去年10月，哈勃望遠鏡的一個陀螺儀出現了故障，用來修理的備份陀螺儀也出現故障，於是望遠鏡進入安全模式，暫時停止了觀測。NASA後來通過“來回重啟”修好了陀螺儀，哈勃終於恢復了正常運行。
那麼問題來了：陀螺儀為何這麼重要？它又是如何工作的？
你知道陀螺儀位於圖中的哪個部分嗎？（來源：onenewspage.com）
撰文 | 苟利軍 （中國科學院國家天文臺，中國科學院大學）
孫陽（中國科學院長春光機所）
編輯 | 韓越揚 金莊維
北京時間2018年10月6日，哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）因故障暫時停止觀測的消息傳出，再次讓全世界的天文學家為之憂心。研究人員發現，原來是哈勃的一個陀螺儀出現了故障，而備份陀螺儀又不能正常啟動，於是望遠鏡進入了安全模式。
在2009年對哈勃的最後一次維修中，科學家重新更換過所有6個陀螺儀。一般來說，太空望遠鏡只需3個陀螺儀就可以精確測量方向，同時還會多安裝幾個以備不時之需。在過去的幾年中，尤其是2018年，哈勃的陀螺儀的使用年限陸續到期，相繼停止工作。陀螺儀故障在2018年4月份就發生過一次。而在10月份的事故中，用來“續命”的備份陀螺儀竟也出現故障，不能接棒執行任務了。
在接下來的一個星期裡，操作小組猜測，由於備份陀螺儀已經存放了將近10年之久，其內部用於隔離衛星振動的液體封裝層出現了氣泡，導致陀螺儀轉子跑偏。
10月18日，操作小組讓望遠鏡進行了一系列來回啟動和轉動，同時讓陀螺儀在高低速模式之間來回切換。說白了，就是試圖搖晃陀螺儀，希望把氣泡搖開。美國媒體用一系列充滿幽默（也許是“過分幽默”）的標題概括了NASA的這一維修方法——
CNET稱NASA的做法是“用修路由器的招兒來修望遠鏡”（NASA may have fixed the Hubble Telescope the way you fix your router; Turn it off，turn if on，fiddle with the setting，pray.）
科技網站Engadget說他們這是在“來回重啟修陀螺（NASA fixes Hubble gyroscope by turning it off and on again）”。
《今日美國》(USA Today) 網站則用了這樣的標題：“怎麼維修HST？來回扳開關就行。（What fixed NASA’s Hubble Space Telescope? Someone flipped a switch on and off）”。
不管外界如何評價，操作小組最後成功了。10月26日晚間，哈勃終於恢復了正常運行，並於次日凌晨2點10分再次完成了一項科學觀測。哈勃“病癒”後的第一個觀測對象是遙遠的星系DSF2237B-1-IR，寬視野相機3號儀器拍攝到了它的清晰紅外照片。哈勃又暫時健康了！
回過頭來，我們要提出的問題是：陀螺儀為何這麼重要？如果陀螺儀無法正常工作，耗資巨大、全球科學家排隊等待使用的太空望遠鏡就只能“歇菜”了嗎？陀螺儀是如何工作的？哈勃的陀螺儀與你的智能手機裡的陀螺儀是一回事嗎？
精確指向：太空望遠鏡卓越任務的實現前提
天文學中有一個顯而易見的道理：如果你想要看到更深更遠的天體，就需要望遠鏡擁有更大口徑，觀測保持更長時間。根據光的衍射原理，望遠鏡口徑越大，分辨率就越精細；望遠鏡觀測時間越長，越能看清更遠的暗淡天體。無論如何，這都需要望遠鏡指向精確，不然得到的圖像就會模糊，這就如同拍夜景手抖就會得到模糊照片一般。所以“精確指向”對於太空望遠鏡的觀測而言尤為重要。
