12 月 29 日消息，美國宇航局(NASA)的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)目前已經(jīng)在太空飛行了三天，但其太空之旅中風(fēng)險最高的部分才剛剛開(kāi)始。很快，這個(gè)望遠鏡將開(kāi)始一場(chǎng)精心編排的機械舞，慢慢地改變形狀并展開(kāi)為最終形態(tài)，以達到觀(guān)察遙遠宇宙的目的。

　　這是一種以前從未進(jìn)行過(guò)的反向空間折紙，但對于韋伯望遠鏡來(lái)說(shuō)，這是完成預期使命所必須的。韋伯望遠鏡的體型實(shí)在太大了，無(wú)法在完全展開(kāi)的情況下搭載任何可操控的火箭發(fā)射。因此，在圣誕節搭乘“阿麗亞娜 5 號”火箭進(jìn)入太空時(shí)，這個(gè)望遠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(chēng)：“我們有時(shí)稱(chēng)韋伯為‘變形金剛望遠鏡’。”

　　展開(kāi)最終形態(tài)是個(gè)令人望而生畏的過(guò)程，有數百個(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)行了反復測試，因為它必須毫無(wú)瑕疵。但在這個(gè)過(guò)程中，哪怕是微小的釋放機構或滑輪故障都可能會(huì )危及整個(gè)韋伯望遠鏡的未來(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，但最終必須由望遠鏡自己完成每一次部署，以接近完美。

圖2：韋伯太空望遠鏡在發(fā)射前完全折疊在阿麗亞娜 5 號火箭的頂部

　　韋伯望遠鏡正在前往距離地球約 160 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的地方，以便對望遠鏡進(jìn)行調整。因此，如果韋伯望遠鏡發(fā)生了無(wú)法修復的故障，也就意味著(zhù)這項總共花費 97 億美元的任務(wù)就此終結。

　　對于這種規模的任務(wù)來(lái)說(shuō)，從來(lái)都是非常復雜的。韋伯望遠鏡的設計師從一開(kāi)始就知道，他們的設計必須能在太空中展開(kāi)。早在 1996 年，當科學(xué)家們首次提出制造這樣的望遠鏡時(shí)，時(shí)任 NASA 局長(cháng)丹·戈爾丁(Dan Goldin)就向工程師們提出了挑戰，要求他們制造主鏡直徑達 8 米的望遠鏡。最終，設計師們選擇了直徑 6.5 米的鏡子。

　　這是因為目前飛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。這種設計至關(guān)重要，因為它在發(fā)射期間覆蓋了火箭頂部，可以保護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計的一個(gè)主要限制因素，因為飛行器必須能夠裝在里面。

圖3：韋伯太空望遠鏡的主鏡折疊起來(lái)，到太空后才會(huì )完全展開(kāi)

　　阿麗亞娜 5 號火箭擁有目前市場(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)法容納韋伯望遠鏡的主鏡。因此，韋伯望遠鏡的任務(wù)設計者從一開(kāi)始就將鏡子分成幾個(gè)部分，兩邊各有兩個(gè)可以向內和向外旋轉的襟翼。這是個(gè)重大的設計挑戰，因為這些部分需要完美聚合起來(lái)，就像完整的鏡面，這樣才能從遙遠的宇宙收集光線(xiàn)。艾米·羅說(shuō)：“我們從未嘗試在太空軌道上展開(kāi)主鏡。”

　　韋伯望遠鏡將在發(fā)射后 12 至 13 天左右展開(kāi)主鏡。但在此之前，它還必須完成一項更復雜的任務(wù)，這需要長(cháng)達 6 天時(shí)間才能完成。這就是望遠鏡防曬罩的部署，它是一種復雜的設備，旨在阻擋來(lái)自太陽(yáng)的熱量，并在太空中幫助望遠鏡降溫。雖然部署過(guò)程被設計得十分靈活，可以隨著(zhù)情況變化做出改變，但防曬罩部署的第一步將馬上開(kāi)始，這意味著(zhù)幾乎所有與這項任務(wù)相關(guān)的人都將在下周屏息等待。

