“星”在囧途可能會掉進哪些“坑”？

經過少則10分鐘，多則9個小時的飛行，運載火箭準確地將航天器送入預定軌道,但是這并不意味著此后的旅程將一帆風順。靜止軌道衛(wèi)星大多數并不會被直接送入靜止軌道，而是需要通過自行升軌進入預定軌道；而深空航天器也需要利用自己的發(fā)動機進行軌道改變后，前往目的地，復雜度遠超運載火箭系統。

這些大質量、高價值的載荷，設計壽命至少2~3年，并且需要經受惡劣的深空環(huán)境。它們在軌道上可能會發(fā)生各種各樣的故障，有些衛(wèi)星永遠地報廢在轉移軌道上，而有一些則利用系統重啟、分系統冗余、軌道重構等多重手段，頑強的進入到了工作軌道。雖然發(fā)生故障的衛(wèi)星無法達成預定壽命，但損失一定壽命總比完全報廢要更有價值。

雷達天線未展開

作為美國上一代，也是第一代戰(zhàn)略合成孔徑雷達(SAR)偵察衛(wèi)星，LACROSSE（長曲棍球）衛(wèi)星是一個神秘的代名詞。不過其真名并非“長曲棍球”，而是“ONYX”（縞瑪瑙）。合成孔徑雷達衛(wèi)星的優(yōu)勢是可以穿云穿水，相比光學偵察衛(wèi)星可以無視云層的遮擋，同時獲得一個不低的分辨率。

縞瑪瑙合成孔徑雷達衛(wèi)星共發(fā)射了5顆，部署于57度軌道和68度軌道。前3顆衛(wèi)星為第一代，使用X波段成像；而后2顆衛(wèi)星為第二代，使用X/L雙波段成像。據稱縞瑪瑙衛(wèi)星的編號為3100，發(fā)射質量為14500千克~16000千克?？c瑪瑙衛(wèi)星配置一個巨大的側裝傘形天線用于進行雷達成像，對地面分辨率為約0.3米。其搭載有2片巨大的、長度為45米的太陽能電池板，為衛(wèi)星提供平均20千瓦的恐怖電力。馬丁·瑪麗埃塔公司（洛克希德·馬丁公司的前身）為衛(wèi)星研制的主承包商。

一份USAF文獻中的類縞瑪瑙構型參考圖

第一顆縞瑪瑙衛(wèi)星于1988年12月2日搭乘阿特蘭蒂斯號航天飛機發(fā)射升空，任務編號STS-27。衛(wèi)星被部署于近地點437千米、遠地點447千米、傾角57度的軌道，編號USA34。

唯一一張解密的縞瑪瑙合成孔徑雷達衛(wèi)星圖像

縞瑪瑙-1這顆衛(wèi)星出現了一系列問題，包括傘形天線沒有展開。在2001年的一則訪談中，STS-27任務的一名航天員吉布森回憶說：“我們釋放了衛(wèi)星，但是衛(wèi)星遇到了很多問題，我們重新和衛(wèi)星交會，捕獲并且修復了它。”但是對于STS-27任務是否涉及一次秘密的太空行走，美國宇航局并沒有確認。

不管怎么說，第一顆縞瑪瑙衛(wèi)星被部署出去了。但是這顆衛(wèi)星的壽命沒有達到預期，1997年衛(wèi)星離軌，壽命8年多。第二顆縞瑪瑙衛(wèi)星則在軌工作了20年，2011年3月離軌。后4顆縞瑪瑙衛(wèi)星改由大力神4(03)B運載火箭發(fā)射。

高增益天線傘栓卡死

伽利略號木星探測器作為一個旗艦級深空探測任務，也是美國宇航局史上方案修改次數最多的探測器之一。

最初“伽利略號”計劃使用航天飛機加上3級慣性上面級發(fā)射，但推力還是不夠，需要疊加一次火星飛掠來獲得足夠的能量。而且任務隨著航天飛機首飛的延遲而被推遲到1984年，火星飛掠的重力加速效能大幅減弱，而航天飛機本身的運載能力也低于預期。美國宇航局一度決定將航天器拆分成兩部分發(fā)射。

