从阿波罗16号到韦伯望远镜一个可靠性的故事

　　阿波罗16号在50年前 的4月16日发射升空，韦伯太空望远镜上个月拍摄了第一张测试图像。
　　詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一张照片
　　这两个不同里程碑的故事有一条连接它们的线索，这是一个关于可靠性故事，有很多教训。这条线也把我们连接到久负盛名的哈勃太空望远镜。阿波罗和哈勃望远镜在使用万向节时都出现了近乎失败的情况。这是关于如何以及为什么发生这种情况，如何解决问题的故事 - 以及韦伯将如何避免它们。
　　1990年4月24日，哈勃太空望远镜 被发现号航天飞机放置在的轨道上
　　我们先简要解释陀螺仪和万向节的用途。万向节只是一种支撑结构，它允许它所持有的任何东西在单个方向上旋转（即左/右，上/下，俯仰/偏航）。如果您将三个万向节连接在一起，那么无论您向哪个方向转动，它们所握的陀螺仪都将保持稳定。这种设备可用于握住相机，并在移动时保持其稳定。但万向节支架还有其他用途，例如枢轴。
　　一个简单的三轴云台套件的插图。无论整个综合体如何旋转，中央磁盘都不会移动
　　在太空探索中，两种最常见的用途是跟踪航天器的方向（三个万向节陀螺仪）或帮助移动它（即通过旋转航天器发动机）
　　那么，50年前阿波罗16号的发动机万向节发生了什么呢？
　　飞行计划要求阿波罗16号的两个部分 - 猎户座 着陆器和卡斯珀 轨道器 - 分开，卡斯珀改变围绕月球的轨道并等待猎户座返回。改变轨道意味着使用万向节来改变主机的方向并点燃它。卡斯珀有两套控制系统来移动万向节，就在使用主系统激活它们之前，宇航员Ken Mattily测试了备用系统。
　　他一启动，飞船就开始摇晃，喝醉了酒一样 。
　　由于美国宇航局的任务规则要求＂两个功能性的，冗余的，始终用于主发动机的控制系统＂，这阻止了登月，而美国宇航局的工程师检查并仔细检查以找到航天器中嘎嘎作响和摇晃的原因。
　　经过几个小时的调查，得出的结论是，马蒂利将成为航天器后备控制系统的人类后备。如果主系统发生故障，并且备份由于摇晃而无法正确指向，他将能够手动瞄准航天器并纠正控制系统所犯的任何错误。
　　可靠性将保持不变 - 仍然有两个功能性和冗余的控制系统，只是第二个系统将由人支持，而不是完全自动化。
　　阿波罗16号于1972年4月21日成功登陆月球，在月球表面停留了三天后，安全返回地球，而无需使用故障的备用控制系统。发动机万向节完美地完成了他们的工作。
　　在左边，阿波罗16号卡斯珀以地球为背景绕月球运行的图像。右边是宇航员约翰·杨在月球上。（美国宇航局）
　　几十年后，哈勃太空望远镜也使用万向节来定位自己，但这些万向节不是用在发动机上，而是用在陀螺仪上来感知方向。使用陀螺仪来定位自己意味着哈勃可以非常精确地指向它正在拍摄的天空中的特定物体，同样重要的是，保持指向。需要明确的是，哈勃望远镜中有更多的万向节——例如，使用动量改变望远镜指向的方向的大型旋转轮——但我不会在这里讨论它们。所有的陀螺仪都是由哈勃望远镜的太阳能电池板产生的的电力驱动的。
　　陀螺仪非常重要，虽然哈勃望远镜只需要三个就可以准确指向，但它有六个陀螺仪，因此它将有足够的冗余。由于在哈勃望远镜的使用期间，陀螺仪的不断使用和一般磨损，许多陀螺仪都出现了故障。它们在1993年，1999年和2009年被宇航员维护哈勃望远镜时升级和取代。多年来，进一步的故障使工作陀螺仪的数量在2022年减少到三个。
　　2009年，宇航员进入哈勃太空望远镜更换陀螺仪（NASA)
　　今天，美国宇航局已经设计了备份计划，使他们能够只用一个或两个陀螺仪指向哈勃望远镜，但有一定的妥协。目标是让哈勃望远镜使用更少的陀螺仪工作，即使它不能保持其全部功能。
　　由于宇航员将无法对詹姆斯·韦伯太空望远镜进行任何维修，NASA决定完全改变指向机构的设计。 该陀螺仪不是使用机械旋转框架，而是一种＂半球谐振式陀螺仪＂。简单地说，这意味着没有机械旋转的轮子，而是有一种特殊的石英晶体，电流通过它。活动部件越少，故障几率越小。 虽然哈勃移动了整个航天器以对准望远镜，但韦伯有一个特殊的镜子，设计用于在航天器稍微偏离点或抖动时保持望远镜的精确指向。这意味着减少对系统的压力，以保持完美的一致性。
　　在韦伯的初始调试和测试期间，瞄准机构至关重要，因为望远镜正在同时瞄准、对准和聚焦。陀螺仪中的任何抖动都不允许正确微调后视镜。
　　在研究NASA解决陀螺仪问题的方式时，我们可以考虑 从事件中学习并提高其系统的未来可靠性。
　　哈勃陀螺仪虽然是20世纪最先进的陀螺仪，但由于其机械性质（旋转轮子）而具有固有的弱点。每次陀螺仪升级都使其更加可靠。这相当于修复 bug 并添加自动化以增加平均故障间隔时间。另一项改进是创建新的指向算法来实现降级 - 虽然3个陀螺仪是最好的，但哈勃也可以与1或2个陀螺仪一起工作。
　　因此，韦伯望远镜在设计时考虑到了哈勃望远镜的教训——韦伯的陀螺仪并不比哈勃陀螺更可靠，因为机械部件得到了改进，而是因为首先避免了机械故障的可能性。新技术具有可靠性和简单性的优势！
　　不仅如此：韦伯望远镜从头开始设计，只需使用两个陀螺仪即可运行，这意味着它对故障的敏感性较低。
　　最后，我们可以看到这些解决方案中的每一个都比前一个解决方案更加自动化 - 阿波罗使用人类＂在循环中＂主动充当系统的一部分，哈勃使用人类对主动系统执行维护，韦伯是为无人操作而设计的。