“詹姆斯·韋伯”：到底要燒掉多少錢？

文/太空精釀

▲ 詹姆斯·韋伯是美國宇航局歷史上的核心人物之一

▲ “詹姆斯·韋伯”看起來猶如太空中的一艘巨型戰艦

2018年3月27日，預算已經高達88億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡又宣布延期到2020年5月才可能發射。考慮到其間的天價延期成本和可能的改進測試，估計總預算直逼100億美元。

這比起它在1997年被批準時的5億美元預算、2007年發射的初步版本預算，已經相距甚遠，從一個不起眼的小望遠鏡完全變成了一個載入人類史冊的重大項目！

這個望遠鏡的名字來自美國宇航局的第二任局長詹姆斯·韋伯。他的任期是1961-1968年，任內該局拿到了歷史上最多的資金，最高時在1966年達到整個聯邦預算的4.4%，這個比例幾乎是現在的10倍。那個年代，美國宇航局實施了水星計劃、雙子座計劃、阿波羅登月計劃、先鋒計劃、水手/旅行者計劃，可謂風光無限。詹姆斯·韋伯在美國宇航局歷史上的地位可見一斑，以他名字命名這個偉大的探測器合情合理。

這幾年內，詹姆斯·韋伯項目組開了無數次新聞發布會，而所有的新聞發布會如果總結為15個字的話：大家好，有進展，要延期，沒錢了，快打錢。

美國宇航局出現罕見的慎之又慎，也因為它是人類有史以來最高大上的空間望遠鏡！它的最核心任務是：尋找宇宙的邊界，也就是宇宙最初期大爆炸后殘留的紅外線。人類目前了解到的宇宙歷史為138億年，“詹姆斯·韋伯”的發射極有可能找到大爆炸之后宇宙的最深奧秘。

它是目前僅次于阿波羅登月、航天飛機、國際空間站和GPS項目的人類第五大航天項目，而且它雖然只有一個航天器，造價卻已經逼近100億美元。比起之前這四個任務數十次到數百次發射分攤風險，但依然存在不可避免的發射失敗，對“詹姆斯·韋伯”而言，基本意味著必須成功。

在設計方面，這么多資金投入當然也為了實現諸多黑科技。

▲ “詹姆斯·韋伯”空間位置示意圖

高難度的軌道

由于理論上說“詹姆斯·韋伯”任何一個部件都會輻射出紅外信號產生干擾，所以這個望遠鏡必須溫度極低以減少影響，低到接近絕對溫度（-273攝氏度）的零下220度。同時為了最大限度的收集紅外信息，就需要超高反射率和超大的“鏡子”，還需要盡量回避宇宙中干擾的熱源，比如地球和太陽；也要回避地球附近的宇宙塵埃。因此，“詹姆斯·韋伯”的最佳觀測點是處于日地引力平衡的拉格朗日2點，距離地球150萬公里（月球距離地球不過38萬公里），躲在地球背后。這個引力平衡點軌道穩定，也遠離熱源太陽和地球。

但這也意味著任務必須一次成功，不存在修理的可能性。像哈勃空間望遠鏡那種本來不能用，慢慢修好的可能性是不存在的。

超級精密的鏡子

▲ 這是人、哈勃空間望遠鏡的主鏡和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡主鏡的大小對比

由于“詹姆斯·韋伯”鏡面設計要求是6.5米口徑，而這個大小超過了火箭發射的尺寸限制，所以選擇方案是加工成18面一模一樣的六邊形，折疊起來再展開。普通鏡面材料根本不行，因為溫度變化導致變形，更何況零下220度。而且在反射電磁波的時候材料都會吸收掉一些能量（例如黑衣服白衣服區別），必須用抗彎剛度高、熱穩定性好、熱導率高、密度低的材料。最后選擇了堿土金屬鈹，這是軍工行業極為重要的金屬，是洲際導彈的導航設備等核心原料。鏡面的加工精度要求是：拋光誤差不超過10納米，每塊鏡片還能隨意調整角度，調整精度不超過10納米！10納米大概相當于幾十個鈹原子擺在一起的寬度。

