詹姆斯·韋伯望遠鏡是怎樣成為“鴿王”的

文/杜駿豪

大名鼎鼎的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡肩負著人類太多期望，它成功部署后將極大推動人類對宇宙的認知。然而，從最初5 億美元的預估成本，到如今接近100 億美元的巨額支出，韋伯空間望遠鏡獲得了“吞噬天文學的望遠鏡”稱號。從最初預計2005 年發射升空，到如今2021 年底才上天，十幾次推遲使它成為航天界知名“鴿王”之一。是什么原因使它一步步墜入這座時間與金錢的深淵？

▲ 韋伯望遠鏡在軌工作示意圖

前瞻：下一代空間望遠鏡

前瞻性是推動人類社會發展的重要思維方式。早在哈勃空間望遠鏡發射前，科學家們就已經在暢想未來了——“哈勃”退役后，下一代空間望遠鏡是什么樣的？

1989 年9 月，距離“哈勃”發射還有半年時間，美國空間望遠鏡研究所和美國宇航局匯集了130 多名天文學家和工程師，共同主辦了“下一代空間望遠鏡”研討會。會議研究分析了2005 年在高地球軌道上建造10 米口徑近紅外望遠鏡或在月面建造16 米口徑望遠鏡的可行性。“哈勃”發射后，科學家發現“哈勃”的能力依然有限，不能看到宇宙誕生最初5 億年的中紅外波段影像。1996 年，由天文學家艾倫·德雷斯勒領導的委員會向美國宇航局正式提議研制一款紅外空間望遠鏡，以彌補“哈勃”的不足，其設計指標是能夠看到130 億年前宇宙誕生的“第一縷曙光”。

▲ 坐在雙子座載人飛船中的詹姆斯·韋伯

時任美國宇航局長的丹尼爾·戈爾丁非常感興趣，經過初步研究，他們確定了“下一代空間望遠鏡”的技術指標：主鏡直徑8 米、鏡面材料為輕質金屬鈹、工作溫度低至-223℃、工作軌道位于日地拉格朗日L2 點，這些初期設計指標與如今完工的韋伯望遠鏡幾乎完全一致。

天文學家們也曾對如此激進的設計指標產生質疑，這會帶來極高的研發成本。與此同時，丹尼爾·戈爾丁在擔任美國宇航局局長一職時實行“更快、更好、更便宜”的發展戰略，以更快的制造速度、更低的制造成本來完成一些更鼓舞人心的任務。在這種戰略領導的思維方式下，人們預估“下一代空間望遠鏡”的成本只有約5 億美元，發射時間預計為2007 年到2011 年，這一成本與時間在當時還可以接受。

起初這一戰略似乎奏效了：1997年的火星探路者任務、1998 年的月球勘探者任務均大獲成功。然而在1999年，廣域紅外探測器一經發射，攜帶的制冷劑就因低級失誤而泄漏得一干二凈，探測器接近報廢；兩個火星任務——火星氣候探測器、火星極地著陸器也均因低級失誤造成了災難性損失，顆粒無收。事實證明，“更快、更便宜”的同時并不能做到“更好”。

此后美國宇航局便對探測器的制造過程加以嚴格約束，以盡量保證任務不會出差錯，隨之而來的就是成本升高。這種戰略性轉變使韋伯望遠鏡的成本升至10 億美元以上，主鏡直徑也從8 米減少到6.5 米，以降低成本。另外，額外的測試表明這部望遠鏡似乎不可能在2011 年前發射升空了。

此時的人們還沒有意識到事情的嚴重性與復雜性：更強勁的望遠鏡要求有更高的品控，更高的品控帶來更高的成本，更高的成本決定了這一款望遠鏡的性能必然更加強勁——他們已經陷入了一個“死循環”。

新的世紀，新的希望

▲ 韋伯望遠鏡的首層隔熱罩

▲ 阿里安5 號運載火箭發射韋伯望遠鏡示意圖

人們懷著滿腔熱情迎來了嶄新的21世紀。2002年，“新一代空間望遠鏡”以美國宇航局第二任局長詹姆斯·韋伯命名。在他的帶領下，美國實現了阿波羅載人登月的壯舉。從此，全世界都在等待著這部叫做“詹姆斯·韋伯”的巨大空間望遠鏡升空。

在新世紀的前幾年里，望遠鏡團隊一直在為韋伯望遠鏡的可行性進行論證。為了提高望遠鏡分辨率，他們設計了巨大的可折疊主鏡；為了降低溫度，他們設計了與網球場差不多大但與頭發絲差不多薄的巨大隔熱罩；為了產出質量更高的觀測數據，他們設計了四款極其先進的紅外鏡頭或光譜儀載荷。2004 年，整部望遠鏡難度最大、要求最高的核心部件開始投入前期生產，包括18 面主鏡以及四款科學載荷，此時其預期成本約16 億美元。

