鴿王詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的心酸發(fā)射史

2021—12—26 16:43

大名鼎鼎的詹姆斯·韋伯望遠鏡肩負著人類太多期望，它成功部署后將極大推動人類對宇宙的認知可是，從最初5億美元的預(yù)估成本，到如今接近100億美元的巨額支出，韋伯空間望遠鏡獲得了吞噬天文學(xué)的望遠鏡稱號從最初預(yù)計2005年發(fā)射升空，到如今2021年底才能上天，二十幾次推遲使它成為航天界知名鴿王之一是什么原因使它一步步墜入這座時間與金錢的深淵

美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡從南美洲東北海岸的法屬圭亞那起飛，乘坐歐洲的阿麗亞娜火箭進入圣誕節(jié)早晨的天空。

這意味著世界上最大，最強的太空望遠鏡將出發(fā)，觀察第一批恒星和星系發(fā)出的光，并在宇宙中搜尋生命的跡象。

NASA 科學(xué)任務(wù)負責(zé)人 Thomas Zurbuchen 說:多么棒的圣誕禮物啊。

前瞻:下一代空間望遠鏡

前瞻性是推動人類社會發(fā)展的重要思維方式早在哈勃空間望遠鏡發(fā)射前，科學(xué)家們就已經(jīng)在暢想未來了——哈勃退役后，下一代空間望遠鏡是什么樣的

1989年9月，距離哈勃發(fā)射還有半年時間，美國空間望遠鏡研究所和NASA匯集了130多名天文學(xué)家和工程師，共同主辦了下一代空間望遠鏡研討會會議研究分析了2005年在高地球軌道上建造10米口徑近紅外望遠鏡或在月面建造16米口徑望遠鏡的可行性哈勃發(fā)射后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)哈勃的能力依然有限，不能看到宇宙誕生最初5億年的中紅外波段影像1996年，由天文學(xué)家艾倫·德雷斯勒領(lǐng)導(dǎo)的委員會向NASA正式提議研制一款紅外空間望遠鏡，以彌補哈勃的不足，其設(shè)計指標(biāo)是能夠看到130億年前宇宙誕生的第一縷曙光

時任NASA局長的丹尼爾·戈爾丁對此非常感興趣，經(jīng)過初步研究他們確定了下一代空間望遠鏡的技術(shù)指標(biāo):主鏡直徑8米，鏡面材料為輕質(zhì)金屬鈹，工作溫度低至—223℃，工作軌道位于日地拉格朗日L2點，這些初期設(shè)計指標(biāo)與如今完工的韋伯望遠鏡幾乎完全一致。

天文學(xué)家們也曾對如此激進的設(shè)計指標(biāo)產(chǎn)生質(zhì)疑，這會帶來極高的研發(fā)成本與此同時，丹尼爾·戈爾丁在擔(dān)任NASA局長一職時實行更快，更好，更便宜的發(fā)展戰(zhàn)略，以更快的制造速度，更低的制造成本來完成一些更鼓舞人心的任務(wù)在這種領(lǐng)導(dǎo)戰(zhàn)略的思維方式下，人們預(yù)估下一代空間望遠鏡的成本只有約5億美元，發(fā)射時間預(yù)計為2007年到2011年，這一成本與時間在當(dāng)時還可以接受

起初這一戰(zhàn)略似乎奏效了:1997年的火星探路者任務(wù)，1998年的月球勘探者任務(wù)均大獲成功可是在1999年，廣域紅外探測器一經(jīng)發(fā)射，攜帶的制冷劑就因低級失誤而泄漏地一干二凈，探測器接近報廢，兩個火星任務(wù)——火星氣候探測器，火星極地著陸器也均因低級失誤造成了災(zāi)難性損失，顆粒無收事實證明，更快，更便宜的同時并不能做到更好，嚴(yán)肅認真，周到細致，穩(wěn)妥可靠，萬無一失才是航天領(lǐng)域應(yīng)有的態(tài)度

