美国宇航局的开普勒飞船不仅是有史以来最高产的系外行星探测器,而且它还是一个工程奇迹(或者曾经是)。它 1.4 米的镜面将星光汇聚到一个 9500 万像素的相机上,该相机能够分辨出亮度低至百万分之十的下降——这是系外行星穿过恒星表面引起的微小日食的线索。然而,在 5 月 14 日,这艘耗资 6 亿美元的飞船因其唯一移动部件之一——一个大约 20 万美元的、类似于儿童陀螺仪的装置的故障而脱轨。
任务科学家知道该飞船很脆弱。开普勒配备了四个金属反作用轮——当向一个方向旋转时,会导致飞船向另一个方向转动的电机。飞船保持稳定至少需要三个反作用轮,其中一个在去年 7 月就发生了故障。“我们认识到这些轮子有着相当曲折的历史,”美国宇航局艾姆斯研究中心(位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德)的太空科学家、开普勒任务的首席研究员威廉·博鲁茨基说。当第二个轮子停止转动时(可能是因为其滚珠轴承或外壳出现问题,美国宇航局的科学家说),开普勒进入了安全模式,等待维修,许多人认为这种维修不太可能发生。
反作用轮以每分钟 1000-4000 转的速度旋转,通过精确控制其速度,施加精确的扭矩,从而微调飞船的姿态。早在 2009 年开普勒发射之前,任务团队就痛苦地意识到了由同一制造商生产并安装在其他几艘飞船上的大量几乎相同的反作用轮的问题。
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此类反作用轮在 2001 年美国宇航局的远紫外光谱探测器上以及 2004 年和 2005 年日本的隼鸟号任务中出现故障,或被认为过于不可靠而无法使用。美国宇航局的热层、电离层、中层大气能量学和动力学 (TIMED) 卫星在 2007 年经历了一次反作用轮故障,而该机构的黎明号任务在 2010 年和 2012 年遭受了两次故障。
这些故障大多发生在开普勒发射之前,但 TIMED 上的故障引发了人们的高度关注,科罗拉多州博尔德市的 Ball Aerospace 公司(为美国宇航局建造了该飞船)的开普勒项目经理 John Troeltzsch 回忆说。“我们第一次真正意识到问题的严重性是在 2007 年底,”他说。
那时,开普勒已准备好发射。诸如彻底检修整个反作用轮系统或添加另一套备用系统之类的选项被认为成本过高,并且将意味着已经推迟了两次的任务进一步推迟多年。
但团队想再看一眼。在 2008 年初,Troeltzsch 和他的同事将所有四个轮子从飞船中取出,并将它们送回位于纽约州伊萨卡的制造商 Ithaco Space Systems 进行重新检查。包括更换滚珠轴承在内,进行了更改,查尔斯·索贝克(Charles Sobeck)说,这些滚珠轴承已经显示出点蚀迹象,他是艾姆斯开普勒的副项目经理。特罗尔茨说:“评估结果是,这些变化将防止以前发生的那种问题再次发生。”通过一位发言人,Ithaco 的所有者 UTC Aerospace Systems 拒绝回答有关该公司如何试图修复车轮的问题,而是将问题转回了 NASA。
博鲁茨基指出,当时,反作用轮的潜在问题似乎不那么重要,因为该任务应该只持续 3.5 年。这就是开普勒实现其主要目标所需的时间:调查大约 150,000 颗类似太阳的恒星,距离最远可达 920 秒差距(3,000 光年),以确定银河系中类地轨道上类地球大小的行星有多常见。
来源:NASA 系外行星档案
然而,发射后,科学家们发现,大多数恒星比太阳的变化更大(参见 《自然》477, 142–143;2011)。该任务需要更多时间来区分恒星亮度的随机波动和因行星经过而导致的星光下降,因此去年,美国宇航局将该任务延长至 2016 年。但在做出该决定前后,第一个反作用轮坏了。随着第二个轮子的损坏,Troeltzsch 说,“我们用开普勒进行的科学研究,就我们所做的而言,已经结束了”。
尽管工程师将在未来几个月内尝试重新激活失效的轮子,但 Troeltzsch 并不抱希望。“它不太可能恢复到任何有用的状态,”他说。飞船上的推进器或许可以充当粗略的替代品,但它们并非旨在提供所需的精确姿态。索贝克说,恢复任务的努力可能会持续到秋末。
与此同时,博鲁茨基的团队正在分析开普勒最近两年的数据,这些数据似乎可能会为该任务目前超过 2,700 个的候选行星数量增加数百个(参见“开普勒的收获”)。由于最近的数据包含轨道长度与地球相似的行星的信息,博鲁茨基乐观地认为,他们将揭示银河系中地球类似物的频率的合理估计。
马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的系外行星理论家萨拉·西格并不那么乐观。她说,这些数据可能会得出关于轨道周期约为 200 天的类地球大小行星的良好统计数据,但并非一直到类似太阳恒星的“宜居带”中的轨道,该轨道约为 365 天。然而,她希望在剩余的数据中找到一些这样的行星。“这是有可能的,甚至很有可能。”