哈勃的历次维修任务

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1990年发射升空的哈勃空间望远镜是天文学观测的尖兵。为保证其工作顺利,定期的维修是必要的。正如NASA所说,没有人能在15年里开着同一辆车而不对其进行阶段性检修。对哈勃望远镜也是一样。实际上在科学家和工程师设计它的时候,就已经考虑到了维护问题,所以望远镜的很多组件都可以被较容易地拆卸下来。计划是如无特殊情况则每3年安排一次维修任务(Servicing Mission),期间将望远镜固定在航天飞机货舱内以进行仪器更新和电子设备的更换,最近一次维修是在2002年3月。</>哈勃的历次维修任务哈勃空间望远镜的各组件。(图片来源:STScI) SM-1:NASA的形象与哈勃的视力第一次维修任务SM-1安排在1993年12月,7名机组搭乘奋进号航天飞机升空。这是所有维修任务中最复杂的一次,也是最关键、意义最重大的一次。20世纪80年代至90年代初,NASA所面临的问题是纷杂而严重的:挑战者号的失事、伽利略号探测器发生的一系列大大小小的故障、火星探测器失踪……当然还有哈勃空间望远镜的“视力”问题。这一切对NASA的公众形象都不是好消息。所以有评论将哈勃第一次维修任务的主要目标看作是提升NASA在公众心中的地位,这并非没有道理。“视力”问题起源于望远镜主镜磨制时的误差;由此产生的球差使光线不能准确聚焦在一个尖锐的点上,所以当时哈勃的解析力可能还比不上一些地面望远镜(如加拿大-法国-夏威夷望远镜)。所以SM-1的主要任务就是为哈勃戴上合适的“眼镜”,这是一组简称为COSTAR(Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement)的修正装置,由10面透镜组成,安置在主镜之前,以改变入射光线的路径。除安装COSTAR之外,SM-1的任务还包括更换哈勃的陀螺仪、电池板和照相机。陀螺仪用于维持望远镜的姿态,这在跟踪天体的过程中必不可少;新电池板则可以消除由于太空温度剧烈变化导致的望远镜抖动,有助于提高成象质量;新的照相机,也就是宽视场行星照相机2(WFPC2)是为哈勃的主镜误差专门设计的,用以取代原先的视场行星照相机,与COSTAR一道来保证哈勃能以预期的分辨率进行观测。所有这些工作是通过5次太空行走完成的:第一次是更换望远镜的陀螺仪,后几次太空行走分别进行了电池板和照相机的更换、COSTAR的安装和收尾工作。哈勃的历次维修任务进行太空行走的宇航员F. Story Musgrave。(图片提供:NASA, STS-61 Crew)结果很理想,哈勃的视力(当然还有NASA的公众地位)得到了显著提升,同时很重要的一点是,这次维修任务还证明,在太空进行如此复杂的检修工作是完全可能的。哈勃的历次维修任务哈勃空间望远镜维修前后成象质量对比。 SM-2:拓展哈勃的视野第一次维修矫正了哈勃的视力,但现在还存在一个严重的问题:宽视场行星照相机2只能覆盖从近红外到近紫外的波段,原有的暗弱天体照相机(FOC)也只能覆盖可见光和紫外波段,而广阔的红外天空仍有待探索。由于大气吸收的影响,地面只能从几个窗口观测红外天空;而由于红外观测的重要意义,天文学家完全有理由要求飞翔在大气层之外的哈勃空间望远镜去探索这片未知的领域。所以在解决视力问题之后,很自然的考虑就是为哈勃安装合适的红外照相机。这正是1997年2月第二次维修的主要任务。搭乘发现号航天飞机的宇航员要在10天内安装2架全新的设备:近红外照相机和多天体摄谱仪(NICMOS),以及空间望远镜成象摄谱仪(STIS)。这2架仪器设计时都考虑了望远镜主镜的误差,分别在红外和近红外到紫外波段上工作,用以拓展哈勃可观测的宇宙范围。哈勃的历次维修任务FOC、WFPC2、STIS和NICMOS的工作波段。(图片来源:STScI)两架新仪器替换下了原有的戈达德高分辨率摄谱仪和暗弱天体摄谱仪。同时更换的还有哈勃的数据记录装置,新更换的设备存储能力是机械式老设备的10倍;另外还有用于精细调整望远镜指向的传感器。哈勃的历次维修任务第二次大修中的哈勃。(图片提供:NASA, STS-82 Crew)第二次大修后的哈勃具备了探索红外天空的能力,这样它就可以对新生恒星和遥远星系进行精密观测,并可随时监测行星大气变化。而STIS则使哈勃能同时观测超过500个天体并获取光谱信息,大大提高了观测效率。同时,STIS也是研究星系中央巨型黑洞的利器。 SM-3A:计划中的意外SM-3A完成的是计划中第三次维修任务的一部分。第三次维修本该在在2000年夏进行。事实是,1999年11月,哈勃望远镜的6个陀螺仪中已有3个发生了损坏。为避免出现意外,NASA只好临时派遣宇航员上天,为哈勃更换新陀螺仪。SM-3A的安排无疑有些匆忙:发射时距离第3个陀螺仪的损坏只有1个月多一点。当时哈勃已进入安全模式,只使用2个陀螺仪维持轨道姿态,无法进行常规观测。而为保护光学系统,望远镜的保护盖也已盖上。陀螺仪损坏的原因被认为是制造过程中氧气的遗害,所以为此次任务准备的6只新陀螺仪在生产中用氮气代替了氧气。发射定在12月19日,按要求机组成员必须在1999年结束前返航,这是为了防止千年虫问题可能造成的后果。