　　NASA 下屬戈達德太空飛行中心光學(xué)望遠鏡元件經(jīng)理李·費恩伯格(Lee Feinberg)表示：“在我們所有的部署中，防曬罩本身是最復雜的，因為它的活動(dòng)部件最多。”

　　由于韋伯望遠鏡的設計方式，防曬罩是必須有的功能。這臺望遠鏡將用紅外線(xiàn)觀(guān)測遙遠的恒星和星系，紅外線(xiàn)是一種肉眼看不見(jiàn)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，望遠鏡本身可能會(huì )發(fā)出過(guò)多的紅外線(xiàn)，這可能會(huì )干擾它對宇宙的觀(guān)測。

　　圖4：韋伯太空望遠鏡防曬罩的展開(kāi)和拉緊狀態(tài)

　　這個(gè)防曬罩為韋伯望遠鏡提供了良好的防護，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，其運行溫度高達 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。費恩伯格說(shuō)：“有些系統會(huì )將這些防護層展開(kāi)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(kāi)那樣。”

　　根據 NASA 的說(shuō)法，整個(gè)過(guò)程依賴(lài)于數百個(gè)不同的移動(dòng)部件，包括多達 140 個(gè)釋放機構、400 個(gè)滑輪、70 個(gè)鉸鏈組件和 90 根纜線(xiàn)。此外，NASA 還制定了各種應急計劃，以防部署不能按預期進(jìn)行。NASA 可以選擇向望遠鏡重新發(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鏡中增加冗余能力，比如有多個(gè)電路可以執行相同的任務(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(chēng)為“單點(diǎn)故障”。這些部署工作必須按設計進(jìn)行，因為它們不能用冗余構建的方式增大成功幾率。不過(guò)，NASA 對應對單點(diǎn)故障并不陌生。今年 2 月將毅力號降落在火星上時(shí)，著(zhù)陸序列中存在著(zhù)大約 100 個(gè)單點(diǎn)故障，但整個(gè)著(zhù)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)在地面上測試了韋伯望遠鏡的各種部署情況，為最終任務(wù)進(jìn)行了錯綜復雜的演練。在將每個(gè)組件添加到望遠鏡上之前，都首先在地面上單獨測試了幾十次。然后，韋伯望遠鏡作為整體被多次折疊和展開(kāi)。

　　韋伯望遠鏡與其前身哈勃太空望遠鏡最大的區別之一在于，它無(wú)法進(jìn)行調整和維修。不過(guò)，NASA 確實(shí)進(jìn)行了設計改進(jìn)，以防該機構將來(lái)對望遠鏡進(jìn)行調整。這個(gè)望遠鏡背面包括十字架形狀的貼紙，它們將作為目標，幫助引導機器人前往。NASA 將來(lái)可能會(huì )向韋伯望遠鏡發(fā)送維修設備，為其儲罐添加更多推進(jìn)劑，延長(cháng)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(fǎng)的機器人應該連接到哪里來(lái)加注推進(jìn)劑。

　　然而，NASA 現在還沒(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(zhuān)注于部署。一旦望遠鏡在接下來(lái)的兩周內完全展開(kāi)，其在深空旅行過(guò)程中仍有大量工作要做。NASA 將繼續對韋伯望遠鏡的鏡頭進(jìn)行微調，以確保它們都能按預期對齊。然后在發(fā)射后大約 29 天，韋伯望遠鏡將啟動(dòng)推進(jìn)器，使其進(jìn)入深空的最后位置。

　　直到那時(shí)，韋伯望遠鏡的工作才剛剛開(kāi)始。任務(wù)控制人員隨后將測試和校準望遠鏡上的所有儀器，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)操作計劃將在明年夏天的某個(gè)時(shí)候開(kāi)始。
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