杜俊浩 原創 中國航天報
12月25日20點20分，在全世界的矚目下，數千名科學家和工程師花費20多年精心設計建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡終于在庫魯空間使用了阿麗亞娜5號大型運載火箭發射中心發射到太空。
阿麗亞娜 5 號火箭將韋伯送入太空
阿麗亞娜 5 號火箭將韋伯送入太空 (00:20)
如果你站在直徑6.5米的韋伯太空望遠鏡面前，你一定不敢大聲喘氣。 該望遠鏡擁有18個一塵不染的鍍金主鏡片、5個超薄聚酰亞胺隔熱罩，工作溫度低至-223攝氏度，制造成本高達97億美元。 它是人類有史以來建造的最大、最復雜、最強大、最富有想象力的太空望遠鏡，簡稱JWST。
阿麗亞娜 5 號火箭載著韋伯進入太空的圖像
“韋伯”的標志性外觀——由18塊六邊形鍍金鈹鏡組成的主鏡
一旦部署，韋伯可以取代老化的哈勃太空望遠鏡。 與哈勃聚焦可見光波段不同，韋伯可以看到波長更長的中紅外波段，并且具有更高的靈敏度和分辨率。 它可以看到宇宙中最古老的事件和最遙遠的天體，閃耀在天文學和宇宙學研究的最前沿，對于推動整個人類社會的進步具有重要意義。
光學設計：金甲
光學望遠鏡模塊（OTE）是“韋伯”的主要結構之一，由望遠鏡的主鏡、次鏡、三級反射鏡、微調鏡、望遠鏡框架及其控制裝置組成。 OTE 就像整個“韋伯”眼睛。 其原理是三鏡像散望遠鏡：光線首先被主鏡聚集，反射到次鏡。 副鏡進一步將光線傳輸到望遠鏡中心的第三級反射鏡，然后通過精細的轉向鏡傳遞到綜合科學儀器模塊進行光接收和處理。
“韋伯”光路圖
“哈勃”和“韋伯”主鏡對比示意圖
“韋伯”最引人注目的就是18塊金色六邊形主鏡。 這是一面鍍金鈹鏡，直徑6.5米，總面積25.4平方米，是哈勃望遠鏡的6倍多。 對于望遠鏡來說，口徑就是真理，“韋伯”的觀測能力較“哈勃”有了很大的提高。 當“哈勃”拍攝著名的“超深場”圖像時，它一動不動地指向太空中的同一個地方，連續拍攝了16次，捕捉到了令人難以置信的微弱、遙遠的星系圖像。 相比之下，韋伯只需7小時即可完成類似的觀測任務。
“哈勃”超深場圖像是人類有史以來拍攝的最古老的宇宙照片，其中包括132億年前的古代星系。 “韋伯”將拍攝更多令人驚嘆的圖像。
從質量上來說，“韋伯”的總重量約為6.5噸，僅為“哈勃”的一半望遠鏡原理光路圖，但其體積卻明顯高于“哈勃”。 其中，“哈勃”主鏡由玻璃制成，總重828公斤，而“韋伯”則采用元素周期表中的第四種元素——金屬鈹，其密度極低，使得巨大的主鏡重僅705kg。
此外，鈹還具有硬度較高、熱膨脹系數較低的優點，使得“韋伯”能夠在工作條件下處理巨大的溫差，而不會產生過度的熱脹冷縮。 “韋伯”的鈹鏡表面采用氣相沉積技術噴涂了100納米厚的金層，奢華感十足，因為金可以提高紅外光的反射率，達到更好的成像效果。 最后，工程師在金層外側噴涂了一層極薄的二氧化硅，以防止軟金層被劃傷。
2012年，技術人員正在檢查其中一個主鏡
左圖：2011年，首批六塊主鏡準備進行低溫測試。
右：2017年OTE模塊準備低溫測試
主鏡的設計和建造是整個“韋伯”項目中最具挑戰性的部分。 主鏡展開時寬6.5米。 如果把它做成一個單獨的大鏡子，對于現有的運載火箭來說就太大了。 因此，工程師們將主鏡分成18塊規則的六邊形片，在發射前將其折疊到火箭整流罩中，發射后再將其展開。 極其精致，是合理利用火箭整流罩空間的設計范例。
