一周前,在距地球200多英里的轨道上,一颗冰箱大小的卫星在尝试救援NASA价值5亿美元的斯威夫特伽马射线天文台途中,突然发生失控旋转。
情况一度十分危急。这颗名为Link的航天器在多个轴向上同时旋转,导致其无法与地面维持稳定通信,同时也使制动工作更加复杂。卫星上用于姿态调整的三个反作用轮中,有两个已停止运作。工程师通过断断续续的无线电接触,还发现冷气推进器也出现了故障。
Link卫星由卫星服务初创公司Katalyst Space Technologies建造、拥有并运营。该公司获得NASA一份价值3000万美元的合同,负责飞抵斯威夫特天文台、将其捕获,并在其最终受大气阻力影响而坠入大气层燃烧前提升其轨道高度。
时间紧迫。再过几个月,斯威夫特的轨道高度将过低,届时Katalyst将无法完成救援任务。这也是NASA首次委托商业公司为其在轨卫星提供在轨服务。NASA给予Katalyst不到一年的时间来完成任务准备。Link卫星于7月3日发射升空,开始追赶斯威夫特,任务整体进展顺利,直到上周六突发异常。
"事发时,卫星正处于一段无通信窗口期,"Katalyst首席执行官李贡熙(Ghonhee Lee)在接受Ars采访时表示,"就在此前不久,卫星还处于非常稳定的状态。"
Katalyst地面团队从位于丹佛附近的控制中心紧急行动,寻求解决方案以恢复Link卫星的正常运行。好消息是,卫星的其他系统仍运转正常,包括供电系统、三台氙燃料电推进器,以及捕获斯威夫特所需的交会对接与机器人操作硬件。
在公司地面团队努力稳定飞船的当天下午,Ars与Katalyst首席执行官李贡熙进行了交流。第一步是利用卫星的等离子发动机逐步降低旋转速率。这些发动机主要设计用于轨道提升,但由于配备了双轴万向节可以实现推力矢量控制,因此也适用于姿态控制。
Link的电推进系统效率较高,但推力较小,因此需要一定时间才能产生足够的冲量,以重新获得对卫星指向的全面控制。
"我们已经能够用推进器朝旋转方向的反向施力,从而实现姿态控制,效果非常好,"李贡熙说。
目前进展顺利。截至当天,卫星的旋转速率已从约每秒9度降至约每秒4度,降幅达一半。团队希望进一步降低旋转速率,以改善与飞船的通信质量。
"一旦我们进入更稳定的状态,具备更高带宽的通信能力,我们就能将关于航天器状态的大量详细数据下行传输,"李贡熙说,"我们目前已知晓反作用轮和推进器的状态。因此,我们的GNC团队——即制导、导航与控制团队——正在与NASA紧密合作,对所有控制算法进行全面重新映射,以便在飞船稳定后,能够立即启用更新后的控制器。"
Katalyst最终或许能够恢复两个失效反作用轮的功能,但团队目前的首要任务是向飞船上传新的控制算法,通过剩余的一个反作用轮与推进器协同工作来恢复姿态控制。
工程师目前尚未确定上周末Link卫星发生紧急状况的原因。可能是卫星内部故障,也可能是与太空碎片发生了碰撞。李贡熙表示,卫星上的两个摄像头将在地面团队将飞船稳定后,对其进行损伤检查。
无论原因如何,Katalyst的任务控制团队在Link卫星失控旋转后,与其失去联系超过24小时。此后,卫星按照预设程序自动重启。
"这是内置的故障保护逻辑在发挥作用,逻辑是:'如果我超过24小时没有收到任何指令,说明出了问题,我要重启一次,',"李贡熙解释道,"这是内置功能。但这种关闭模式并不平稳,基本上相当于直接断电,会对反作用轮等敏感系统造成影响。"
"断电后产生了一次较大的温度突变,导致控制反作用轮的上游电路过热,最终使反作用轮无法正常工作,"李贡熙说。
飞船冷气推进器的问题似乎是"另一个独立问题",李贡熙说,但工程师目前尚未掌握全部数据,无法作出最终判断。
"这些问题同时发生,很难区分哪些是导致异常的原因,哪些是异常发生后的连锁反应。我们需要对所有数据进行深入分析,"李贡熙说。
尽管如此,李贡熙表示Katalyst仍计划在大约8月底前后,将Link推进至NASA斯威夫特天文台附近。
"我们非常坚定地要完成这项任务,"李贡熙说,"我们正与NASA并肩工作。我刚刚参加了一次与他们控制团队的技术工作会议,对控制算法进行了审查。目前来看,没有任何障碍阻止我们利用剩余的一个反作用轮、剩余的推进器以及电推进系统,重新实现对飞船的三轴控制。"
"这与我们最初预期的控制模式有所不同,但看起来我们仍将具备对飞船足够的稳定性和可控性,"李贡熙说,"基于此,我们相信能够完成与斯威夫特的交会对接,能够在数十米近距离范围内对其进行检查。就目前情况而言,虽然我们尚未作出正式评估,但我们相信,对斯威夫特实施捕获,是完全有望实现的。"
Q&A
Q1:Link卫星为什么会突然失控旋转?
A:目前工程师尚未确定具体原因,可能是卫星内部故障,也可能是与太空碎片发生了碰撞。失控发生在一段无通信窗口期内,事发前卫星状态稳定。后续将通过卫星上的摄像头和下行数据进行详细排查。
Q2:Link卫星失控后,工程师是如何恢复控制的?
A:工程师利用卫星上的等离子推进器,朝旋转方向的反向施力,逐步降低旋转速率。截至目前,旋转速率已从每秒约9度降至约4度。与此同时,团队正在与NASA联合重写控制算法,计划通过剩余的一个反作用轮与推进器协同工作来恢复三轴姿态控制。
Q3:Link卫星还能完成对斯威夫特天文台的救援任务吗?
A:Katalyst公司表示仍有信心完成任务。公司计划在8月底前后与斯威夫特完成交会对接,并认为在现有条件下,完成对斯威夫特的近距离检查乃至最终捕获仍是可行的目标,但正式评估结论尚未出炉。
