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飛行三天,韋伯望遠鏡開始慢慢展開,風險最高之


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- 2022年1月15日16時05分
- 科學文摘 /

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

圖1:韋伯太空望遠鏡已經發射三天,即將變身為最終形態


這是一種以前從未進行過的反向空間折紙,但對於韋伯望遠鏡來說,這是完成預期使命所必須的。韋伯望遠鏡的體型實在太大了,無法在完全展開的情況下搭載任何可操控的火箭發射。因此,在聖誕節搭乘“阿麗亞娜5號”火箭進入太空時,這個望遠鏡就像瑞士軍刀一樣被折疊起來。

在接下來的兩周時間裏,韋伯望遠鏡將重塑形態,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:“我們有時稱韋伯為‘變形金剛望遠鏡’。”

展開最終形態是個令人望而生畏的過程,有數百個移動部件需要重新部署,工程師們已經在地面上進行了反複測試,因為它必須毫無瑕疵。但在這個過程中,哪怕是微小的釋放機構或滑輪故障都可能會危及整個韋伯望遠鏡的未來。雖然地面任務控制人員掌握了不少故障排除技術,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160萬公里的最終目的地,目前還沒有火箭或飛船可以安全地將宇航員帶到如此遠的地方,以便對望遠鏡進行調整。因此,如果韋伯望遠鏡發生了無法修複的故障,也就意味著這項總共花費97億美元的任務就此終結。


對於這種規模的任務來說,從來都是非常複雜的。韋伯望遠鏡的設計師從一開始就知道,他們的設計必須能在太空中展開。早在1996年,當科學家們首次提出制造這樣的望遠鏡時,時任NASA局長丹·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,無法攜帶這麼大的鏡子升空。無論何時向太空發射什麼東西,有效載荷都必須安裝在火箭的整流罩內。這種設計至關重要,因為它在發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,直到進入太空。然而,整流罩的直徑是航天器設計的一個主要限制因素,因為飛行器必須能夠裝在裏面。

圖3:韋伯太空望遠鏡的主鏡折疊起來,到太空後才會完全展開

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

韋伯望遠鏡將在發射後12至13天左右展開主鏡。但在此之前,它還必須完成一項更複雜的任務,這需要長達6天時間才能完成。這就是望遠鏡防曬罩的部署,它是一種複雜的設備,旨在阻擋來自太陽的熱量,並在太空中幫助望遠鏡降溫。雖然部署過程被設計得十分靈活,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任務相關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望遠鏡元件經理李·費恩伯格(Lee Feinberg)表示:“在我們所有的部署中,防曬罩本身是最複雜的,因為它的活動部件最多。”

由於韋伯望遠鏡的設計方式,防曬罩是必須有的功能。這台望遠鏡將用紅外線觀測遙遠的恒星和星系,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發出這種光。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,望遠鏡本身可能會發出過多的紅外線,這可能會乾擾它對宇宙的觀測。

圖4:韋伯太空望遠鏡防曬罩的展開和拉緊狀態

這個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,每一層都有網球場大小。最外層將始終面向太陽,並吸收大部分熱量,其運行溫度高達100攝氏度。但隨後的每一層都會變得越來越冷,這樣望遠鏡上的儀器才能保持良好的低溫狀態。


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,並將它們拉緊而不會撕裂。費恩伯格說:“有些系統會將這些防護層展開並拉緊它們。這有點兒像船上的風帆,就像你怎麼把它在風中展開那樣。”

根據NASA的說法,整個過程依賴於數百個不同的移動部件,包括多達140個釋放機構、400個滑輪、70個鉸鏈組件和90根纜線。此外,NASA還制定了各種應急計劃,以防部署不能按預期進行。NASA可以選擇向望遠鏡重新發送命令,以防第一個命令失效。工程師們還盡可能多地在望遠鏡中增加冗餘能力,比如有多個電路可以執行相同的任務,以防主電路不能正常啟動。

但有些時候真的沒有後備選擇。在整個部署過程中,有300多個事件可被稱為“單點故障”。這些部署工作必須按設計進行,因為它們不能用冗餘構建的方式增大成功幾率。不過,NASA對應對單點故障並不陌生。今年2月將毅力號降落在火星上時,著陸序列中存在著大約100個單點故障,但整個著陸過程完美無暇。

此外,NASA和諾斯羅普·格魯曼公司在過去的兩到三年裏已經在地面上測試了韋伯望遠鏡的各種部署情況,為最終任務進行了錯綜複雜的演練。在將每個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。然後,韋伯望遠鏡作為整體被多次折疊和展開。

韋伯望遠鏡與其前身哈勃太空望遠鏡最大的區別之一在於,它無法進行調整和維修。不過,NASA確實進行了設計改進,以防該機構將來對望遠鏡進行調整。這個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將來可能會向韋伯望遠鏡發送維修設備,為其儲罐添加更多推進劑,延長它在太空中的停留時間。如果發生這種情況,這些貼紙將提供參考點,說明來訪的機器人應該連接到哪裏來加注推進劑。

然而,NASA現在還沒有人考慮過這樣的加油任務。相關的每個人都在專注於部署。一旦望遠鏡在接下來的兩周內完全展開,其在深空旅行過程中仍有大量工作要做。NASA將繼續對韋伯望遠鏡的鏡頭進行微調,以確保它們都能按預期對齊。然後在發射後大約29天,韋伯望遠鏡將啟動推進器,使其進入深空的最後位置。

直到那時,韋伯望遠鏡的工作才剛剛開始。任務控制人員隨後將測試和校准望遠鏡上的所有儀器,以確保它們正常工作。這一過程將需要幾個月的時間,科學操作計劃將在明年夏天的某個時候開始。(小小)


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