美國(guó)宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡從南美洲東北海岸的法屬圭亞那起飛，搭乘歐洲的阿麗亞娜火箭飛向圣誕節(jié)早晨的天空。

這意味著世界上最大、最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡將開始觀察來自第一批恒星和星系的光，并在宇宙中尋找生命的跡象。

“真是一份很棒的圣誕禮物，”美國(guó)宇航局科學(xué)任務(wù)經(jīng)理托馬斯·祖布臣(Thomas Zurbuchen) 說。

展望未來：下一代太空望遠(yuǎn)鏡

遠(yuǎn)見是推動(dòng)人類社會(huì)發(fā)展的重要思維方式。早在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，科學(xué)家們就已經(jīng)在想象未來了。 —— 哈勃退役后，下一代太空望遠(yuǎn)鏡會(huì)是什么樣子？

1989年9月，也就是哈勃發(fā)射前半年，太空望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）和NASA聚集了130多名天文學(xué)家和工程師，共同主辦了“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”研討會(huì)。會(huì)議研究分析了2005年在高地球軌道建造10米近紅外望遠(yuǎn)鏡或在月球建造16米望遠(yuǎn)鏡的可行性。哈勃發(fā)射后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)哈勃的能力仍然有限，看不到任何東西。宇宙最初5 億年的中紅外圖像。 1996年，以天文學(xué)家艾倫·德雷斯勒為首的一個(gè)委員會(huì)正式向NASA提出開發(fā)紅外太空望遠(yuǎn)鏡，以彌補(bǔ)哈勃的缺陷。它的設(shè)計(jì)指標(biāo)是能夠看到130億年前的宇宙。誕生的“第一道光”。

時(shí)任美國(guó)宇航局局長(zhǎng)丹尼爾·戈?duì)柖?duì)此非常感興趣。經(jīng)過初步研究，他們確定了“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”的技術(shù)指標(biāo)：主鏡直徑8米，鏡面材料為輕質(zhì)金屬鈹。工作溫度低至-223，工作軌道位于日地拉格朗日L2點(diǎn)。這些最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)與現(xiàn)在完成的韋伯望遠(yuǎn)鏡幾乎相同。

天文學(xué)家也質(zhì)疑如此激進(jìn)的設(shè)計(jì)規(guī)范，這將帶來極高的研發(fā)成本。與此同時(shí)，丹尼爾·戈?duì)柖≡趽?dān)任NASA局長(zhǎng)時(shí)實(shí)施了“更快、更好、更便宜”的開發(fā)策略，用更快的制造速度和更低的制造成本完成了一些更鼓舞人心的項(xiàng)目。任務(wù)。在這種領(lǐng)導(dǎo)戰(zhàn)略思維下，預(yù)計(jì)“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”的成本僅為5億美元左右，預(yù)計(jì)發(fā)射時(shí)間為2007年至2011年，這個(gè)成本和時(shí)間在當(dāng)時(shí)是可以接受的。

起初，這一策略似乎奏效了：1997 年的火星探路者任務(wù)和1998 年的月球勘探者任務(wù)都取得了巨大成功。然而，1999年，廣視場(chǎng)紅外探測(cè)器一經(jīng)推出，就因低級(jí)錯(cuò)誤導(dǎo)致其攜帶的制冷劑全部泄漏，探測(cè)器瀕臨報(bào)廢；兩次火星任務(wù)——號(hào)火星氣候探測(cè)器和火星極地著陸器也因低級(jí)失誤造成災(zāi)難性損失，無所得。事實(shí)證明，“更快、更便宜”不可能同時(shí)是“更好”。認(rèn)真、周到、可靠、萬無一失，才是航天領(lǐng)域應(yīng)有的態(tài)度。

此后，NASA對(duì)探測(cè)器的制造工藝進(jìn)行了嚴(yán)格限制，試圖確保任務(wù)不會(huì)出錯(cuò)，成本也隨之增加。這一戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變使韋伯望遠(yuǎn)鏡的成本推高至10億美元以上，主鏡直徑從8米縮小到6.5米以降低成本。此外，額外的測(cè)試表明該望遠(yuǎn)鏡似乎不太可能在2011 年之前發(fā)射。

這時(shí)，人們還沒有意識(shí)到事情的嚴(yán)重性和復(fù)雜性：更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡需要更高的質(zhì)量控制，更高的質(zhì)量控制帶來更高的成本，而更高的成本決定了這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量。 ——的性能肯定更強(qiáng)大。他們已經(jīng)陷入了“死循環(huán)”。

