一份百亿美元的圣诞礼物
按照美宇航局的最新计划，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST，以下简称韦伯望远镜）将于美国东部时间2021年12月25日上午7:20-7:52（北京时间20:20-20:52）在法属圭亚那库鲁欧洲航天发射中心发射升空，踏上150万千米的漫长旅程。
韦伯望远镜整装待发
在昨天的推文中，我们主要介绍了詹姆斯·韦伯太空望远镜项目的背景和设计，今天我们继续来了解韦伯望远镜再三推迟发射的原因，以及其后的辉煌使命。
遮阳罩研制中的技术挑战
韦伯望远镜的研制机构涉及美国、欧空局成员国和加拿大的许多企业、科研机构和大学，主承包商是诺斯罗普·格鲁曼公司。
该公司是国际最大的雷达与军舰制造商，在航空航天领域也颇有建树，研制了阿波罗登月计划的登月舱。
登月舱
在韦伯望远镜项目中，该公司承担了航天器平台及遮阳罩研制，用于将光学系统组件与航天器平台连接的可展开式塔架组件、在轨道上部署遮阳罩的中臂组件，还负责了包括大量的测试试验在内的望远镜全系统集成工作。
遮阳罩是望远镜重要的辅助系统，将望远镜分隔成“暖面”和“冷面”，“暖面”指向太阳，“冷面”是光学系统组件和科学仪器所处的位置，遮阳罩研制有许多技术挑战。
遮阳罩单层测试
包装和收起方面：为了能够安装在阿丽亚娜5号火箭的整流罩内，在发射前，遮阳罩需被折叠12次。折叠和收起遮阳板时，应仔细考虑结构以及在太空中完整展开的方便性。而由于其材料柔软纤细，这一过程遇到的技术挑战变得更为复杂。
展开方面：遮阳罩折叠状态时，为将其固定在折叠位置，共装有107个小型薄膜释放装置（俗称“别针”）。释放展开遮阳罩时，由马达、滑轮和缆绳组成的复杂系统进行操作，启动并延伸遮阳罩结构，将五层膜展开并张紧，而且使各层间开成一个个非常小的间隔。
遮阳罩展开与张紧测试
防损坏方面：遮阳罩各层均采用了防撕裂结构，如果遭遇到的碎片或微陨石较小，可将潜在损坏降至最低，这一点已通过测试得到检验。
极端温度方面：遮阳罩的材料必须在非常宽的温度范围内工作，严酷的温度环境使其制造与测试十分关键。“冷面”温度低至约-235℃，在如此低的温度下，不能出现变脆和断裂的情况；“暖面”温度将高达125℃，需确保灼热时不会使其变软和伸长。
遮光罩与光学系统联试
望远镜主镜的制造：
途径11个不同地区、停靠14站
光学系统组件是制造与测试过程中重中之重的环节。望远镜主镜的18个特殊轻型铍反射镜片，要在美国各地的11个不同地方停靠14站才能完成制造。
主镜、副镜、第三镜、调整镜
制作镜片所需的铍原料，在犹他州进行开采后运往俄亥俄州，由布鲁什·威尔曼公司提纯后制成超细粉末，再将粉末放入不锈钢罐中并压成扁平形状。
将钢罐移除，产生的铍块会被切成两半，制成两个约1.3米宽的镜子坯料，每个镜坯可制作一个镜片。
通过检查后，镜坯被送到阿拉巴马州卡尔曼市，由埃克斯系统技术公司完成下一步的加工，将镜坯成型为最终形状。
制造过程中，需要先切掉铍镜坯背面的大部分，只留下约1毫米厚的“肋”结构。“肋”结构足以保持镜片的形状稳定，也让每个部分都非常轻——单个铍镜片的质量仅为 20千克。
铍镜片背面
在铍镜片成型后，将它们发往加利福尼亚州里士满，由磨削企业SSG/Tinsley公司将其进行抛光。
未抛光的铍镜片
首先需要将每个镜子的表面进行研磨，使其接近最终形状。
值得注意的是，由于镜片加工是在正常温度下进行的，到太空后会出现微小的变形，镜片制作过程中也会考虑这点，留有极小余量，以确保望远镜发射到工作轨道后，镜片正好符合设计值。
镜片完成后，再进行小心地平整和抛光，这个过程需要不断重复操作，直到每个镜片都近乎完美。
技术人员进行抛光检查
随后，这些镜片被送往位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔航天飞行中心，进行低温测试。
贝尔宇航公司的一个测试团队与马歇尔中心X射线和低温设施的工程师合作，将镜片部分冷却到韦伯望远镜将在太空工作的环境温度（约-240℃），进行超低温测试，并使用激光干涉仪记录由于暴露在低温下而导致的反射镜片形状的变化，确保镜片最终形状因低温导致的任何成像效果偏差都能得到校正，
镜片进行低温测试
测试完成后，这些信息与镜片一起，返回加利福尼亚，在廷斯利进行最后的表面抛光，最终于2011年6月完成镜面抛光。
