是什么导致了日本瞳X射线卫星的坠毁?

一份主要报告指出,并非陨石或太空垃圾所致,而是多层级的人为错误

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


2月17日,一颗新的X射线卫星天文台从日本种子岛宇宙中心发射升空。这颗天文台被命名为“瞳”(Hitomi),在日语中意为“瞳孔”,旨在探索超大质量黑洞的本质,甚至探索神秘的暗物质的起源。

发射五周后,一切进展顺利。“瞳”正在进行试观测,并从高度监管的调试模式过渡到常规运行。3月26日星期六,日本标准时间凌晨3:00刚过,“瞳”在没有地球持续监控的情况下进行了首次机动。相反,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的科学家们等待“瞳”在其轨道扫过位于西班牙和澳大利亚的日本地面站时重新建立无线电联系。该卫星计划在下午4:40与澳大利亚地面站联络。但是,呼叫始终没有到来。

地面的望远镜扫描天空以寻找“瞳”,最后在天文台预期位置附近发现了碎片——这不是一个好兆头。尽管如此,JAXA的工程师们在接下来的几周里仍然试图与“瞳”取得联系。但最终,他们不得不承认失败。在发射仅仅两个月后,这颗耗资2.73亿美元的卫星被宣布失联。


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随后,JAXA进行了为期一个月的调查,最终在本月初发布了一份103页的报告。结论是:“瞳”并非被流星或太空垃圾击中。相反,该文件详细地描述了一系列致命的问题。这颗卫星因偷工减料和人为错误而注定失败。

“瞳”的问题始于3月26日那次决定性的机动之后,该机动将望远镜从观测蟹状星云转向观测一个被认为存在超大质量黑洞的星系的核。移动结束后,卫星的基于陀螺仪的姿态传感器错误地认为航天器仍在旋转。“瞳”的设计者们预料到了这种情况,因此他们添加了第二个姿态监测器,该监测器通过跟踪已知亮星的位置来确定天文台的方向。

错误开始在这里出现。恒星跟踪器被设置为仅注意高于特定最小亮度的恒星,但阈值设置得太高,这意味着它找不到足够的恒星来进行正确的定向。当足够亮的恒星出现在其探测器中时,恒星跟踪器和陀螺仪报告它们认为“瞳”的指向存在重大差异。在这样的情况下,“瞳”被编程为向地面控制人员发出警告,但会拒绝恒星跟踪器的数据,而选择使用陀螺仪的数据。

不幸的是,由于“瞳”刚刚从调试模式毕业,控制人员不再那么密切地监视它,并且警告标志被忽略了。接受陀螺仪关于“瞳”正在旋转的结论后,天文台的电动反作用轮启动,试图抵消旋转。但由于它最初并没有旋转,这使得卫星实际上进入了旋转状态,并且旋转速度越来越快。此时,“瞳”进入安全模式并等待来自地球的指令。

“瞳”仍然可以通过能够重新调整卫星方向的星载火箭推进器来拯救——而现在出现了第二组错误。当控制人员上传给推进器的指令时,结果证明是错误的。如果这些指令在“瞳”的计算机模拟中进行过测试,本来可以发现这一点,但是没有检查来确认是否已完成此操作。推进器点火,使“瞳”旋转得更快——并最终超过其解体点。天文台解体了。

一项重大任务的失败并非没有政治后果。由于“瞳”的失败,三名JAXA高管选择减薪四个月,未来任务的资金可能会进一步减少。但是,通过公开剖析这些问题,JAXA希望纠正其自身计划中的问题,并防止这种情况再次发生在任何其他任务中。

“瞳”是包括美国宇航局(NASA)和欧洲航天局(ESA)在内的国际合作项目的一部分,这两个机构对任务失败都不陌生。太空是无情的,任何错误都可能是致命的。我们能做的最好的事情就是分享这些错误,以最大程度地减少它们再次发生的机会。

Elizabeth Tasker is an Associate Professor at the Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA), where her research focuses on building stars and planets inside computers. She is the author of the popular science book, 'The Planet Factory', which was published last year. Elizabeth can be followed on twitter talking about exoplanets and life in Japan @girlandkat.

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