SOHO：如何在地球150萬公里外重生？

作者：李會超（中國科學院國家空間科學中心）

提起SOHO，不少人可能會把它和某個地產公司聯繫起來。但我們今天談到的SOHO並非地產項目，而是「太陽和日球層觀測台」（Solar and Heliospheric Observatory）飛船的簡稱。

SOHO飛船

神聖使命

吹襲地球的太陽風暴產生於太陽大氣中的不穩定磁場結構，而這些磁場結構的雛形，在太陽光球層定義的太陽表面之下就已經形成了。

SOHO的任務，就是研究太陽內部和外部各個圈層中的物理過程，為我們更深入的理解太陽這顆恆星、理解太陽風暴產生和發展的過程提供觀測數據。

為了完成這個任務，SOHO被發射到了日地第一拉格朗日點（L1）。

日地第一拉格朗日點（圖片來源於網路）

在這裡，地球和太陽引力的共同作用，使SOHO飛船繞太陽公轉的角速度和地球繞太陽公轉的角速度一樣。也就是說，地球繞太陽公轉過多少角度，SOHO就會轉過同樣的角度，因此，它始終處於地球和太陽連線上的固定位置，最適合連續不斷地監測太陽活動。

歐美共建

SOHO配備了種類豐富的觀測儀器，這讓我們的觀測更加得心應手。

既能用多普勒效應和日震學理論洞悉太陽內部的秘密，又能用紫外波段的成像、光譜的觀測研究日冕的結構；既能利用塞曼效應測量太陽光球的磁場，又能用白光日冕儀跟蹤太陽風暴的蹤跡，還能在太陽風暴到達飛船所在位置時進行實地測量。

這樣一個功能強大、設計精巧的飛船，凝聚了歐洲和美國最優秀的空間物理學家和空間技術人員十多年的心血。它搭載的科學儀器，由歐洲和美國各研究機構的團隊分別設計，飛船的總裝、測試由歐洲航天局（ESA）負責，而飛船發射和飛船在軌運行期間的控制和數據傳輸等工作，則由美國國家航天局（NASA）負責。

由SOHO各個儀器數據組合成的圖片，展示了從太陽內部到太陽大氣不同圈層的狀態

1995年12月2日，SOHO搭乘美國的宇宙神IIAS火箭升空，順利到達日地L1點，所有科學儀器成功開機。

直到今天，SOHO的大部分科學儀器依然能夠正常工作，依舊是我們監視太陽風暴，研究太陽奧秘不可替代的航天器。當然，它的數據也支撐了不少空間物理界的科研工作者的研究，讓他們拿到了學位和項目。

欲速不達

為了保持衛星姿態的穩定，不讓衛星在太空中「手抖」，衛星上設置了三個飛輪來抵消衛星自身工作過程中的振動。但隨著振動的累積，飛輪的轉速會越來越快，每隔一段時間，衛星上的發動機會來接過飛輪的負擔，徹底地修正飛船姿態，同時使飛輪的轉速變慢。這樣一次「動量修正」需要花費48小時。

SOHO對太陽的極紫外觀測成像，科學家們可以利用這個圖像洞悉離太陽表面不遠的地方的等離子體和磁場狀態。

對於48小時的維護時間，科學家們意見很大。因為一次維護會讓他們失去兩天的觀測機會。而太陽上爆發事件的時間尺度要比48小時小很多，因此一次維護可能會讓科學家們失去對許多太陽爆發事件的寶貴研究機會。

為此，SOHO的運控人員編製了新的維護流程，並讓承包商的碼農們重新編寫了代碼，上傳到了飛船上，將這個過程壓縮到了24小時之內。

而闖禍的，正是這個新的流程和有bug的代碼。

1998年6月24日，飛船正使用新流程進行一次例行的「動量修正」。在SOHO飛船上，共配置了3台陀螺儀，它們用於測量飛船的姿態和滾轉狀態。為了延長陀螺儀的壽命，在正常情況下，這三台陀螺儀並不全部開機，只在飛船進行維護或進入緊急狀態時才一起工作。

由於流程和代碼的bug，在動量修正完成後，陀螺儀A正確關機，陀螺儀B沒有從維護時的高增益狀態轉換回正常情況下的低增益狀態。此時，陀螺儀B開始輸出不正確的數據，飛船上的飛控計算機據此錯誤判斷飛船姿態不正常，進而進入了「緊急太陽再捕獲」（Emergency Sun Re-acquisition，縮寫ESR）模式，試圖修正並不存在的偏差。

