詹姆斯·韦伯望远镜是怎样成为“鸽王”的

2022-01-23杜骏豪

太空探索 2022年1期

文/杜骏豪

大名鼎鼎的詹姆斯·韦伯空间望远镜肩负着人类太多期望，它成功部署后将极大推动人类对宇宙的认知。然而，从最初5 亿美元的预估成本，到如今接近100 亿美元的巨额支出，韦伯空间望远镜获得了“吞噬天文学的望远镜”称号。从最初预计2005 年发射升空，到如今2021 年底才上天，十几次推迟使它成为航天界知名“鸽王”之一。是什么原因使它一步步坠入这座时间与金钱的深渊？

▲ 韦伯望远镜在轨工作示意图

前瞻：下一代空间望远镜

前瞻性是推动人类社会发展的重要思维方式。早在哈勃空间望远镜发射前，科学家们就已经在畅想未来了——“哈勃”退役后，下一代空间望远镜是什么样的？

1989 年9 月，距离“哈勃”发射还有半年时间，美国空间望远镜研究所和美国宇航局汇集了130 多名天文学家和工程师，共同主办了“下一代空间望远镜”研讨会。会议研究分析了2005 年在高地球轨道上建造10 米口径近红外望远镜或在月面建造16 米口径望远镜的可行性。“哈勃”发射后，科学家发现“哈勃”的能力依然有限，不能看到宇宙诞生最初5 亿年的中红外波段影像。1996 年，由天文学家艾伦·德雷斯勒领导的委员会向美国宇航局正式提议研制一款红外空间望远镜，以弥补“哈勃”的不足，其设计指标是能够看到130 亿年前宇宙诞生的“第一缕曙光”。

▲ 坐在双子座载人飞船中的詹姆斯·韦伯

时任美国宇航局长的丹尼尔·戈尔丁非常感兴趣，经过初步研究，他们确定了“下一代空间望远镜”的技术指标：主镜直径8 米、镜面材料为轻质金属铍、工作温度低至-223℃、工作轨道位于日地拉格朗日L2 点，这些初期设计指标与如今完工的韦伯望远镜几乎完全一致。

天文学家们也曾对如此激进的设计指标产生质疑，这会带来极高的研发成本。与此同时，丹尼尔·戈尔丁在担任美国宇航局局长一职时实行“更快、更好、更便宜”的发展战略，以更快的制造速度、更低的制造成本来完成一些更鼓舞人心的任务。在这种战略领导的思维方式下，人们预估“下一代空间望远镜”的成本只有约5 亿美元，发射时间预计为2007 年到2011 年，这一成本与时间在当时还可以接受。

起初这一战略似乎奏效了：1997年的火星探路者任务、1998 年的月球勘探者任务均大获成功。然而在1999年，广域红外探测器一经发射，携带的制冷剂就因低级失误而泄漏得一干二净，探测器接近报废；两个火星任务——火星气候探测器、火星极地着陆器也均因低级失误造成了灾难性损失，颗粒无收。事实证明，“更快、更便宜”的同时并不能做到“更好”。

此后美国宇航局便对探测器的制造过程加以严格约束，以尽量保证任务不会出差错，随之而来的就是成本升高。这种战略性转变使韦伯望远镜的成本升至10 亿美元以上，主镜直径也从8 米减少到6.5 米，以降低成本。另外，额外的测试表明这部望远镜似乎不可能在2011 年前发射升空了。

此时的人们还没有意识到事情的严重性与复杂性：更强劲的望远镜要求有更高的品控，更高的品控带来更高的成本，更高的成本决定了这一款望远镜的性能必然更加强劲——他们已经陷入了一个“死循环”。

新的世纪，新的希望

▲ 韦伯望远镜的首层隔热罩

▲ 阿里安5 号运载火箭发射韦伯望远镜示意图

人们怀着满腔热情迎来了崭新的21世纪。2002年，“新一代空间望远镜”以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯命名。在他的带领下，美国实现了阿波罗载人登月的壮举。从此，全世界都在等待着这部叫做“詹姆斯·韦伯”的巨大空间望远镜升空。

