12月29日消息，美国宇航局(NASA)的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）目前已经在太空飞行了三天，但其太空之旅中风险最高的部分才刚刚开始。很快，这个望远镜将开始一场精心编排的机械舞，慢慢地改变形状并展开为最终形态，以达到观察遥远宇宙的目的。
图1：韦伯太空望远镜已经发射三天，即将变身为最终形态
这是一种以前从未进行过的反向空间折纸，但对于韦伯望远镜来说，这是完成预期使命所必须的。韦伯望远镜的体型实在太大了，无法在完全展开的情况下搭载任何可操控的火箭发射。因此，在圣诞节搭乘“阿丽亚娜5号”火箭进入太空时，这个望远镜就像瑞士军刀一样被折叠起来。
在接下来的两周时间里，韦伯望远镜将重塑形态，直到它完全配置好可以窥视宇宙最深的部分。韦伯望远镜主承包商诺斯罗普·格鲁曼公司工程师艾米·罗（Amy Lo）解释称：“我们有时称韦伯为‘变形金刚望远镜’。”
展开最终形态是个令人望而生畏的过程，有数百个移动部件需要重新部署，工程师们已经在地面上进行了反复测试，因为它必须毫无瑕疵。但在这个过程中，哪怕是微小的释放机构或滑轮故障都可能会危及整个韦伯望远镜的未来。虽然地面任务控制人员掌握了不少故障排除技术，如果有东西卡住了，他们可以立即介入，但最终必须由望远镜自己完成每一次部署，以接近完美。
图2：韦伯太空望远镜在发射前完全折叠在阿丽亚娜5号火箭的顶部
韦伯望远镜正在前往距离地球约160万公里的最终目的地，目前还没有火箭或飞船可以安全地将宇航员带到如此远的地方，以便对望远镜进行调整。因此，如果韦伯望远镜发生了无法修复的故障，也就意味着这项总共花费97亿美元的任务就此终结。
对于这种规模的任务来说，从来都是非常复杂的。韦伯望远镜的设计师从一开始就知道，他们的设计必须能在太空中展开。早在1996年，当科学家们首次提出制造这样的望远镜时，时任NASA局长丹·戈尔丁(Dan Goldin)就向工程师们提出了挑战，要求他们制造主镜直径达8米的望远镜。最终，设计师们选择了直径6.5米的镜子。
这是因为目前飞行的最大火箭还不够大，无法携带这么大的镜子升空。无论何时向太空发射什么东西，有效载荷都必须安装在火箭的整流罩内。这种设计至关重要，因为它在发射期间覆盖了火箭顶部，可以保护有效载荷不受大气的影响，直到进入太空。然而，整流罩的直径是航天器设计的一个主要限制因素，因为飞行器必须能够装在里面。
图3：韦伯太空望远镜的主镜折叠起来，到太空后才会完全展开
阿丽亚娜5号火箭拥有目前市场上最大的有效载荷整流罩之一，直径为5.4米。但这仍然太小，无法容纳韦伯望远镜的主镜。因此，韦伯望远镜的任务设计者从一开始就将镜子分成几个部分，两边各有两个可以向内和向外旋转的襟翼。这是个重大的设计挑战，因为这些部分需要完美聚合起来，就像完整的镜面，这样才能从遥远的宇宙收集光线。艾米·罗说：“我们从未尝试在太空轨道上展开主镜。”
韦伯望远镜将在发射后12至13天左右展开主镜。但在此之前，它还必须完成一项更复杂的任务，这需要长达6天时间才能完成。这就是望远镜防晒罩的部署，它是一种复杂的设备，旨在阻挡来自太阳的热量，并在太空中帮助望远镜降温。虽然部署过程被设计得十分灵活，可以随着情况变化做出改变，但防晒罩部署的第一步将马上开始，这意味着几乎所有与这项任务相关的人都将在下周屏息等待。
NASA下属戈达德太空飞行中心光学望远镜元件经理李·费恩伯格（Lee Feinberg）表示：“在我们所有的部署中，防晒罩本身是最复杂的，因为它的活动部件最多。”
由于韦伯望远镜的设计方式，防晒罩是必须有的功能。这台望远镜将用红外线观测遥远的恒星和星系，红外线是一种肉眼看不见的光，但任何含有热量的物体都会发出这种光。而为了收集红外光子，韦伯望远镜必须在超低温下工作，低至零下188摄氏度。如果变得太热，望远镜本身可能会发出过多的红外线，这可能会干扰它对宇宙的观测。
图4：韦伯太空望远镜防晒罩的展开和拉紧状态
这个防晒罩为韦伯望远镜提供了良好的防护，它由五层超薄的、名为卡普顿(Kapton)的闪亮材料组成，每一层都有网球场大小。最外层将始终面向太阳，并吸收大部分热量，其运行温度高达100摄氏度。但随后的每一层都会变得越来越冷，这样望远镜上的仪器才能保持良好的低温状态。
防晒罩的热反射膜很是脆弱，需要额外的特殊护理和工程才能将这些层在太空中向外延伸，并将它们拉紧而不会撕裂。费恩伯格说：“有些系统会将这些防护层展开并拉紧它们。这有点儿像船上的风帆，就像你怎么把它在风中展开那样。”
根据NASA的说法，整个过程依赖于数百个不同的移动部件，包括多达140个释放机构、400个滑轮、70个铰链组件和90根缆线。此外，NASA还制定了各种应急计划，以防部署不能按预期进行。NASA可以选择向望远镜重新发送命令，以防第一个命令失效。工程师们还尽可能多地在望远镜中增加冗余能力，比如有多个电路可以执行相同的任务，以防主电路不能正常启动。
但有些时候真的没有后备选择。在整个部署过程中，有300多个事件可被称为“单点故障”。这些部署工作必须按设计进行，因为它们不能用冗余构建的方式增大成功几率。不过，NASA对应对单点故障并不陌生。今年2月将毅力号降落在火星上时，着陆序列中存在着大约100个单点故障，但整个着陆过程完美无暇。
此外，NASA和诺斯罗普·格鲁曼公司在过去的两到三年里已经在地面上测试了韦伯望远镜的各种部署情况，为最终任务进行了错综复杂的演练。在将每个组件添加到望远镜上之前，都首先在地面上单独测试了几十次。然后，韦伯望远镜作为整体被多次折叠和展开。
韦伯望远镜与其前身哈勃太空望远镜最大的区别之一在于，它无法进行调整和维修。不过，NASA确实进行了设计改进，以防该机构将来对望远镜进行调整。这个望远镜背面包括十字架形状的贴纸，它们将作为目标，帮助引导机器人前往。NASA将来可能会向韦伯望远镜发送维修设备，为其储罐添加更多推进剂，延长它在太空中的停留时间。如果发生这种情况，这些贴纸将提供参考点，说明来访的机器人应该连接到哪里来加注推进剂。
然而，NASA现在还没有人考虑过这样的加油任务。相关的每个人都在专注于部署。一旦望远镜在接下来的两周内完全展开，其在深空旅行过程中仍有大量工作要做。NASA将继续对韦伯望远镜的镜头进行微调，以确保它们都能按预期对齐。然后在发射后大约29天，韦伯望远镜将启动推进器，使其进入深空的最后位置。
直到那时，韦伯望远镜的工作才刚刚开始。任务控制人员随后将测试和校准望远镜上的所有仪器，以确保它们正常工作。这一过程将需要几个月的时间，科学操作计划将在明年夏天的某个时候开始。（小小）
本文来源：网易科技报道
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