新世紀(jì)，新希望

人們正以飽滿的熱情迎接新的21世紀(jì)。 2002年，“新一代太空望遠(yuǎn)鏡”以NASA第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋伯的名字命名。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)宇航局實(shí)現(xiàn)了阿波羅載人登月的壯舉。此后，全世界都在等待這臺(tái)名為“詹姆斯·韋伯”的巨型太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射。

新世紀(jì)最初幾年，望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)一直在論證韋伯望遠(yuǎn)鏡的可行性。為了提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)巨大的可折疊主鏡；為了降低溫度，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)巨大的隔熱罩，大約有一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)那么大，但大約只有頭發(fā)絲那么細(xì)；為了產(chǎn)生更高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，他們?cè)O(shè)計(jì)了四個(gè)極其先進(jìn)的紅外鏡頭或光譜儀有效載荷。 2004年，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡難度最大、要求最高的核心部件開始投入預(yù)生產(chǎn)，包括18塊主鏡和4個(gè)科學(xué)有效載荷。此時(shí)，其預(yù)計(jì)成本約為16億美元。

2005年，NASA和ESA達(dá)成協(xié)議，使用ESA阿麗亞娜5號(hào)火箭發(fā)射韋伯望遠(yuǎn)鏡。 2007年，整個(gè)韋伯望遠(yuǎn)鏡的大部分核心設(shè)計(jì)通過了初步審查，標(biāo)志著韋伯望遠(yuǎn)鏡的詳細(xì)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、組裝和測(cè)試工作正式開始。然而，人們?nèi)匀坏凸懒隧f伯望遠(yuǎn)鏡的制作難度，其實(shí)際成本大大超出了韋伯望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算。僅在這個(gè)早期技術(shù)演示階段，韋伯望遠(yuǎn)鏡就燒掉了20 億美元，額外的測(cè)試階段也將發(fā)射推遲到2014 年。

復(fù)活

隨著任務(wù)的進(jìn)展，成本和測(cè)試時(shí)間的問題逐漸變得明顯。 2010年11月，新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，韋伯望遠(yuǎn)鏡的總成本已增至50億美元，發(fā)射時(shí)間將不早于2015年9月，比原計(jì)劃晚了一年多。《自然》 一篇雜志文章將韋伯望遠(yuǎn)鏡稱為“吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡”，因?yàn)槠渚薮蟮某杀居绊懥似渌祗w物理研究任務(wù)的資助。

2011年7月，美國(guó)議員投票決定從NASA 2012年預(yù)算中削減19億美元，取消韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目——。此時(shí)，其總成本飆升至65億美元，發(fā)射推遲至2018年。國(guó)會(huì)將NASA成本飆升歸咎于不技術(shù)問題，但管理失誤。這是整個(gè)韋伯望遠(yuǎn)鏡自規(guī)劃以來面臨的最大挑戰(zhàn)。難道十幾年的前期論證、主鏡和科學(xué)載荷的基本設(shè)計(jì)以及投入的數(shù)十億美元都白費(fèi)了？

政客們認(rèn)為韋伯望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)毫無意義的無底洞的金錢，但有理想的科學(xué)家仍然將其視為寶藏。他們實(shí)在不忍心放棄韋伯這個(gè)史上最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過一番斡旋，NASA于2011年11月與參眾兩院達(dá)成共識(shí)：眾議院關(guān)于取消韋伯望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的提議被取消，但妥協(xié)的代價(jià)是該計(jì)劃的支出只能被限制在80億美元以內(nèi)。 NASA表示，將推遲其他計(jì)劃，例如減少商業(yè)載人航天器的研發(fā)支出，以確保望遠(yuǎn)鏡能夠在2018年發(fā)射。

沒有B計(jì)劃

韋伯望遠(yuǎn)鏡的建造過程必須確保高性能和高質(zhì)量。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在高度600公里的近地軌道上運(yùn)行。如果出現(xiàn)故障，可以派宇航員去修復(fù)，而韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將在距離地球150萬公里的日地拉格朗日L2點(diǎn)運(yùn)行，發(fā)射一旦出現(xiàn)故障，將是無法挽回的損失，并且沒有B計(jì)劃作為退路。

