哈勃壞了？打電話叫航天飛機來維修吧

寇曉明

這幾年，一部講述四位年輕科學家生活的美國情景喜劇《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）在國內非常流行。劇中，四位男主角里唯一沒有博士學位的霍華德·沃洛維茲有一天終于出人頭地，以載荷專家的身份被美國航空航天局委派到太空安裝他自己設計的太空望遠鏡，在太空旅行中飽受兩位宇航員同事的戲弄。其中一位同事的扮演者邁克爾·馬西莫諾可是一名貨真價實的宇航員。他應劇組邀請先后在4集電視劇中扮演自己。在現實生活中，他曾經兩次搭乘航天飛機參與維修哈勃空間望遠鏡的任務。

那么，哈勃空間望遠鏡為什么需要維修呢？說來話長，咱們就從最開始磨鏡片的糗事說起吧。

1990年4月，哈勃空間望遠鏡成功發射升空，滿心歡喜的科學家發現哈勃傳回的照片模糊不清，遠沒有達到設計的預期。自此，哈勃開始了它的維修史。

經過一番調查，設計者發現，哈勃的主鏡片邊緣被磨得過平，導致鏡面反射的光不能聚焦在一個點上，形成了像差。鏡片邊緣被多磨了多少呢？2.20微米，大約是頭發絲直徑的1/40。失之毫厘，謬以千里，這一點兒錯足以讓一個耗資數十億美元的空間望遠鏡沒法正常工作。有意思的是，為了磨制這個精度達到史無前例的10納米的鏡片，生產商帕金埃爾莫公司專門制作了特殊的零像差較正器來控制鏡面的形狀。結果，正是這臺“傾情特別制作”出了問題，其中一個透鏡的位置偏離了1.3毫米。在后期的測試中，公司的科學家用傳統的零像差較正器發現了哈勃主鏡片的像差問題，可是他們覺得這是傳統儀器精度不夠造成的，于是忽略了這些像差。

在哈勃第一次維修任務中工作的宇航員

其實，哈勃空間望遠鏡上天前，美國航空航天局就已經準備了維修計劃，因為望遠鏡上眾多的電子儀器設備需要檢修和維護。而且，就像大家總會琢磨著把手機換成最新一代一樣，天文學家也希望哈勃總是能用上最新的技術，所以要不斷升級。到目前為止，美國航空航天局總共進行了5次哈勃空間望遠鏡維修升級（維修任務1，2，3A，3B，4）。

維修任務1的首要目標自然是解決像差問題，幫哈勃恢復“視力”。柯達公司曾經為美國航空航天局制作了一個備用鏡片，可是在太空中更換鏡片的技術太復雜，不現實。如果用航天飛機把望遠鏡運回來修，花費又太高了，即使財大氣粗的美國航空航天局也受不了。最后，科學家研制了一個叫COSTAR的光學矯正組件做哈勃的“眼鏡”。另外，新研制的第二代廣域/行星照相機也有修補像差的功能。這臺相機后來拍攝了著名的老鷹星云氣體柱照片和沙漏星云照片。

1993年12月4日，“奮進”號航天飛機的機械臂順利地抓住了哈勃空間望遠鏡，并把它固定在打開的貨艙中等待維修。在這次歷時12天的任務中，宇航員一共進行了5次艙外行走，除了安裝這兩臺主要設備外，還更換了太陽能電池板、陀螺儀和磁強計等一些組件。陀螺儀是用來控制望遠鏡方向的重要部件之一——要是哈勃錯誤地指向了地球，那就只能當偵察衛星用了。

穿著宇航服在太空中修東西可不是件容易的事，就像是帶著烤箱手套剝雞蛋皮。因此，航天飛機攜帶了近百件特別設計制作的工具以保證維修順利進行。除此之外，宇航員都得連著繩索，以便不小心飄走時還可以抓著繩子飄回來。除了維修升級外，這次任務還包括升高哈勃的運行軌道，因為雖然那里空氣極其稀薄，在哈勃運行的3年里，大氣阻力仍然逐漸降低了哈勃的軌道。

1997年，“發現”號航天飛機的宇航員為哈勃進行了第二次維修升級，安裝了用來找尋黑洞的空間望遠鏡影像攝譜儀和觀測紅外波譜用的近紅外線照相機/多目標分光儀，后者可以讓我們看到更遠的星體。此外，還更換了3個精細導星傳感器中的1個，它是用于控制望遠鏡指向的組件之一。

1999年11月，用于定位哈勃空間望遠鏡方向的6個陀螺儀中的4個失效，少于正常運行所需的3個，哈勃進入“安全模式”，停止了觀測。美國航空航天局急忙在12月派出“發現”號航天飛機，讓宇航員進行了3次6小時的太空行走，對其進行維修，這就是維修任務3A。本次維修替換了全部6個陀螺儀和1個精細導星傳感器，并安裝了一些電子設備和熱保護設備。

2002年3月，“哥倫比亞”號航天飛機執行了維修任務3B，對哈勃進行了第4次維修升級。其中最主要的任務是安裝先進巡天照相機，新的照相機與舊的第二代廣域/行星照相機相比，有更大的視角范圍、更高的靈敏度和更清晰的圖像質量。宇航員還給早已停止工作的近紅外線照相機/多目標分光儀更換了冷卻系統，使它恢復正常。另外，哈勃的定向裝置和動力系統，包括太陽能電池板也得到了更新。

