人类首次太空卫星维修 天上的卫星坏了可以修

新浪综合
2018-04-11

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新浪综合2018-04-11

1984年4月10日,美国宇航局“挑战者”号航天飞机的宇航员们在轨道上成功修复了一颗已经故障了3年之久的卫星。这是人类历史上首次在轨道上对一颗卫星进行修理。

1984年4月6日,挑战者号航天飞机发射,执行STS-41C任务,包括两项工作:释放一颗新卫星,修理一颗旧卫星 来源:NASA
1984年4月6日,挑战者号航天飞机发射,执行STS-41C任务,包括两项工作:释放一颗新卫星,修理一颗旧卫星 来源:NASA

代社会离不开人造卫星系统,从天气预报,到出门的导航定位,再到广播电视直播,每一样的背后都是卫星技术在做支撑。

但是,如果一个卫星在天上出了问题,该怎么办?首先当然会从地面上竭尽全力进行远程维修,排查故障。那如果还是没有效果呢?

两种选择:要么眼睁睁看着它逐渐降低高度,最终坠入稠密的地球大气层焚毁,或者如果它还处于受控状态,且燃料还有剩余,可以使其抬升高度,抵达距离地面3.8万公里的所谓“墓地轨道”,在这样的高度上这些被废弃的卫星不会对正常工作的卫星产生威胁。

STS-41C任务徽标,可以很清楚的看到本次飞行的两项任务:释放一颗新卫星,修理一颗旧卫星 来源:NASA
STS-41C任务徽标,可以很清楚的看到本次飞行的两项任务:释放一颗新卫星,修理一颗旧卫星 来源:NASA

但其实这件事本身就很诡异:大概除了卫星之外,人类不太会舍得造价几个亿的东西就这么丢掉了。因为这些卫星可能所有的设备都是好的,坏掉的可能是其中某个设备而已,或者就是维持轨道高度的燃料用完了而已,其实放弃掉是非常可惜的。

那工程师们为什么要这么做?这个也特别好理解,因为我们没有办法去天上给卫星做维修,也没办法去给它加注燃料。于是卫星就是一锤子买卖,要么成,否则就只能望天兴叹,要么自认倒霉,要么催足顿胸。

但1984年4月10日之后,情况就发生了变化。

故障

从航天飞机上看到的“太阳极大年使者”(SMM)探测器来源:NASA
从航天飞机上看到的“太阳极大年使者”(SMM)探测器来源:NASA

1984年4月6日,美国宇航局“挑战者”号航天飞机发射升空,执行STS-41C任务。4天之后,宇航员们在轨道上成功修复了一颗已经故障了3年之久的卫星“太阳极大年使者”(Solar Maximum Mission,SMM探测器)。

这是人类历史上首次在轨道上对一颗卫星进行修理,事实上修理的过程也展示了美国航天飞机对于低地球轨道上人造卫星的捕获能力

更加靠近,SMM卫星来源:NASA
更加靠近,SMM卫星来源:NASA

SMM探测器升空于1980年2月份,当时正值第11个太阳活动高峰期,SMM探测器将覆盖从可见光到伽马射线的广泛谱段,开展太阳活动的观测。

然而在升空10个月之后,卫星的姿态控制系统便发生了故障,使其无法准确指向。这一故障直接导致其全部7台科学载荷中的4台失灵,进而连累第5台仪器也无法工作。在“挑战者号”升空展开营救任务之前,它已经处于故障状态达3年之久了。

太空维修

执行STS-41C任务的5位宇航员,中间为霍夫曼,右侧第二位是尼尔森来源:NASA
执行STS-41C任务的5位宇航员,中间为霍夫曼,右侧第二位是尼尔森来源:NASA

要进行修理,首先需要将故障卫星捕获。

在完成新卫星的释放工作之后,任务的第三天,也就是1984年4月9日清晨,“挑战者号”航天飞机开始逐渐接近运行在距离地面大约500公里高空的SMM卫星,但为了防止碰撞,在距离卫星大约60多米处“停泊”下来。