在過去的28年中，哈勃望遠鏡位於地表之上大約540公里的圓形軌道上，每隔大約90分鐘就完成繞地球一週的飛行，它的眾多觀測結果革新了我們對這個廣袤宇宙的認識。在哈勃幾百萬次的觀測中，影響最深遠的一次當屬“哈勃深場觀測”（Hubble Deep Field，HDF）。這次觀測於1995年12月開展，時任空間望遠鏡研究所所長的Robert Williams博士花費了大約250個軌道週期的時間，對大熊座中如針尖般大小的同一區域（可見精確指向是多麼重要），進行了長達10天的連續定點觀測，最終得到了一幅照片，其中佈滿大小不一的星系，這就是著名的哈勃深場。
哈勃深場（圖源：wikipedia）
這張看似簡單的照片實則意義非凡。在上世紀20年代，天文學家愛德文·哈勃發現宇宙由眾多星系構成，而哈勃深場首次幫助我們推斷出了宇宙中星系的總數目，解決了天文學家哈勃在70年前留給我們的疑問：宇宙中有多少個星系；並且幫助我們瞭解了星系的演化。在這次長時間的連續定點觀測中，環地飛行的望遠鏡需要與陀螺儀系統出色配合，不斷調整指向，才能始終保持精確對準大熊座的同一區域。
除了著名的哈勃望遠鏡，今年受陀螺儀故障影響的還有錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）。就在哈勃望遠鏡陀螺儀失效之後不久，2018年10月10日，這個已服役19年之久的美國大型空間天文臺也因為陀螺儀故障進入了安全運行模式，暫時停止觀測。研究小組21日對陀螺儀進行了新的配置，使得錢德拉恢復了科學觀測工作。
除了作為測量指向設備的陀螺儀頻發故障之外，用來調整指向的設備也是導致太空望遠鏡發生故障的一個重要原因。一些太空衛星或設備是通過反作用飛輪來調整指向，從而實現精準觀測的。比如我們熟知的行星獵手——開普勒衛星（Kepler）。
在2009年發射之後，開普勒通過對天鵝座和天琴座區域的固定觀測，發現了我們現在所知道的絕大多數的系外行星，從而改變了我們對於系外行星的眾多認識。開普勒項目收穫巨大，NASA原本打算將其任務延長到2016年，但在2012年7月14日，開普勒衛星上用來調整方向的四個反作用飛輪中有一個由於摩擦太強，最終停止了轉動。2013年5月11日，第二個反作用飛輪以同樣的方式壞掉了。五個月之後，NASA宣佈放棄修復嘗試。開普勒利用剩餘兩個反作用飛輪和矢量噴氣系統協同調姿，得以在安全模式下繼續工作。由於正常工作的飛輪數量不足，在開普勒視野中原本能夠保持穩定的恆星現在開始慢慢漂移，觀測能力極大下降。2018年，矢量噴氣系統燃料耗盡，無法幫助飛輪調姿，開普勒望遠鏡終於在10月30日宣佈退役。
既然精確指向對於太空望遠鏡而言如此重要，事關探測項目存亡，那麼，太空望遠鏡又是如何實現精確指向的呢？
如何精準：望遠鏡的指向工作原理
對於任何一個太空望遠鏡而言，精確指向都是通過測量和執行兩個步驟來完成的，所以相關的設備也包含這兩個方面。
A、測量系統
除了上文提到的陀螺儀，測量設備通常還包括其他一些姿態敏感器，比如紅外地平儀、星敏感器、太陽敏感器和磁強計等。又因地平儀、太陽敏感器和磁強計測量精度有限，所以太空望遠鏡所需的高精度指向信息通常由星敏感器和陀螺儀來協同測量完成。
所謂星敏感器，實際上是一組指向不同方向的小型望遠鏡，通過拍攝不同方向的星空，並與預存的星圖比對，從而求解出衛星在太空中的絕對指向。
在某些情況下，如果陀螺儀出現損壞或故障、能夠工作的陀螺儀不足三個，那麼缺少的方位測量信息可以由太陽敏感器、星敏感器等補充，進行一定程度的挽救。但是，因為這些輔助設備或精度不高，或做不到高頻率測量，仍無法完全替代陀螺儀，只能作為權宜之策。所以一旦陀螺儀數量低於三個，精確指向就無法實現了。