超級遮陽板

盡管已經遠離熱源，但還要盡力遮住可能的外界能量，比如地球輻射。然后“詹姆斯·韋伯”就要打著這么一把五層的“遮陽傘”。

▲ 遮陽板實際大小

在測試中，這把傘從正面到背面，可以將輻射溫度降低300攝氏度以上。它完全展開時長寬占地大小有300平方米左右，但即便這么大，每層的厚度其實才25微米或50微米（第一層），這已經包括了鍍的硅膜和鋁膜。

要知道，人的頭發直徑還有80微米～100微米，而考慮到這么薄的一層要做到這么大，真是不可思議。這恐怕也是人類歷史上最厲害的一個遮陽板。

但請別忘了，無論是鏡子還是遮陽板，都是需要先疊在一起塞進火箭里，然后進入太空后才慢慢展開的。也就是說經歷了劇烈的火箭發射和非常大的溫度變化后，它們要在太空中實現前文說到的10納米和25微米精度，這就導致一切極其艱難。

▲ 摔倒在地上的NOAA19衛星

▲ 在地面上通過龐大的機械臂吊裝測試

這個遮陽板到了太空中可沒有這些大型機械臂輔助，就得靠自帶器件緩慢展開這一層層龐然大物。憑借上面綁了100個小型拖車，把這龐然大物緩緩拖開，并在經歷劇烈火箭震動和惡劣太空環境后，實現夸張的精度。

為了確保任務成功，“詹姆斯·韋伯”依然處在一輪又一輪復雜測試過程中。而且，對于大型任務而言，任務延期也是極其正常的事情。羅塞塔號探測器原本計劃探測的并不是后來的丘留莫夫－格拉西緬科彗星，純粹因為被各種延期而不斷修改探測目標。畢竟彗星不等人，一直在太陽系內飛行，如果錯過了時間窗口就只能更換目標。

而在2018年5月初的一次測試中，工程師們發現了一些目前還不知道從哪里掉下來的螺釘，估計讓這個望遠鏡的延期之路又要延長了。

歷史上這種小事情導致的重大災難可不少。美國宇航局和洛·馬公司曾經在2003年9月6日對NOAA-19衛星的測試中犯過一次重大失誤：由于前一批測試人員在移除一些螺釘后并未及時寫進文檔備案，導致后一批測試時衛星直接摔到地上，產生嚴重故障。畢竟這是一顆價值2.9億美元的衛星，后續維修的成本與再造一顆幾乎無異。因此，等待更加昂貴的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡踏上征途，我們還需要耐心。

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空間望遠鏡種種

對于人類和地球上的其他生物來說，大氣層是維系生存的必要條件。而對于天文學研究來說，大氣層卻會給天文學研究增添不少麻煩。

γ射線和X射線等波段的信號不能穿透大氣層，無法在地面上進行觀測；而大氣層能夠投射的可見光等波段的信號，還會受到大氣湍動等作用的干擾。此外，地面上人類活動制造的人造光源也會對天文觀測造成干擾。如果將望遠鏡裝在航天飛行器上，發射到太空之外，避開大氣層和人類活動的干擾，則會為天文觀測帶來極大的便利。

目前，知名度最高的空間望遠鏡當屬1990年發射的哈勃空間望遠鏡，它的觀測波段為近紅外波段、可見光波段和紫外波段。“哈勃”獲取的觀測數據極大地推進了人類對恒星演化、宇宙年齡、黑洞性質等方面的認識。目前，“哈勃”已經處于超期服役狀態，美國宇航局的下一代大型空間望遠鏡詹姆斯·韋伯即將接替“哈勃”的任務。

前文中提到的開普勒空間望遠鏡和凌日系外行星巡天空間望遠鏡是工作在可見光波段。此外，還有對γ射線波段、微波波段、射電波段信號進行探測的空間望遠鏡。中國在2017年發射的“慧眼”號，是工作在硬X射線波段的空間望遠鏡，能夠進行與引力波相關的科學探測。

（小超）