哈勃换心记——史无前例的太空作业

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摘要

在哥伦比亚号航天飞机为期11天、行程400万英里的飞行期间,宇航员们通过5次太空行走,成功地实现了一次史无前例的太空作业:为哈勃空间望远镜更换了“心脏”——电力控制装置以及太阳能电池帆板等部件,并给“哈勃”装上一台功

哥伦比亚航天飞机为期11天、行程400万英里的飞行期间,宇航员们通过5次太空行走,成功地实现了一次史无前例的太空作业:为哈勃空间望远镜更换了“心脏”——电力控制装置以及太阳能电池帆板等部件,并给“哈勃”装上一台功能更强的照相机和其他设备,创造了航天飞机一次飞行中,宇航员太空行走总时间最长的新纪录。

常修常新

“哈勃”多灾多难,升空伊始,就患上了“近视眼”——由于磨镜时发生1.3毫米的误差,导致望远镜不能正确对焦。第一次空间大“会诊”,由奋进号航天飞机于1993年执行,给已经高度近视的主镜戴上了“眼镜”,校正了视力,并且加装了一种新的摄像机和其他一些加强性部件。

第二次空间大“会诊”由发现号航天飞机于1997年执行,最主要的一个维修项目就是给它加装了一种新的仪器,把“哈勃”的视力从原来的可见光和紫外光的较短波段,扩展到电磁波谱的红外部分,从而大大增强了它的观测能力。

第三次空间大“会诊”完成于1999年12月,由发现号航天飞机执行。这次任务除了更换陀螺仪外,还更新了电脑、无线电收发器和数据记录器。这些价值共7000万美元的新设备,保证了“哈勃”能源源不断地发回令人惊叹的宇宙图像。

险象环生

哥伦比亚号的维修之旅耗资1.72亿美元,仅航天飞机上携带的零部件就重达2.7吨。由于此次维修使命的责任特别重大,因此机组人员都经过精心挑选。“哈勃第四次手术医疗队”由7名宇航员组成,他们是指令长阿尔特曼、驾驶员凯瑞、女飞行工程师柯里和“主刀医师”格伦斯菲尔德、纽曼、利纳汉和马西米诺。7名宇航员中有5名博士。

哥伦比亚号航天飞机原定于2002年2月28日升空,但由于天气寒冷,肯尼迪航天中心于27日决定推迟一天发射。3月1日美国东部时间6时22分,佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天发射中心,哥伦比亚号一声怒吼,刺破玫瑰色的朝霞升上太空,带着7名宇航员,开始了这次最具挑战性的“哈勃维修”之旅。

哥伦比亚号进入轨道后不久,地面控制中心发现机上的两套冷却系统循环只有一套能正常运作,另外一套的一条管道所装的冷却剂流量很小,已接近红色警戒线,有可能导致冷却系统失灵。最初,本次飞行任务的负责人担心,这一故障可能造成“哥伦比亚”号提前返航。因为根据美国现有的航天安全条例,两套冷却系统只要有一套完全失灵,航天飞机就必须返回地球。但肯尼迪航天中心经过研究后认为,该故障不影响哥伦比亚号为期11天的正常飞行,决定让它继续按计划完成既定使命。

准备就绪

经过两天的追踪,哥伦比亚号航天飞机于3月3日在太平洋上空560多公里处,拉近了与“哈勃”的距离。指令长阿尔特曼和驾驶员凯瑞对航天飞机进行手动控制,使两个航天器之间的距离缩短到不足10米。随后,女宇航员南希·柯里操作机械臂小心翼翼地“捉”住了“哈勃”。整个操作过程准确无误。在空间望远镜被固定到航天飞机载货舱内之后,宇航员们开始操作“哈勃”,收缩太阳能电池帆板。驱动望远镜太阳能电池帆板收缩的马达,虽然自1993年“哈勃”接受首次“大修”以来,就一直没有再使用过,但此次重新启动性能依然完好,总共花了约10分钟,就顺利完成了任务,至此,维修“哈勃”的准备工作已经就绪——“病人”已经上了“手术台”。

“哈勃”充电

3月4日凌晨,一对新老组合的宇航员首次进行太空行走,为“哈勃”更换太阳能电池帆板。格伦斯菲尔德曾于1999年参与对“哈勃”的维修,有过两次太空行走的经验。尽管如此,当他“飘”出航天飞机时,仍显得有些激动。“喂!哈勃先生!”身着臃肿太空服的格伦斯菲尔德问候道,“我们这次来,是要给予你更强的能力,去看行星、恒星和宇宙。”利纳汉是一位新手,太空漫步对他来说还是头一回。“置身此地真是太奇妙了。”当直接面对近在眼前的“哈勃”时,利纳汉情不自禁地发出了感叹。这次太空行走,持续约7个小时。他们先把“哈勃”原先的一块太阳能电池帆板卸下,然后装上一块新的太阳能电池帆板,最后是像翻书一样,将新的太阳能电池帆板完全打开。“哈勃”原先的太阳能电池帆板是1993年安装的,此后一直没有更换过。受温度极端变化和太空辐射的影响,它的供能效率已经比原先下降了近40%,而且还出现了一些结构和电路方面的毛病。

第二次步入太空的是纽曼和马西米诺,仍旧是以老带新。“这可是太空行走的好日子啊。”纽曼以轻松的语调,开始了自己的第五次太空行走。此前并无太空行走经验的马西米诺,则用“难以置信”来概括自己初次步入太空的心情。