抛光完成后，再采用真空气相沉积法，在镜面上涂一层薄薄的金涂层，即将镜子放置于真空室中，而少量的金被蒸发后沉积在镜子上。
金的典型厚度为100纳米，主镜镀金消耗的黄金约为48.25克。镀金后，还要在金膜表面涂上一层薄薄的二氧化硅。
主镜片镀金程序
韦伯望远镜主镜的18块镜片，被分成A、B、C三组，每个镜片都会单独命名，各组曲率略有不同。
用干冰对试验镜面进行清洁
全部镜片加工检测完毕后，就要组装起来进行测试和调整，此过程需要较长的时间。
为了在组装过程中保护镜片，每枚镜片上盖有轻便的黑色镜盖，镜子完全组装好就将其取下。
戈达德中心技术人员对主镜片进行检测
主镜组装完毕后，同集成科学仪器模块、航天器平台模块一起，集成到望远镜系统中。
完整的光学系统组件
随后，韦伯望远镜接受了一系列测试，包括声学、震动、低温光学、热真空、仪器等，其中热真空测试在休斯顿约翰逊航天中心的A室进行。
光学系统组件热真空测试
低温试验
严格的评审测试过程
韦伯望远镜的建造过程并非一帆风顺，使其发射时间一再推迟、经费不断上涨也在情理之中。
2007年1月，项目中的10项关键技术开发中有9项成功通过了第三方审查，这些技术被认为足够成熟，可以消除项目中的重大风险。
剩余的技术开发项目（中红外仪器的制冷机）于2007年4月完成了技术成熟度里程碑考核，该技术审查代表了最终将项目转入详细设计阶段（阶段C）。
2008年3月，该项目成功完成了初步设计审查（PDR）。2008年4月，该项目整体成功通过了第三方审查。
其他通过的评审包括2009年3月的集成科学仪器模块评审，2009年10月完成的光学系统组件评审，以及2010年1月完成的遮阳罩评审。
2010年4月，韦伯望远镜通过了关键任务设计审查（MCDR）的技术部分，意味着整个韦伯望远镜能够满足其任务的所有科学和工程上的要求。
之后的几个月内，在一个被称为独立全面审查小组的评审过程中，对项目进度进行了审查，导致了对任务的重新规划，将发射时间从2015年推迟到2018年。
到2010年，成本超支问题正在影响其他项目，而韦伯望远镜项目仍能按计划进行。
主镜在戈达德航天中心安装测试
不同于哈勃望远镜，远在150万千米外的韦伯望远镜不可能把宇航员送过去进行维修。
为了确保在太空中正常运行五年以上，韦伯望远镜及各分系统、系统集成，必须在发射前进行严格的测试。
光学系统组件系统测试
韦伯望远镜的测试工作程序非常复杂，而且需要多次重复进行。由于体积大、形状独特，整个韦伯望远镜无法作为一个完整单元在模拟运行环境中进行测试。
此外，望远镜所处的工作轨道同时具有极端热环境和冷环境，也很难在地面模拟。
由此，不得不将望远镜分成两部分，分别进行各种动态、静态测试和鉴定；冷、热环境也只能分别进行模拟测试。
不同环境下获得的测试结果还要进行综合，以评估望远镜的整体工作情况和存在的问题。
热真空测试
到2011年，韦伯望远镜项目已进入最终设计和制造阶段（D阶段）。
主镜六边形镜片的组装工作于2015年11月开始，并于2016年2月基本完成。
韦伯望远镜的最终建造工作于2016年11月完成。
组装第一个镜片
2018年3月，广泛的测试工作开始。由于遮光罩在一次实际展开测试过程中撕裂，遮光罩的电缆没有充分拧紧，美宇航局将韦伯望远镜的发射再次推迟了一年多（至2020年5月）。
2018年6月，宇航局将发射日期又推迟了10个月（至2021年3月），这是基于2018年3月展开测试出现问题后召开的独立审查委员会的评估。
审查还发现韦伯望远镜有344个潜在的单点故障，任何一个都可能导致项目失败。
光学系统于2019年8月首次组装
发现的潜在问题必须一一解决或落实。所以，韦伯望远镜用“三番五次”推迟、“千呼万唤不出来”形容并不过分。
在诺斯罗普·格鲁曼进行系统集成
韦伯望远镜建造及测试完成后，在斯罗普·格鲁曼公司位于加州的雷东多滩工厂进行最后的系统集成与测试。此时，发射日期再次推迟。
雷东多滩工厂
2020年10月，为了模拟火箭的发射环境，韦伯望远镜完成了环境测试试验。2020年12月，它再次完成了遮阳罩的一系列测试。2021年5月，它又完成了主镜面的展开试验。此后，它就被封闭起来。
2021年9月26日，一艘载着韦伯望远镜的驳船离开加利福尼亚，历时16天，行程9300余千米，到达南美洲东北海岸法属圭亚那库鲁河上的帕里亚卡博港。法属圭亚那纬度极低，对航天发射十分有利。