說到陀螺儀，或許你的腦海中會浮現出幾個嵌套的圓環的形象，那是歷史上一種十分古老的機械式陀螺儀的外觀。此外，自蘋果公司2010年在iPhone4中引入陀螺儀以來，這一元件已經廣泛應用在我們如今使用的智能手機裡，並被大家熟知。（當然，手機裡的陀螺儀不再是幾個圓環嵌套的樣子。）
機械式陀螺儀（圖源：wikipedia）
因為陀螺儀具有保持自身轉動狀態的特點，所以通常被用來實現太空望遠鏡在太空中的穩定定位和角度測量。隨著技術發展，最初的機械式陀螺儀已經衍生出了根據光學原理工作的光學陀螺，乃至根據原子自旋等性質工作的新概念陀螺。需要注意的是，原子自旋是一個量子力學概念的物理量，並不是講原子本身真的在旋轉。可見“陀螺儀”的內涵已經被大大擴展了。
由於每個陀螺儀能夠測量一個方向的轉動，因此要測量望遠鏡在三維空間中的指向狀態，需要至少三個陀螺儀同時工作，這就類似我們所瞭解的座標軸。通常的太空望遠鏡會多安幾個陀螺儀，多出來的作為冗餘備份，待有陀螺儀故障後作為補充，以延長太空望遠鏡的壽命。作為美國的旗艦型望遠鏡，哈勃空間望遠鏡不僅同時安裝了六個陀螺儀，並且，在之前針對哈勃的共五次維修中，宇航員曾兩次對陀螺儀進行在軌更換，保證瞭望遠鏡的長久正常運轉，這也是哈勃能夠工作至今的一個重要原因。
陀螺儀按照工作原理，可分為常規（機械式）陀螺、光學陀螺以及基於新技術的新概念陀螺等。（1）常規陀螺常規陀螺儀是一臺利用高速旋轉的質量來敏感測量指向的設備。根據陀螺的進動性原理，當衛星運動使陀螺儀的自轉軸變動，導致陀螺在其輸入軸方向存在一個進動角速度時，在陀螺的輸出軸將產生一個力矩。通過將力矩轉換為電信號，即可測得陀螺儀當前的轉角。常規陀螺儀的工作原理，其實在很早之前就已經被發現並廣泛應用於生活當中。法門寺曾經出土過一件罕見的唐鎏金銀香囊，不管外面的圓球如何晃動，裡面的香囊總是保持水平狀態。在科技並不發達的唐代，這也可以被認為當時的黑科技了，其實它就是一個類似的陀螺儀系統。
唐鎏金銀香囊（圖源：blog.sina.cn）陀螺只有在高速且高穩定的情況下，才能保證高測量精度。這個目標可以靠液浮、氣浮、磁懸浮等技術實現。哈勃望遠鏡採用的是氣浮和液浮相結合的方式，這可以隔離衛星的振動干擾，同時將阻力降到極低，從而保證望遠鏡定位的高精度及穩定性。常規陀螺採用的是高速旋轉的轉子，受工藝水平限制，很難達到長使用壽命的要求。但是，考慮到哈勃望遠鏡的製造時間，或許還有歷史沿革的原因——當時光學陀螺等才剛剛發明出來，機械式陀螺儀最為成熟，也經過了多代衛星與國際空間站的檢驗，畢竟上天無小事——哈勃使用的一直是常規機械陀螺儀。
哈勃望遠鏡上飛輪與陀螺儀的佈局（圖源：spacetelescope.org）
陀螺儀拆解圖（圖源：ecuip.lib.uchicago.edu）（2）光學陀螺光學陀螺分為激光陀螺和光纖陀螺兩類。它們的工作原理都是基於Sagnac效應，即在光路有旋轉運動時，光在閉合光路中沿順時針和逆時針方向的傳播時間會產生差別，這種時間差對應著光路的旋轉角速度，測出時間差就能知道陀螺儀轉角。激光陀螺隨著激光技術誕生而出現，採用光學諧振腔作為光通路，使用鏡面反射建立光路閉環。光纖陀螺出現較晚，隨光纖技術而誕生。它使用繞成環形的光纖作為光通路，通過多圈卷繞，大大提高了靈敏程度。它不需要（部件，可以做得較小，安裝簡單，壽命長，耐惡劣環境，使用非常方便。光學陀螺目前主要用於航空、艦船等領域。未來待到成本繼續下降，也許我們會在消費用品上見到它們的身影。（3）新概念陀螺在過去的幾十年當中，隨著材料科學、測量控制技術的發展，人們得以將一些獨立於傳統陀螺儀發展路徑的物理原理應用到陀螺儀上。這方面的代表有微機電（MEMS）陀螺、原子自旋陀螺等。微機電陀螺儀根據驅動方式可劃分為靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動，按檢測方式可分為電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測等。