“星”在囧途可能会掉进哪些“坑”? ·

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经过少则10分钟,多则9个小时的飞行,运载火箭准确地将航天器送入预定轨道,但是这并不意味着此后的旅程将一帆风顺。静止轨道卫星大多数并不会被直接送入静止轨道,而是需要通过自行升轨进入预定轨道;而深空航天器也需要利用自己的发动机进行轨道改变后,前往目的地,复杂度远超运载火箭系统。

这些大质量、高价值的载荷,设计寿命至少2~3年,并且需要经受恶劣的深空环境。它们在轨道上可能会发生各种各样的故障,有些卫星永远地报废在转移轨道上,而有一些则利用系统重启、分系统冗余、轨道重构等多重手段,顽强的进入到了工作轨道。虽然发生故障的卫星无法达成预定寿命,但损失一定寿命总比完全报废要更有价值。

雷达天线未展开

作为美国上一代,也是第一代战略合成孔径雷达(SAR)侦察卫星,LACROSSE(长曲棍球)卫星是一个神秘的代名词。不过其真名并非“长曲棍球”,而是“ONYX”(缟玛瑙)。合成孔径雷达卫星的优势是可以穿云穿水,相比光学侦察卫星可以无视云层的遮挡,同时获得一个不低的分辨率。

缟玛瑙合成孔径雷达卫星共发射了5颗,部署于57度轨道和68度轨道。前3颗卫星为第一代,使用X波段成像;而后2颗卫星为第二代,使用X/L双波段成像。据称缟玛瑙卫星的编号为3100,发射质量为14500千克~16000千克。缟玛瑙卫星配置一个巨大的侧装伞形天线用于进行雷达成像,对地面分辨率为约0.3米。其搭载有2片巨大的、长度为45米的太阳能电池板,为卫星提供平均20千瓦的恐怖电力。马丁·玛丽埃塔公司(洛克希德·马丁公司的前身)为卫星研制的主承包商。

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一份USAF文献中的类缟玛瑙构型参考图

第一颗缟玛瑙卫星于1988年12月2日搭乘阿特兰蒂斯号航天飞机发射升空,任务编号STS-27。卫星被部署于近地点437千米、远地点447千米、倾角57度的轨道,编号USA34。

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唯一一张解密的缟玛瑙合成孔径雷达卫星图像

缟玛瑙-1这颗卫星出现了一系列问题,包括伞形天线没有展开。在2001年的一则访谈中,STS-27任务的一名航天员吉布森回忆说:“我们释放了卫星,但是卫星遇到了很多问题,我们重新和卫星交会,捕获并且修复了它。”但是对于STS-27任务是否涉及一次秘密的太空行走,美国宇航局并没有确认。

不管怎么说,第一颗缟玛瑙卫星被部署出去了。但是这颗卫星的寿命没有达到预期,1997年卫星离轨,寿命8年多。第二颗缟玛瑙卫星则在轨工作了20年,2011年3月离轨。后4颗缟玛瑙卫星改由大力神4(03)B运载火箭发射。

高增益天线伞栓卡死

伽利略号木星探测器作为一个旗舰级深空探测任务,也是美国宇航局史上方案修改次数最多的探测器之一。

最初“伽利略号”计划使用航天飞机加上3级惯性上面级发射,但推力还是不够,需要叠加一次火星飞掠来获得足够的能量。而且任务随着航天飞机首飞的延迟而被推迟到1984年,火星飞掠的重力加速效能大幅减弱,而航天飞机本身的运载能力也低于预期。美国宇航局一度决定将航天器拆分成两部分发射。

幸运的是,用于航天飞机的半人马座G低温上面级开始研制。强大的半人马座G上面级,能够在“伽利略号”从航天飞机货舱中分离后将其直接载入地木转移轨道。但半人马座G上面级本身受到了颇多质疑,而挑战者号航天飞机的爆炸是宣告其死亡的致命一击。1986年6月,半人马座G上面级被美国宇航局勒令取消研制,而一个2级的惯性上面级不具备直接转移去木星的能力,于是改成了地球-金星-地球-地球-木星的重力助推序列。航天器设计采取直飞木星的方案,但新的重力助推使得航天器会比计划更接近太阳,导致原计划的热控系统不满足新的飞行序列。为了避免高增益天线过热损坏,天线从原计划的发射后就展开改为在借力飞行后达到原定设计温控条件下再打开。

协调世界时1989年10月18日16时45分,阿特兰蒂斯号航天飞机起飞,最终惯性上面级将“伽利略号”送入近日点0.67天文单位、远日点1天文单位的日心轨道。

在14个月的第一圈飞行中,“伽利略号”没有遇到大的问题。1990年12月19日,第一次地球重力助推按计划执行,1991年4月11日,高增益天线在设定条件下展开。“伽利略号”的高增益天线的18个肋条由一对电机驱动一系列推杆、滚珠螺杆及承载环来展开。但是只有13个成功展开,另外5个被卡在了托架结构内,有2个后来释放了,而相邻的3个肋则保持在原位,并且随着驱动,滚珠螺杆渐渐扭曲,最后驱动机构彻底卡滞。滚珠螺杆需要运动8.6厘米才可以展开天线,而实际上只运行了1.5厘米。