▲ 《自然》雜志給出的2011 年之前的韋伯望遠鏡經費與美國宇航局天體物理學研究總經費對比圖

▲ 2013 年，韋伯望遠鏡團隊與韋伯望遠鏡全尺寸模型合影

▲ 2013 年準備進行第一次熱真空測試的綜合科學儀器模塊

2005 年，美國與歐空局達成協議，將使用一枚歐空局的阿里安5 號火箭發射韋伯望遠鏡。2007 年，整個韋伯望遠鏡的大部分核心設計通過了前期的審查，標志著韋伯望遠鏡的詳細設計、采購、組裝和測試正式開始。然而，人們依然低估了韋伯望遠鏡的制作難度，其預算大大低于韋伯望遠鏡的實際成本。僅僅在這前期的技術論證環節，韋伯望遠鏡就燒掉了20 億美元，額外的測試環節也使發射時間推遲到了2014 年。

起死回生

任務推進過程中的成本和測試時間問題逐漸凸顯，2010 年11 月，新的統計顯示韋伯望遠鏡的總成本增長到50 億美元，發射時間不早于2015年9 月，比計劃又推遲了一年多。《自然》雜志刊文將韋伯望遠鏡稱為“吞噬天文學的望遠鏡”，因為其巨額的開銷已經影響到了其他天體物理學研究任務的經費。

2011 年7 月，美國國會議員投票決定將從美國宇航局的2012 年預算中削減19 億美元，以取消韋伯望遠鏡計劃——此時其總成本飆升到了65 億美元，且發射時間推遲到了2018 年。國會指責該局成本的飆升并非遇到了技術問題，而是管理方式出現了失誤。這是整個韋伯望遠鏡從規劃以來面臨的最大挑戰，難道已經進行了十余年的前期論證、已經完成基本設計的主鏡與科學載荷、已經投入的幾十億美元都付諸東流了嗎？

政客認為韋伯望遠鏡是毫無意義的燒錢無底洞，但是抱有理想的科學家們仍視之為珍寶，他們實在不忍心放棄“韋伯”這款史上最強勁的望遠鏡。經過一番斡旋，2011 年11 月美國宇航局與眾議院和參議院達成共識：眾議院取消韋伯望遠鏡計劃的提議被取消，但妥協的代價是該計劃的支出只能限制在80 億美元以下。美國宇航局表示將推遲其他計劃，諸如縮減商業載人飛船的研發支出，以確保望遠鏡在2018 年發射。

▲ 六片主鏡片正在進行-220℃左右的低溫測試

沒有B 計劃

韋伯望遠鏡的建造過程要同時保證其高性能與高質量。哈勃空間望遠鏡運行于600 千米高的近地軌道，如果有故障可以派航天員前去維修，而韋伯空間望遠鏡將會運行在距離地球150 萬千米遠的日地拉格朗日L2 點，發射后一旦出現故障將是不可挽回的損失，沒有B 計劃作為退路。

▲ 正在進行測試的一片隔熱罩

因此，韋伯望遠鏡的各個器件都在極高的標準下進行生產，并在極其嚴苛的條件下進行測試。2011 年，第一面六邊形主鏡生產完畢，總耗時6年之久。主鏡的品控要求極高，每面六邊形主鏡可以允許的最大起伏僅為25 納米，如果把這面鏡片放大到月球的大小，其最大起伏將不能超過8 厘米。

2012 年到2014 年，四款科學載荷依次完成生產，共同組裝為綜合科學儀器模塊(ISIM)并進入測試環節，在戈達德空間環境模擬器中進行了數次低溫測試及真空測試。2015 年，主鏡的18 片六邊形鏡片全部完成生產。2016 年底，整部望遠鏡的主要結構均完成了生產，隨后便是漫長的振動、低溫等測試環節。2017 年，光學望遠鏡模塊整體進行了長達100 天的低溫測試，以確保其所有系統在類似的太空環境中能夠正常運行。

▲ 正在拼裝的最后一片主鏡，照片均為主鏡的黑色背面

地面嚴苛的測試的確是有益的。2018 年3 月，韋伯望遠鏡的隔熱罩在進行展開測試時撕裂了，美國宇航局不得不進一步將發射計劃推遲至少3個月。當年4 月，對隔熱罩的進一步振動測試表明隔熱罩產生了兩倍于預期的振動，測試結束后發現1000 顆螺絲中的20 顆出現了松動。與此同時，粗心的工作人員也帶來了麻煩，在清潔望遠鏡時工作人員使用了錯誤的溶劑，另外還錯誤接線導致望遠鏡承受了過高的電壓。

