美国宇航局的两艘航天器在一周内死亡——其中有联系

周三深夜，黎明号太空船掠过谷神星坑坑洼洼的地表 22 英里，谷神星位于火星和木星之间。它在飞行过程中缓慢但频繁地启动推进器，每当矮行星的引力导致其太阳能电池阵列下沉时，它就会调整其翼状太阳能电池阵列。然后，毫无征兆地，下一次脉冲突然出现，什么也没出来。由于无法使太阳能电池板与太阳成直角，黎明号进入安全模式并熄灭。它的支持团队恰好在值班，他们立即怀疑这项为期 11 年的任务已经结束。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的“黎明”号首席工程师马克·雷曼说：“那个时候，我们几乎已经精疲力竭了。”

黎明号的油箱在搜寻系外行星的开普勒望远镜登上类似头条新闻两天后就耗尽了，这一巧合令人惊讶，但并不令人震惊，因为两个团队几个月来一直在积极管理日益减少的补给。虽然这两艘航天器在太阳系的不同区域工作，但它们的生存和死亡轨迹却相似。每艘航天器都面临着长达十年的与零件故障的必然性作斗争，而支持它们的是被迫平衡同样稀缺的资源并受到同样不完美的设计特征的阻碍的工程师团队。

两台机器都通过太阳能为电池充电，因此限制因素是它们的机动性。为了始终瞄准科学目标并旋转向地球以将知识传回地球，航天器采用了两种策略。大多数时候，它们依靠“反作用轮”，即朝一个方向旋转的圆盘，以将航天器扭转向另一个方向。但偶尔，为了在不改变方向的情况下调整不断旋转的轮子，航天器会使用肼燃料来启动推进器。美国宇航局艾姆斯研究中心开普勒系统工程师查理·索贝克将这种装置比作混合动力汽车。“通常你使用电动发动机，”他说，“但偶尔电池没电了，汽油发动机必须启动并为电池供电。”

黎明号和开普勒号分别于 2007 年和 2009 年发射，两艘飞船各搭载了四个轮子（每个旋转轴一个，还有一个备用轮子）和几十磅燃料。聪明人会把肼当做限制因素，但随着反作用轮开始神秘地出现故障（黎明号上的第一个反作用轮在 2010 年出现故障，开普勒号上的另一个反作用轮在 2012 年出现故障），工程师们意识到他们面临着意想不到的挑战。他们可以通过额外使用推进器来弥补反作用轮的缺失，但每次发射都让任务的结束时间更近了一步。

雷曼和索贝克都不知道这些轮子到底出了什么问题。可能的原因包括润滑不良，或者内部静电冲击导致轴承出现微小凹坑。由于没有外太空机械师可以求助，他们只能带着损坏的部件尽力飞行。一个天真的选择可能是接受更短的时间线，并完全使用效率较低的推进器进行导航，但在这两种情况下，工程师们都发挥了创造力，找到了替代选择。

2013 年，开普勒望远镜的第二个圆盘发生故障，导致其主要任务告一段落。其团队想出了一个办法，将太阳变成虚拟的第三轮，以补充其余两个轮子。光会施加最轻微的推力，而通过直接面向太阳，航天器找到了保持平衡的正确角度。从肼的角度来看，新的飞行模式效率略低，并且将观测限制在天空的某些波段，但恒星无处不在。由此产生的 K2 任务在五年内增加了 350 多颗新的系外行星，而主要任务已发现数千颗行星。“我们没想到会有两轮解决方案，”索贝克说，“但事实证明它非常非常有效。”

与开普勒不同，黎明号的主要动力是一种不稳定的动力。在 2011 年至 2012 年探索了小行星带中第二大天体灶神星之后，它仍然有两个轮子在旋转。雷曼知道他需要老化的反作用轮来防止谷神星不稳定的引力将黎明号拖入翻滚，所以他关闭了它们，主要依靠肼导航到第二个目的地。“我们承认我们存在这种重大弱点，”他说。“我们必须小心管理[轮子的]使用寿命。”2015 年 12 月，黎明号重新旋转了轮子，以便在低空飞行时进行智能导航。

黎明号在谷神星周围飞行一直持续到周三——尽管去年失去了第三个轮子——巩固了它作为科幻小说启发的未知世界探险家的地位。除了拥有《星球大战》和《星际迷航》中流行的“离子发动机”外，黎明号还是第一艘绕地外星体飞行，然后起飞并跳转到另一个星体的航天器。

即使经过精心照料，两艘飞船上的肼也只能暂时帮助故障的反作用轮。7 月初，开普勒燃料管线压力骤降，因此艾姆斯研究中心的工程师关闭了机器，以保存剩余的液滴，他们认为这将是 8 月份的最后一次数据下载。索贝克回忆道：“我们中的许多人都认为，我们能否成功，胜算只有一半。”他们成功地恢复了这些信息，甚至在 10 月中旬肼罐完全排空之前，挤出时间进行了最后一次观察。现在，开普勒正在等待最后一次睡眠命令。黎明号仍然完全无法联系。雷曼表示，由于无法稳定自身，飞船很可能进入了缓慢而庄严的翻滚状态，并且这种状态将在未来几十年内持续围绕谷神星运行。

尽管 NASA 还无法确定开普勒和黎明号这么多轮子失灵的具体原因，但他们已采取措施改进未来航天器的技术。这两次任务的轮子均来自同一家公司，即 UTC Aerospace Systems，该公司为日本的小行星跳跃隼鸟号提供了类似的型号——另一项克服了轮子故障和定位挑战的任务。因此，虽然开普勒和黎明号在两天内相继死亡是一个惊人的巧合，但它们同时耗尽燃料的事实可能并非完全偶然。内部温度升高意味着，无论燃料资源如何，开普勒号的日子都屈指可数，但黎明号的其他方面仍然状况良好，有可能继续运行。

UTC 航空系统公司将询问转回给 NASA，但雷曼表示，同一承包商提供的其他反作用轮“运行良好”，并且 Dawn 和 Kepler 的反作用轮产品系列已不再可用。

尽管反作用轮在这一特定情况下被证明是二人的致命弱点，但雷曼总体上对这项技术表示赞赏，并指出卡西尼号就是一个典型例子，其轮子在近 20 年的时间里一直“完美”地瞄准目标。索贝克说，有些东西最终会坏掉，而这些精密的陀螺仪往往是第一个坏掉的关键部件。大多数部件移动不多，但反作用轮必须连续数年每秒旋转数千次——因此任何缺陷都可能迅速产生灾难性的摩擦和热量。

部分得益于两支团队在飞行过程中的出色表现，耗资 5 亿美元的“黎明”号比其主要任务多坚持了 3 年，耗资 6 亿美元的“开普勒”号比预期多坚持了 6 年。这两款产品的表现都让雷曼感到意外，他认为 NASA 航天器之所以经常表现优异，是因为经济性和良好的工程设计。“如果你投入了纳税人的数亿美元，”他说，“比如说，要完成一项为期 8 年的任务，那么你不会把它设计成在 8.01 年后一切都会失败。”

雷曼表示，如果这两项任务能够继续进行，他会非常高兴，但他也对社区能够长期拥有这些任务感到非常幸运。他将这种情况比作十年来每天收到 1,000 美元，然后这周意外之财突然停止了。“你可能会想，‘天哪，我今天也想要一千美元，’”他说。“但从另一个角度来看，‘看看我有多富有。’开普勒和黎明号都在很长一段时间内带来了巨额财富。”