一年后，“哥倫比亞”號航天飛機在升空時被燃料外儲箱上掉落的絕熱泡沫塑料碎片打中，左翼上的隔熱復合材料遭到毀壞，導致航天飛機返回大氣層時突然解體，7名宇航員全部遇難。這場災難打亂了原本定于2005年進行的哈勃維修升級計劃。美國航空航天局決定，“哥倫比亞”號事故之后的航天飛機任務都必須距離國際空間站足夠近，一旦發生意外，宇航員能夠把空間站當成臨時避難所。而哈勃空間望遠鏡沒法滿足這一要求，所以維修任務被取消。禍不單行，2004年，哈勃的太空望遠鏡影像攝譜儀的供電系統出現故障，進入“安全模式”，變得無法使用。無奈之中，美國航空航天局曾考慮放棄哈勃空間望遠鏡，可是新一代的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡還需要好多年才能升空工作，這可急壞了天文學家。他們四處游說，迫于壓力，美國航空航天局甚至考慮發射機器人到太空中去修理哈勃空間望遠鏡，可是經過研究論證，機器人修理根本不現實。

哈勃的鏡片

2005年，美國航空航天局新上任的局長邁克爾·格瑞芬決定重新考慮派宇航員維修哈勃，第二年，他正式拍板同意，由“亞特蘭蒂斯”號航天飛機來執行這一任務。為了保險起見，另一架航天飛機“奮進”號也做好升空準備，萬一“亞特蘭蒂斯”號出意外，它可以進行救援。2007年，哈勃的先進巡天照相機發生短路，3個拍攝通道中的兩個停止工作，使它的功能大打折扣。2008年，就在“亞特蘭蒂斯”號航天飛機原定發射日期的兩周前，哈勃的科學儀器指令和數據處理系統出現故障，雖然備用系統接替了它的工作，但是美國航空航天局還是希望“亞特蘭蒂斯”號能夠給哈勃換上一臺新的處理系統。新系統準備好的時候已經是2009年5月，“亞特蘭蒂斯”號順利升空，宇航員為哈勃進行了最后一次維修升級，也是最復雜的一次，這就是維修任務4。

這次任務主要有：安裝新的第三代廣域照相機和宇宙起源頻譜儀。新的相機可以觀測近紫外、可見光和近紅外三個波段的光，而且有更高的分辨率和更大的視野。宇宙起源頻譜儀工作在紫外波段，可以將不同頻率的光分離出來，從而得到發光物體的信息。它使得哈勃對紫外線的靈敏度提高了10倍至70倍，可以拍攝發出極微弱紫外線的遙遠星體了。宇航員還修復了先進巡天照相機和空間望遠鏡影像攝譜儀，替換掉壞了的科學儀器指令和數據處理系統。由于新的觀測設備自身都具有光學像差修補功能，所以COSTAR光學矯正組件被拆除，為其他儀器騰出空間。因為這是最后一次維修，為了盡量延長哈勃的壽命，宇航員更換了哈勃所有的電池模塊、全部6個陀螺儀和精細導星傳感器，安裝了新的絕熱毯。另外，他們安裝了一個軟捕獲裝置，以備將來哈勃壽終正寢時，美國航空航天局的太空船能夠輕而易舉地抓住哈勃并引導它安全地墜回地球。經過12天的太空任務，宇航員安全返回了地面。

維修任務4中維修哈勃空間望遠鏡的宇航員

至此，我們聊完了哈勃的維修升級史。宇航員自然是功不可沒，但在他們的身后，其實有數千科研人員在地面為維修任務的成功而忙碌。最主要的三個機構是：位于佛羅里達的肯尼迪航天中心、位于得克薩斯州的約翰遜太空中心和位于馬里蘭州的戈達德太空飛行中心。其中，肯尼迪中心負責航天飛機的起飛、飛行與著陸。約翰遜中心則監控航天飛機和宇航員的方方面面，包括艙外行走、宇航員健康狀況、維修過程與進度、駕駛艙與貨艙的狀況。戈達德中心測試和準備硬件儀器，隸屬于這個機構的空間望遠鏡運行控制中心（STOCC）負責哈勃空間望遠鏡的運行。在維修開始之前，STOCC的地面工作人員會讓哈勃進入“冬眠”狀態，把重要的光學部件保護起來，而且還要變換望遠鏡的位置，以便被航天飛機的機械臂抓住。每當宇航員完成一臺設備的更換或修理，STOCC都要遙控開機測試，確定它能正常工作。在任務最后，還要“喚醒”哈勃，確認一切正常，才能讓機械臂把它釋放。

每一次維修之后，哈勃空間望遠鏡都會重新煥發青春。時至今日，哈勃仍在繼續工作，而美國航空航天局也沒有新的維修計劃。在未來，或許因為維修成本的原因，哈勃會被新一代望遠鏡所取代。在大家驚訝于那一張張蘊含著宇宙奧秘的照片時，別忘了其中有著一代宇航員和科技工作者的心血。endprint