拼接巨镜—走近韦布空间望远镜

□ 文 何锐思（Richard de Grijs）/ 翻译 程思淼

拼接巨镜—走近韦布空间望远镜

□ 文 何锐思（Richard de Grijs）/ 翻译 程思淼

图1 艺术家绘制的轨道上的韦布空间望远镜概念图。（图片来源： NASA）

今年一月的第一个星期，我作为《天体物理通信》杂志的代理编辑，去华盛顿参加了美国天文学会（AAS）的冬季会议，还有幸参观了美国宇航局（NASA）设在马里兰州格林贝尔德市（Greenbelt,Maryland）附近的戈达德航天中心（Goddard Space Flight Center）。科学家和工程师们正在那里忙碌，为未来十年里最重要的空间天文台——韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）的最后装配做着准备。今年夏天，望远镜将开始组装；按照计划，它将于2018年发射升空。

当我参观装配大厅时，不久后将拼接成主镜的18块子镜也正好刚刚运抵。我们来到大厅高处的走廊，从这里向下看，就是科学家和工程师们装配韦布空间望远镜的核心地点——无尘间。即使是有资格进入这里的工作人员，也要先在风淋室中清洁，并穿上隔离服、戴上手套才行。“进入无尘间就像进入手术室。”韦布空间望远镜项目的一名系统工程师雷伊·伦德奎斯特（Ray Lundquist）说。他解释说，反射镜面的洁净将保证望远镜成像的高质量。

这些反射镜在我参观的时候仍然封装在运输用的密封容器中。镜片要经过多次转运，容器是为此专门设计的。“这些镜片终于在戈达德集中起来，是一个令人振奋的里程碑。这是十多年来，无数工程师、技师和科学家在先进的光学制造和测试中专注工作的结晶。”NASA韦布空间望远镜执行主任埃里克·史密斯（Eric Smith）说。“这些镜片已经准备好装上结构支架了。这些支架无比稳固，在它们的支撑下，这些镜片将拼合成韦布空间望远镜6.5米口径主镜——这是迄今建造的最大的空间望远镜。”

何锐思（Richard de Grijs）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）教授，国际天文学联合会天文发展办公室东亚分站负责人。

图2 戈达德航天中心内装配韦布空间望远镜的无尘间。（图片来源：Richard de Grijs）

图3 最后三只密封箱运抵戈达德中心。（图片来源：Ball Aerospace）

如果只是一面普通的反射镜，似乎没有什么值得说的。但在我们眼前的是要随着韦布空间望远镜进入太空的反射镜，它的结构可是值得说说的。韦布空间望远镜由主镜、第二反射镜和第三反射镜组成。较小的第二和第三反射镜都非常特别，不过由多面子镜拼接而成的最大的主镜的结构才是最为复杂的——只有各个部分相互配合，望远镜才能正常工作。

任何望远镜的最基本的“工作能力”都是由主要光学镜片的大小决定的。主镜越大，“工作能力”越强。对于这类大型望远镜来说，主镜就是一面反射镜。即使就陆基天文台的标准来说，“韦布”主镜的口径也是够大的；而放到空间望远镜“队伍”中，它更是大得惊人了。口径如此大的望远镜放到太空中（因此能够避开地球大气的扰动），将能捕捉到宇宙中最遥远的星系和恒星发出的光。但是，要将这样一整块镜片发射到太空中，也实在是太过巨大了。因此，需要将“韦布”的主镜分割成18块小得多、也轻得多的子镜，它们要能够折叠装进火箭头部的锥形货舱里。这18块六角形主镜拼接子镜中的每一块直径都只有1.3米，约40千克重。这些子镜并不“只是镜子而已”，它们每一个都是复杂技术的集合，这些技术使它们的“行动”配合紧密，就像一块主镜一样。每个子镜都有自己的“分解”结构，从镀金反射膜的铍制镜片，到其下的铍制支撑结构“支撑板”（whiffles）、“三角框架”（Delta frame），加上给镜面精确定位和塑形的电机——整个结构都安装在一块“背板”上。