總而言之，一年內螺絲松動、溶劑誤用、接線錯誤這3 個失誤使韋伯望遠鏡的發射時間進一步推遲了1.5年，并且多燒掉了大約6 億美元的測試經費。該局不得不出面說明，80 億美元的經費肯定不夠用了，2018 年發射的承諾也已無法實現——發射日期再次被推遲到2020 年5 月。

▲ 發射韋伯望遠鏡的阿里安5 號火箭芯一級

氣氛再次緊張焦灼起來，2018年一份審查報告顯示，韋伯望遠鏡可能會出現344 種不同的故障——這對于任何航天任務來說都是一個可怕的數字。哈佛大學的天體物理學家格蘭特·特倫布萊表示，這意味著如果某個金屬支柱發生故障，或者一根電纜卡住，“我們就會得到一張價值100億美元的廢紙。”根據這一審查報告，美國宇航局對韋伯望遠鏡進行了系統性的排查與測試，并將望遠鏡總成本控制在88 億美元，發射時間進一步延后為2021 年3 月30 日。

新冠肆虐，海盜猖獗

美國宇航局著手對各項可能出現的故障一一排除時，卻又趕上了肆虐全球的新冠肺炎疫情。為了滿足疾病控制與預防中心的政策要求，2020年3 月份美國宇航局不得不暫停了韋伯望遠鏡的幾項關鍵測試工作。同時，該局也出現了人手不足的情況，只能將主要精力集中于2020 年的毅力號火星車任務上。就這樣，“韋伯”的發射日期被推遲到了2021 年10 月31 日。

美國宇航局在疫情影響下艱難地完成了韋伯望遠鏡發射前的最后幾項任務，成功進行了最終的折疊與打包工作。然而其發射工作再次因為3 條其他原因被推遲到至少2021 年11 月底，這次與望遠鏡本身無關。

首先，問題出在火箭身上。2020年8 月“阿里安5 號”執行兩顆通信衛星的發射任務時，工作人員發現火箭的整流罩異常，分離似乎并不完全。此外，在2020 年2 月的發射任務中，飛行引起的振動高于常值。這都對“韋伯”的發射產生了潛在威脅。美國宇航局將發射時間推遲到至少2021 年11 月底，并要求阿里安公司通過重新設計以解決以上問題。歐空局在“韋伯”發射之前的2021 年7 月31 日、10 月24 日成功發射了兩枚改進后的阿里安5 號火箭，發射證明相關問題得到了解決。

▲ 韋伯望遠鏡的主鏡細節，極盡規整

其次，庫魯航天發射場的疫情形勢也不容樂觀。法屬圭亞那尚未廣泛接種疫苗，如果疫情形勢進一步惡化，可能會拖延韋伯望遠鏡在發射場相關準備工作的進度。

▲ 2021 年10 月18 日，“韋伯”運抵圭亞那發射場

最后，由于發射場位于南美洲，把望遠鏡從美國千里迢迢運輸到發射場要16 天的時間，同時還有一個最大的威脅等著他們——海盜。海盜大概不會忽略這一塊價值100 億美元的肥肉，很可能將運輸船劫持。這并非空穴來風，早在1982 年一臺名叫JCMT的望遠鏡在運到英國的路上就被劫持了。為了應對此事，美國宇航局始終對“韋伯”的具體運輸日期緘口不言，同時叫來美國海軍保駕護航。“韋伯”最終于2021 年10 月18 日安全運抵法屬圭亞那庫魯航天中心，并將發射日期定為2021 年12 月18 日。

本性難移

“韋伯”在庫魯航天中心的準備工作還算順利，人們都認為這款望遠鏡終于能夠守時一次，并在2021 年12 月18 日如期發射了。然而，阿里安公司的工作人員卻又惹了亂子，使箭在弦上的韋伯望遠鏡再次推遲發射。

工作人員將韋伯望遠鏡連接到運載火箭適配器上時，將“韋伯”固定在運載火箭適配器上的夾箍突然意外松開，導致整個望遠鏡發生了不小的震動。美國宇航局立即進行調查并為韋伯望遠鏡進行了額外的測試，以防止這一惡性事件造成損壞。

謝天謝地，經過檢測這次震動沒有產生破壞性的影響。燃料加注工作正常進行，瞄準北京時間2021 年12月25日20:20發射。當了十余年“鴿王”的韋伯望遠鏡終于在發射前再次拖延，沒有忘記自己已經忠誠了半生的“鴿王”稱號，真可謂本性難移。

十年磨一劍，霜刃未曾試。今日把示君，誰有不平事？不少參與韋伯望遠鏡建設工作的工程師與科學家在接手這項偉大任務時正值壯年，而如今已白發蒼蒼。如今他們終于能夠看著這枚傾注了半生心血的望遠鏡飛上云霄，帶全世界的人們看一看宇宙的第一縷曙光。

▲ 整裝待發的韋伯望遠鏡

▲ “韋伯”的發射時間、推遲時間與成本總表 制圖：杜駿豪