12 月 29 日消息，美國(guó)宇航局 (NASA) 的詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）目前已經(jīng)在太空飛行了三天，但其太空之旅中風(fēng)險(xiǎn)最高的部分才剛剛開始。很快，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡將開始一場(chǎng)精心編排的機(jī)械舞，慢慢地改變形狀并展開為最終形態(tài)，以達(dá)到觀察遙遠(yuǎn)宇宙的目的。
▲ 圖 1：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)射三天，即將變身為最終形態(tài)
這是一種以前從未進(jìn)行過(guò)的反向空間折紙，但對(duì)于韋伯望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，這是完成預(yù)期使命所必須的。韋伯望遠(yuǎn)鏡的體型實(shí)在太大了，無(wú)法在完全展開的情況下搭載任何可操控的火箭發(fā)射。因此，在圣誕節(jié)搭乘“阿麗亞娜 5 號(hào)”火箭進(jìn)入太空時(shí)，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就像瑞士軍刀一樣被折疊起來(lái)。
在接下來(lái)的兩周時(shí)間里，韋伯望遠(yuǎn)鏡將重塑形態(tài)，直到它完全配置好可以窺視宇宙最深的部分。韋伯望遠(yuǎn)鏡主承包商諾斯羅普?格魯曼公司工程師艾米?羅（Amy Lo）解釋稱：“我們有時(shí)稱韋伯為‘變形金剛望遠(yuǎn)鏡’?！?/p>
展開最終形態(tài)是個(gè)令人望而生畏的過(guò)程，有數(shù)百個(gè)移動(dòng)部件需要重新部署，工程師們已經(jīng)在地面上進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，因?yàn)樗仨毢翢o(wú)瑕疵。但在這個(gè)過(guò)程中，哪怕是微小的釋放機(jī)構(gòu)或滑輪故障都可能會(huì)危及整個(gè)韋伯望遠(yuǎn)鏡的未來(lái)。雖然地面任務(wù)控制人員掌握了不少故障排除技術(shù)，如果有東西卡住了，他們可以立即介入，但最終必須由望遠(yuǎn)鏡自己完成每一次部署，以接近完美。
▲ 圖 2：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射前完全折疊在阿麗亞娜 5 號(hào)火箭的頂部
韋伯望遠(yuǎn)鏡正在前往距離地球約 150 萬(wàn)公里的最終目的地，目前還沒(méi)有火箭或飛船可以安全地將宇航員帶到如此遠(yuǎn)的地方，以便對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)整。因此，如果韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)生了無(wú)法修復(fù)的故障，也就意味著這項(xiàng)總共花費(fèi) 97 億美元的任務(wù)就此終結(jié)。
對(duì)于這種規(guī)模的任務(wù)來(lái)說(shuō)，從來(lái)都是非常復(fù)雜的。韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)師從一開始就知道，他們的設(shè)計(jì)必須能在太空中展開。早在 1996 年，當(dāng)科學(xué)家們首次提出制造這樣的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，時(shí)任 NASA 局長(zhǎng)丹?戈?duì)柖?(Dan Goldin) 就向工程師們提出了挑戰(zhàn)，要求他們制造主鏡直徑達(dá) 8 米的望遠(yuǎn)鏡。最終，設(shè)計(jì)師們選擇了直徑 6.5 米的鏡子。
這是因?yàn)槟壳帮w行的最大火箭還不夠大，無(wú)法攜帶這么大的鏡子升空。無(wú)論何時(shí)向太空發(fā)射什么東西，有效載荷都必須安裝在火箭的整流罩內(nèi)。這種設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗诎l(fā)射期間覆蓋了火箭頂部，可以保護(hù)有效載荷不受大氣的影響，直到進(jìn)入太空。然而，整流罩的直徑是航天器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要限制因素，因?yàn)轱w行器必須能夠裝在里面。
▲ 圖 3：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡折疊起來(lái)，到太空后才會(huì)完全展開
阿麗亞娜 5 號(hào)火箭擁有目前市場(chǎng)上最大的有效載荷整流罩之一，直徑為 5.4 米。但這仍然太小，無(wú)法容納韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡。因此，韋伯望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)設(shè)計(jì)者從一開始就將鏡子分成幾個(gè)部分，兩邊各有兩個(gè)可以向內(nèi)和向外旋轉(zhuǎn)的襟翼。這是個(gè)重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些部分需要完美聚合起來(lái)，就像完整的鏡面，這樣才能從遙遠(yuǎn)的宇宙收集光線。艾米?羅說(shuō)：“我們從未嘗試在太空軌道上展開主鏡。”
韋伯望遠(yuǎn)鏡將在發(fā)射后 12 至 13 天左右展開主鏡。但在此之前，它還必須完成一項(xiàng)更復(fù)雜的任務(wù)，這需要長(zhǎng)達(dá) 6 天時(shí)間才能完成。這就是望遠(yuǎn)鏡防曬罩的部署，它是一種復(fù)雜的設(shè)備，旨在阻擋來(lái)自太陽(yáng)的熱量，并在太空中幫助望遠(yuǎn)鏡降溫。雖然部署過(guò)程被設(shè)計(jì)得十分靈活，可以隨著情況變化做出改變，但防曬罩部署的第一步將馬上開始，這意味著幾乎所有與這項(xiàng)任務(wù)相關(guān)的人都將在下周屏息等待。
