“詹姆斯·韦伯”：到底要烧掉多少钱？

文/太空精酿

▲ 詹姆斯·韦伯是美国宇航局历史上的核心人物之一

▲ “詹姆斯·韦伯”看起来犹如太空中的一艘巨型战舰

2018年3月27日，预算已经高达88亿美元的詹姆斯·韦伯空间望远镜又宣布延期到2020年5月才可能发射。考虑到其间的天价延期成本和可能的改进测试，估计总预算直逼100亿美元。

这比起它在1997年被批准时的5亿美元预算、2007年发射的初步版本预算，已经相距甚远，从一个不起眼的小望远镜完全变成了一个载入人类史册的重大项目！

这个望远镜的名字来自美国宇航局的第二任局长詹姆斯·韦伯。他的任期是1961-1968年，任内该局拿到了历史上最多的资金，最高时在1966年达到整个联邦预算的4.4%，这个比例几乎是现在的10倍。那个年代，美国宇航局实施了水星计划、双子座计划、阿波罗登月计划、先锋计划、水手/旅行者计划，可谓风光无限。詹姆斯·韦伯在美国宇航局历史上的地位可见一斑，以他名字命名这个伟大的探测器合情合理。

这几年内，詹姆斯·韦伯项目组开了无数次新闻发布会，而所有的新闻发布会如果总结为15个字的话：大家好，有进展，要延期，没钱了，快打钱。

美国宇航局出现罕见的慎之又慎，也因为它是人类有史以来最高大上的空间望远镜！它的最核心任务是：寻找宇宙的边界，也就是宇宙最初期大爆炸后残留的红外线。人类目前了解到的宇宙历史为138亿年，“詹姆斯·韦伯”的发射极有可能找到大爆炸之后宇宙的最深奥秘。

它是目前仅次于阿波罗登月、航天飞机、国际空间站和GPS项目的人类第五大航天项目，而且它虽然只有一个航天器，造价却已经逼近100亿美元。比起之前这四个任务数十次到数百次发射分摊风险，但依然存在不可避免的发射失败，对“詹姆斯·韦伯”而言，基本意味着必须成功。

在设计方面，这么多资金投入当然也为了实现诸多黑科技。

▲ “詹姆斯·韦伯”空间位置示意图

高难度的轨道

由于理论上说“詹姆斯·韦伯”任何一个部件都会辐射出红外信号产生干扰，所以这个望远镜必须温度极低以减少影响，低到接近绝对温度（-273摄氏度）的零下220度。同时为了最大限度的收集红外信息，就需要超高反射率和超大的“镜子”，还需要尽量回避宇宙中干扰的热源，比如地球和太阳；也要回避地球附近的宇宙尘埃。因此，“詹姆斯·韦伯”的最佳观测点是处于日地引力平衡的拉格朗日2点，距离地球150万公里（月球距离地球不过38万公里），躲在地球背后。这个引力平衡点轨道稳定，也远离热源太阳和地球。

但这也意味着任务必须一次成功，不存在修理的可能性。像哈勃空间望远镜那种本来不能用，慢慢修好的可能性是不存在的。

超级精密的镜子

▲ 这是人、哈勃空间望远镜的主镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜主镜的大小对比

由于“詹姆斯·韦伯”镜面设计要求是6.5米口径，而这个大小超过了火箭发射的尺寸限制，所以选择方案是加工成18面一模一样的六边形，折叠起来再展开。普通镜面材料根本不行，因为温度变化导致变形，更何况零下220度。而且在反射电磁波的时候材料都会吸收掉一些能量（例如黑衣服白衣服区别），必须用抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、密度低的材料。最后选择了碱土金属铍，这是军工行业极为重要的金属，是洲际导弹的导航设备等核心原料。镜面的加工精度要求是：抛光误差不超过10纳米，每块镜片还能随意调整角度，调整精度不超过10纳米！10纳米大概相当于几十个铍原子摆在一起的宽度。