此后NASA便對探測器的制造過程加以嚴(yán)格約束，以盡量保證任務(wù)不會出差錯，隨之而來的就是成本升高這種戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變使韋伯望遠鏡的成本升至10億美元以上，主鏡直徑也從8米減少到6.5米，以降低成本另外，額外的測試表明這枚望遠鏡似乎不可能在2011年前發(fā)射升空了

此時的人們還沒有意識到事情的嚴(yán)重性與復(fù)雜性:更強勁的望遠鏡要求有更高的品控，更高的品控帶來更高的成本，更高的成本決定了這一款望遠鏡的性能必然更加強勁——他們已經(jīng)陷入了一個死循環(huán)。

新的世紀(jì)，新的希望

人們懷著滿腔熱情迎來了嶄新的21世紀(jì)2002年，新一代空間望遠鏡以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯命名，在他的帶領(lǐng)下NASA實現(xiàn)了阿波羅載人登月的壯舉從此，全世界都在等待著這臺叫做詹姆斯·韋伯的巨大空間望遠鏡升空

在新世紀(jì)的前幾年里，望遠鏡團隊一直在為韋伯望遠鏡的可行性進行論證為了提高望遠鏡分辨率，他們設(shè)計了巨大的可折疊主鏡，為了降低溫度，他們設(shè)計了與網(wǎng)球場差不多大但與頭發(fā)絲差不多薄的巨大隔熱罩，為了產(chǎn)出質(zhì)量更高的觀測數(shù)據(jù)，他們設(shè)計了四款極其先進的紅外鏡頭或光譜儀載荷2004年，整部望遠鏡難度最大，要求最高的核心部件開始投入前期生產(chǎn)，包括18面主鏡以及四款科學(xué)載荷，此時其預(yù)期成本約16億美元

2005年，美國NASA與歐空局達成協(xié)議，將會使用一枚歐空局的阿麗亞娜5號火箭發(fā)射韋伯望遠鏡2007年，整個韋伯望遠鏡的大部分核心設(shè)計通過了前期的審查，標(biāo)志著韋伯望遠鏡的詳細設(shè)計，采購，組裝和測試正式開始可是，人們依然低估了韋伯望遠鏡的制作難度，其實際成本大大超出了韋伯望遠鏡的預(yù)算僅僅在這前期的技術(shù)論證環(huán)節(jié)，韋伯望遠鏡就燒掉了20億美元，額外的測試環(huán)節(jié)也使發(fā)射時間推遲到了2014年

起死回生

任務(wù)推進過程中的成本和測試時間問題逐漸凸顯2010年11月，新的統(tǒng)計顯示韋伯望遠鏡的總成本增長到50億美元，發(fā)射時間不早于2015年9月，比計劃又推遲了一年多《自然》雜志刊文將韋伯望遠鏡稱為吞噬天文學(xué)的望遠鏡，因為其巨額的開銷已經(jīng)影響到了其他天體物理學(xué)研究任務(wù)的經(jīng)費

2011年7月，美國國會議員投票決定將從NASA的2012年預(yù)算中削減19億美元，以取消韋伯望遠鏡計劃——此時其總成本飆升到了65億美元，且發(fā)射時間推遲到了2018年國會指責(zé)NASA成本的飆升并非遇到了技術(shù)問題，而是管理方式出現(xiàn)了失誤這是整個韋伯望遠鏡從規(guī)劃以來面臨的最大挑戰(zhàn)，難道已經(jīng)進行了十余年的前期論證，已經(jīng)完成基本設(shè)計的主鏡與科學(xué)載荷，已經(jīng)投入的幾十億美元都付諸東流了嗎

政客們認為韋伯望遠鏡是毫無意義的燒錢無底洞，但是抱有理想的科學(xué)家們?nèi)砸曋疄檎鋵?，他們實在不忍心放棄韋伯這款史上最強勁的空間望遠鏡經(jīng)過一番斡旋，2011年11月NASA與參眾兩院達成共識:眾議院取消韋伯望遠鏡計劃的提議被取消，但妥協(xié)的代價是該計劃的支出只能限制在80億美元以下NASA表示將推遲其他計劃，諸如縮減商業(yè)載人飛船的研發(fā)支出，以確保望遠鏡在2018年發(fā)射