在3月5日进行的这次长达7小时16分钟的太空行走中,他们为“哈勃”换上另外一块太阳能电池帆板以及相应的配件,还为“哈勃”更换了一套新的反作用轮组件。后者能够通过自身的旋转控制望远镜的位置,保证其上的照相机能稳定地观测和拍摄。“哈勃”带有4套反作用轮组件,但其中一套在去年11月已短暂失灵。由于时间比较充裕,在完成以上计划内任务后,两名宇航员还检查了“哈勃”尾部的防护门,发现门上有两个插销要换。他们还为望远镜更换了一些绝热材料,并为下一阶段的维修工作做了一些提前准备。

心脏移植

自1990年升空以来,“哈勃”的“心脏”——电力控制装置,不间断跳动近12年,落下了一些“病痛”。随着不断添加新仪器,其“心力衰竭”日益突出,让人担心它能不能走完20年的设计生命。“换心”是个解决办法,但风险也大。最初设计电力控制装置时,就没想过将来要换它,其构造、布局都是按固定使用而设计的,并不适合动“手术”。最关键的是,要更换这一装置,必须要给“哈勃”彻底断电,而一旦供电无法恢复,价值20亿美元的望远镜可能会变成一堆太空垃圾。航天中心权衡再三,最终决定在对“哈勃”第四次“大修”期间,给它动“心脏”手术。重担于是落在了格伦斯菲尔德和利纳汉的身上。对他们的考验不仅是要成功完成“心脏移植”,而且时间还不能拖得太长。据计算,“哈勃”停电超过10个小时,太空低温环境可能就会损坏望远镜上的设备,3月6日的太空行走持续了6小时48分钟,从一开始就扣人心弦。在准备进入太空前约半小时,格伦斯菲尔德的太空服冷却系统出现漏水,他被迫重新更衣,整个“换心脏手术”被迫推迟约两个小时。但接下来的一切非常顺利。两名宇航员配合默契,其中难度较大的是拆除电力控制装置36个接头的工作,主要由利纳汉完成。他当过兽医,曾给鲸、大象和犀牛动过手术。航天中心选用他,就是看中他外科医生的灵巧双手和细心。

“换心手术”完毕后,地面控制人员很快对新电力控制装置进行了测试,并欣喜地宣布,他们重新接收到了来自“哈勃”的“心跳”,表明新的“心脏”已开始健康工作。一位地面控制人员说,“哈勃”这次不过是打了一个小小的“瞌睡”,“它干了12年,也该歇歇啦!”

安装新“眼”

纽曼和马西米诺3月7日完成了他们此次太空之旅的第二次太空行走,花了约7个半小时,用“先进测绘照相机”,换下了“哈勃”上原有的“暗淡天体照相机”。后者是“哈勃”1990年发射时所携天文观测仪器中,惟一还在工作的。随着它的“下岗”,“哈勃”原始的观测仪器已被全部更换。

安装“先进测绘照相机”,是此次对“哈勃”的检修中科学含量最高的工作。这种仪器也是新换的一批设备中最值钱的,价值约7600万美元。有了这只新“眼睛”后,“哈勃”就可以看得更深、更远、更清晰,其天文观测能力预计将提高10倍以上。它的大小相当于一个电话亭,有3个观测频道。其中,广视野频道可以搜寻宇宙诞生早期的星系,了解宇宙的演变过程;高分辨率频道能拍摄星系内部的详细照片,可帮助在太阳系外寻找行星;另外一个频道专用于紫外波段的观测,能通过探测特定分子的存在,研究太阳系其他行星上的气候等等。

复明旧“眼”

3月8日,宇航员格伦斯菲尔德和利纳汉再接再厉,成功为“哈勃”的“近红外照相机和多目标分光计”安装了新的冷却系统。新制冷系统用氖作制冷剂,主体是类似冰箱的压缩机,压缩机上带有3个微小的涡轮,能以高达每分钟40万转的转速旋转。另外,该系统还带一个散热器,可以挂在“哈勃”望远镜外面。两名宇航员在安装压缩机和散热器时还比较顺利,但连接两者的线路和管道却有点麻烦,使他们操作起来费了不少时间。利纳汉一度开玩笑说,他们就好像是在“耍蛇”。新制冷系统已经成功地通过了最初的测试。但科学家们说,可能至少还需要再过一个月,才能确认近红外照相机和多目标分光计是否已恢复了工作能力。

重返宇宙探索之路

3月9日,柯里操作15米长的机械臂,“摘”出了固定在载货舱中的约4层楼高的“哈勃”,将其重新“释放”到太空。随后,航天飞机上的发动机点火,哥伦比亚号慢慢远离空间望远镜。“祝你好运,哈勃先生!”格伦斯菲尔德代表航天飞机上的7名机组人员,向“哈勃”道别,为它最后留影。从美国宇航局的实况电视画面上可以看到,闪着金属光泽的“哈勃”越飘越远,最终消失于地球背着太阳的黑暗一侧。

“哈勃”的未来

2004年,肯尼迪航天中心将对“哈勃”进行最后一次维修,届时宇航员将在“哈勃”上安装宇宙起源光谱仪(COS)、最敏感紫外光谱仪和宽视场行星第三相机(WFC3)以及“哈勃”上第一个真正全色照相机(感光色域宽)。哈勃空间望远镜预计会在2010年被接回地球,届时有可能被放置在华盛顿的国家航空航天博物馆,供人参观。其接班人——“下一代空间望远镜”将在2009年发射升空。

(郭炜摘自《文明》2003年第1期)

(作者:陈 丹 字数:4150)

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