“哈勃”接班人“韦伯”即将上天,鸽了这么久难点在哪?

预算超了又超,发射时间鸽了又鸽的“詹姆斯 韦伯”空间望远镜即将在今年年底前发射了。作为哈勃望远镜的替代者,韦伯能够有多少方面让人期待,又有多少技术难点,能够在原定2007年发射延期了14年之久,才正式宣布发射呢?

詹姆斯韦伯空间望远镜,对于服役了近30年的哈勃望远镜来说可谓是一个“大救星”。哈勃望远镜虽然成本没有韦伯那么巨大,可是在当时(1980s)也是一笔巨资。而且,两者居然都是大大超出预算,且延期n年才提上发射。哈勃在发射之后,还面临了许多困境。比如,发射之后的成像问题,陀螺仪的接连损坏,以及今年(2021)才发生的电源控制单元的损坏。好在哈勃在经历了多次维修保养之后,在所有地面科学家的不懈努力下,拍下了许多有价值的光学图像,使得人们对宇宙的了解不再仅仅局限于理论计算,而是通过哈勃这只眼睛去观察更加广袤的宇宙深处。

“哈勃”接班人“韦伯”即将上天,鸽了这么久难点在哪?
月球与附近选取的一小块黑暗区(XDF)
“哈勃”接班人“韦伯”即将上天,鸽了这么久难点在哪?
哈勃深空场(XDF),上图区域长曝光后所展现出的图像

但是,哈勃的服役时间远远超出了其设计的寿命,再加上航天飞机已经取消,要想去维修难度大大增加。更何况人类的野心可不止于此。虽然哈勃带给人类无数珍贵的图像,但已经不能满足人类近些年来的理论成就。比如,人类已经探测到“引力波”,又在暗物质、暗能量的方向更进一步探索,要想获得更加清晰的宇宙图像来与理论呼应,必须看得更远、看得更清、看得更全。所以,科学家们设计建造了“韦伯”。

韦伯空间望远镜设计之初,就是为了去弥补“哈勃”的短板的。韦伯对于红光,或者说是红外波段的光线更为敏感,可以捕捉到更为遥远的天体。为了达到更佳的效果,其设计轨道也放在了太阳—地球的第二拉格朗日点上,比起哈勃来说距离地球更为遥远,目的是为了远离太阳光线的干扰。主口径也相应地增加,是哈勃的5倍,可以捕捉到更多的光线。但是,为了实现这些特点,困难也伴随其左右。

如何将其塞入火箭

这是一个很显然的问题,韦伯的主口径设计为6.5m,很难找到合适的火箭装载。科学家将其分割成18块六角形镜面,通过排列可以得到一个相较于单面镜等效的成像。将这些镜面折叠摆放,使其体积变小,从而达到装入火箭的目的。但是,发射至预定轨道之后,我们需要将其展开重新排列好。这是一个非常困难的操作,一旦展开有误且地面人员无法解决,那么韦伯望远镜将前功尽弃。因此,科学家们在每一块镜面的背后,设计了7个微动马达,且含有波面传感器及高精度电动机,可以在10nm上下的精度调整镜面的朝向。这样,在到达预定轨道之后,韦伯就可以自动展开,配合地面的操作调整,就可以达到合适的形态。而且韦伯望远镜并不需要像地面的光学望远镜一样,需要不断的调整角度来适应环境变化。一旦其展开成功,并不会再继续改变,其稳定性可见一斑。

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折叠后的韦伯望远镜
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展开后的韦伯望远镜

距离太远无法维保

上文介绍过哈勃望远镜出现过很多故障,都是依靠航天飞机去维修,甚至需要替换零部件。但是,这一次韦伯望远镜可无法做到这一点。首先,韦伯的轨道位于第二拉格朗日点,特点在于其相对于地球而言几乎是静止的绕着太阳公转的,可以更稳定的不受干扰的进行深空观测。但缺点是距离地球极远。我们的哈勃距离地球大约600公里,而韦伯届时将位于150万公里的位置,想要去维修几乎是不可能的任务。很大程度上,韦伯一拖再拖也跟此有关,设计组装来不得半点马虎。笔者猜测,韦伯望远镜可能带有更多的备用电源,甚至主控板也分有几套备用,相比于那些行星探测器而言,可谓是下了血本。

“哈勃”接班人“韦伯”即将上天,鸽了这么久难点在哪?
韦伯将位于L2上

那么,克服了以上的困难,之后就是发射了。为了求稳,航天局选择了阿丽亚娜-5号火箭来此重任,毕竟100多次的发射仅仅失败3次,绝对是不二之选了。发射场地选在圭亚那发射场,那里靠近赤道,可以有效的利用地球自转来节省火箭燃料。

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阿丽亚娜-5号

从设计到组装,从发射到在轨,从展开到稳定,韦伯空间望远镜都是不被允许犯错的产物。任何一环出现问题,都将直接影响其后续的任务,甚至可能导致成为一堆废铁。不管怎么样,从2007年计划上线的韦伯望远镜即将起航,相信在那么久的时间里,人类的智慧已经将重重难关克服,就等着“临门一脚”了!期待韦伯给我们带来宇宙深处绝美的图像吧!

原创文章,作者:喵了个咪,如若转载,请注明出处:https://evolbrain.com/scientific/980.html

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