哈勃望远镜的“起死回生”

沈羡云

2009年5月11日，美国的“亚特兰蒂斯”号航天飞机顺利发射升空，这次它担负着十分特别的任务：充当“太空医生”，为“哈勃”太空望远镜进行“临危”前的手术。为了防止手术中出现意外，在“亚特兰蒂斯”号航天飞机发射的同时，另一架“奋进”号航天飞机也在发射架上整装待发，准备营救万一出现问题的“亚特兰蒂斯”号航天飞机。美国宇航局专家指出，如果这次修复活动取得圆满成功，那么未来5年“哈勃”性能将达到巅峰，哈勃望远镜的功能将比1990年刚发射时强90倍。不过，一旦修理任务失败，哈勃望远镜这个立下汗马功劳的天文学“皇冠上的宝石”只能变成一块价值69亿美元的太空垃圾。

手术原因

哈勃太空望远镜1990年升空，至今已经在太空度过19个年头了。在这19年中，它为人类打开了一扇观察宇宙的窗户，带着我们游历神秘的宇宙世界。在人们的心中，“哈勃”不仅是一架望远镜，它更是一个标志，一部传奇，一个令许多人难以割舍的时代。19年的光阴逝去，哈勃时代慢慢走到尽头。它服役期间曾多次出现故障和设备老化迹象。为了修复它，航天员分别在1993年、1997年、1999年、2001年对它进行了4次大修，付出了高昂的代价。虽然在每次大修后，哈勃都面貌一新，特别是2001进行第4次大修时，为它安装测绘照相机，更换太阳能电池板，更换已工作11年的电力控制装置，并激活处于“休眠”状态的近红外照相机和多目标分光计，使它年轻了不少，但是这种修修补补仍然掩盖不住它的“老态”，它始终还是处于“带病坚持工作”状态。目前，尽管哈勃望远镜的情况还可以，但是如果不马上进行“治疗”的话，可能2010年就是它“寿终正寝”的时间了，它将坠入大气层，走向“自焚”的道路。

但是，哈勃望远镜的功绩是不可磨灭的，哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜，它上面的广角行星照相机可拍摄上百个恒星的照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，1.6万千米以外的一只萤火虫都难逃它的“法眼”。在很多研究人员眼中，“哈勃”辉煌的一生也是天文学研究的黄金时代。在19年的勘测历程中，它完成了环绕地球10万多圈飞行，采集39兆兆字节的数据资料，这些资料足以将两个美国国会图书馆塞满。每个月哈勃太空望远镜都将产生800多亿字节的数据资料。天文学家基于哈勃天文望远镜的观测资料，发布了超过7500多份科学研究报告，成为迄今获得最多科学研究成果的仪器，仅2008年科学家就发表了与哈勃观测数据有关的700篇论文。科学家从它19年来的赫赫功绩中，精心筛选出12项最突出的贡献。它们是：1)首次证实暗物质的存在；2)探测到冥王星的卫星；3)观察到类星体明亮的光线：4)看见彗星碰撞木星；5)发现加速的宇宙；6)了解完整的星系形成过程；7)从可见光视角下探测到第一颗地外行星；8)为超大质量黑洞“称重”；9)观察到宇宙中最强烈的爆炸：10)证实行星诞生于恒星灰尘盘；11)观察到恒星绚丽的死亡；12)获得宇宙的年龄。

近年来，哈勃望远镜故障不断，而维修的代价过高，美国宇航局曾决定放弃。但由于哈勃望远镜在太空中的声望极高，各国科学家均呼吁让它在太空中多停留几年。终于，去年美国国家航空航天局(NASA)局长格里芬宣布，NASA将在2008年发射“发现”号航天飞机对哈勃望远镜进行维修。当时。两架航天飞机已经竖立在那里待命了，但是到了g月底，哈勃望远镜生病了，数据处理系统出现了问题，不能马上维修。通过地面遥控，启动了备份系统，终于去年10月份又能工作了，后来经过了大量的准备工作，最后决定2009年5月对哈勃进行维修。

