动量轮和陀螺仪-哈勃的左膀右臂

动量轮与陀螺仪（视频）

自 1990 年发射以来，哈勃太空望远镜一直在探索宇宙。NASA和ESA为哈勃打造了精密且复杂的硬件，使哈勃能够将视线稳稳地锁定在目标上，获得亿万光年外遥远星系和微弱星云的高清图像。

哈勃每年的观测任务异常繁重，在距离地面约540公里的近地轨道上，它24/7 全天候地凝视整个宇宙。观测不同目标时哈勃要有不同的姿态，为了保证在不同时段能够精确聚焦到不同的观测目标，哈勃不断微调其指向控制系统来确保其科学仪器能够直视作业目标。

为了确保长时间稳定地凝视目标，哈勃望远镜周围布置了三个精细引导传感器——“反作用轮”与“陀螺仪”。这些传感器为哈勃提供精确的指向信息。使哈勃能够确定其在太空中的方向并保持专注于一个点。当望远镜漂移很小的量时，这些传感器就会捕捉到这些漂移并修正它。

在改变方向和纠正漂移的过程中，哈勃全程不使用推进剂。一方面不论是固体推进剂还是液体推进剂都有寿命期限，这也是目前绝大多数近地轨道卫星寿命限制所在。更重要的是推进剂燃烧后的烟雾会污染哈勃望远镜，对观测造成干扰，甚至会压缩寿命。

相反，哈勃使用反作用轮来驱动姿态转换，这个反作用轮就是动量轮，依靠的是牛顿第三定律：如果其中一个轮子顺时针转动，哈勃望远镜将逆时针转动，也就是我们高中学过的角动量守恒原理，反作用轮使航天器其余部分产生比例响应，这样，航天器的定向可以控制到与反作用轮本身相同的高精度水平。要实现上下前后左右的三轴控制，哈勃望远镜需要三个控制不同姿态的反作用轮。为了防止意外，NASA还对动量轮做了备份，额外安装一个轮子作为备份。这些飞轮被安装在合适的位置。

在一个孤立的系统中，角动量的总量必须保持不变。角动量与线动量类似，只是它与旋转运动有关，而不是线性运动。如果一个滑冰者推开另一个静止的滑冰者，它们都会分开以保持净线性动量。同样，如果一个系统的一部分开始朝一个方向旋转，那么系统的其余部分必须朝相反的方向旋转。否则，总的角动量就会发生变化。在航天器的情况下，一个反作用轮可以旋转，以引起航天器其他部分的响应。如果没有这种感应响应，总的角动量会发生变化，但航天器的最终旋转速率通常与反作用轮的速度不同，这是因为角动量必须守恒，不是角速度。如果宇宙飞船的质量比反作用轮大得多，它的移动速度会慢得多。反作用轮的技术一般都很发达。在火车上使用金属轮已有一个多世纪了。同样，对反作用轮进行微调的电子和设备也一样，另一方面，小型火箭推进器的发展和改进历史有限有时，如果反作用轮旋转过快，就需要"卸载"。在不可预测的任务中，工程师可能不知道航天器需要指向哪个方向，因此，需要一种在不引起反应的情况下减慢反作用轮的方法。可以发射火箭推进器来抵消使反作用轮减速的反应。动量轮也使用角动量守恒原理。然而，它在航天器中的作用是保持一定的方向，而不是改变方向它。航天器上的各种力，包括空气摩擦和不同的引力和磁场，都会产生干扰航天器定向的力矩。哈勃太空望远镜就有这种情况，它依靠稳定的定向来聚焦遥远的物体。当快速旋转时，动量轮可以抵抗这种干扰，并有助于保持稳定的方向。

四个巨大的飞轮在哈勃计算机的控制下快速旋转，并利用它们旋转产生的巨大扭矩移动望远镜。但即使在最快的情况下，哈勃也只能像时钟的分针一样快地旋转——15 分钟只需 90 。

如何控制转动的精度呢？

检测这种微小的运动需要世界上最好、最灵敏的陀螺仪。而这种陀螺仪哈勃有六个。他们不断测量望远镜是否转动以及转动的速度。结合精细的引导传感器，可以长时间保持望远镜精确指向，使哈勃能够不间断地收集来自亿万光年外的光子。

为了以最佳效率运行，哈勃需要六个陀螺仪中的三个——但即使只有一个可用，它的科学能力也不会受到丝毫影响。

这三个系统一起使哈勃在过去 28 年中完成了其出色的科学任务。预计未来几年还会有更多新发现。

动量轮和陀螺仪——航天器的名门

哈勃的数次大修中都免不了更换动量轮和陀螺仪。这两个仪器是哈勃望远镜在轨道上能活动的为数不多的部件。航天器的故障有很多，而这两个部件的故障，将直接导致航天器半身不遂。

2018年，哈勃望远镜因1个备份陀螺仪故障而长时间进入安全模式，暂停所有科学观测。之所以是备份陀螺仪故障，是因为其他两个同款陀螺仪已经失灵。在此过程中，甚至有一个反作用轮没有进入安全模式。怎么办的呢？重启！像我们的电子设备一样，重启！

但是很多问题并不是重启就能解决了的。

“开普勒望远镜”也安装有了4个反作用轮，三个常用，一个备份。2012年7月，其中一个就发生了故障，于是不得不启用备用轮。然而到了次年5月，又坏了一个，开普勒望远镜就偏瘫了。

之所以是偏瘫而不是全瘫，是因为开普勒自身还携带有推进剂。在剩下的岁月里，开普勒利用来自太阳的光压，在一个轴上发挥作用来平衡望远镜，再加上能正常工作的剩下两个反作用轮，勉强可以工作。由此，开普勒望远镜进入到了K2阶段：利用反作用轮进行姿态微调，然后利用推进剂来转向，给地球回传信息，推进剂燃烧完后，开普勒望远镜于2018年10月31号退役。

反卫星和卫星自救的后门

2010年7月28日，美国空军第三太空运行中队与洛·马公司和航空航天公司的工程师们一起成功演示了利用卫星的反作用轮恢复卫星姿态的试验。在试验中，第三太空运行中队故意使一颗“国防卫星通信系统”( Defense Satellite Communicat ion System, DSCS) 试验卫星旋转并脱离运行轴，导致卫星处于目盲状态。在确认了试验卫星丧失通信能力后，试验操作人员对该卫星发出了一系列指令，成功利用卫星的反作用轮校正卫星的姿态。此次测试运行方案由洛· 马公司的工程师巴瑞·芬克提出。随后，洛· 马公司向第三太空运行中队提交了一份测试通用方案，之后双方在施里弗基地和洛·马工厂进行了计算机模拟测试，并对方案进行了修正，然后开始进行真实测试。由于前期仔细的规划和模拟，因此没有出现紧急情况。

此次试验的成功极具意义：以往在恢复卫星姿态的过程中，操作人员需要启动卫星推力器，消耗推进剂才能尝试着使卫星恢复正常，且在卫星推力器启动

完成调姿工作后，操作人员需再次启动另一个推力器使卫星保持合适的姿态。这一来一回耗费了大量的燃料，更耽误了时间，导致卫星的在轨寿命缩短，且较长一段时间无法服务于作战部队。而这次试验演示了不再需要使用卫星推力器和燃料就能修复卫星姿态，大大节省了开支且延长了在轨卫星的寿命。