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詹姆斯·韦伯太空望远镜发射再度延期,它的预算已经超支 17 倍

刚刚结束的 2018 年奥斯卡颁奖典礼,有一样东西和太空有关,就是那个“小金人”奖杯。2016 年后的“小金人”主体是锡锑铜合金,外层由 NASA 的合作公司 Epner 进行激光镀金,据说永远不会褪色。这种激光镀金技术,就用在了正在建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜片上。

刚刚结束的 2018 年奥斯卡颁奖典礼,有一样东西和太空有关,就是那个“小金人”奖杯。2016 年后的“小金人”主体是锡锑铜合金,外层由 NASA 的合作公司 Epner 进行激光镀金,据说永远不会褪色。这种激光镀金技术,就用在了正在建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜片上。

但詹姆斯·韦伯望远镜还处在长久的项目延迟中。

美国政府问责局公布的一份最新报告显示,原定于 2018 年 10 月由欧洲“阿丽亚娜 5 号”火箭发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将继续延期,目前的发射预期暂定在 2019 年 6 月。截至目前,詹姆斯·韦伯太空望远镜已经延期发射至少 7 年,项目预算从最初的 5 亿美元达到了现在的 88 亿美元,超支超过 17 倍。

詹姆斯·韦伯太空望远镜项目计划最初开始于 1997 年,用 NASA 第二任局长詹姆斯·E·韦伯的名字命名,他对美国“阿波罗”登月计划贡献颇多。在最初的计划中,詹姆斯·韦伯太空望远镜由美国主导开发,是计划中将继承、延伸,而不是接替现有的哈勃太空望远镜观测任务的下一代太空望远镜。

詹姆斯·韦伯太空望远镜艺术图

哈勃的外观看起来就是一个带有太阳能电池翅膀的圆筒,外形和常见的望远镜很类似。实际上哈勃主要的原理就是一块口径 2.4 米的主镜片反射光线,用来观测近紫外、可见光和近红外信号,简单的说,就是和人眼看到的差不多。

但詹姆斯·韦伯望远镜的外形则截然不同,它的主镜片不是完整的一片,而是由 18 个六边形铍材质镀金的反射镜组成,合成换算口径是 6.5 米。在主镜组下方是一组多层的塑料镀金属薄膜防护罩,用来隔开主镜组和望远镜的电子部分,同时挡住来自太阳的光线干扰。未来的詹姆斯·韦伯望远镜在太空中,看起来就像是一艘扬着雷达天线的船。

詹姆斯·韦伯望远镜的主要观测对象和哈勃不一样,它看到的景象将和人类肉眼看到的完全不同。詹姆斯·韦伯望远镜主要观测范围是近红外线到中红外线,简单的说,就是要看到宇宙深处那些来自宇宙早期的红外信号。

詹姆斯·韦伯望远镜的观测任务以前是没法完成的。为了满足任务需求,一方面望远镜被设计成由防护罩分开的两部分,就是要让主镜组保持在太空中逼近绝对零度的零下 223 摄氏度,从而保持足够的灵敏度,来接受更多的红外信号。原因很简单,望远镜只有比深空中那些古老天体更冷,才能“看到”它们。

另一方面,为了远离地球大气、水和温度的干扰,詹姆斯·韦伯望远镜和哈勃望远镜不同,将在距离地球非常远的地方运行。

哈勃望远镜运行的轨道是 537 到 541 公里高的近圆形近地轨道,这个距离非常近,足够让人类前往维修:哈勃望远镜 1990 年发射后被发现主反射镜有瑕疵,导致完全对不准焦。1993 年到 2005 年之间,美国发射了四次航天飞机任务对哈勃望远镜进行了维修和升级。

而詹姆斯·韦伯望远镜将运行在距离地球 150 万公里的地方,这个距离比地球到月球平均距离的三倍还多。詹姆斯·韦伯望远镜不会围绕一个固定的天体运转,而是围绕太空中一个虚拟引力点“第二拉格朗日点”,也就是地球和太阳的引力平衡点运转。

以人类目前的技术来说,发射到这个距离上,如此巨大的航天器,针对它的回收和维护任务几乎是不可能的。这同时也是詹姆斯·韦伯望远镜反复增加预算和延期的原因。

1997 年,NASA 开始讨论计划中接替哈勃望远镜的新太空望远镜。2002 年,这个项目正式成立,外包给了现在属于国防承包商诺斯罗普·格鲁曼公司的 TRW 公司,被正式命名为詹姆斯·韦伯,项目预算 8.2 亿美元,计划 2010 年发射。

但这个项目的复杂程度超出了预期。一方面, 詹姆斯·韦伯望远镜的主镜片研磨必须达到极高的精度,误差不能超过 10 纳米,同时还要在极端低温下不变形。同时,在地面调试结束之后,詹姆斯·韦伯望远镜还必须被折叠起来:因为火箭的尺寸限制,这个超过三层楼高的大家伙没办法直接发射,必须折叠起来塞进阿丽亚娜火箭的整流罩,等抵达目标位置之后,再有动作机构把主镜片、防护罩展开,同时还要保持精度。一旦展开失败结果将是灾难性的。

为了保证复杂的性能,这个项目的经费多次调整。

1997 年时,项目预算为 5 亿美元,预计 2007 年发射;2007 年时,预算增加至 5 亿美元,预计 2014 年发射;2011 年时,预算已经膨胀到 87 亿美元,国会的年度预算案差点把这个项目完全砍掉;经过 2013 年的“最终”调整,这个项目总体预算 88 亿美元,预计 2018 年发射。

当然它又延期了。

根据报告,延期的原因主要来自望远镜的配套设备,比如 8 个在测试中频繁泄漏的阀门,以及展开动作不畅的遮阳板系统。诺斯罗普·格鲁曼公司认为,问题可能是技术人员的失误导致的,目前已经安排 24 小时加班,初步发射时间表定在 2019 年 6 月,但还没有最终确定。

按照目前的计划,詹姆斯·韦伯望远镜将从法属圭亚那的库鲁航天中心发射,5 天半后完全展开防护罩,9 天后完全展开主镜组,15 天后部署到第二拉格朗日点。

一旦发射上天部署成功,詹姆斯·韦伯望远镜将成为人类最强大的红外光谱探测器:因为宇宙正在膨胀,用红外线可能可以看到距离大爆炸仅仅几亿年时最初形成的星系,以供科学家研究天体的起源和演化;同时,针对那些比恒星更冷的天体,比如星际介质,褐矮星,行星,彗星和柯伊伯带也将会有新的发现。

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