“詹姆斯·韋伯”：到底要燒掉多少錢？

文/太空精釀

▲ 詹姆斯·韋伯是美國宇航局歷史上的核心人物之一

▲ “詹姆斯·韋伯”看起來猶如太空中的一艘巨型戰(zhàn)艦

2018年3月27日，預(yù)算已經(jīng)高達(dá)88億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡又宣布延期到2020年5月才可能發(fā)射。考慮到其間的天價延期成本和可能的改進(jìn)測試，估計(jì)總預(yù)算直逼100億美元。

這比起它在1997年被批準(zhǔn)時的5億美元預(yù)算、2007年發(fā)射的初步版本預(yù)算，已經(jīng)相距甚遠(yuǎn)，從一個不起眼的小望遠(yuǎn)鏡完全變成了一個載入人類史冊的重大項(xiàng)目！

這個望遠(yuǎn)鏡的名字來自美國宇航局的第二任局長詹姆斯·韋伯。他的任期是1961-1968年，任內(nèi)該局拿到了歷史上最多的資金，最高時在1966年達(dá)到整個聯(lián)邦預(yù)算的4.4%，這個比例幾乎是現(xiàn)在的10倍。那個年代，美國宇航局實(shí)施了水星計(jì)劃、雙子座計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃、先鋒計(jì)劃、水手/旅行者計(jì)劃，可謂風(fēng)光無限。詹姆斯·韋伯在美國宇航局歷史上的地位可見一斑，以他名字命名這個偉大的探測器合情合理。

這幾年內(nèi)，詹姆斯·韋伯項(xiàng)目組開了無數(shù)次新聞發(fā)布會，而所有的新聞發(fā)布會如果總結(jié)為15個字的話：大家好，有進(jìn)展，要延期，沒錢了，快打錢。

美國宇航局出現(xiàn)罕見的慎之又慎，也因?yàn)樗侨祟愑惺芬詠碜罡叽笊系目臻g望遠(yuǎn)鏡！它的最核心任務(wù)是：尋找宇宙的邊界，也就是宇宙最初期大爆炸后殘留的紅外線。人類目前了解到的宇宙歷史為138億年，“詹姆斯·韋伯”的發(fā)射極有可能找到大爆炸之后宇宙的最深奧秘。

它是目前僅次于阿波羅登月、航天飛機(jī)、國際空間站和GPS項(xiàng)目的人類第五大航天項(xiàng)目，而且它雖然只有一個航天器，造價卻已經(jīng)逼近100億美元。比起之前這四個任務(wù)數(shù)十次到數(shù)百次發(fā)射分?jǐn)傦L(fēng)險，但依然存在不可避免的發(fā)射失敗，對“詹姆斯·韋伯”而言，基本意味著必須成功。

在設(shè)計(jì)方面，這么多資金投入當(dāng)然也為了實(shí)現(xiàn)諸多黑科技。

▲ “詹姆斯·韋伯”空間位置示意圖

高難度的軌道

由于理論上說“詹姆斯·韋伯”任何一個部件都會輻射出紅外信號產(chǎn)生干擾，所以這個望遠(yuǎn)鏡必須溫度極低以減少影響，低到接近絕對溫度（-273攝氏度）的零下220度。同時為了最大限度的收集紅外信息，就需要超高反射率和超大的“鏡子”，還需要盡量回避宇宙中干擾的熱源，比如地球和太陽；也要回避地球附近的宇宙塵埃。因此，“詹姆斯·韋伯”的最佳觀測點(diǎn)是處于日地引力平衡的拉格朗日2點(diǎn)，距離地球150萬公里（月球距離地球不過38萬公里），躲在地球背后。這個引力平衡點(diǎn)軌道穩(wěn)定，也遠(yuǎn)離熱源太陽和地球。

但這也意味著任務(wù)必須一次成功，不存在修理的可能性。像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡那種本來不能用，慢慢修好的可能性是不存在的。

超級精密的鏡子

▲ 這是人、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡主鏡的大小對比

由于“詹姆斯·韋伯”鏡面設(shè)計(jì)要求是6.5米口徑，而這個大小超過了火箭發(fā)射的尺寸限制，所以選擇方案是加工成18面一模一樣的六邊形，折疊起來再展開。普通鏡面材料根本不行，因?yàn)闇囟茸兓瘜?dǎo)致變形，更何況零下220度。而且在反射電磁波的時候材料都會吸收掉一些能量（例如黑衣服白衣服區(qū)別），必須用抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、密度低的材料。最后選擇了堿土金屬鈹，這是軍工行業(yè)極為重要的金屬，是洲際導(dǎo)彈的導(dǎo)航設(shè)備等核心原料。鏡面的加工精度要求是：拋光誤差不超過10納米，每塊鏡片還能隨意調(diào)整角度，調(diào)整精度不超過10納米！10納米大概相當(dāng)于幾十個鈹原子擺在一起的寬度。