幸運的是，用于航天飛機的半人馬座G低溫上面級開始研制。強大的半人馬座G上面級，能夠在“伽利略號”從航天飛機貨艙中分離后將其直接載入地木轉移軌道。但半人馬座G上面級本身受到了頗多質疑，而挑戰(zhàn)者號航天飛機的爆炸是宣告其死亡的致命一擊。1986年6月，半人馬座G上面級被美國宇航局勒令取消研制，而一個2級的慣性上面級不具備直接轉移去木星的能力，于是改成了地球-金星-地球-地球-木星的重力助推序列。航天器設計采取直飛木星的方案，但新的重力助推使得航天器會比計劃更接近太陽，導致原計劃的熱控系統不滿足新的飛行序列。為了避免高增益天線過熱損壞，天線從原計劃的發(fā)射后就展開改為在借力飛行后達到原定設計溫控條件下再打開。

協調世界時1989年10月18日16時45分，阿特蘭蒂斯號航天飛機起飛，最終慣性上面級將“伽利略號”送入近日點0.67天文單位、遠日點1天文單位的日心軌道。

在14個月的第一圈飛行中，“伽利略號”沒有遇到大的問題。1990年12月19日，第一次地球重力助推按計劃執(zhí)行，1991年4月11日，高增益天線在設定條件下展開?！百だ蕴枴钡母咴鲆嫣炀€的18個肋條由一對電機驅動一系列推桿、滾珠螺桿及承載環(huán)來展開。但是只有13個成功展開，另外5個被卡在了托架結構內，有2個后來釋放了，而相鄰的3個肋則保持在原位，并且隨著驅動，滾珠螺桿漸漸扭曲，最后驅動機構徹底卡滯。滾珠螺桿需要運動8.6厘米才可以展開天線，而實際上只運行了1.5厘米。

問題很快就被找到了，“伽利略號”鎖栓和插座連接點因為長期受應力過高導致涂層被損壞。在“伽利略號”數年的制造與儲存期間，潤滑劑被損耗，而唯一一次涂抹潤滑劑距離發(fā)射過去了10年！鎖栓與插座最后在真空和強大的壓力下產生了冷焊。換句話說，鎖栓被壓力“焊”在了插座上，成為了一個整體。擔心在地面測試中產生問題，因天線沒有備份導致推遲，天線沒有得到完全測試！最后美國宇航局決定使用熱應力和離心力來撬開鎖栓，并且通過電機驅動或者推力器點火來“錘擊”鎖栓。

高增益天線展開的“伽利略號”，可惜它在任務進行中并未實現

1992年4月，“伽利略號”再次抵達近日點，航天器背向太陽，將高增益天線置于陰影中長達50個小時，但鎖栓仍未展開。按照仿真，需要6~12次冷熱循環(huán)才能展開天線，但其基于的假設可能也是錯的。低增益天線被收回6次，試圖借助急停產生的晃動搖動鎖栓，但也沒用。1992年9月，7次冷熱循環(huán)仍然未能使高增益天線展開。但每次循環(huán)會浪費4千克的推進劑，沒有那么多推進劑可供浪費。

作為備選方案，“伽利略號”使用推力器點火推動天線電動機移動，每一次點火都可以使得滾珠螺桿轉向部分角度，從而增大驅動力。同時，在近日點附近天線塔的熱應力會達到最大，人們認為在此時“錘擊”滾珠螺桿可以釋放一條肋，如果到1993年3月高增益天線仍未展開，便放棄高增益天線，全部使用低增益天線下行。結合深空網升級和壓縮算法升級，可以達到原計劃速率的100倍。

1992年12月29日至1993年1月19日，“伽利略號”進行了超過15000次的“錘擊”，但只使得打開的肋條開得更大一點，沒打開的還是沒打開。3月，“伽利略號”開始加速自旋至10.5轉/分鐘，但高增益天線還是不為所動，美國宇航局最終宣布放棄高增益天線。

儀器故障/接收機故障

編號VGR-77的探測計劃絕對是人類歷史上最壯觀最偉大的一次遠征。1977年的“大旅行”窗口給予航天器以一次性飛掠四顆外行星的機會。協調世界時1977年8月20日14時29分，在推遲不到5分鐘后，旅行者2號探測器踏上深空探測之旅。航天器進入了近日點1天文單位、遠日點6.28天文單位的日心軌道。發(fā)射后幾個小時，一系列結構開始展開，但始終未收到掃描平臺懸臂展開到位的信號。星敏感器被一些漂浮在航天器附近的絕緣碎片所干擾，而在穩(wěn)定姿態(tài)的時候，備份姿態(tài)控制系統被誤激活。新軟件被緊急在地面編制出來并且完成測試，注入到探測器上。隨后根據星敏感器的圖像確定，懸臂距離鎖定位置只差0.5度以內，任務控制中心通過晃動航天器，使之成功鎖定。