由于主鏡展開后的精度對望遠鏡的觀測能力影響巨大，因此如何保證展開后的精度是主鏡設計的難點之一。 也就是說，18顆獨立的鏡片在展開后必須整合成一片。 對此，工程師為每個鏡頭設計了6個電動伺服機構（執行器），使得每個鏡頭都可以獨立調整角度。 最大調節精度甚至達到10納米，大約相當于人類頭發絲的大小。 萬分之一。 “韋伯”發射后，近紅外相機的波前傳感器（）將測量每個主鏡的誤差，然后利用計算機算法自動調整每個鏡頭。
“韋伯”的副鏡和三級反射鏡與主鏡材質相同，均為鍍金鈹鏡。 次鏡為直徑74厘米的圓形曲面，三級反射鏡為較小的非對稱六邊形透鏡。 光線經主鏡、次鏡、三鏡反射后，圖像經精細轉向鏡進一步穩定，并傳遞至綜合科學儀器模塊中的四個主要科學負載，對光線進行分析和處理。
工程師使用干冰清潔副鏡
第三反射鏡和微調鏡
軌道及熱控設計：漢兆鐵衣
體溫槍的原理是測量人體發出的紅外線的強度，因為物體的溫度越高，向周圍輻射的能量越強，輻射出的紅外線也越多。 如果韋伯的工作溫度太高，它的透鏡和其他結構本身就會發射紅外光，阻擋來自遙遠星系的微弱紅外光。 因此，“韋伯”的光學望遠鏡模塊需要在-223攝氏度以下的極低溫度下工作。
對太空探測器影響最大的熱源是太陽。 遠離太陽可以減少太陽輻射量，但如果距離太遠，會影響太陽能電池板的正常供電，并降低與地面的通訊速率。 科學家和工程師發現了熱與功率之間的絕佳平衡點——拉格朗日 L2 點。
地球與太陽形成的穩定系統中有五個引力平衡點，因此韋伯選擇了日地拉格朗日L2點作為其大本營。 只需少量擾動，望遠鏡就能長時間穩定在L2點附近。 在這里，“韋伯”可以“忘記”所有陽光，將鏡子轉向沒有陽光的天空。
“韋伯”軌道示意圖，天體尺寸并非按照真實比例
日地拉格朗日L2點距地球約150萬公里，來自太陽、地球和月球的紅外線仍會影響紅外觀測。 為了進一步降低望遠鏡的溫度，科學家們使出了渾身解數——2003年發射的斯皮策太空紅外望遠鏡同樣工作在L2點，并使用昂貴的液氦作為制冷劑，溫度低至-267.7攝氏度。 但有限的液氦在2009年5月耗盡，導致其工作溫度持續升高，此后觀測性能大幅下降。
展開的五層菱形隔熱罩
為了實現更長的使用壽命，“韋伯”并沒有采用液氦作為主要制冷手段，而是攜帶了五個網球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩。 每個隔熱罩的直徑約為人類頭發的直徑，最靠近太陽的一層厚 0.050 毫米，其他層厚 0.025 毫米。
為了提高薄膜的反射率以反射更多的熱量，隔熱罩的正面和背面都附著了一層100納米厚的鋁。 最靠近太陽的兩層也摻雜了硅。 這是這兩層材料的結果。 薰衣草顏色的原因。 每層隔熱罩可阻擋約90%的熱量，五層共同作用可使兩側溫差達到約300攝氏度，為望遠鏡主體結構提供-223度以下的工作溫度攝氏度。
“韋伯”隔熱罩原理示意圖
與望遠鏡一樣，巨大的隔熱罩無法在展開狀態下放入火箭整流罩中。 完全展開的隔熱罩長約21米，寬約14米。 它在發射前將像折紙一樣小心折疊12次，發射后將通過復雜的機械設備逐步展開到位。
用手折疊隔熱罩
折疊起來的“Weber”，左右淡紫色的是隔熱罩
遮陽罩可以將望遠鏡鏡頭和其他結構的溫度降低到-223攝氏度以下，但這個溫度對于科學研究和探測設備來說仍然太高。 這三個近紅外成像儀將通過被動冷卻系統在大約 -234 攝氏度的溫度下運行。 對中紅外成像儀的要求更加嚴格。 其工作溫度低至-266攝氏度，只能采用液氦冷卻。 不過，它對液氦的需求遠低于斯皮策太空紅外望遠鏡，因此液氦資源不會太緊張。