从海港卸下后，于2021年10月12日抵达库鲁的欧洲航天发射中心。
库鲁航天发射中心鸟瞰
韦伯望远镜的漫漫征程
作为韦伯望远镜的重要合作方，欧洲空间局为该项目提供了不少科学仪器和部件，且将承担该望远镜的发射，采用的运载火箭是阿丽亚娜V-ECA型。
阿丽亚娜V火箭在组装中
为适应韦伯望远镜的发射，欧空局研制了新的、较长的有效载荷整流罩，最大直径4.57米，可用长度16.19米。同时研制了有效载荷适配器，以提供望远镜和火箭之间的分离机构和电气接口。
而为了将直径6.5米的望远镜装入火箭，需要把它折叠后装入火箭整流罩。
韦伯望远镜在火箭的位置
在韦伯望远镜从运输集装箱中取出后，工程师对其状况进行了最终检查。
韦伯望远镜随后与阿丽亚娜火箭进行了配置，包括将望远镜安装在火箭头部整流罩内，以及在最终确定发射日期后向火箭注入推进剂。
韦伯望远镜安装在火箭顶部
2021年11月，美宇航局将韦伯望远镜的发射日期定在2021年12月22日，由阿丽亚娜V型火箭在其VA256飞行任务中发射。
韦伯望远镜加装推进剂
但到了2021年12月15日，由于火箭与望远镜的信号匹配出现问题，发射再次推迟2天，计划在12月24日圣诞之前发射。但几天后，发射计划又被推迟到12月25日。
韦伯望远镜与火箭对接
发射开始后，阿丽亚娜V号火箭将提供约27分钟的动力飞行推进，期间韦伯望远镜便开始传输遥测数据。
发射后约3.5分钟，有效载荷整流罩分离。发射半小时后，韦伯望远镜从阿丽亚娜V号火箭上分离，并展开太阳能电池板，可以为望远镜供电。
发射2小时后，望远镜已经运行在飞往拉格朗日L2点的轨道上，此时高增益天线展开。
发射12小时后，韦伯望远镜航天器平台上安装的小型火箭推力器启动进行第一次轨道修正。这是三项关键校正程序的第一次，通过修正以确保望远镜运行在预定轨道。
侧上方视角看韦伯望远镜
在发射后大约2.5天，望远镜将进行第二次轨道修正。
在第一周飞行时间中，将部署光学望远镜系统，包括抛掉遮阳罩的支撑结构（两个遮阳罩托盘）。望远镜的可展开塔架组件伸展，将韦伯望远镜的上半部分和下半部分分开，并延伸开来。
其余时间里将完成遮阳罩的展开任务：遮阳罩的伸缩臂向两侧延伸，展开和张紧五层遮阳罩中的每一层。
第二周飞行期间，部署工作集中于望远镜系统上，首先将固定副镜的三脚架展开，并将副镜延伸到主镜之前，然后展开主镜段主镜侧面的护板，露出18个镜片阵列。
侧下方视角看韦伯望远镜
飞行大约一个月后，通过中段修正，将韦伯望远镜送入围绕L2的最终晕轨道，晕轨道与黄道面有一定倾斜，半径约80万千米，需要约半年的时间才能绕L2点运行一周。
从整体看，韦伯望远镜与地-月系统一同绕日旋转，周期也是一年。
韦伯望远镜运行轨道
在展开过程中，韦伯望远镜将开始冷却。遮阳罩展开后，主镜和仪器在遮阳罩的阴影下很快开始冷却。
到达L2晕轨道后，大约需要一周的时间冷却近红外光谱仪，使其可以开始运行以支持望远镜系统的对准。
此后大约还需要三个星期，才能把进入望远镜遮阳罩阴影里的主镜和科学仪器工作环境温度降至预计的极冷温度，即低于-233℃。
韦伯望远镜的中红外仪器使用了一个制冷机，以达到约-266℃的工作温度，因此达到完全冷却需要更长的时间，大约是在发射后的100天左右。
韦伯望远镜任务操作状态想像图
韦伯望远镜的科学仪器达到正常观测所需要的低温后，就可以开始对它们进行对准。
望远镜上的近红外光谱仪，能帮助确定光线是否正确地沿既定路线通过光学系统主镜和科学仪器。
接下来调整主镜的每个镜片，通过波前传感器和控制调整过程，近红外光谱仪可以测量镜面是否对齐、正常工作。
镜面将对准近红外光波长的一小部分或仅纳米级进行检测，主镜和副镜的对准工作将在发射后大约四个月内完成。
在调试的最后几个月，韦伯望远镜将针对几个具有代表性科学观测目标，通过测试、成像等，校准所有仪器的功能。
测试期间需使用每种观察模式收集数据，然后评估每个仪器获得的数据，以确保准确性和精密度。
进一步校准程序将在投入科学观测后的第一年进行，以了解各种因素的局限性和敏感性。
常规科学操作在调试约6个月后开始，此时，所有镜子都已对准，所有仪器都经过校准，韦伯望远镜将正式进入任务操作阶段。
韦伯望远镜的科学目标
按计划，韦伯望远镜将保证有5年的使用寿命，经过任务拓展有望延寿到10年，它携带的消耗品（特别是推力器推进剂）足以应付10年的期限。