超级遮阳板

尽管已经远离热源，但还要尽力遮住可能的外界能量，比如地球辐射。然后“詹姆斯·韦伯”就要打着这么一把五层的“遮阳伞”。

▲ 遮阳板实际大小

在测试中，这把伞从正面到背面，可以将辐射温度降低300摄氏度以上。它完全展开时长宽占地大小有300平方米左右，但即便这么大，每层的厚度其实才25微米或50微米（第一层），这已经包括了镀的硅膜和铝膜。

要知道，人的头发直径还有80微米～100微米，而考虑到这么薄的一层要做到这么大，真是不可思议。这恐怕也是人类历史上最厉害的一个遮阳板。

但请别忘了，无论是镜子还是遮阳板，都是需要先叠在一起塞进火箭里，然后进入太空后才慢慢展开的。也就是说经历了剧烈的火箭发射和非常大的温度变化后，它们要在太空中实现前文说到的10纳米和25微米精度，这就导致一切极其艰难。

▲ 摔倒在地上的NOAA19卫星

▲ 在地面上通过庞大的机械臂吊装测试

这个遮阳板到了太空中可没有这些大型机械臂辅助，就得靠自带器件缓慢展开这一层层庞然大物。凭借上面绑了100个小型拖车，把这庞然大物缓缓拖开，并在经历剧烈火箭震动和恶劣太空环境后，实现夸张的精度。

为了确保任务成功，“詹姆斯·韦伯”依然处在一轮又一轮复杂测试过程中。而且，对于大型任务而言，任务延期也是极其正常的事情。罗塞塔号探测器原本计划探测的并不是后来的丘留莫夫－格拉西缅科彗星，纯粹因为被各种延期而不断修改探测目标。毕竟彗星不等人，一直在太阳系内飞行，如果错过了时间窗口就只能更换目标。

而在2018年5月初的一次测试中，工程师们发现了一些目前还不知道从哪里掉下来的螺钉，估计让这个望远镜的延期之路又要延长了。

历史上这种小事情导致的重大灾难可不少。美国宇航局和洛·马公司曾经在2003年9月6日对NOAA-19卫星的测试中犯过一次重大失误：由于前一批测试人员在移除一些螺钉后并未及时写进文档备案，导致后一批测试时卫星直接摔到地上，产生严重故障。毕竟这是一颗价值2.9亿美元的卫星，后续维修的成本与再造一颗几乎无异。因此，等待更加昂贵的詹姆斯·韦伯空间望远镜踏上征途，我们还需要耐心。

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空间望远镜种种

对于人类和地球上的其他生物来说，大气层是维系生存的必要条件。而对于天文学研究来说，大气层却会给天文学研究增添不少麻烦。

γ射线和X射线等波段的信号不能穿透大气层，无法在地面上进行观测；而大气层能够投射的可见光等波段的信号，还会受到大气湍动等作用的干扰。此外，地面上人类活动制造的人造光源也会对天文观测造成干扰。如果将望远镜装在航天飞行器上，发射到太空之外，避开大气层和人类活动的干扰，则会为天文观测带来极大的便利。

目前，知名度最高的空间望远镜当属1990年发射的哈勃空间望远镜，它的观测波段为近红外波段、可见光波段和紫外波段。“哈勃”获取的观测数据极大地推进了人类对恒星演化、宇宙年龄、黑洞性质等方面的认识。目前，“哈勃”已经处于超期服役状态，美国宇航局的下一代大型空间望远镜詹姆斯·韦伯即将接替“哈勃”的任务。

前文中提到的开普勒空间望远镜和凌日系外行星巡天空间望远镜是工作在可见光波段。此外，还有对γ射线波段、微波波段、射电波段信号进行探测的空间望远镜。中国在2017年发射的“慧眼”号，是工作在硬X射线波段的空间望远镜，能够进行与引力波相关的科学探测。

（小超）