啟動流程：只去哪里
“韋伯”號是使用歐洲航天局研制的阿麗亞娜5號大型運載火箭從法屬圭亞那庫魯航天發射中心發射升空的。 前面提到，“韋伯”的光學結構和隔熱結構是折疊的，發射后需要展開。
此外，“韋伯”還有太陽能電池板、通訊天線等重要儀器設備，需要部署后才能正常工作。 因此，“韋伯”發射后并不能立即投入工作，等待它的還有6個月的在軌部署和測試。
韋伯的太陽能電池板
下圖展示了“韋伯”發射后在軌部署的全過程。 起飛26分鐘后，火箭完成使命，“韋伯”獨自踏上前往日地拉格朗日L2點（A）的途中。 緊接著，它的太陽能電池板將首先部署（B）。 畢竟充足的電力供應是以后一切工作的基礎。 兩小時后，它將旋轉其通信天線以將其指向地球（C）。
下一步是部署隔熱罩。 發射三天后，主鏡前后隔熱板托盤相繼打開（D/E），光學望遠鏡模塊整體升起，與隔熱板拉開距離（F）。 下一步將部署一個不顯眼的襟翼 (G)。 它的作用是平衡巨大的隔熱罩承受太陽風的壓力，這樣可以最大限度地減少任務期間的燃料消耗。 最關鍵的步驟是將五層隔熱罩展開到位并拉緊它 (H/I)，這個過程需要兩天時間。 最后，每層隔熱罩需要間隔一定的距離，以達到更好的隔熱效果（J）。
“韋伯”在軌部署全過程示意圖：杜俊浩
隨后光學望遠鏡模塊展開，歷時4天。 首先，打開副鏡長臂，將副鏡放置到位并鎖定（K）。 然后望遠鏡背面的儀器輻射器將展開（L）。 該散熱器負責冷卻紅外成像儀等關鍵科研儀器。 近兩天，左右主鏡（M/N）依次展開，完成了全部在軌部署工作。
在這個環環相扣、繁瑣的環節中，任何一個環節出現問題都會對“韋伯”的工作表現產生影響。 由于拉格朗日L2點距離地球較遠，我們沒有機會派載人飛船去修復它，所以所有工作都必須在地面上完成，才能確保萬無一失。
隨之而來的是望遠鏡的整體調試期較長，至少需要6個月的時間。 工程師和科學家將確認每臺科研儀器工作正常，并調整18片主鏡以達到最佳的聚焦能力。
任務目標：看千里之外
綜合科學儀器模塊（ISIM）負責“韋伯”號的科學研究和探索工作。 它由4個主要儀器組成，即近紅外相機（）、近紅外光譜儀（）、精制導傳感器/近紅外成像無縫光譜儀（FGS/）、中紅外儀器（MIRI）。
左上：右上：FGS/下：MIRI的核心傳感器
近紅外相機和近紅外光譜儀都可以觀測0.6～5.0微米的波段。 近紅外相機還負責18個主鏡的在軌測試和標定任務。 精細制導傳感器/近紅外成像無縫光譜儀（FGS/）由精細制導傳感器、近紅外成像和光譜儀組成，可觀測0.8至5.0微米的波長帶。
精制導傳感器是整個“韋伯”的“指南針”。 通過這個傳感器，“韋伯”可以以極高的精度指向需要探索的天空。 中紅外儀器是中紅外波段相機和光譜儀的復合體，可以觀測4.6微米至28.6微米的中長紅外波段。 它還配備了日冕儀，非常適合觀察系外行星。
憑借這些具有互補波段和原理的科學有效載荷，“韋伯”成為一臺時間機器。 它可以看到130億光年外的宇宙，觀測宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙的悠久歷史。
此外望遠鏡原理光路圖，“韋伯”還可以觀測遙遠的原始星系，以確定星系如何演化，這對于我們反思太陽系如何形成和演化具有建設性意義。 星云中部有許多低能量的褐矮星和年輕的原恒星。 由于它們的光線太暗，只能通過韋伯來觀察它們。 因此，《韋伯》將向我們揭示一個由看不見的恒星和行星組成的隱藏宇宙。 對系外行星的探索甚至可能幫助我們揭開地球生命起源的奧秘。