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哈勃“繼任者”韋伯太空望遠鏡終于成功發射( 三 )

韋伯生活百科


為了獲得更好的觀測能力，詹姆斯·韋伯在各項方面都進行了升級、更新，可以說每筆錢都用在了刀刃上 。
1、更大口徑的鏡片
光學和紅外望遠鏡的核心是鏡片，其口徑與觀測能力成正比，但也需要更高成本 。相比此前最大的哈勃望遠鏡，詹姆斯·韋伯的鏡片口徑從2.4米提升到了6.5米，集光面積也從4.5平方米攀升到了25.4平方米 。
需要注意的是，口徑增加帶來的整體難度和造價提升并不是線性增長關系，光是這一項，就直接決定了詹姆斯·韋伯的預算遠超哈勃 。
人類、哈勃望遠鏡主鏡和詹姆斯·韋伯主鏡的大小對比（圖片來源：NASA）
鏡片太大，幾乎很難整體制造，不僅失敗風險大、材料成本極高，也勢必帶來整體質量和體積的攀升，甚至遠超人類現有火箭的發射能力 。因此，詹姆斯·韋伯的鏡面設計選擇了拼接方案，由18面一模一樣的六邊形組成，發射時折疊起來，進入太空后再拼接到一起 。
2、堪稱“鬼斧神工”的鏡面材料
詹姆斯·韋伯在制造、發射和工作時要面臨截然不同的溫度環境 。特別是它的核心器件工作溫度已非常接近絕對零度，對鏡面材料的要求極高，因此需要同時具備抗彎剛度高、熱穩定性好、熱導率高、反射率高、密度低、溫度形變小、性質不活潑等特點 。
而在精度要求上，最后鏡片成型的制造加工精度要達到10納米級別，這個要求所允許的誤差相當于一張A4紙厚度的萬分之一！而且在進入太空后，整體拼接和鏡片姿態控制的精度也要達到同等水平 。
綜合上述要求，詹姆斯·韋伯的鏡片主要材料選擇了堿土金屬鈹，10納米幾乎就是幾十個鈹原子并排擺在一起的寬度，這是接近“鬼斧神工”級別的制造加工工藝要求 。
3、一把屏蔽熱量的“太陽傘”
遠離地球，不代表能徹底擺脫地球的干擾，詹姆斯·韋伯還要面對太陽光和地球反射光/熱輻射的干擾 。為此，它需要背上一個大大的“太陽傘”來屏蔽熱量，并使用主動冷卻系統維持核心部件接近絕對零度的工作環境 。
遮陽板總共有五層，都要精準打開（圖片來源：NASA）
按照設計要求，這把傘需要提供300攝氏度以上的溫度屏蔽效果 。這相當于一面是高溫油炸，另一面卻是冰天雪地 。它的每一層材料主要由聚酰亞胺、硅膜和鋁膜構成，首層最厚也僅為50微米，比人類頭發絲直徑還小，而中間層僅為25微米 。
更大的難度還在后面——這把“太陽傘”如何順利展開？
“太陽傘”每一層的面積約300平米，在發射時會被塞進火箭里劇烈振動，進入太空后要在激光引導下讓100余個小型拖車帶著逐層展開 。難度可想而知，這無疑是人類歷史上最厲害的.一個遮陽板 。
整體來看，詹姆斯·韋伯需要的都是最先進的科技，且各種研發都是“孤品”，它既沒有備份，也不會量產，必須保證100%成功率 。除此以外，還要經過一系列極高成本的測試和維護 。這些因素累加在一起，讓它的預算迅速攀升到了100億美元級別 。
詹姆斯·韋伯的官方海報（圖片來源：NASA）
看似“咕咕咕”，其實是必須一次成功的魄力
我們都知道，哈勃望遠鏡雖然遠在太空中，但也僅離地球表面大約575公里，可以說“緊挨”著地球 。那詹姆斯·韋伯為什么不能像哈勃望遠鏡一樣，在離地球近一些的地方工作呢？
這是因為地球和所有的物體一樣都是熱源，在源源不斷往外反射陽光和輻射紅外線，否則就會持續變暖 。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空氣分子和星際塵埃，對太空望遠鏡依然有一定影響 。對于更加精密的詹姆斯·韋伯來說，這些影響尤其明顯 。所以，它必須想盡辦法遠離它的誕生地——地球 。
然而，“逃離”地球后，并非就萬事大吉了 。進入錯綜紛繁的引力世界，航天器將受到太陽、地球、月球，乃至宇宙萬物的引力影響，這使得它的軌道很難穩定下來 。對于質量和體積都很大的望遠鏡而言，頻繁地通過發動機工作維持軌道，不僅會導致發射時必須攜帶大量推進劑，也會極大地影響觀測質量 。
因此，必須要在上述要求中找到一個平衡 。權衡利弊后，科學家們選擇了日-地引力平衡的拉格朗日2點作為詹姆斯·韋伯的工作地點 。這里距離地球150萬公里（月球距離地球不過38萬公里），遠離了地球這個熱源和灰塵源的干擾，溫度也低達零下220攝氏度以下，可滿足望遠鏡的整體工作溫度環境要求 。此外，在“日-地拉格朗日2點”，太陽和地球兩大引力源和諧共處，共同牽引附近的航天器圍繞太陽穩定運動，航天器所需要的軌道維持成本極低 。

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