问题很快就被找到了,“伽利略号”锁栓和插座连接点因为长期受应力过高导致涂层被损坏。在“伽利略号”数年的制造与储存期间,润滑剂被损耗,而唯一一次涂抹润滑剂距离发射过去了10年!锁栓与插座最后在真空和强大的压力下产生了冷焊。换句话说,锁栓被压力“焊”在了插座上,成为了一个整体。担心在地面测试中产生问题,因天线没有备份导致推迟,天线没有得到完全测试!最后美国宇航局决定使用热应力和离心力来撬开锁栓,并且通过电机驱动或者推力器点火来“锤击”锁栓。

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高增益天线展开的“伽利略号”,可惜它在任务进行中并未实现

1992年4月,“伽利略号”再次抵达近日点,航天器背向太阳,将高增益天线置于阴影中长达50个小时,但锁栓仍未展开。按照仿真,需要6~12次冷热循环才能展开天线,但其基于的假设可能也是错的。低增益天线被收回6次,试图借助急停产生的晃动摇动锁栓,但也没用。1992年9月,7次冷热循环仍然未能使高增益天线展开。但每次循环会浪费4千克的推进剂,没有那么多推进剂可供浪费。

作为备选方案,“伽利略号”使用推力器点火推动天线电动机移动,每一次点火都可以使得滚珠螺杆转向部分角度,从而增大驱动力。同时,在近日点附近天线塔的热应力会达到最大,人们认为在此时“锤击”滚珠螺杆可以释放一条肋,如果到1993年3月高增益天线仍未展开,便放弃高增益天线,全部使用低增益天线下行。结合深空网升级和压缩算法升级,可以达到原计划速率的100倍。

1992年12月29日至1993年1月19日,“伽利略号”进行了超过15000次的“锤击”,但只使得打开的肋条开得更大一点,没打开的还是没打开。3月,“伽利略号”开始加速自旋至10.5转/分钟,但高增益天线还是不为所动,美国宇航局最终宣布放弃高增益天线。

仪器故障/接收机故障

编号VGR-77的探测计划绝对是人类历史上最壮观最伟大的一次远征。1977年的“大旅行”窗口给予航天器以一次性飞掠四颗外行星的机会。协调世界时1977年8月20日14时29分,在推迟不到5分钟后,旅行者2号探测器踏上深空探测之旅。航天器进入了近日点1天文单位、远日点6.28天文单位的日心轨道。发射后几个小时,一系列结构开始展开,但始终未收到扫描平台悬臂展开到位的信号。星敏感器被一些漂浮在航天器附近的绝缘碎片所干扰,而在稳定姿态的时候,备份姿态控制系统被误激活。新软件被紧急在地面编制出来并且完成测试,注入到探测器上。随后根据星敏感器的图像确定,悬臂距离锁定位置只差0.5度以内,任务控制中心通过晃动航天器,使之成功锁定。

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“大旅行”示意图

8月30日,“旅行者2号”开始第一次轨道修正,但是发现推力器的推力远低于预期。通过分析,是一部分燃气流被航天器的仪器所阻挡,导致有效推力不足。按照这个进度来看,“旅行者2号”只能勉强抵达土星。任务控制中心优化了“旅行者2号”的机动流程,将土星飞掠时间从木星飞掠后70天提前到近木点执行,同时将“旅行者2号”的星敏感器从“老人星”改成了“天津四”,从而减少太阳光压的影响。

1977年9月5日,“旅行者1号”进入近日点1.01天文单位、远日点8.99天文单位的日心轨道。1978年2月23日,“旅行者1号”进行扫描平台测试,结果扫描平台的展开执行机构卡死,对后续任务来说是一个毁灭性的打击。美国喷气推进实验室在对地面样机进行试验后,再次命令“旅行者1号”进行测试,5月31日,执行机构没有发生再次卡死。上次卡死的原因可能是执行机构的齿轮被灰尘污染,导致齿轮被卡住。而在后续测试中灰尘被压碎或移除,于是平台恢复了正常工作。

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“旅行者1号”及Star-37固体火箭发动机

比较有意思的事情来了。在美国喷气推进实验室专注于“旅行者1号”的时候,他们把“旅行者2号”忘了。“旅行者2号”在1978年4月5日自动进入“指令失效警告”。在一周内主份接收机未接收到地面上行指令的时候,默认主份接收机失效,转入备份接收机。但是备份接收机无法锁定来自地面的信号,因为地球自转及航天器飞行导致的多普勒频移,会导致信号频率发生变化。工程师并没有注意这个问题,因为12小时后又会切换回主份接收机。但是主份接收机在开机后仅仅30分钟就遭遇短路,彻底失效。

这问题可就大了,如果人类还想知道天王星和海王星的奥秘,那么希望必须寄托在“旅行者2号”的备份接收机上。又是7天过去,航天器再次切换至备份接收机。此时深空网开发的计算机控制振荡器派上了用场。

