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《太空探索之桥》秋季刊

2021年9月1日体积 51 问题 3

几十年来，工程与科学的密切合作造就了太空探索的奇迹. 本期将介绍八个典型的任务, 传达兴奋, 挑战, 这些突破包括更好地理解太阳系的奇迹和奥秘.

维修哈勃太空望远镜:工程和科学的伙伴关系

2021年9月15日，星期三

哈勃望远镜是科学上的巨大成功，是工程上的奇迹，也是团队合作的典范.

哈勃望远镜在地球轨道上运行了31年 Space Telescope (HST; figure 1) is perhaps the most productive scientific instrument ever created. 它的编年史不仅仅是关于太空望远镜. 它们是关于想象和梦想的故事, 的斗争, 失败, 和胜利, 有时会克服困难.

Background

自1990年开始执行任务以来, 哈勃已经进行了超过100万次观测，其中超过18次,000篇科学论文.^{^[1]} 全世界有成千上万的天文学家使用哈勃望远镜, 还有更多的人挖掘其庞大的开放数据档案.

这个独特的天文台从观测中收集的图像和数据为一些最基本的科学问题提供了线索. 天文学家使用哈勃望远镜测量了宇宙的年龄, 揭示了宇宙加速膨胀背后的神秘“暗能量”, 回溯到130亿年前，研究一些最早的星系, 证明了黑洞的存在, 凝视恒星“托儿所”，在那里年轻的恒星和太阳系正在被创造出来, 对其他行星系统(系外行星)产生了非凡的见解, 观察彗星撞击木星.

菲尔德图1.gif

先锋和一流贡献者

人们常说，哈勃天文台的工作代表了工程学的最佳结合, 科学, 人类太空飞行. 哈勃是美国国家航空航天局(NASA)机队中最重要的科学航天器，因为顶尖的工程师和技术人员具有非凡的远见，他们将哈勃设计成可用的, 宇航员, 还有飞行控制人员，他们在面临极端挑战的情况下保持飞机运行了几十年.

要说出所有促成这个令人敬畏的天文台的关键人物是不可能的, 但如果不向里卡多·贾科尼(2008)的贡献致敬，对哈勃的描述就不完整。, 太空望远镜科学研究所的第一任所长, 负责科学项目的运作和支持天文学家使用哈勃望远镜.^{^[2]}

在开发过程中, 设计天文台的工程师必须为仪器设计具有光学公差的接口，以便在真空中工作的太空行走的宇航员能够维修(Smith 1989). 帮助实现可靠的操作, 哈勃还设计了关键系统的冗余和交叉捆绑能力, 哪一个, 结合服务, 使天文台保持运作并保持最先进水平. 一个脱颖而出的创新者，一个必不可少的工程师, 是谁的天才和创造力确保了任务的成功，是谁发明了太空服务, 弗兰克是塞波利娜.^{^[3]}

支持哈勃望远镜的团队几乎代表了NASA所有的中心, 尤其是戈达德太空飞行中心, 马歇尔太空飞行中心, 肯尼迪航天中心, 喷气推进实验室, 约翰逊航天中心(JSC), 以及欧洲航天局, 行业, 和学术界.

在五次航天飞机任务中, 工程师, 技术人员, 运营商, 和宇航员的共同工作使哈勃一直处于科学生产力的前沿(菲尔德 2014). 表1概述了执行这些任务的工作, 加上将哈勃发射到轨道的任务.

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关键团队合作迎接挑战的例子

哈勃的开始并不那么幸运，它本身就是一个引人注目的工程和科学故事.

4月24日，望远镜进入轨道后不久, 1990, 在2中检测到一个微小的缺陷.4米直径的主镜:它太平了大约2.2 μM在边缘，造成球差. 传回地球的第一批照片让科学界和美国宇航局(Gainor 2020)非常失望。.

美国国家航空航天局召集了一些全国顶尖的工程师和光学科学家，用镜子和镜片进行修复，以纠正哈勃的视力. 这些将作为一组单独的隐形眼镜插入哈勃的光学路径中, 以及在第一次维修任务中安装在新相机中的新镜头. 负责安装新光学装置以恢复哈勃视力的“外科医生”是宇航员.

我有幸与伟大的HST团队一起工作，并执行了三次航天飞机任务, 赢得了“哈勃修理工”的称号.“在接下来的章节中，我将介绍一些创新技术和工程的例子，这些创新技术和工程用于太空行走，以升级和修复轨道上的望远镜.