沒有B計劃

韋伯望遠鏡的建造過程要同時保證其高性能與高質(zhì)量哈勃空間望遠鏡運行于600公里高的近地軌道，如果有故障可以派航天員前去維修，而韋伯空間望遠鏡將會運行在距離地球150萬公里遠的日地拉格朗日L2點，發(fā)射后一旦出現(xiàn)故障將是不可挽回的損失，沒有B計劃作為退路

因此，韋伯望遠鏡的各個器件都在極高的標(biāo)準(zhǔn)下進行生產(chǎn)，并在極其嚴(yán)苛的條件下進行測試2011年，第一面六邊形主鏡生產(chǎn)完畢，總耗時六年之久主鏡的品控要求極高，每面六邊形主鏡可以允許的最大起伏僅為25納米，如果把這面鏡片放大到月球的大小，其最大起伏將不能超過8厘米

2012年到2014年，四款科學(xué)載荷依次完成生產(chǎn)，共同組裝為綜合科學(xué)儀器模塊并進入測試環(huán)節(jié)，在戈達德太空環(huán)境模擬器中進行了數(shù)次低溫測試及真空測試2015年，主鏡的18片六邊形鏡片全部完成生產(chǎn)2016年底，整部望遠鏡的主要結(jié)構(gòu)均完成了生產(chǎn)，隨后便是漫長的振動，低溫等測試環(huán)節(jié)2017年，光學(xué)望遠鏡模塊整體進行了長達100天的低溫測試，以確保其所有系統(tǒng)在類似的太空環(huán)境中能夠正常運行

地面嚴(yán)苛的測試的確是有益的2018年3月，韋伯望遠鏡的隔熱罩在進行展開測試時撕裂了，NASA不得不進一步將發(fā)射計劃推遲至少3個月當(dāng)年4月，對隔熱罩的進一步振動測試表明隔熱罩產(chǎn)生了兩倍于預(yù)期的振動，測試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)1000顆螺絲中的20顆出現(xiàn)了松動與此同時，粗心的工作人員也帶來了多余的麻煩，在清潔望遠鏡時工作人員使用了錯誤的溶劑，另外還錯誤接線導(dǎo)致望遠鏡承受了過高的電壓

總而言之，一年內(nèi)螺絲松動，溶劑誤用，接線錯誤這三個失誤使韋伯望遠鏡的發(fā)射時間進一步推遲了1.5年，并且多燒掉了大約6億美元的測試經(jīng)費NASA不得不出面說明，80億美元的經(jīng)費肯定不夠用了，2018年發(fā)射的承諾也已無法實現(xiàn)——發(fā)射日期再次被推遲到2020年5月

氣氛再次緊張焦灼起來，2018年一份審查報告顯示，韋伯望遠鏡可能會出現(xiàn)344種不同的故障——這對于任何航天任務(wù)來說都是一個可怕的數(shù)字哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家格蘭特·特倫布萊表示，這意味著如果某個金屬支柱發(fā)生故障，或者一根電纜卡住，我們就會得到一張價值100億美元的廢紙根據(jù)這一審查報告，NASA對韋伯望遠鏡進行了系統(tǒng)性的排查與測試，并將望遠鏡總成本控制在88億美元，發(fā)射時間進一步延后為2021年3月30日

新冠肆虐，海盜猖獗

就在NASA著手對各項可能出現(xiàn)的故障一一排除時，卻又趕上了肆虐全球的新冠肺炎大流行為了應(yīng)對疾病控制與預(yù)防中心的政策，2020年3月份NASA不得不暫停了韋伯望遠鏡的幾項關(guān)鍵測試工作同時，NASA也出現(xiàn)了人手不足的情況，他們只能將主要精力集中于2020年的毅力號火星車任務(wù)上就這樣，韋伯的發(fā)射日期被推遲到了2021年10月31日

NASA在疫情影響下艱難地完成了韋伯望遠鏡發(fā)射前的最后幾項任務(wù)，成功進行了最終的折疊與打包工作可是其發(fā)射工作再次因為三條其他原因被推遲到至少2021年11月底，這次與望遠鏡本身無關(guān)