超級遮陽板

盡管已經(jīng)遠(yuǎn)離熱源，但還要盡力遮住可能的外界能量，比如地球輻射。然后“詹姆斯·韋伯”就要打著這么一把五層的“遮陽傘”。

▲ 遮陽板實(shí)際大小

在測試中，這把傘從正面到背面，可以將輻射溫度降低300攝氏度以上。它完全展開時長寬占地大小有300平方米左右，但即便這么大，每層的厚度其實(shí)才25微米或50微米（第一層），這已經(jīng)包括了鍍的硅膜和鋁膜。

要知道，人的頭發(fā)直徑還有80微米～100微米，而考慮到這么薄的一層要做到這么大，真是不可思議。這恐怕也是人類歷史上最厲害的一個遮陽板。

但請別忘了，無論是鏡子還是遮陽板，都是需要先疊在一起塞進(jìn)火箭里，然后進(jìn)入太空后才慢慢展開的。也就是說經(jīng)歷了劇烈的火箭發(fā)射和非常大的溫度變化后，它們要在太空中實(shí)現(xiàn)前文說到的10納米和25微米精度，這就導(dǎo)致一切極其艱難。

▲ 摔倒在地上的NOAA19衛(wèi)星

▲ 在地面上通過龐大的機(jī)械臂吊裝測試

這個遮陽板到了太空中可沒有這些大型機(jī)械臂輔助，就得靠自帶器件緩慢展開這一層層龐然大物。憑借上面綁了100個小型拖車，把這龐然大物緩緩?fù)祥_，并在經(jīng)歷劇烈火箭震動和惡劣太空環(huán)境后，實(shí)現(xiàn)夸張的精度。

為了確保任務(wù)成功，“詹姆斯·韋伯”依然處在一輪又一輪復(fù)雜測試過程中。而且，對于大型任務(wù)而言，任務(wù)延期也是極其正常的事情。羅塞塔號探測器原本計(jì)劃探測的并不是后來的丘留莫夫－格拉西緬科彗星，純粹因?yàn)楸桓鞣N延期而不斷修改探測目標(biāo)。畢竟彗星不等人，一直在太陽系內(nèi)飛行，如果錯過了時間窗口就只能更換目標(biāo)。

而在2018年5月初的一次測試中，工程師們發(fā)現(xiàn)了一些目前還不知道從哪里掉下來的螺釘，估計(jì)讓這個望遠(yuǎn)鏡的延期之路又要延長了。

歷史上這種小事情導(dǎo)致的重大災(zāi)難可不少。美國宇航局和洛·馬公司曾經(jīng)在2003年9月6日對NOAA-19衛(wèi)星的測試中犯過一次重大失誤：由于前一批測試人員在移除一些螺釘后并未及時寫進(jìn)文檔備案，導(dǎo)致后一批測試時衛(wèi)星直接摔到地上，產(chǎn)生嚴(yán)重故障。畢竟這是一顆價值2.9億美元的衛(wèi)星，后續(xù)維修的成本與再造一顆幾乎無異。因此，等待更加昂貴的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡踏上征途，我們還需要耐心。

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空間望遠(yuǎn)鏡種種

對于人類和地球上的其他生物來說，大氣層是維系生存的必要條件。而對于天文學(xué)研究來說，大氣層卻會給天文學(xué)研究增添不少麻煩。

γ射線和X射線等波段的信號不能穿透大氣層，無法在地面上進(jìn)行觀測；而大氣層能夠投射的可見光等波段的信號，還會受到大氣湍動等作用的干擾。此外，地面上人類活動制造的人造光源也會對天文觀測造成干擾。如果將望遠(yuǎn)鏡裝在航天飛行器上，發(fā)射到太空之外，避開大氣層和人類活動的干擾，則會為天文觀測帶來極大的便利。

目前，知名度最高的空間望遠(yuǎn)鏡當(dāng)屬1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，它的觀測波段為近紅外波段、可見光波段和紫外波段。“哈勃”獲取的觀測數(shù)據(jù)極大地推進(jìn)了人類對恒星演化、宇宙年齡、黑洞性質(zhì)等方面的認(rèn)識。目前，“哈勃”已經(jīng)處于超期服役狀態(tài)，美國宇航局的下一代大型空間望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯即將接替“哈勃”的任務(wù)。

前文中提到的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡和凌日系外行星巡天空間望遠(yuǎn)鏡是工作在可見光波段。此外，還有對γ射線波段、微波波段、射電波段信號進(jìn)行探測的空間望遠(yuǎn)鏡。中國在2017年發(fā)射的“慧眼”號，是工作在硬X射線波段的空間望遠(yuǎn)鏡，能夠進(jìn)行與引力波相關(guān)的科學(xué)探測。

（小超）