曲棍球手套的精密维修

即使有出色的工程和计划, 要维持哈勃望远镜的运转，就需要对航空电子设备和系统进行维修，而宇航员穿着笨重的宇航服，戴着更适合打曲棍球的厚手套，而不是维修电子设备，根本不可能在太空中完成这些工作. Fortu-nately, 人类物种的定义技能之一是设计工具和流程来迎接挑战的能力. 通过创造新的工具和技术, 这个小组克服了穿着太空服操作所带来的困难, 使熟练的技术人员能够在太空中以与在地面上相同的细节水平完成工作. 典型的HST任务需要数百个定制工具.

我的经验中充满了船员的例子, 工程师, 技术人员, 机械师, 以及太空行走训练师合作开发新工具. 在1999年我的第一次哈勃维修任务中，cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜必须开发一种用于超小型组装连接器的微型扭矩扳手, 哪一个, 它们的细螺纹和7-9 in-oz扭矩要求, 拆卸和安装笨重的手套是一个挑战吗.

2009年的最后一次维修任务, cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜不得不拆下仪器的盖板，以拆卸出故障的电路板, 一个从未在太空中尝试过的任务. 该团队开发了许多新的工具来切割铝电磁干扰网格, 拆卸数十个#4 Torq-set和#4内六角螺钉, 并更换电路板，而不切割锐利的G3玻璃层压板上的太空服手套. 没有创造性的定制工具和大量的实践，^{^[4]} 哈勃望远镜今天不会在轨道上工作.

更换主电源控制单元培训一年

在2002年的第四次维修任务中，cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜完成了更换主动力控制单元(PCU)的艰巨任务。. 它包含为哈勃供电的所有继电器，还有36个巨大的圆形大炮式连接器，非常坚硬, 难以处理的沉重的电力和信号电缆从左侧延伸下来.

在测试中，cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜发现现有的连接器工具不适合PCU修复任务. 通过多次迭代, 包括在高保真模拟器上测试, GSFC工具开发团队和我开发了一种名为高扭矩连接器的新工具.

cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜讨论了一个很宽的参数空间, 下巴几何, 握垫硬度计, 钳轴位置, 恢复弹簧力, 和系绳位置(所有工具都必须系绳，否则它们会飘走). cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜受益于当时的增材制造新技术，能够在JSC的中性浮力测试设施中快速制作原型进行测试，我在水下HST模型上使用了太空服中的工具.

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图2 2002年第四次维修任务训练中使用的动力控制单元模型, 以及(插入)高扭矩连接器工具. 图片来源:NASA.

PCU工具看起来很简单(图2), 但对于一个需要多个工程学科和人为因素来开发的关键任务来说，这是一个高度优化的解决方案. 通常最优雅的工程解决方案看起来很简单, 隐藏开发过程的复杂性.

PCU修复任务体现了在轨道上修复哈勃望远镜的高性能挑战. 难道cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜没有试着修理故障的电脑控制单元吗, 由于主电源母线有故障，整个天文台都会陷入黑暗. 这项任务非常重要, 高的风险, 最终修复决定是由美国宇航局局长丹·戈尔丁做出的.

在一年的时间里，我几乎每天晚上都在制作PCU的高保真模型, 小心地拆除所有36个连接，然后使用新的高扭矩工具和太空行走手套重新安装它们. 我想亲自了解每一个联络人, 圆形连接器键控的所有功能, 电缆布放, 甚至每个连接器的引脚和插座(我必须在轨道上检查).

这让事情变得更加困难, 望远镜上的门干扰了我的太空服头盔, 挡住了我的视线，让我无法立体地看到连接器. 我必须学会仅凭感觉和左眼的视角来连接连接器.

在比赛日，我的太空行走伙伴里克-林内汉和我用6小时48分钟完成了这项任务, 远低于预期. 我要感谢这个团队开发的特殊工具，^{^[5]} 高保真模拟器, 令人难以置信的深度文档，包括竣工图纸和展示望远镜硬件实际配置的特写照片, 关注每一个细节, 还有大量的培训. 这些是导致所有服务特派团取得成功的最佳做法.

克服一个棘手的螺栓
修理相机

虽然这些工具是服务特派团取得成功的促成因素, 最重要的因素是哈勃团队展现出的广博的知识和非凡的团队合作.

2009年最后一次执行哈勃太空任务, 最优先的目标是用新的最先进的广域相机3 (WFC-3)替换广域/行星相机2 (WFPC-2)。. WFPC-2在1993年的第一次维修任务中被安装，并被认为是拯救哈勃的原因，因为它的内部光学系统校正了主镜的球差(-Zimmerman 2008)。. WFC-3采用了相同的光学校正，但也采用了更大格式的图像探测器，在UV和可见波长范围内具有更低的噪声和更高的灵敏度, 以及一个新的近红外图像传感器, 使该仪器能够更深入地观察宇宙，并通过微米大小的尘埃窥视宇宙区域，以揭示其中的奥秘.