所以整个任务的安排也是非常紧凑的。NASA为此派遣的维修宇航员中就包括2名修理哈勃的“老手”,宇航员在3次太空行走中除了要更换全部陀螺仪之外,还要更换望远镜的绝缘外罩、一台用于数据传输的S波段发射机和望远镜的计算机系统。新的计算机系统是老系统运算速度的20倍,存储能力则是后者的6倍。无疑这将大大提高望远镜的系统性能。另外,用于防止电池板过热或过充电的电压/温度改善装置和新型数据记录装置也要在这次任务中安装完毕。哈勃的历次维修任务工作中的宇航员Steven L. Smith。(图片提供:NASA, STS-103 Crew)所有这些任务都在圣诞节当天完成,机组成员于27日返航,避开了千年虫的干扰。研究人员重新启动了哈勃空间望远镜的观测设备。 SM-3B:新的顶峰对哈勃空间望远镜的第四次维修,也就是SM-3B是所有任务中最具挑战性的:由于要进行电力控制系统的更换工作,中途必须使望远镜断电一次。而在设计哈勃的供电系统时,人们并未考虑到更换的要求。也就是说,这项工作是相当冒险的,如果不成功,哈勃即与废铜烂铁无异。2002年3月1日,哥伦比亚号航天飞机搭载着7名机组成员升空。任务一开始就颇不顺利:升空后不久,航天飞机的冷却系统出了故障(后来我总下意识地把这次故障和11个月后的事故相联系,虽然二者也许并无直接关系),按要求要提前返航。好在问题不算很严重,NASA权衡再三,最后决定继续进行维修任务。整个任务包括5次太空行走,其中前两次是为哈勃更换新的电池板。更换电池板后的哈勃外观有了明显变化,这是因为蓝色的新电池板大小只是原先金色电池板的2/3,但能产生更多的电力。第3次就要进行最关键的电力控制系统更换,时间必须控制在10小时内,否则望远镜会因周围的低温被严重损坏。所幸工作进展十分顺利,只用不到7个小时即完成。据信,之后哈勃的工作能力提高了10倍之多。哈勃的历次维修任务更换哈勃的电池板。(图片提供:NASA, STS-109 Crew)接下来的两次任务分别进行了先进测绘照相机(ACS)的安装和冷却系统的维修。前者是为了替换已过时的暗弱天体照相机(这是当时哈勃上唯一一架未更换过的设备),后者则是为了恢复近红外照相机和多天体摄谱仪的使用。新安装的ACS分辨率和灵敏度更高,可以让哈勃充分利用不受大气干扰这一优越条件,在地面望远镜主动光学系统遍地开花的今天继续保持自身优势;恢复近红外照相机和多天体摄谱仪也就相当于恢复哈勃的红外视力。这两项工作使哈勃能更加得心应手地进行观测。经过这次大修,换上新装的哈勃又获得了新生。哈勃的历次维修任务第四次大修后的哈勃空间望远镜。(图片提供:NASA, STS-109 Crew)哈勃的历次维修任务哈勃空间望远镜先进测绘照相机拍摄的照片。(图片提供:NASA, STScI) SM-4:取消?保留?最初的计划是,对哈勃空间望远镜的第5次,也是最后一次维修将在2006年左右进行,而2010年哈勃退役后将由航天飞机带回地球,永久展览。但因为2003年2月哥伦比亚号航天飞机失事,NASA重新考虑了维修哈勃的安全性,最终决定不再派遣宇航员前往维修哈勃,当然,将哈勃接回地面展览的设想也一并被放弃了。两年间,各方争执不已。一方面,安全等因素不得不考虑,虽然维修哈勃的危险性并不一定比飞向国际空间站来得更大;另一方面,天文团体在下一代空间望远镜发射前也确实需要空间望远镜进行观测,且哈勃在公众教育和科学普及等方面发挥了不可替代的作用。2004年春的消息是,NASA在探讨用机器人从事维修的可能性,虽然这在技术上难度相当大,但无疑是拯救哈勃的希望之一。哈勃的历次维修任务机器人维修哈勃空间望远镜的想象图。(图片提供:MD Robotics, a MacDonald Dettwiler Company)但不久前传出的新闻是,NASA在2006年的预算中,并没有为维修哈勃准备的专项款额。这意味着在所有零件磨损完毕后,哈勃不得不停止运行。尽管科学家和工程师已花费了大量时间准备新的设备如宽视场行星照相机3,而且哈勃现在也确实有设备需要维修(如2004年损坏的空间望远镜成象摄谱仪),但没有预算也就等于为如此大型的计划画上了句号。不过虽然没有预算,但NASA不能任哈勃自己降低轨道并在大气中坠毁。哈勃望远镜体积过大,不能在大气中完全燃烧,燃烧后的碎片一旦落到繁华地区,后果不堪设想。所以NASA的计划是,发射小型火箭安装到望远镜上,让望远镜在其推动下落向太平洋。不过这一想法至少要等到2013年才能实施。空间望远镜研究所的人员在想方设法地延长哈勃的使用寿命。在2013年之前有没有转变的可能?也许有,希望有,也只能这样说吧…… 参考资料:[1] Space Telescope Science Institute: http://hubble.stsci.edu/
[2] HST Project Science Office Home Page: http://hstsci.gsfc.nasa.gov/
[3] 维恩·李 著, 黄燕 译. 从地球升起. 河南科学技术出版社内容来自 Bo Zhang's Homepage

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