手术危险性的估测

正如医生在动手术前要对手术中的危险性进行仔细地分析和估测一样，对这次有史以来进行的太空最大修复手术，航天专家们也进行了多次讨论和仔细分析，对修复的危险性和难度进行充分的估测。

哈勃望远镜手术过程中最大的威胁来自太空垃圾。哈勃望远镜是在距地面500千米的太空上进行观测，因为这里不仅不受恶劣气候的影响，每天可以进行观测，而且摆脱了地球大气的干扰，能够达到地面上任何望远镜达不到的高灵敏度和高分辨能力。但是，它是在远离国际空间站的飞行轨道空域内，各种各样的太空垃圾层出不穷，特别是今年2月，美俄两颗卫星相撞后，太空中新增大量碎片。美国总共在太空中发现了1.9万多块直径超过10厘米的垃圾，其中950块可对各类宇航器造成威胁。据美国航天局估计，航天飞机与太空垃圾相撞比例为l／229，由于太空垃圾和航天飞机都在轨道上高速运行，因此双方一旦发生碰撞，可能会造成严重后果。如果出现这种情况，由于航天飞机远离国际空间站轨道，航天员无法转移到空间站这个“紧急避难所”里，其后果可想而知。所以，太空垃圾是本次维修工作的最大风险。为了防止出现严重后果，美国航天局采用了很多措施，例如，在维修期间，美国地面控制人员密切监视太空垃圾的动向，以便及时向航天飞机下达规避指令：为了减小遭撞击损坏的可能性，上天维修哈勃期间，“亚特兰蒂斯”号将采用倒飞姿态，以保护机头和机翼，维修完成后，它将迅速降低高度，脱离危险区；万一“亚特兰蒂斯”号航天飞机遇到紧急事件，美国宇航局已经准备了一项空前的后援计划。根据NASA的这一计划，如果“亚特兰蒂斯”号遭到严重损害，“奋进”号航天飞机将搭载4名航天员升空。在太空中，“亚特兰蒂斯”号的7名航天员将被转移到“奋进”号航天飞机上返回地面，而“亚特兰蒂斯”号将由地面遥控指挥，穿越大气层，在人烟稀少的地方坠毁。

5次手术

在这次哈勃望远镜的“手术”中，机上的7名航天员将通过5次太空行走，维修哈勃多个损坏部件，同时升级它的相机等设备。他们将修复和升级哈勃太空望远镜近三分之一的系统，其中包括换6个电池，一个陀螺仪，安装两个新载荷、对接捕获装置和第3代广域行星像机，修理两台仪器(高级巡天像机，成像光谱仪)。其中风险最高、投入最大的是为哈勃望远镜进行“眼科手术”，即修复成像光谱仪和高级巡天相机。该光谱仪主要用于分析宇宙中从遥远的天体发出的光，但因为电路板故障，光谱仪于2004年就停止了工作。它的零部件很小，螺丝也很小，修复起来较困难。航天员在飞行前，在中心浮力水槽中进行了大量的训练，而且发明了一种像修手表和眼镜那么小的螺丝刀。

在“亚特兰蒂斯”飞行期间，航天员们进行了5次太空行走，为哈勃望远镜进行手术。

第一次手术(5月14日)担任这次“手术”的“医生”是航天员格伦斯·菲尔德和福伊·斯特尔，他们进行了首次太空行走，任务是为哈勃太空望远镜安装了一台全色谱广角照相机和数据处理装置，好让哈勃太空望远镜更清晰地拍摄范围更广的彩色照片。他们首先要卸下哈勃望远镜的一台旧相机，但这一工作进行得并不顺利。由于固定旧相机的一颗螺丝钉卡在望远镜上，航天员们尝试了多种工具都未能将其取出。地面任务控制中心要求航天员使出最大力气，但这么做存在一定风险，因为一旦螺丝钉断裂，旧相机将固定在望远镜上，新相机将无法安装。两位航天员经过努力拔掉了“作梗”的螺丝钉，并安装了新相机。新安装的宽视野相机价值1，32亿美元，天文学家可望利用它观测宇宙诞生后5亿年至6亿年时的场景。随后，航天员为哈勃望远镜更换了数据处理装置，并安装了一个对接环。这个对接环将在哈勃望远镜退役返回地球时发挥作用，届时美航天局发射的遥控飞船可以借助该对接环把哈勃望远镜引导至太平洋上空。

