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日本X射线卫星故障解体原因查明:软件程序失误导致

日本X射线卫星故障解体原因查明:软件程序失误导致 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)在新闻发布会上解释“瞳”卫星故障原因

日本X射线卫星故障解体原因查明:软件程序失误导致 美国与日本合作,耗费巨资研制的新一代旗舰X射线空间卫星项目“瞳”在轨工作示意图

新浪科技讯 北京时间5月1日消息,据《自然》杂志网站报道,广受世界天文学界期待的日本旗舰级天文卫星“瞳”(Hitomi)于今年2月17日发射升空,但在大约5个星期之后便出现翻滚失控迹象,经过详细调查之后,日本方面宣布这颗卫星的失控情况极可能是由一项基础工程失误造成的。

简单来说,“瞳”的姿控系统对于星体在太空中的指向感知出现混乱,于是自动启动了一台反推发动机试图阻止自身继续翻滚。但很显然姿控系统的发动机喷射方向反了,因此启动姿控发动机的后果是加速——而不是阻止卫星的翻滚。

4月28日,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正式宣布,这一耗资超过310亿日元(约合18.88亿人民币)的卫星已经失去联系。监测显示至少有10块碎片脱离卫星本体,其中包括两侧为卫星提供电力的两片太阳能帆板。

此前,“瞳”一直被视作是X射线天文学的未来。美国马里兰大学的理查德·木肖茨基(Richard Mushotzky)表示:“这是一大科学悲剧。”

在本次灾难性事件之前,“瞳”成功地开展了一次重要的观测,对英仙座一个星系团内部的气体运动进行了观测。用于开展这项观测的高分辨率光谱仪是经历30年的努力才研制成功的。在此之前的两个版本也都在此前的探测器事故中损失掉了。

“瞳”卫星的异常状况在其发射升空之后数周开始出现,当时其搭载的星敏感器出现异常,这是卫星搭载用于保持自身在太空中正确姿态指向的数个子系统之一。每次当卫星运行到南美洲东海岸一片被称作“南大西洋异常区”(South Atlantic Anomaly)的区域上空时,这一系统就会出现故障。在这一区域,围绕地球分布的范·艾伦辐射带距离地面相对较近,从而使飞船暴露在相对更高的辐射环境中。

这一情况本身并不会导致严重后果,然而星敏感器的问题却接连引发了一系列的后续问题,并最终酿成悲剧。

灾难性的翻滚

3月26日日本标准时间凌晨03:01(北京时间02:01),“瞳”卫星根据预设指令开始执行转向,其指向从对准金牛座蟹状星云转向马卡良205星系。就在这一过程中间的某个时刻,“瞳”星敏感器的问题让卫星选择替代方案,使用其搭载的一组陀螺仪来判断自身空间姿态。然而陀螺仪系统却错误地向卫星计算机发送报告,认为星体正以大约每小时20度的速度发生旋转。于是星载计算机对此自动做出反应,命令被称作“反应轮”的微型发动机反方向启动,试图阻止卫星翻滚。

而一旦反应轮达到最大转速,在正常情况下一根内置的磁棒将会被释放出来,从而阻止卫星的加速情况达到失控的程度。但这一程序执行的前提是这根磁棒必须处于适当的角度方位,在这样的异常情况下,磁棒系统未能发挥作用阻止反应轮继续加速。于是“瞳”卫星本体的旋转愈来愈快。

随后,飞船检测到异常并自动进入安全模式,到了日本时间04:10(北京时间03:10)左右,再次开启推进系统试图阻止旋转。但由于错误指令已经被上传,此次推进操作更进一步加剧了卫星翻滚。这一错误指令是在数周之前被上传的,当时相关软件程序没有经过适当的测试步骤,目前JAXA已经表示正在对这一事件展开调查。

以上所有这一系列事件发生时,卫星正位于地球的另一边,因此日本方面无法对卫星的这些情况做出实时响应。

在美国, 3月25日是一个周五,项目科学家们聚在一起庆祝“瞳”卫星项目的成功开端,随后便回家睡觉去了。周六清晨,美国方面的科学家们接到了“瞳”卫星项目主管高橋忠幸的一封简短邮件,告知他们卫星正处于危急状态。

地面望远镜开始对“瞳”卫星的姿态进行观测,并发现这颗卫星正处于每5.2秒旋转一周的翻滚之中。

错失的机会

美国威斯康星大学麦迪逊分校的天文学家丹·迈克卡门(Dan McCammon)帮助设计并制造了“瞳”卫星的主要观测设备之一——一台能够以极高精度测定X射线光子能级的X射线热量计。此前他已经在这一设备研制上花费超过30年的努力,并曾经在此之前将这一设备安装在ASTRO-E卫星上,但后者在2000年发射时坠毁;后来又在2005年搭载在日本“朱雀”(Suzaku)卫星上,然而由于氦泄露故障,这一设备在升空后数周便失去了功能。

迈克卡门表示,将需要美国宇航局投资5000万美元,并需要花费3~5年的时间才能重新制造一台这样的热量计设备。下一次搭载机会将会是欧洲空间局计划发射的“雅典娜”(Athena)探测器,但这项计划的预计发射时间要等到2028年之后。

日本埼玉大学的天体物理学家田代允指出,X射线热量计是此次事故中最惨重的损失。原本这台设备将可以收集到爆炸恒星,星系团以及星系间气体成分的超精细数据。他说:“我们错过了新科学。”

但“瞳”仍然为科学做出了贡献。由于此前失败的“朱雀”项目,科学家们为“瞳”规划了升空后便立即执行的重要早期观测计划。在发射升空后大约8天,“瞳”将其X射线观测之眼指向距离地球大约2.5亿光年之外的一个英仙座星系团。通过对该星系团内气体流出速度的测量,“瞳”能够帮助天文学家们估算出,随着时间推移,恒星不断在星系内诞生和消亡,在此过程中星系团的质量是如何发生变化的。这一测量结果对于暗能量的研究具有关键意义。

木肖茨基指出,这些数据可能将发表几篇重要的论文。但也仅此而已了。他说:“我们一共只开展了3天的观测,而我们原本的设想是10年。”(晨风)

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