“大旅行”示意圖

8月30日，“旅行者2號”開始第一次軌道修正，但是發(fā)現推力器的推力遠低于預期。通過分析，是一部分燃氣流被航天器的儀器所阻擋，導致有效推力不足。按照這個進度來看，“旅行者2號”只能勉強抵達土星。任務控制中心優(yōu)化了“旅行者2號”的機動流程，將土星飛掠時間從木星飛掠后70天提前到近木點執(zhí)行，同時將“旅行者2號”的星敏感器從“老人星”改成了“天津四”，從而減少太陽光壓的影響。

1977年9月5日，“旅行者1號”進入近日點1.01天文單位、遠日點8.99天文單位的日心軌道。1978年2月23日，“旅行者1號”進行掃描平臺測試，結果掃描平臺的展開執(zhí)行機構卡死，對后續(xù)任務來說是一個毀滅性的打擊。美國噴氣推進實驗室在對地面樣機進行試驗后，再次命令“旅行者1號”進行測試，5月31日，執(zhí)行機構沒有發(fā)生再次卡死。上次卡死的原因可能是執(zhí)行機構的齒輪被灰塵污染，導致齒輪被卡住。而在后續(xù)測試中灰塵被壓碎或移除，于是平臺恢復了正常工作。

“旅行者1號”及Star-37固體火箭發(fā)動機

比較有意思的事情來了。在美國噴氣推進實驗室專注于“旅行者1號”的時候，他們把“旅行者2號”忘了?！奥眯姓?號”在1978年4月5日自動進入“指令失效警告”。在一周內主份接收機未接收到地面上行指令的時候，默認主份接收機失效，轉入備份接收機。但是備份接收機無法鎖定來自地面的信號，因為地球自轉及航天器飛行導致的多普勒頻移，會導致信號頻率發(fā)生變化。工程師并沒有注意這個問題，因為12小時后又會切換回主份接收機。但是主份接收機在開機后僅僅30分鐘就遭遇短路，徹底失效。

這問題可就大了，如果人類還想知道天王星和海王星的奧秘，那么希望必須寄托在“旅行者2號”的備份接收機上。又是7天過去，航天器再次切換至備份接收機。此時深空網開發(fā)的計算機控制振蕩器派上了用場。

4月13日，這些變頻率的信號成功上行至“旅行者2號”。但是不是每條指令都被成功接收了？工程師發(fā)現，接收機的可接受頻帶會隨著溫度變化而改變。這種變頻率上行信號不是一件容易的事情——僅地球自轉一項引起的多普勒頻移是“旅行者2號”可接受頻率范圍的30倍，而每一項誤差都必須被考慮在內。美國噴氣推進實驗室建立了“旅行者2號”各分系統的詳細熱模型，從而精確預示接收機溫度，誤差在0.1℃內。但即使如此，通信仍然時斷時續(xù)。10月份，問題才得以解決，任務控制中心向航天器注入了探測序列指令，后續(xù)即使信號完全中斷，“旅行者2號”也可以自主完成木星及土星交會。

這還不是問題的結局。1979年9月7日，“旅行者2號”抵達木星。強烈的木星輻射使得接收機頻帶發(fā)生了不可預測的變化，在地球掩星區(qū)過后，深空網不得不使用多個不同頻率上行從而指望“旅行者2號”可以剛好“聽到”指令。

雖然出現了一系列問題，但“旅行者號”仍不愧是人類歷史上最偉大、成功的幾個行星探測工程之一。一系列故障在土星飛掠后得到了很好的解決，應對措施也足夠完善。兩個“旅行者號”繼續(xù)飛向深空，繼續(xù)著它們的外層空間探索之旅。

遠地點發(fā)動機故障

先進極高頻戰(zhàn)略寬帶通信衛(wèi)星，也稱為“軍事星3”通信衛(wèi)星。先進極高頻衛(wèi)星能給戰(zhàn)區(qū)指揮官提供高安全性的、抗干擾的、不易截獲的通信服務，可滿足實時圖像、戰(zhàn)場地圖和跟蹤數據傳輸等戰(zhàn)術通信需求，將成為美國國防部在軍用衛(wèi)星通信體系結構中期階段使用的骨干。它采用A2100M平臺建造，造價超過5.8億美元。