按照正確流程，此時陀螺儀A應該重新開機，但又是代碼的bug讓陀螺儀A仍然處於關機狀態。在歇菜的陀螺儀A和抽風的陀螺儀B的共同努力下，飛控計算機徹底凌亂了。

按照陀螺儀給出的錯誤參數，飛控計算機指揮飛船發動機不斷工作，修正飛船姿態，但異常卻在這些修正下越來越嚴重。在進入一個ESR模式尚未完成修正時，各類參數便會觸發另一個ESR。

NASA戈達德飛行中心的地面運控人員一開始並不驚慌，因為自SOHO開始在L1點工作起，已經進入過4次ESR模式，每次都能順利回到正常狀態。但當飛船在短時間內連續觸發3次ESR後，他們開始意識到問題的嚴重性。

然而，後來的調查表明，控制人員當時並沒有判斷清楚出現問題的原因，甚至給飛船發出的一系列命令還惡化了事態。最終，SOHO在太空中的姿態完全失控，用於收發控制信號的天線不能再穩定的指向地球，最終導致與地面喪失了聯繫。

在飛船失控後，NASA和ESA隨即召集精通這艘飛船技術的相關人員，組成了一隻「搶險隊」，試圖挽救這個彌足珍貴的太陽觀測台。

涅槃重生

對事態進行分析後，技術人員們發現，留給他們的時間不多了。首先，SOHO所在的軌道並不穩定，而失控狀態下的飛船無法進行軌道維持。如果在3-4個月內不救回SOHO，它就將從所在的位置逃逸，進入繞日軌道。

同時，飛船姿態失控後，太陽能電池板不能得到充分的照射，飛船的供電會處在持續不足的狀態。用於加熱飛船的相關係統無法工作，飛船上的儀器將不得不忍耐比設計值低10倍的低溫。時間一長，那些精密的科學儀器將有可能被凍壞。

為了儘快確定SOHO目前的位置和狀態，搶險隊打起了當時口徑最大的射電望遠鏡阿雷西博的主意。

由美國國家自然科學基金會資助、曾經立下汗馬功勞的阿雷西博望遠鏡如今已經陷入了經費不足的窘境。如果望遠鏡有靈魂，不知道會不會發出「我為天文流過汗，我為航天立過功，我要見委員會」的呼喊

和一般只能接收信號的望遠鏡不同，阿雷西博還同時具有發送信號的功能。1974年，它就曾經向武仙座M31球狀星團發出一通信號，試圖與那裡的地外文明建立聯繫。這次，阿雷西博仍然用來發射信號，而接收信號的任務則由NASA「深空測控網」的大型天線承擔。

7月3日，技術人員們成功鎖定了SOHO。它的實際位置和預測位置相差不遠，正以52.8秒的周期在太空中翻滾。

令技術人員感到欣慰的是，在與SOHO恢復通信後，他們發現控制飛船的通信和控制系統基本正常，電池裡的電能也沒有被徹底耗竭。

拯救飛船的工作首先從恢複電池電量開始。此時，飛船的姿態只能使太陽能電池板輸出不到一半的功率，而飛船與地面通信時又要大量耗電，控制人員們不得不間或中斷與飛船的通信，來保證飛船電池能夠儘快充滿。

飛船燃料箱里攜帶的200公斤燃料中，有48公斤已經被低溫凍住。五個助推器和它們的燃料管道也同時被凍住了。依靠飛船有限的電能所提供的加熱，技術人員用了長達11天的時間才完成了對飛船的解凍。

最後，飛船的姿態得以糾正，SOHO重新回到了朝向太陽的正常工作狀態。

萬幸的是，經過這一番折騰之後，SOHO幾乎毫髮未損，所有的科學儀器都能正常產生可用的數據，只有惹禍的陀螺儀A和陀螺儀B不能再繼續工作。為此，ESA利用衛星上仍然能夠使用的儀器，應急研發了一套不依賴陀螺儀後的姿態控制方案。

SOHO「搶險隊」隊員合影

前段時間，與拯救SOHO劇情差不多的事件也發生在了我們國家。因為火箭工作出現問題，一開始未能成功入軌的中星9A衛星，在地面控制人員的努力下，利用自身的發動機連續調整軌道，最終成功進入預定工作位置。

用智慧和勇氣克服困難力挽狂瀾，也許這正是航天工作的魅力之一吧！

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