WFPC-2的更换计划在任务的第一次太空行走中进行. cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜使用仪器的模型在休斯顿中性浮力实验室的大型水池中进行练习，训练望远镜的拆卸和安装. 在GSFC，cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜在望远镜的高保真机械模拟器中使用实际的飞行仪器. 通过培训和学习工程文档, 我了解了机制的细节, 电气连接, 以及重要的功能，以确保cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜可以正确安装新仪器.

作为一名天体物理学家和仪器建造者，我特别兴奋地安装了这台新相机，它将帮助天文学家解开宇宙的奥秘. 我脸上带着一个大大的笑容(我喜欢太空行走)，我和德鲁·费斯特尔一起出发去更换WFPC-2仪器(图3).

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图3在第五次哈勃维修任务中，宇航员约翰·格伦斯菲尔德(背包上的红色条纹)和德鲁·费斯特尔试图拆除宽视野/行星照相机2, sts - 125, in 2009. 菲尔德等待指令，Feustel配置棘轮扳手. 图片来源:NASA.

cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜马上就遇到了一个大麻烦. 固定WFPC-2的主螺栓不动. cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜的棘轮扳手有一个扭矩限制器, 本质上是一堆最大38英尺磅的-Belleville垫圈和弹簧. 我找到了一个最大45英尺磅的备用扭矩限制器，但仍然没有运气. 在舱内，其他机组人员正在查看应急清单(“出问题时该做什么”的书)，并向任务控制中心的扩展工程团队咨询如何继续进行的指导.

漂浮在望远镜外，我想起设计师在轴上加入了一个较薄的部分，从前面的螺栓头延伸到后面的螺纹. 这确保了如果螺栓失效，它会在中间断裂，而不是在锁住它的螺纹开始的高应力区域断裂. 如果轴在减薄段断裂, 旧的仪器将被锁定在原地，新的仪器将与cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜一起返回地球. 我还记得轴会在57英尺磅左右断裂. 我脸上的笑容消失了.

任务控制中心给cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜指示，要移除没有扭矩限制保护的旧相机. 要么轴会从中间断裂，要么螺栓会适当松开. 德鲁慢慢地、稳稳地推了推扳手，扳手突然转动起来, 虽然cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜不知道它是坏了还是松动了.

使用手枪握把工具(PGT), 微处理器控制的电池驱动, cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜确认仪器正在移出去——cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜已经克服了顽固的螺栓，旧仪器可以移走了. 然后cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜就可以安装WFC-3了. PGT是由哈勃团队设计的，现在美国宇航局在国际空间站上的每一次太空行走都使用它作为标准工具.

在任务控制中心的David Leckrone, 美国宇航局哈勃项目的科学家, 他说，这项任务“比cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜想象的要艰难，但它刚刚——美丽地结束了——尽管我刚刚失去了我生命中的5年, 我认为.“确实, WFC-3的结果很漂亮, 如图4所示, 令人惊叹的鹰状星云的照片.

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图4壮观的鹰状星云(M16), 蛇座中的一个恒星形成区域, 这是哈勃太空望远镜宽视场相机拍摄到的. 左边的面板显示了紫外/可见光波长范围内的星云, 右边的面板用红外光照射, 它揭示了嵌在星云气体和尘埃中的年轻太阳系. 图片来源:NASA/ESA.

为什么地面小组如此确信闪电会出现? 工程师总是确保用于维修的扭矩限制器在任务前后都经过校准. 在第一次维修任务后，用于WFPC-2安装的扭矩限制器在一定温度范围内进行了校准. 在温度范围的冷端被发现偏离了校准, 提供高达53英尺磅的扭矩, 非常接近断裂扭矩, 而不是设计扭矩35英尺磅. 当宇航员安装WFPC-2时，天气一定很冷. 任务控制中心的一个GSFC工程师知道校准数据并把它带给了JSC飞行控制小组.

团队广泛的集体工程记忆, 哈勃知识管理系统中捕捉到的数据, 对WFC-3的安装和哈勃的所有维修都至关重要.

修理空间望远镜成像光谱仪

在第四次太空行走中，迈克·马西米诺的任务是修复太空望远镜成像光谱仪(STIS)。. 他的第一个任务是拆除一个黄色的宇航员扶手, 是什么阻碍了在一个失败的电源板上访问面板. 这是另一个棘手的修复，需要移除几十个小螺丝钉.

扶手由四个#10不锈钢内六角螺丝固定. 使用带有5/32“Allen驱动钻头的PGT, Massimino开始拆卸螺钉. 不幸的是, 在将钻头插入螺钉头之前，他不小心触发了PGT, 去掉头部的十六进制特征. 四颗螺钉中有三颗掉了, 但是第四个是固定的，扶手无法移动.

