池的蓄电量)。当望远镜再次被太阳光照射时,太阳能电池板又会重新给电池充电。

哈勃的电池板

通讯系统。哈勃望远镜必需能够与地面的控制系统联系,以传送观测所得的数据并接收观测新目标的指令。哈勃望远镜利用一系列名为跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)的中继卫星进行通讯。这个系统与国际空间站使用的系统一样。天体发出的光被哈勃望远镜捕获并转化成数字数据。然后这些数据被送往轨道上的TDRSS,TDRSS 再将信号传送到美国新墨西哥州的白沙地面接收站。接收站把数据传送到NASA的戈达德航天飞行控制中心,哈勃望远镜的操纵中心就设在那里。接着这些数据由附近马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的科学家进行分析。多数情况下,命令会事先传达给哈勃望远镜,使其按观测计划运行,但在必要时也会进行实时指挥。

操纵系统。哈勃望远镜在拍摄时必须一直锁定某个目标,这一过程可能要保持数小时,具体取决于观测者使用的仪器。别忘了,哈勃望远镜在以97分钟的轨道周期绕地球运行。因此,望远镜就像一艘沿海岸线在波浪起伏的海面上高速行驶的船,而它瞄准目标就像从这艘船上瞄准海滩上的一个小物体。为了做到这一点,哈勃望远镜配备了三个系统:陀螺仪——感应大小运动;反应轮——移动望远镜;精密制导传感器——感应细微运动。

计算系统。科学仪器舱上的望远镜镜筒周围装有两台主计算机。一台与地面通讯以传输数据和接收指令;另一台负责操纵哈勃望远镜,同时还有各种内务操作功能。此外,还有备用计算机供紧急使用。哈勃望远镜上的每一台仪器都装有微处理器,可以移动过滤轮、控制快门、收集数据以及与主计算机对话。

结构。哈勃望远镜有一个构架,使光学设备、各种仪器及航天器系统各就其位。哈勃望远镜有一个用石墨环氧树脂做成的桁架系统支撑这些光学设备,材料与网球拍和高尔夫球杆类似。这个桁架长5.3米,宽2.9米,重114公斤。支撑光学设备和科学仪器的镜筒用铝制成,上面覆盖了多层绝缘体。这些绝缘体使望远镜在经受阳光和阴影之间极端的温度变化时不致受损。

知识卡片:

埃德温·哈勃

埃德温·哈勃1889年出生在美国密苏里州马歇尔菲尔德,在美国肯塔基州度过了他的童年。后来,全家搬到了美国伊利诺斯州芝加哥,并在那里念大学,学习数学和天文学。学生时代他是个好学生,也是个运动健将;以后又去法国参过军,第一次世界大战结束后,哈勃回到了美国,并做起了天文工作,并取得了很好的成果,他是第一个使用霍尔望远镜的天文学家,就在他去世前夕,他还打算花4个晚上用霍尔望远镜来观察宇宙。他于1953年去世,享年64岁。

挑战者号航天飞机

美国正式使用的第二架航天飞机。开发初期原本是被作为高拟真结构测试体(high-fidelity Structural Test Article,因此初期机身代号为STA-099),但在挑战者号完成初期测试任务后,被改装成正式的轨道载具(Orbiter Vehicle,因此代号改为OV-099),并于1983年4月4日正式进行任务首航。

1986年1月28日,挑战者号在进行代号STS-51-L的第10次太空任务时,因为右侧固态火箭推进器上面的一个O形环失效,导致一连串的连锁反应,并且在升空后73秒时,爆炸解体坠毁。机上的7名宇航员都在该次意外中丧生。

5.“哈勃”的太空旅行

最初,“哈勃”原定于1986年升空,但自从该年一月发生的挑战者号爆炸事件后,升空的日期被后延。直到1990年4月24日,哈勃太空望远镜望远镜才随发现号航天飞机升入太空。

哈勃太空望远镜从航天飞机载货舱进入轨道

哈勃首批传回地球的影像令天文学家等不少人大为失望,由于珀金埃尔默制造的镜片的厚度有误,产生了严重的球差,因此影像比较朦胧。

此后,哈勃经行了前后五次的维护:

(1)第一次维护任务

在设计上,哈勃空间望远镜必须定期的进行维护,但是在镜子的问题明朗化之后,第一次的维护就变得非常重要,因为航天员必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位航天员,接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练。由奋进号在1993年12月的STS-61航次中,于10天之中重新安装了几件仪器和其它的设备。

最重要的是以COSTAR修正光学组件取代了高速光度计,和广域和行星照相机由第二代广域和行星照相机与内部的光学更新系统取代。另外,太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其它的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算器也被更新升级,由于高层稀薄的大气仍有阻力,在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。

在1994年的1月13日,美国国家航空暨太空总署宣布任务获得完全的成功,并显示出许多新的图片。这次承担的任务非常复杂,共进行了五次航天飞机船舱外的活动,它的回响除了对美国国家航空暨太空总署给予极高的评价外,也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。虽然后续的维修任务没有如此的戏剧化,但每一次都给哈勃空间望远镜带来了新的能力。

1997年宇航员在执行哈勃维修任务

(2)第二次维护任务

第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行,以太空望远镜影像摄谱仪(STIS)和近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)替换掉戈达德高解析摄谱仪(GHRS)和暗天体摄谱仪(FOS);以一台新的固态记录器替换工程与科学录音机,修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声,但在安装之后,部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板,这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。

(3)第三次维护任务(3A)

在六台陀螺仪中的三台故障之后(第4台在任务之前几个星期故障,使望远镜不能胜任执行科学观察),第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪,也更换了一个精细导星传感器和计算器,安装一套组装好的电压/温度改善工具(VIK)以防止电池的过热,并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486,可以执行一些过去必须在地面处理的与宇宙飞船有关的计算工作。

(4)第四次维护任务(3B)

第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行,以先进巡天照相机(ACS)替换了暗天体照相机(FOC),并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)。更换了新的冷却系统之后,虽然还不能达到原先设计时预期的低温,但已经冷到足以继续工作了。

在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的,大小只有原来的三分之二,除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力,还能多供应30%的动力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作,并且因为较为柔软,还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题,哈勃的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后,首度能完全的应用所获得的电力。其中影响最大的两架仪器,先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪,在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。

对哈勃望远镜进行最后一次维修的七名宇航员

(5)最后的维护任务

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