“子镜的组装十分复杂。按照设计，它们十分轻巧，要能在-240°C的极端低温下工作，还要能够忍受发射时剧烈的振动和压力。到达轨道并展开后，18块子镜将依靠电机排列好，并保持这个状态两个星期。排列好的镜片要能像一整块反射镜一样工作。”NASA戈达德中心韦布空间望远镜光学元件负责人李·费因伯（Lee Feinberg）说。

图4 分装于18个密封箱中的子镜。（图片来源：Ball Aerospace）

反射子镜的基底材料是金属铍。每块铍制基底大约5厘米厚，“正面”即反射面经过高精度抛光，十分光滑；“背面”则制成精确的三角形蜂窝状结构，以减轻重量。反射面的平均抛光精度达到20纳米，并在表面镀了一层超薄纯金反射膜，以提高在红外波段的反射率。选用金属铍为材料，是因为它质地坚硬，重量又轻，而且在韦布空间望远镜工作的极度低温下表现稳定、可控。

在每块铍制基底的另一面，连接着三块三角形的铍制支撑板。它们好像“蜂窝”的盖子。每块支撑板约30厘米宽、60厘米长。它们把支架的集中负荷分散到镜片背面较大的面积上，以减小镜片的变形。在这里，铍同样凭借强度高、重量轻，以及在极端低温下能够保持形状的优良性能而成为了制造支撑板的材料。铍制的“三角框架”是18块子镜上重要的中介结构，它们把反射镜片和支撑板连接到电机上。电机由高精度马达和传动齿轮组成，用于移动镜片和使镜片基底的反射面变形。在电机的驱动下，18块拼接子镜将对齐到合适的位置，以对同一天体进行聚焦。

每块子镜上有六个电机是用于移动和旋转镜片的，18块子镜因此能够排列成一整块巨型反射镜的样子。另外，每块子镜上还有一个特殊的“压力”电机，它直接固定在镜片背面中央，并通过六条细长的铍制支杆与镜片边缘相连。压力电机通过向杆和镜片施压，使18块子镜能够具有几乎相同的“曲率中心”，这样它们才能聚焦在同一点，做到真正意义上的像一块镜面一样工作。

看到了这些精巧方便的工程发明，我不禁想起南非大型望远镜（SALT）的拼接子镜来。那是一架位于南非萨瑟兰天文台的10米口径望远镜。几年前，我曾获得附近一架望远镜的观测时间，便顺道去拜访了在SALT工作的同事，并在那里共进晚餐。席间，一名SALT技师告诉我说，他正在调整大望远镜的全部91块子镜，以优化望远镜的表现。为了调整SALT，他必须躺到主镜下面去；他要一一确认每块子镜的6个电机都处在正确的位置上……读者可以想象一下，这样的工作需要花掉他多少时间——而他一直要保持这种难受的姿势！

图5 单块子镜示意图（模型）。

韦布空间望远镜镜片上的电机就不一样了。它也是这架望远镜设计中的新发明之一。它们完全是电动的，能完成完美的光学表现所需的纳米级微小移动。要对这样微小的移动有个概念，我们不妨考虑下一张纸的厚度：那大约是100000纳米。不仅如此，这些电机还必须能够在大量重复工作中表现出极高的可靠性，而且是在极端低温的环境中——仅比绝对零度高出十度！这也带来了大量的工程学难题，因为人们此前从未遇到过这样的环境。飞船上的电子设备通常要保证一定的温度才能工作，一般是在-15°C到55°C之间。但是，韦布空间望远镜的电子设备与望远镜镜片是连接在一起的，因此必须与镜片在同样的温度下工作。