韦伯望远镜运行轨道局部图
韦伯望远镜的各项指标都超过了哈勃望远镜。在重量比哈勃轻一半的情况下，主镜口径由2.4米提高到6.5米；聚光面积由4.5平方米提高到25平方米，提高了5.6倍；光学系统焦距达131.4米。
另外，韦伯望远镜的科学仪器都经过更新换代，红外波段范围更宽、观测环境温度更低，因而观测能力和分辨率都大大高于哈勃望远镜，可探测到比当前地面或星载望远镜可观测到的物体微弱400倍的物体。
韦伯望远镜与哈勃、斯皮策望远镜观测波段对比
由于环境极为干净，它的观测灵敏度将超过地面和天基望远镜10～100000倍（取决于波长和类型）。
韦伯望远镜的综合观测能力将比哈勃望远镜提高100倍。它的波长覆盖范围为0.6-28.5微米，光学分辨率达到0.1弧秒。
这些高性能和高能力，都使科学家们对其将取得的成果抱以热烈期盼。
哈勃、赫歇尔、韦伯望远镜尺寸与探测光谱波段比较
韦伯望远镜有4大关键科学目标：从宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系中寻找光线、研究星系的形成和演化、了解恒星和行星系统的形成及研究行星系统和生命的起源。
其他重要目标还有：宇宙的形状是什么样的？恒星和行星系统是如何形成的以及它们是怎样相互作用的？宇宙的化学元素是如何形成的？暗物质的性质是什么？
由于覆盖了较宽的近红外、中红外波段，加之具有更高的分辨率，它将主要用于观测130光年以外（宇宙大爆炸后数亿年）的天体，包括第一批诞生的恒星、星系以及星系的演化情况，甚至有可能深入到宇宙诞生不久后的黑暗时期，了解那里是否有极为暗弱的发光体。
它的科学仪器可以通过观测红移量更大的天体，深入研究处在襁褓期和婴儿期的恒星和星系。
它还将利用红外波段探测冷目标的优势，对太阳系外的行星、行星大气、行星生命等展开研究，有望提示出生命起源的种种奥秘。
韦伯望远镜的重点观测目标：第一代恒星与星系
国际科学界对韦伯望远镜给予了极高的评价。
美宇航局项目主管格雷戈里·罗宾逊说：“我们非常激动地终于将世界上一台新的、伟大的太空望远镜送入深空……它将拍摄早期宇宙中第一批星系的令人惊叹的图像，这些图像肯定会改变我们对地球物理的理解。”
科学家还将韦伯望远镜项目的意义比作阿波罗载人登月计划，认为韦伯望远镜将“从根本上改变我们对宇宙的理解。”让我们共同等待韦伯望远镜的发射，以及半年以后取得的第一批惊人成果吧！
资料来源：
1)The James Webb Space Telescope. NASA homepage: http://www.jwst.nasa.gov/
2) http://webbtelescope.org/webb_telescope/
37) http://www.esa.int/
4) http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=29
5) http://www.stsci.edu/jwst/
6) Webb Telescope's Mirrors,” URL: http://www.jwst.nasa.gov/mirror.html
7) http://www.jwst.nasa.gov/instruments.html
8) http://ngst.gsfc.nasa.gov/instruments.html
9) http://www.jwst.nasa.gov/bus.html
10) The Sunshield. NASA, URL: http://www.jwst.nasa.gov/sunshield.html
作者简介：李成智，北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师。
《科技导报》创刊于1980年，中国科协学术会刊，主要刊登科学前沿和技术热点领域突破性的成果报道、权威性的科学评论、引领性的高端综述，发表促进经济社会发展、完善科技管理、优化科研环境、培育科学文化、促进科技创新和科技成果转化的决策咨询建议。常设栏目有院士卷首语、智库观点、科技评论、热点专题、综述、论文、学术聚焦、科学人文等。
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