第二次手术(5月15日)航天员迈克尔·马西米诺、迈克尔·古德的任务是安装6个新的陀螺仪，替换3个损坏的陀螺仪。美国航空航天局将这项工作作为此次使命的首要任务，因为这些陀螺仪可以帮哈勃更精确地对准宇宙中更遥远的天体。

第三次手术(5月16日)格伦斯菲尔德和福伊斯特尔进行了第3次太空行走，他们的任务是完成此次维护之旅难度最高的任务一一为哈勃太空望远镜安装新光谱仪。两位航天员为哈勃望远镜安装的“宇宙起源光谱仪”是迄今太空中灵敏度最高的光谱仪，装备了这一新“武器”的哈勃望远镜将可以向地面科学家提供宇宙中遥远天体的温度、密度及其运行速度的精确数据。

第四次手术(5月17日)航天员迈克尔·马西米诺和迈克尔·古德进行了第4次太空行走，任务是修复哈勃望远镜上一个停止工作的成像光谱仪。他们的工作完成得比较艰难，“成像光谱仪”把手上的一个螺钉成为这次任务比较难啃的“硬骨头”。航天员们尝试了数种工程师们专为这次使命设计的工具，没一样能起下这枚约4.5厘米长的螺栓。山穷水尽之际，航天员只好用手硬将它拔下，这种动作在太空有相当大的危险，在太空微重力的环境下剧烈的运动可能引起不好的后果。两名航天员随后为这个光谱仪更换了低压电源板，成功使其恢复正常功能。

第五次手术(5月18日)约翰·格伦斯菲尔德和安德鲁·福伊斯特尔进行了最后一次太空行走，他们的任务是为哈勃更换了3块电池、一个恒星追踪传感器和热屏蔽罩。整个维修过程比较顺利，但也发生了一些小插曲。在更换绝缘材料时，航天员没能回收旧的绝缘材料，只好任其在太空中飘远，好在这些材料不会对航天飞机造成危害。

脱胎换骨的哈勃望远镜

接受7天“住院治疗”的哈勃太空望远镜于5月19日由女航天员梅甘·麦克阿瑟用“亚特兰蒂斯”号航天飞机上的机械臂将其放出货舱，使它重返工作岗位。在这次手术中，航天员经过5次、37小时太空行走，完成全部维护计划，他们更换或修复了望远镜上的照相机、光谱仪、陀螺仪等设备。在其中两次作业中，航天员们完成从未有过的高难度任务。美国东部时间5月24日ll时39分，“亚特兰蒂斯”在加州的安德烈鲁空军基地平安降落，完成了本次航天飞机的13天530万英里的旅行。

此次大修哈勃总耗资大约10亿美元。经历5次大修，哈勃从头到脚的“器官”几乎换遍，他的能力比刚上天时强大百倍，新安装的“宇宙起源光谱仪”是眼下人类在太空中灵敏度最高的光谱仪，哈勃将可以利用它提供宇宙中遥远天体的温度、密度及运行速度的精确数据：新安装的广角相机可观测到宇宙诞生后5亿年至6亿年时的场景；新陀螺仪可以帮哈勃更精确地对准宇宙中更遥远的天体：对接环将在哈勃望远镜退役返回地球时发挥作用。这一切，使哈勃望远镜成为一个“脱胎换骨”的新设备。大修完成后，已在太空服役19年的哈勃望远镜预计能继续服役5到lO年，其服役期最少可延长至2014年。(文章代码：1402)