首先，問題出在火箭身上2020年8月阿麗亞娜5號執(zhí)行兩顆通信衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)時，工作人員發(fā)現(xiàn)火箭的整流罩異常，分離似乎并不完全此外，在2020年2月的發(fā)射任務(wù)中，飛行引起的振動高于常值這都對韋伯的發(fā)射產(chǎn)生了潛在威脅NASA將發(fā)射時間推遲到至少2021年11月底，并要求阿麗亞娜公司通過重新設(shè)計解決以上問題歐空局在韋伯發(fā)射之前的2021年7月31日，10月24日成功發(fā)射了兩枚改進后的阿麗亞娜5號火箭，兩次發(fā)射證明了相關(guān)問題得到解決

其次，庫魯航天發(fā)射場的疫情形勢也不容樂觀法屬圭亞那尚未廣泛接種疫苗，如果疫情形勢進一步惡化，可能會拖延韋伯望遠鏡在發(fā)射場相關(guān)準(zhǔn)備工作的進度

最后，由于發(fā)射場位于南美洲，把望遠鏡從美國千里迢迢運輸?shù)桨l(fā)射場要16天的時間，同時還有一個最大的威脅等著他們——海盜海盜大概不會忽略這一塊價值100億美元的肥肉，很可能將運輸船劫持這并非空穴來風(fēng)，早在1982年一臺名叫JCMT的望遠鏡就在運到英國的路上被劫持了為了應(yīng)對此事，NASA始終對韋伯的具體運輸日期緘口不言，同時叫來美國海軍保駕護航韋伯望遠鏡最終于2021年10月18日安全運抵法屬圭亞那庫魯航天中心，并將發(fā)射日期定為2021年12月18日

本性難移

韋伯在庫魯航天中心的準(zhǔn)備工作還算順利，人們都認為這款望遠鏡終于能夠守時一次，并在2021年12月18日如期發(fā)射了可是，阿麗亞娜公司的工作人員卻又惹了亂子，使箭在弦上的韋伯望遠鏡再次推遲發(fā)射

工作人員將韋伯望遠鏡連接到運載火箭適配器上時，將韋伯固定在運載火箭適配器上的夾箍突然意外松開，導(dǎo)致整個望遠鏡發(fā)生了不小的震動NASA立即進行調(diào)查并為韋伯望遠鏡進行了額外的測試，以防止這一惡性事件對望遠鏡造成損壞

謝天謝地，經(jīng)過檢測這次震動沒有產(chǎn)生破壞性的影響韋伯的發(fā)射日期只延后了四天，燃料加注工作正常進行，發(fā)射時間重置為北京時間2021年12月22日20:20

可是，就在全球無比期待的目光下，鴿王又推遲了——12月15日，距離原定發(fā)射日一周時，歐空局表示發(fā)射要再推遲——理由是需要解決望遠鏡與火箭之間的通信問題，發(fā)射時間再次被重置為2021年12月24日XX時到了22號，發(fā)射場工作人員發(fā)現(xiàn)發(fā)射場天氣實在不佳，無法進行火箭的垂直轉(zhuǎn)運，發(fā)射時間又雙叒叕被推遲24小時，瞄準(zhǔn)12月25號20:20，西方的圣誕節(jié)之日發(fā)射

24日，發(fā)射場天氣向好，火箭終于推出總裝廠房，走過地面上的最后一段路途，前往發(fā)射臺加注燃料，靜待發(fā)射。

當(dāng)了十余年鴿王的韋伯望遠鏡終于在發(fā)射前再三拖延，沒有忘記自己已經(jīng)忠誠了半生的鴿王稱號，真可謂本性難移。

廿年磨一鏡，霜刃未曾試今日把示君，誰有不平事不少參與韋伯望遠鏡建設(shè)工作的工程師與科學(xué)家在接手這項偉大任務(wù)時正值壯年，而如今已白發(fā)蒼蒼現(xiàn)在他們終于能夠看著這枚傾注了半生心血的望遠鏡飛上云霄，帶全世界的人們看一看宇宙的第一縷曙光

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