先進極高頻戰(zhàn)略寬帶通信衛(wèi)星

2010年8月14日，“宇宙神5-531”運載火箭成功將重6168千克的先進極高頻-1通信衛(wèi)星發(fā)射至一條近地點225千米、遠地點50212千米、傾角22.2度的超同步轉移軌道。按照計劃，首先啟動遠地點發(fā)動機，通過30天機動將遠地點提升至1.9萬千米、傾角為6度的軌道，隨后使用其霍爾推進器工作90天進入地球靜止軌道。衛(wèi)星設計壽命14年。衛(wèi)星主動力系統使用石川島播磨重工制造的BT-4型聯氨-四氧化二氮450牛推力器，同時擁有6臺22牛單組元推力器和12臺0.9牛單組元推力器，這些推力器由航空噴氣公司研制。BPT-4000雙模態(tài)電推系統在轉移軌道使用大推力模式，而在軌道保持時使用小推力高比沖模式。

整流罩中的先進極高頻衛(wèi)星，注意其安裝在腰部的側裝電推

但是，其第一次遠地點機動時，推進器未能正常工作并自動關機，兩天后的第二次嘗試也未能成功。這意味著遠地點發(fā)動機報廢。“先進極高頻-1”從8月29日7:00開始轉入使用22牛單組元推力器升軌的模式，并且電推會提前接手軌道轉移。

在第一階段，3臺22牛推力器工作至9月7日，將遠地點提升至1156千米、傾角19.9度。隨后6臺22牛推力器同時工作至9月22日，將近地點提升至4712千米、傾角15度。第三階段時電推開機，使用10個月將遠地點提升至靜止軌道高度。最終于2011年10月24日進入預定軌道，并且能夠滿足其14年壽命的需求。

遠地點發(fā)動機故障

“移動用戶目標系統”是跟“先進極高頻-1”一樣的倒霉鬼。同樣使用A2100平臺，同樣被BT-4坑了?！耙苿佑脩裟繕讼到y”戰(zhàn)術窄帶通信衛(wèi)星將提供比特高頻后繼衛(wèi)星系統高10倍的傳輸量，并將為美軍提供更可靠的通信方式?！耙苿佑脩裟繕讼到y”的首星在2012年發(fā)射升空，星座計劃建設4顆業(yè)務星，另設1顆備份星。

“移動用戶目標系統”星座的布置圖

2016年6月24日，“宇宙神5-551”型運載火箭成功將6740千克重的“移動用戶目標系統”-5通信衛(wèi)星送入了一條近地點為3838千米、傾角19度的高近地點同步轉移軌道，但是隨后其石川島播磨重工制BT-4型遠地點發(fā)動機未能正常點火?！耙苿佑脩裟繕讼到y”-5借助其22牛單組元推力器進行了26次點火，在11月3日完成了最終升軌。但“移動用戶目標系統”-5的南北保位明顯能力受限，相比于前4顆“移動用戶目標系統”保持在2.5度的傾角，“移動用戶目標系統”-5的傾角達到了6.5度左右，其軌道的偏心率也遠大于另外4顆。

太陽能帆板故障

“國際通信衛(wèi)星-19”是國際通信衛(wèi)星公司向勞拉空間公司訂購的一顆高通量通信衛(wèi)星，基于SSL-1300平臺建造，發(fā)射質量為5600千克，2012年6月1日由“天頂-3SL”運載火箭發(fā)射升空，用于替代“國際通信衛(wèi)星-8”，設計壽命18年。

天頂3SL發(fā)射“國際通信衛(wèi)星-19”

“國際通信衛(wèi)星-19”在發(fā)射成功后晚些時候宣布，衛(wèi)星的南側太陽能帆板無法展開。4次升軌后南側帆板終于勉強展開，但是損失了25%的電力，并且導致衛(wèi)星的容量損失了50%。

國際通信衛(wèi)星19號

最終故障分析委員會查明，問題出自帆板的一個制造缺陷。這種缺陷導致“國際通信衛(wèi)星-19”的南側帆板受到永久性損傷，無法全功率供電。