图6 南非大望远镜（SALT）是由91块六角形子镜组成的拼接主镜。可以清楚看到拼接主镜背后复杂的蜂窝状支撑结构。（图片来源：Richard de Grijs）

图7 艺术家绘制的韦布空间望远镜。（图片来源：NASA，Northrop Grumman）

全部132个电机需要大量的电线，其中有的用于供电，有的用于传递电子控制元件发出的信号。为了满足这些复杂的需要，鲍尔航空航天技术公司——NASA在光学技术和轻质镜面系统方面的主要承包商——寻找、测试并鉴定了已有的在30K（-243°C）低温和辐射环境下工作的各种零件，以研制出一种包含22个低温太空飞行电子元件盒的电路结构。每个电子元件盒要能在30K到室温之间的温度范围内工作，每次会从较热的控制元件发出一个信号到一个电机上。要完成这个关键的技术，还需要知道如何合理设计电路以减少电线数量（即减轻重量，这是在一切航天发射中都非常重要的问题！）以及尽量避免较热的控制元件将热量传到望远镜上较冷的地方。鲍尔航天总裁罗伯特·斯特雷恩（Robert Strain）表示：“要真正实现望远镜光学设计所要求的东西，我们需要大量的团队合作。我们期待着最终结果。在这场挑战中，我们看到，揭示宇宙秘密需要地球上困难而惊人的工程技术。”

当韦布空间望远镜在太空中展开反射镜面，并冷却到工作温度后，地面上的工程师将发出命令开动全部电机以对齐所有子镜，这个过程大约需要两个月时间。接着，当“韦布”彻底投入工作，开始科学观测后，镜面的校准将每隔10到14天进行一次。凭借这项新技术，“韦布”将成为第一架在太空中工作的主动控制拼接主镜望远镜。

图8 在进入NASA马歇尔航天中心的X射线-低温设备之前，鲍尔航天的首席光学测试工程师戴夫·查尼（Dave Chaney）在检查第一块镀金子镜。（图片来源：NASA/MSFC/ David Higginbotham）

图9 韦布空间望远镜第一组六块拼接子镜组装完成，准备在NASA马歇尔航天中心（Marshall Space Flight Center，位于美国亚拉巴马州亨茨维尔市）进行最后的低温测试。（图片来源： NASA/Chris Gunn）

韦布空间望远镜将接替预计于2020年退役的哈勃空间望远镜。它将在日地延长线上、近4倍地月距离处的第二拉格朗日点（L2）与地球同步绕日公转，收集有关宇宙起源的信息。（地-月-日系统及L2点的位置图示可参见作者在2011年11月《天文爱好者》上的文章。）为了观测更远的天体，望远镜的口径要做得很大。“我们需要一架主镜直径比最大的火箭还要大的望远镜。”韦布空间望远镜项目科学家马修·格林豪斯（Matthew Greenhouse）说。韦布空间望远镜的预计工作寿命为5到10年，但“韦布”技术项目代理负责人保罗·盖特纳（Paul Geithner）表示，它“比哈勃望远镜的威力强大100倍。它会将‘哈勃’所遗漏的收入囊中。”

绕地球运行的哈勃空间望远镜大小约相当于一辆公共汽车，而韦布空间望远镜将是一架波音737客机的尺寸。“哈勃”的主镜口径为2.4米，比“韦布”的小，视场也比“韦布”小得多。借助这些自动的镜片，“韦布”将对我们宇宙历史的每一个阶段——从大爆炸后的第一束光和早期星系形成，到产生能够支持生命的恒星-行星系统，再到我们自己太阳系的演化——进行研究。

“韦布”的主镜大约共有705千克，在运载火箭中必须要折叠起来才能放下。在发射后六个月的时间里，它将一直处于“调试阶段”，并在一星期之内展开、对齐拼接子镜。同时在“哈勃”工作过的NASA系统工程师迈克·门泽耳（Mike Menzel）表示，六个月调试期过后，望远镜将交给全世界提交了科学研究申请的天文学家进行观测。无疑，这是我们很多人都在热切期待着的！

韦布空间望远镜将于欧洲空间局设在南美洲法属圭亚那的库鲁（Kourou）发射中心发射升空。在制造即将完成的最后一年里，“韦布”将被运送到NASA位于德克萨斯州休斯敦的约翰逊航天中心进行最后的测试和诊断。这架崭新的空间望远镜将很有可能改写天文学和工程学的历史！