经过数月的技术故障哈勃望远镜已切换到单陀螺模式

想象一下，用激光束瞄准200英里外的一枚硬币。现在想象一下，在乘坐旋转木马的同时，连续24小时这样做。这看起来很难吗?嗯，哈勃太空望远镜基本上就是这样做的。

经过数月的技术故障，NASA于6月4日宣布哈勃望远镜将切换到单陀螺仪模式。这实际上意味着望远镜将不得不依靠几个陀螺仪中的其中一个来跟踪和跟随太空中的物体。陀螺仪是一种测量物体在太空中方向的装置。

哈勃望远镜以天文学家埃德温·哈勃的名字命名，于1990年发射升空进入低地球轨道。在这里，它位于地球大气层之上，这会干扰地球上望远镜的观测。在三十年的运行中，它为我们提供了遥远星系的惊人图片，并让科学家们能够更近距离地观察宇宙的起源。

哈勃望远镜可以拍摄数十亿光年外恒星的清晰高分辨率照片。为了收集足够的光子(光“粒子”)来拍摄高质量的照片，它本质上就像一台超低速相机。它的光圈(即镜头中允许光线通过的开口)最多可以打开24小时才能拍摄一张照片。

任何用低快门速度拍过照片的人都知道，要避免拍出模糊的照片是多么困难。哈勃望远镜将这一要求发挥到了极致。它需要保持指向太空中同一遥远点的精确度，精确度在几毫角秒以内——一毫角秒等于3,600,000分之一度——长达24小时。它还需要在以每小时17,000英里(每小时27,000公里)的速度绕地球运行，在极热和极寒的环境中保持这一精确度。

为了跟踪目标并生成清晰的图像，哈勃望远镜使用了像我这样的航天工程师所称的姿态控制系统。所有航天器和飞机都配有姿态控制系统，以帮助它们指向正确的方向。

姿态控制系统由一套用于测量航天器方向的传感器、一组用于移动航天器的执行器(推进器、反作用轮或控制力矩陀螺仪)和一台飞行计算机组成。飞行计算机从传感器获取测量值并生成执行器的命令。

陀螺仪是一种测量物体姿态或空间方位的装置。换句话说，它测量物体从某个固定点旋转了多少。哈勃望远镜要知道它指向哪里拍照，就必须知道它在空间中的位置。它至少需要三个陀螺仪——每个轴一个。

哈勃最初有六个陀螺仪：三个主陀螺仪和三个辅助陀螺仪。但在轨道运行30多年后，其中四个陀螺仪因老化而出现故障。

在剩下的两个陀螺仪中，NASA保留了一个作为备用，因此哈勃望远镜现在只用一个陀螺仪运行。但是如果你需要至少三个陀螺仪(每个轴一个)才能知道你在哪里，那么哈勃望远镜如何只用一个陀螺仪就能确定它在哪里?

美国宇航局工程师想出的巧妙答案其实很简单，可以利用望远镜上的其他传感器，比如磁力仪和星敏感器来弥补陀螺仪的不足。

陀螺仪替代品

磁力仪测量的是地球的局部磁场，科学家们对此的理解相当准确。您可以使用磁力仪大致了解相对于已知磁场方向的姿态，就像使用指南针一样。当卫星沿轨道移动以找到其在太空中的方位时，三轴磁力仪可以测量地球磁场的强度和方向。

哈勃的陀螺仪之一。

或者你可以使用星体追踪器或太阳传感器，它们比磁力计准确得多。这些传感器使用天空地图，将它们看到的内容与地图上的内容对齐，以确定它们指向的位置。

通过结合星跟踪器、太阳传感器、磁力仪和单个陀螺仪，哈勃可以保持非常接近三陀螺仪配置的指向精度——尽管单陀螺仪配置会限制哈勃追踪太空物体的速度。

哈勃拥有有史以来最精确的指向姿态控制系统之一，它为人们提供了令人惊叹的早期宇宙图片。但除了两个陀螺仪外，其余所有陀螺仪都已报废，这再次提醒人们，哈勃的日子已经不多了。

哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜于2021年12月25日发射。它驻扎在距离地球1,000,000英里(1,609,344公里)的第二拉格朗日点(L2)。

此时，望远镜、地球和太阳始终处于一条直线上，望远镜的遮阳罩可以阻挡太阳光线。这一特性使得红外相机可以在寒冷的温度下工作，从而提供更高质量的图像。

哈勃的长期发现为天文学家打开了宇宙之门，而韦伯则让我们比以往更深入地观察宇宙。