4月13日,这些变频率的信号成功上行至“旅行者2号”。但是不是每条指令都被成功接收了?工程师发现,接收机的可接受频带会随着温度变化而改变。这种变频率上行信号不是一件容易的事情——仅地球自转一项引起的多普勒频移是“旅行者2号”可接受频率范围的30倍,而每一项误差都必须被考虑在内。美国喷气推进实验室建立了“旅行者2号”各分系统的详细热模型,从而精确预示接收机温度,误差在0.1℃内。但即使如此,通信仍然时断时续。10月份,问题才得以解决,任务控制中心向航天器注入了探测序列指令,后续即使信号完全中断,“旅行者2号”也可以自主完成木星及土星交会。

这还不是问题的结局。1979年9月7日,“旅行者2号”抵达木星。强烈的木星辐射使得接收机频带发生了不可预测的变化,在地球掩星区过后,深空网不得不使用多个不同频率上行从而指望“旅行者2号”可以刚好“听到”指令。

虽然出现了一系列问题,但“旅行者号”仍不愧是人类历史上最伟大、成功的几个行星探测工程之一。一系列故障在土星飞掠后得到了很好的解决,应对措施也足够完善。两个“旅行者号”继续飞向深空,继续着它们的外层空间探索之旅。

远地点发动机故障

先进极高频战略宽带通信卫星,也称为“军事星3”通信卫星。先进极高频卫星能给战区指挥官提供高安全性的、抗干扰的、不易截获的通信服务,可满足实时图像、战场地图和跟踪数据传输等战术通信需求,将成为美国国防部在军用卫星通信体系结构中期阶段使用的骨干。它采用A2100M平台建造,造价超过5.8亿美元。

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先进极高频战略宽带通信卫星

2010年8月14日,“宇宙神5-531”运载火箭成功将重6168千克的先进极高频-1通信卫星发射至一条近地点225千米、远地点50212千米、倾角22.2度的超同步转移轨道。按照计划,首先启动远地点发动机,通过30天机动将远地点提升至1.9万千米、倾角为6度的轨道,随后使用其霍尔推进器工作90天进入地球静止轨道。卫星设计寿命14年。卫星主动力系统使用石川岛播磨重工制造的BT-4型联氨-四氧化二氮450牛推力器,同时拥有6台22牛单组元推力器和12台0.9牛单组元推力器,这些推力器由航空喷气公司研制。BPT-4000双模态电推系统在转移轨道使用大推力模式,而在轨道保持时使用小推力高比冲模式。

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整流罩中的先进极高频卫星,注意其安装在腰部的侧装电推

但是,其第一次远地点机动时,推进器未能正常工作并自动关机,两天后的第二次尝试也未能成功。这意味着远地点发动机报废。“先进极高频-1”从8月29日7:00开始转入使用22牛单组元推力器升轨的模式,并且电推会提前接手轨道转移。

在第一阶段,3台22牛推力器工作至9月7日,将远地点提升至1156千米、倾角19.9度。随后6台22牛推力器同时工作至9月22日,将近地点提升至4712千米、倾角15度。第三阶段时电推开机,使用10个月将远地点提升至静止轨道高度。最终于2011年10月24日进入预定轨道,并且能够满足其14年寿命的需求。

远地点发动机故障

“移动用户目标系统”是跟“先进极高频-1”一样的倒霉鬼。同样使用A2100平台,同样被BT-4坑了。“移动用户目标系统”战术窄带通信卫星将提供比特高频后继卫星系统高10倍的传输量,并将为美军提供更可靠的通信方式。“移动用户目标系统”的首星在2012年发射升空,星座计划建设4颗业务星,另设1颗备份星。

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“移动用户目标系统”星座的布置图

2016年6月24日,“宇宙神5-551”型运载火箭成功将6740千克重的“移动用户目标系统”-5通信卫星送入了一条近地点为3838千米、倾角19度的高近地点同步转移轨道,但是随后其石川岛播磨重工制BT-4型远地点发动机未能正常点火。“移动用户目标系统”-5借助其22牛单组元推力器进行了26次点火,在11月3日完成了最终升轨。但“移动用户目标系统”-5的南北保位明显能力受限,相比于前4颗“移动用户目标系统”保持在2.5度的倾角,“移动用户目标系统”-5的倾角达到了6.5度左右,其轨道的偏心率也远大于另外4颗。

太阳能帆板故障

“国际通信卫星-19”是国际通信卫星公司向劳拉空间公司订购的一颗高通量通信卫星,基于SSL-1300平台建造,发射质量为5600千克,2012年6月1日由“天顶-3SL”运载火箭发射升空,用于替代“国际通信卫星-8”,设计寿命18年。

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天顶3SL发射“国际通信卫星-19”

“国际通信卫星-19”在发射成功后晚些时候宣布,卫星的南侧太阳能帆板无法展开。4次升轨后南侧帆板终于勉强展开,但是损失了25%的电力,并且导致卫星的容量损失了50%。

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国际通信卫星19号

最终故障分析委员会查明,问题出自帆板的一个制造缺陷。这种缺陷导致“国际通信卫星-19”的南侧帆板受到永久性损伤,无法全功率供电。

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