在新世纪的前几年里，望远镜团队一直在为韦伯望远镜的可行性进行论证。为了提高望远镜分辨率，他们设计了巨大的可折叠主镜；为了降低温度，他们设计了与网球场差不多大但与头发丝差不多薄的巨大隔热罩；为了产出质量更高的观测数据，他们设计了四款极其先进的红外镜头或光谱仪载荷。2004 年，整部望远镜难度最大、要求最高的核心部件开始投入前期生产，包括18 面主镜以及四款科学载荷，此时其预期成本约16 亿美元。

▲ 《自然》杂志给出的2011 年之前的韦伯望远镜经费与美国宇航局天体物理学研究总经费对比图

▲ 2013 年，韦伯望远镜团队与韦伯望远镜全尺寸模型合影

▲ 2013 年准备进行第一次热真空测试的综合科学仪器模块

2005 年，美国与欧空局达成协议，将使用一枚欧空局的阿里安5 号火箭发射韦伯望远镜。2007 年，整个韦伯望远镜的大部分核心设计通过了前期的审查，标志着韦伯望远镜的详细设计、采购、组装和测试正式开始。然而，人们依然低估了韦伯望远镜的制作难度，其预算大大低于韦伯望远镜的实际成本。仅仅在这前期的技术论证环节，韦伯望远镜就烧掉了20 亿美元，额外的测试环节也使发射时间推迟到了2014 年。

起死回生

任务推进过程中的成本和测试时间问题逐渐凸显，2010 年11 月，新的统计显示韦伯望远镜的总成本增长到50 亿美元，发射时间不早于2015年9 月，比计划又推迟了一年多。《自然》杂志刊文将韦伯望远镜称为“吞噬天文学的望远镜”，因为其巨额的开销已经影响到了其他天体物理学研究任务的经费。

2011 年7 月，美国国会议员投票决定将从美国宇航局的2012 年预算中削减19 亿美元，以取消韦伯望远镜计划——此时其总成本飙升到了65 亿美元，且发射时间推迟到了2018 年。国会指责该局成本的飙升并非遇到了技术问题，而是管理方式出现了失误。这是整个韦伯望远镜从规划以来面临的最大挑战，难道已经进行了十余年的前期论证、已经完成基本设计的主镜与科学载荷、已经投入的几十亿美元都付诸东流了吗？

政客认为韦伯望远镜是毫无意义的烧钱无底洞，但是抱有理想的科学家们仍视之为珍宝，他们实在不忍心放弃“韦伯”这款史上最强劲的望远镜。经过一番斡旋，2011 年11 月美国宇航局与众议院和参议院达成共识：众议院取消韦伯望远镜计划的提议被取消，但妥协的代价是该计划的支出只能限制在80 亿美元以下。美国宇航局表示将推迟其他计划，诸如缩减商业载人飞船的研发支出，以确保望远镜在2018 年发射。

▲ 六片主镜片正在进行-220℃左右的低温测试

没有B 计划

韦伯望远镜的建造过程要同时保证其高性能与高质量。哈勃空间望远镜运行于600 千米高的近地轨道，如果有故障可以派航天员前去维修，而韦伯空间望远镜将会运行在距离地球150 万千米远的日地拉格朗日L2 点，发射后一旦出现故障将是不可挽回的损失，没有B 计划作为退路。

▲ 正在进行测试的一片隔热罩

因此，韦伯望远镜的各个器件都在极高的标准下进行生产，并在极其严苛的条件下进行测试。2011 年，第一面六边形主镜生产完毕，总耗时6年之久。主镜的品控要求极高，每面六边形主镜可以允许的最大起伏仅为25 纳米，如果把这面镜片放大到月球的大小，其最大起伏将不能超过8 厘米。

2012 年到2014 年，四款科学载荷依次完成生产，共同组装为综合科学仪器模块(ISIM)并进入测试环节，在戈达德空间环境模拟器中进行了数次低温测试及真空测试。2015 年，主镜的18 片六边形镜片全部完成生产。2016 年底，整部望远镜的主要结构均完成了生产，随后便是漫长的振动、低温等测试环节。2017 年，光学望远镜模块整体进行了长达100 天的低温测试，以确保其所有系统在类似的太空环境中能够正常运行。