因此，韋伯望遠(yuǎn)鏡的每個(gè)部件都按照極高的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并在極其惡劣的條件下進(jìn)行測(cè)試。 2011年，第一塊六邊形主鏡誕生，總共耗時(shí)六年。主鏡的質(zhì)量控制要求極高。每個(gè)六邊形主鏡的最大允許波動(dòng)僅為25納米。如果把這個(gè)鏡頭放大到月亮大小，它的最大波動(dòng)不會(huì)超過8厘米。

2012年至2014年，4個(gè)科學(xué)載荷依次生產(chǎn)，組裝成綜合科學(xué)儀器模塊（ISIM）并進(jìn)入測(cè)試階段。在戈達(dá)德空間環(huán)境模擬器中進(jìn)行了多次低溫試驗(yàn)和真空試驗(yàn)。 2015年，主鏡18片六角鏡片全部生產(chǎn)完成。 2016年底，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的主體結(jié)構(gòu)制作完成，隨后進(jìn)行了振動(dòng)、低溫等長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試。 2017年，整個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊進(jìn)行了100天的低溫測(cè)試，以確保其所有系統(tǒng)能夠在類似的太空環(huán)境中正常運(yùn)行。

嚴(yán)格的實(shí)地測(cè)試確實(shí)是有益的。 2018年3月，韋伯望遠(yuǎn)鏡的隔熱罩在部署測(cè)試中撕裂，NASA不得不將發(fā)射計(jì)劃進(jìn)一步推遲至少三個(gè)月。同年4月，對(duì)隔熱罩的進(jìn)一步振動(dòng)測(cè)試表明，隔熱罩的振動(dòng)程度是預(yù)期的兩倍。測(cè)試結(jié)束時(shí)，發(fā)現(xiàn)1000顆螺絲中有20顆松動(dòng)。同時(shí)，粗心的工人造成了不必要的麻煩，在清潔望遠(yuǎn)鏡時(shí)使用了錯(cuò)誤的溶劑，以及錯(cuò)誤的接線使望遠(yuǎn)鏡暴露在過高的電壓下。

總而言之，一年內(nèi)螺絲松動(dòng)、溶劑誤用、接線錯(cuò)誤等三個(gè)錯(cuò)誤進(jìn)一步將韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射推遲了1.5年，并額外消耗了約6億美元的測(cè)試資金。 NASA不得不出面解釋，80億美元的資金肯定不夠，2018年發(fā)射的承諾已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。 ——的上市日期再次推遲至2020年5月。

氣氛再次變得緊張和焦灼。 2018年的一份審查報(bào)告顯示，韋伯望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)經(jīng)歷344次不同的故障，即——次，這對(duì)于任何太空任務(wù)來說都是一個(gè)可怕的數(shù)字。哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家格蘭特·特倫布萊(Grant Tremblay) 表示，這意味著如果金屬支柱失效或電纜卡住，“我們就會(huì)留下價(jià)值100 億美元的廢紙?！奔?。 “根據(jù)這份審查報(bào)告，NASA對(duì)韋伯望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了系統(tǒng)的檢查和測(cè)試，將望遠(yuǎn)鏡的總成本控制在88億美元，并將發(fā)射日期進(jìn)一步推遲至2021年3月30日。

新冠疫情肆虐，海盜猖獗

正當(dāng)NASA開始一一排除所有可能的失敗時(shí)，卻趕上了正在全球肆虐的新冠病毒大流行。為了響應(yīng)美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心的政策，NASA不得不暫停2020年3月韋伯望遠(yuǎn)鏡的多項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試。同時(shí)NASA也人手緊缺，他們只能專注于毅力號(hào)火星車任務(wù)2020年。這樣一來，韋伯的發(fā)射日期就被推遲到了2021年10月31日。

NASA在疫情影響下奮力完成韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前的最后幾項(xiàng)任務(wù)，并成功進(jìn)行了最后的折疊和包裝工作。然而，由于其他三個(gè)原因，它的發(fā)射再次被推遲到至少2021 年11 月底，這一次與望遠(yuǎn)鏡本身無關(guān)。

首先，問題出在火箭隊(duì)。 2020年8月阿麗亞娜5號(hào)執(zhí)行兩顆通信衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)時(shí)，工作人員發(fā)現(xiàn)火箭整流罩異常，分離似乎不完全。此外，在2020 年2 月的發(fā)射任務(wù)期間，飛行引起的振動(dòng)高于正常水平。這對(duì)韋伯的發(fā)射構(gòu)成了潛在威脅。 NASA已將發(fā)射推遲到至少2021年11月底，并要求阿麗亞娜通過重新設(shè)計(jì)解決上述問題。歐空局于2021 年7 月31 日和10 月24 日在韋伯發(fā)射之前成功發(fā)射了兩枚改進(jìn)型阿麗亞娜5 號(hào)火箭。兩次發(fā)射證明相關(guān)問題已得到解決。