美国宇航局计划太空行走的名义时间为6.5小时, 在服内消耗品的持续时间和人的耐力之间平衡尽可能多地完成任务的需要. 在4个多小时的时间里，这个特殊的太空行走被困在了地狱边缘. 如果无法拆除扶手，这项任务就无法完成. cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜在里面研究了应急程序，但知道这不是cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜考虑过的情况.

当cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜在轨道上等待时，地面小组开始忙碌起来. GSFC的工程师和技术人员访问了配件, 螺栓, 还有模型上的扶手想办法把扶手拆下来, 现在被一根脱光的螺栓拴住. 他们想出了一个可能的解决办法:通过拉扶手的另一端使螺栓拉紧. 通过几次拉力测试，他们发现, 扶手顶部的拉力平均为60磅, 螺栓就会失效.

操作小组想出了一个简单的程序, 已经问过飞行指挥了, 把它召唤给cq9游戏跳高高网址-cq9游戏跳高高网址登录网站-apple app store-cq9跳高高排行榜. “你认为Mass (imino)能用60磅的力拉动扶手把它折断吗?”“在这一点上，我相信他可以拉更多,我对我的船员们说(如果你了解“大个子迈克”，你就会知道他本可以申请很多, 更多的力量). 在螺栓上涂上-卡普顿胶带后(地面实验表明螺栓可以飞开), -马西米诺用力一拉, 与一个提前这时，扶手掉了下来.

激励的回报
真正伟大而有意义的科学完全值得太空飞行的内在风险.

在太空行走4个多小时后, 马西米诺和他的太空行走伙伴迈克·古德最终进行了性传播感染修复. 他们在亚特兰蒂斯号航天飞机外总共待了8个多小时. 新的电源板已经安装好，仪器仍在工作，并提供来自哈勃的关键科学研究.

结论

望远镜的天赋和详细知识, 再加上快速思考的能力, 组织一个团队找出解决方案, 并实时测试该解决方案，使哈勃团队成功完成了每一个维修任务. 成千上万的人参与了哈勃太空望远镜的成功，从概念到至今仍在轨道上运行.

我是为数不多的幸运儿之一，不仅深入研究了哈勃望远镜所产生的迷人科学，而且还成为了哈勃望远镜工程和操作方面的专家, 在三次航天飞机任务和八次太空行走期间，“近距离地”在太空中对望远镜进行升级和维修. 即使有太空飞行的固有风险, 促成真正伟大而有意义的科学的回报是, 现在仍然如此, 值得冒险. 我的满足感来自于我知道为科学家服务的工作做得很好, 以及解决困难挑战的工程方案的存在乐趣.

哈勃可能是在太空中飞行的最有成效的科学仪器, 它的遗产远远超出了参与其中的工程师军团，他们继续为其他太空探索项目做出贡献, 国家安全, 还有很多其他领域.

谁知道哈勃望远镜能维持多久呢, 或者最后一次航天飞机任务是否将是最后一次维修任务(NRC 2005)? 有一件事是肯定的:哈勃将作为一个巨大的科学成功而被铭记, 工程学的奇迹, 也是团队合作的典范.

参考文献

Gainor C. 2020. 尚未想象:哈勃太空望远镜操作的研究. 华盛顿:美国国家航空航天局.

贾科尼R. 2008. 灰色深渊的秘密. 巴尔的摩:约翰霍普金斯大学出版社.

菲尔德 JM. 2014. 哈勃:不可能的任务. 摘自:-《哈勃的遗产》，ed DeVorkin RD (pp. 61–72). 华盛顿:-史密森学会学术出版社.

国家研究委员会. 2005. 延长哈勃太空望远镜寿命的备选方案评估. 华盛顿:国家科学院出版社.

史密斯RW. 1989. 太空望远镜. 纽约:剑桥大学出版社.

齐默尔曼R. 2008. 镜子中的宇宙. 普林斯顿:普林斯顿大学出版社.

^{^[1]} http://archive.太空望远镜科学研究所.edu/hst/bibliography/pubstat.html

^{^[2]} http://www.太空望远镜科学研究所.edu/

^{^[3]} http://www.发明.org/inductees/frank-j-cepollina

^{^[4]} 哈勃工具时间序列，http://svs.戈达德宇航中心.美国国家航空航天局.gov / 13174

^{^[5]} 训练工具和模型现在保存在史密森尼国家航空航天博物馆(http://airandspace).si.edu/collection-objects/trainer- power-control-unit-hubble-space-telescope / nasm_A20120158000) .

作者简介:本文作者约翰•格伦斯菲尔德是Endless Frontier Associates的总裁兼首席执行官.