▲ 正在拼装的最后一片主镜，照片均为主镜的黑色背面

地面严苛的测试的确是有益的。2018 年3 月，韦伯望远镜的隔热罩在进行展开测试时撕裂了，美国宇航局不得不进一步将发射计划推迟至少3个月。当年4 月，对隔热罩的进一步振动测试表明隔热罩产生了两倍于预期的振动，测试结束后发现1000 颗螺丝中的20 颗出现了松动。与此同时，粗心的工作人员也带来了麻烦，在清洁望远镜时工作人员使用了错误的溶剂，另外还错误接线导致望远镜承受了过高的电压。

总而言之，一年内螺丝松动、溶剂误用、接线错误这3 个失误使韦伯望远镜的发射时间进一步推迟了1.5年，并且多烧掉了大约6 亿美元的测试经费。该局不得不出面说明，80 亿美元的经费肯定不够用了，2018 年发射的承诺也已无法实现——发射日期再次被推迟到2020 年5 月。

▲ 发射韦伯望远镜的阿里安5 号火箭芯一级

气氛再次紧张焦灼起来，2018年一份审查报告显示，韦伯望远镜可能会出现344 种不同的故障——这对于任何航天任务来说都是一个可怕的数字。哈佛大学的天体物理学家格兰特·特伦布莱表示，这意味着如果某个金属支柱发生故障，或者一根电缆卡住，“我们就会得到一张价值100亿美元的废纸。”根据这一审查报告，美国宇航局对韦伯望远镜进行了系统性的排查与测试，并将望远镜总成本控制在88 亿美元，发射时间进一步延后为2021 年3 月30 日。

新冠肆虐，海盗猖獗

美国宇航局着手对各项可能出现的故障一一排除时，却又赶上了肆虐全球的新冠肺炎疫情。为了满足疾病控制与预防中心的政策要求，2020年3 月份美国宇航局不得不暂停了韦伯望远镜的几项关键测试工作。同时，该局也出现了人手不足的情况，只能将主要精力集中于2020 年的毅力号火星车任务上。就这样，“韦伯”的发射日期被推迟到了2021 年10 月31 日。

美国宇航局在疫情影响下艰难地完成了韦伯望远镜发射前的最后几项任务，成功进行了最终的折叠与打包工作。然而其发射工作再次因为3 条其他原因被推迟到至少2021 年11 月底，这次与望远镜本身无关。

首先，问题出在火箭身上。2020年8 月“阿里安5 号”执行两颗通信卫星的发射任务时，工作人员发现火箭的整流罩异常，分离似乎并不完全。此外，在2020 年2 月的发射任务中，飞行引起的振动高于常值。这都对“韦伯”的发射产生了潜在威胁。美国宇航局将发射时间推迟到至少2021 年11 月底，并要求阿里安公司通过重新设计以解决以上问题。欧空局在“韦伯”发射之前的2021 年7 月31 日、10 月24 日成功发射了两枚改进后的阿里安5 号火箭，发射证明相关问题得到了解决。

▲ 韦伯望远镜的主镜细节，极尽规整

其次，库鲁航天发射场的疫情形势也不容乐观。法属圭亚那尚未广泛接种疫苗，如果疫情形势进一步恶化，可能会拖延韦伯望远镜在发射场相关准备工作的进度。

▲ 2021 年10 月18 日，“韦伯”运抵圭亚那发射场

最后，由于发射场位于南美洲，把望远镜从美国千里迢迢运输到发射场要16 天的时间，同时还有一个最大的威胁等着他们——海盗。海盗大概不会忽略这一块价值100 亿美元的肥肉，很可能将运输船劫持。这并非空穴来风，早在1982 年一台名叫JCMT的望远镜在运到英国的路上就被劫持了。为了应对此事，美国宇航局始终对“韦伯”的具体运输日期缄口不言，同时叫来美国海军保驾护航。“韦伯”最终于2021 年10 月18 日安全运抵法属圭亚那库鲁航天中心，并将发射日期定为2021 年12 月18 日。