其次，庫(kù)爾盧航天發(fā)射場(chǎng)疫情形勢(shì)不容樂觀。法屬圭亞那尚未廣泛接種疫苗。如果疫情惡化，可能會(huì)推遲發(fā)射場(chǎng)韋伯望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)備工作進(jìn)度。

最后，由于發(fā)射場(chǎng)位于南美洲，將望遠(yuǎn)鏡從千里之外的美國(guó)運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場(chǎng)需要16天的時(shí)間。與此同時(shí)，還有最大的威脅在等待著他們：——名海盜。海盜們恐怕不會(huì)忽視這塊價(jià)值100億美元的肉，很可能會(huì)劫持運(yùn)輸船。這并非空穴來風(fēng)。早在1982年，一架名為JCMT的望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)往英國(guó)的途中被劫持。針對(duì)此事，NASA對(duì)韋伯的具體運(yùn)輸日期保持沉默，并呼吁美國(guó)海軍護(hù)航。韋伯望遠(yuǎn)鏡最終于2021年10月18日安全運(yùn)抵法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心，發(fā)射日期定為2021年12月18日。

本性難以改變

韋伯在庫(kù)魯航天中心的準(zhǔn)備工作進(jìn)展順利。人們相信這架望遠(yuǎn)鏡最終會(huì)準(zhǔn)時(shí)，將于2021年12月18日如期發(fā)射。然而，阿麗亞娜的工作人員再次制造麻煩，導(dǎo)致計(jì)劃中的韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射再次推遲。

當(dāng)工作人員將韋伯望遠(yuǎn)鏡連接到運(yùn)載火箭適配器時(shí)，運(yùn)載火箭適配器上固定韋伯的夾子突然意外松動(dòng)，導(dǎo)致整個(gè)望遠(yuǎn)鏡發(fā)生振動(dòng)。 NASA立即對(duì)韋伯望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行調(diào)查并進(jìn)行了額外測(cè)試，以防止這一惡性事件對(duì)望遠(yuǎn)鏡造成損壞。

值得慶幸的是，這次震動(dòng)沒有造成任何破壞性影響。韋伯號(hào)的發(fā)射日期僅推遲四天，加注工作正常進(jìn)行，發(fā)射時(shí)間重置為北京時(shí)間2021年12月22日20時(shí)20分。

然而，在世人寄予厚望的目光下，《鴿王》推遲至12月15日，比原定推出日期提前了一周。歐洲航天局表示，發(fā)射將再次推遲。原因是望遠(yuǎn)鏡和火箭之間的問題需要解決。由于通訊問題，發(fā)射時(shí)間再次重置為2021年12月24日XX時(shí)間。22日，發(fā)射場(chǎng)工作人員發(fā)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)天氣實(shí)在惡劣，無法進(jìn)行火箭垂直轉(zhuǎn)移出去。發(fā)射時(shí)間又推遲了24小時(shí)，目標(biāo)是在西方圣誕節(jié)12月25日20點(diǎn)20分發(fā)射。

24日，發(fā)射場(chǎng)天氣好轉(zhuǎn)?；鸺K于滾出組裝車間，在地面上走完最后一段路程，前往發(fā)射臺(tái)加油等待發(fā)射。

連續(xù)十幾年成為“鴿王”的韋伯望遠(yuǎn)鏡最終還是一再推遲發(fā)射。他沒有忘記自己忠心半生的“鴿王”稱號(hào)。想要改變他的本性確實(shí)很難。

磨鏡二十載，未嘗霜刃。今天我就給大家看看，誰有什么不平呢？許多參與韋伯望遠(yuǎn)鏡建造的工程師和科學(xué)家在承擔(dān)這項(xiàng)偉大任務(wù)時(shí)正值壯年，如今已是白發(fā)蒼蒼。如今，他們終于能夠親眼目睹自己花費(fèi)半生心血打造的望遠(yuǎn)鏡翱翔天空，帶著全世界的人們看到宇宙中的第一縷光線。

本文作者：擎天會(huì)學(xué)術(shù)部，來源：北京大學(xué)青少年天文學(xué)會(huì)，原標(biāo)題：《“鴿王”詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的心酸發(fā)射推遲史》