NASA 下屬戈達(dá)德太空飛行中心光學(xué)望遠(yuǎn)鏡元件經(jīng)理李?費(fèi)恩伯格（Lee Feinberg）表示：“在我們所有的部署中，防曬罩本身是最復(fù)雜的，因?yàn)樗幕顒?dòng)部件最多。”
由于韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)方式，防曬罩是必須有的功能。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將用紅外線觀測(cè)遙遠(yuǎn)的恒星和星系，紅外線是一種肉眼看不見的光，但任何含有熱量的物體都會(huì)發(fā)出這種光。而為了收集紅外光子，韋伯望遠(yuǎn)鏡必須在超低溫下工作，低至零下 188 攝氏度。如果變得太熱，望遠(yuǎn)鏡本身可能會(huì)發(fā)出過(guò)多的紅外線，這可能會(huì)干擾它對(duì)宇宙的觀測(cè)。
▲ 圖 4：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡防曬罩的展開和拉緊狀態(tài)
這個(gè)防曬罩為韋伯望遠(yuǎn)鏡提供了良好的防護(hù)，它由五層超薄的、名為卡普頓 (Kapton) 的閃亮材料組成，每一層都有網(wǎng)球場(chǎng)大小。最外層將始終面向太陽(yáng)，并吸收大部分熱量，其運(yùn)行溫度高達(dá) 100 攝氏度。但隨后的每一層都會(huì)變得越來(lái)越冷，這樣望遠(yuǎn)鏡上的儀器才能保持良好的低溫狀態(tài)。
防曬罩的熱反射膜很是脆弱，需要額外的特殊護(hù)理和工程才能將這些層在太空中向外延伸，并將它們拉緊而不會(huì)撕裂。費(fèi)恩伯格說(shuō)：“有些系統(tǒng)會(huì)將這些防護(hù)層展開并拉緊它們。這有點(diǎn)兒像船上的風(fēng)帆，就像你怎么把它在風(fēng)中展開那樣?！?/p>
根據(jù) NASA 的說(shuō)法，整個(gè)過(guò)程依賴于數(shù)百個(gè)不同的移動(dòng)部件，包括多達(dá) 140 個(gè)釋放機(jī)構(gòu)、400 個(gè)滑輪、70 個(gè)鉸鏈組件和 90 根纜線。此外，NASA 還制定了各種應(yīng)急計(jì)劃，以防部署不能按預(yù)期進(jìn)行。NASA 可以選擇向望遠(yuǎn)鏡重新發(fā)送命令，以防第一個(gè)命令失效。工程師們還盡可能多地在望遠(yuǎn)鏡中增加冗余能力，比如有多個(gè)電路可以執(zhí)行相同的任務(wù)，以防主電路不能正常啟動(dòng)。
但有些時(shí)候真的沒(méi)有后備選擇。在整個(gè)部署過(guò)程中，有 300 多個(gè)事件可被稱為“單點(diǎn)故障”。這些部署工作必須按設(shè)計(jì)進(jìn)行，因?yàn)樗鼈儾荒苡萌哂鄻?gòu)建的方式增大成功幾率。不過(guò)，NASA 對(duì)應(yīng)對(duì)單點(diǎn)故障并不陌生。今年 2 月將毅力號(hào)降落在火星上時(shí)，著陸序列中存在著大約 100 個(gè)單點(diǎn)故障，但整個(gè)著陸過(guò)程完美無(wú)暇。
此外，NASA 和諾斯羅普?格魯曼公司在過(guò)去的兩到三年里已經(jīng)在地面上測(cè)試了韋伯望遠(yuǎn)鏡的各種部署情況，為最終任務(wù)進(jìn)行了錯(cuò)綜復(fù)雜的演練。在將每個(gè)組件添加到望遠(yuǎn)鏡上之前，都首先在地面上單獨(dú)測(cè)試了幾十次。然后，韋伯望遠(yuǎn)鏡作為整體被多次折疊和展開。
韋伯望遠(yuǎn)鏡與其前身哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最大的區(qū)別之一在于，它無(wú)法進(jìn)行調(diào)整和維修。不過(guò)，NASA 確實(shí)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，以防該機(jī)構(gòu)將來(lái)對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡背面包括十字架形狀的貼紙，它們將作為目標(biāo)，幫助引導(dǎo)機(jī)器人前往。NASA 將來(lái)可能會(huì)向韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)送維修設(shè)備，為其儲(chǔ)罐添加更多推進(jìn)劑，延長(zhǎng)它在太空中的停留時(shí)間。如果發(fā)生這種情況，這些貼紙將提供參考點(diǎn)，說(shuō)明來(lái)訪的機(jī)器人應(yīng)該連接到哪里來(lái)加注推進(jìn)劑。
然而，NASA 現(xiàn)在還沒(méi)有人考慮過(guò)這樣的加油任務(wù)。相關(guān)的每個(gè)人都在專注于部署。一旦望遠(yuǎn)鏡在接下來(lái)的兩周內(nèi)完全展開，其在深空旅行過(guò)程中仍有大量工作要做。NASA 將繼續(xù)對(duì)韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡頭進(jìn)行微調(diào)，以確保它們都能按預(yù)期對(duì)齊。然后在發(fā)射后大約 29 天，韋伯望遠(yuǎn)鏡將啟動(dòng)推進(jìn)器，使其進(jìn)入深空的最后位置。
直到那時(shí)，韋伯望遠(yuǎn)鏡的工作才剛剛開始。任務(wù)控制人員隨后將測(cè)試和校準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡上的所有儀器，以確保它們正常工作。這一過(guò)程將需要幾個(gè)月的時(shí)間，科學(xué)操作計(jì)劃將在明年夏天的某個(gè)時(shí)候開始。
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