随后,两位宇航员乔治·尼尔森(George Nelson)和詹姆斯·冯-霍夫曼(James van Hoften)穿上宇航服,出舱进入航天飞机敞开的货舱。

计划是这样的:霍夫曼在货舱这里接应,而尼尔森将使用自带推进装置的特制宇航服“宇航员机动装置”(MMU)采用无系绳太空行走方式飞行10分钟左右抵达卫星,随后用特制的爪扣锁定卫星,并将其慢慢拖回到航天飞机货舱进行修理。

SMM卫星是一颗专门研究太阳活动的卫星,这是它拍摄的太阳爆发场景 来源:NASA
SMM卫星是一颗专门研究太阳活动的卫星,这是它拍摄的太阳爆发场景 来源:NASA

但中间发生了意外:爪扣始终无法固定住卫星,接连尝试三次均以失败告终,甚至原本每秒转动一度左右,处于稳定自转状态的卫星遭受外部扰动后发生不规则晃动。

紧急情况下,地面马上进行远程干预,工程师们经过努力成功控制住局面,将卫星的不规则转动稳定了下来。但是不幸的是,稳定下来的卫星太阳能板未能对准太阳,这样它的蓄电池电量开始快速流失,情况危急。

机械臂最终成功抓获卫星来源:NASA
机械臂最终成功抓获卫星来源:NASA

万分幸运的是,正当SMM卫星即将因为电力耗尽而“死去”前仅有几分钟,它在轨道上刚好运行到有利位置,太阳光开始照射到它的太阳能板,蓄电池重新开始充电。

在一整天的无功而返后,地面控制中心必须重新作出决策,工程师们熬了一个通宵,一整晚都在构思新方案。毕竟,天上的宇航员们在等待新的指示。

宇航员在对故障卫星进行维修来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图
宇航员在对故障卫星进行维修来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图

现在,卫星重新恢复到了每秒一度的缓慢自转,这是有利于捕获的,但是不能再派遣宇航员去冒险,因为此时的航天飞机已经消耗太多燃料。一旦MMU宇航服出现意外,航天飞机将难以前往救援。

1984年4月10日,他们决定再次尝试,这次他们直接让航天飞机小心靠近卫星,并使用加拿大机械臂对卫星进行抓捕,最终,该方案取得了成功,卫星被成功捕获并放入航天飞机货舱。

维修完成,准备重新释放SMM来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图
维修完成,准备重新释放SMM来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图

随后,地面远程对卫星进行了诊断。根据诊断结果,宇航员们为SMM卫星更换了新的姿态控制系统模块,以及日冕仪电子设备箱,再一次进行“体检”并确认无误之后,宇航员们将SMM卫星重新放入太空。

这次太空维修,让“太阳极大年使者”(SMM)探测器的寿命延长了5年。1985年,美国拍摄了一部关于航天飞机的纪录片《梦想不灭》(The Dream Is Alive),里面就提到了这个故事。

迎着地平线上的第一缕阳光,重获新生的SMM卫星离开航天飞机机舱,重新进入太空 来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图
迎着地平线上的第一缕阳光,重获新生的SMM卫星离开航天飞机机舱,重新进入太空 来源:纪录片《The Dream Is Alive》画面截图

此后,这样的卫星捕获和维修任务还开展了数次,比如1992年奋进号航天飞机在其首次飞行期间,成功捕获了未能进入轨道的IntelsatVI卫星并给它重新安装了推进器,后者成功将其送入正确轨道。

当然还有更加有名的,1993年,还是奋进号航天飞机,在STS-61任务期间执行了首次对哈勃空间望远镜的维修任务,从而一举挽救了这个耗资巨大的太空望远镜。

1993年,STS-61任务,在轨维修哈勃望远镜 来源:NASA
1993年,STS-61任务,在轨维修哈勃望远镜 来源:NASA

可惜的是,随着2011年美国航天飞机全部退役,理论上来说,现在的人类已经丧失了在轨道上对故障卫星进行维修的能力了。

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