雖然它的精度不是那麼高，但這種陀螺儀有著尺寸小、價格低的優勢，成本可以做到人民幣5元上下，所以目前已經成為手機的標配，極大增強了手機的應用和娛樂功能。原子自旋陀螺儀使用原子內稟的自旋角動量進行慣性測量。2002年，科學家發現，在鹼金屬原子進入高溫下的無自旋交換弛豫態（Spin Exchange Relaxation Free，SERF）後，原子自旋密度會提高若干數量級，從而可以與外界載體的轉動相互作用，實現陀螺儀功能。目前，這些新概念陀螺儀尚處於雛形狀態，技術尚不成熟，工作指標還無法滿足太空望遠鏡的高精度需求。但廣闊的前景已經依稀可見，相信在不久的將來，我們可以在太空望遠鏡上發現它們的身影。
B、執行設備
在測量好望遠鏡的方位之後，如果我們需要調整望遠鏡的指向，就輪到執行設備上場了。執行設備包括矢量噴氣系統、反作用飛輪、磁力矩器等。其中磁力矩器通過與空間中的磁場相互作用來調整衛星指向，輸出力矩較小，因此衛星指向調整主要通過矢量噴氣系統和反作用飛輪來完成。我們接下來逐一進行介紹。
（1）矢量噴氣系統
矢量噴氣系統通過噴射氣體所獲得的反作用力來調整衛星指向。所使用的氣體是通過燃燒衛星所攜帶的燃料而產生的，因此工作壽命受衛星攜帶燃料量限制。燃料一旦用完，矢量噴氣系統也就無法工作了。前面提到的開普勒望遠鏡就是一個典型例子。
（2）反作用飛輪
反作用飛輪的工作也基於陀螺原理。差別在於，陀螺儀質量較小，對衛星指向的影響小，僅用於測量；而反作用飛輪一般質量較大，且飛輪轉子的質量主要分配在輪緣，以儘可能獲得更大的轉動慣量，來最大化提供調節能力。飛輪安裝在衛星上，連帶飛輪的整個衛星系統角動量守恆；通過調整飛輪轉子轉速，可以將轉動角動量在飛輪轉子和衛星之間進行分配，從而控制衛星的轉動，調節衛星指向。
與矢量噴氣系統不同，反作用飛輪僅需要電能即可輸出轉動角動量，不需要燃料，因此更加方便。但是，由於飛輪一直在轉動，本身質量也很大，其故障率高於非活動件，並且飛輪自身也是衛星振動的主要來源之一，這些都會影響望遠鏡的工作。衛星有一個叫做“平臺”的系統，它隔離了科學儀器與衛星其餘部分的直接連接，打個不太恰當的比方，有點類似於筆記本電腦的主板的功能。飛輪一般安裝在衛星平臺上，望遠鏡通過隔振裝置與平臺連接，從而儘可能降低飛輪振動帶來的影響（當然也在降低太陽帆板、衛星天線等其它振動的影響）。
與陀螺儀相似，在框架轉動的某一瞬間，單個飛輪產生的轉動角動量僅限於單個方向，因此在實際航天應用中，需要至少三個飛輪配合使用才能完成航天器的三自由度指向控制。在航天任務中，我們一般將多個飛輪以特定的空間構型集中安裝使用。
說到反作用飛輪（reaction wheel），就需要說明一下動量輪（momentum wheel）。二者有類似之處，但差別也十分巨大。前者既可以正向轉，也可以反向轉，所以平均角動量有可能為零；而動量輪通常只沿著一個方向轉動，但是其轉速可調節，平均在一個固定轉速上，所以它的角動量不為零，轉速範圍被“偏置”到某一數值附近，所以動量輪也被稱作偏置動量輪。動量輪的轉動方向更單一，於是可以通過優化設計，使轉速達到更高，實現更大的轉動慣量。這種性能上的優點將其從反作用飛輪中分離成為單獨一種類型，並衍生出更多的功能。
結語
以上就是哈勃、開普勒等等太空望遠鏡為我們帶來的氣勢恢弘的宇宙照片背後的祕密。藉由這些集中了人類智慧巧思與物理原理的特殊設備，甚至是特殊的安裝構型，人類的太空之眼才得以對準遙遠星系，為我們帶回宇宙深處的震撼、美好與奧妙。
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