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为什么花费近100亿美元的太空望远镜又双叒叕延期了?

(2018-03-28 14:03:12)
标签:

杂谈

分类: 航天

​就在刚刚过去的2018年3月27日,预算已经高达88亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜又宣布延期到2020年5月才可能发射。考虑到期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年被批准的5亿美元预算、2007年发射的初步版本,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!

詹姆斯韦伯看起来犹如太空中的一艘巨型战舰,图自NASA

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,总是下面这五个部分:

大家好,有进展,要延期,没钱了,快打钱。


当然,NASA出现罕见的慎之又慎也有几个重要原因:

  • 它是人类有史以来最高大上的太空望远镜!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。考虑到目前人类对可观测宇宙半径的认识已经达到了460亿光年,那么詹姆斯韦伯的发射极有可能极大扩展这个数据及发现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项目的美国/人类第五大航天项目,且它只有一个航天器,造价已经逼近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,否则就亏的太大了。
  • 而且它飞在距离地球过远的位置,最远是月球距离地球的近四倍,出现问题是不可能营救的。


由于理论上说它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。

詹姆斯韦伯位置示意图,来自NASA

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


而且,它还有两大绝活,

1。超级精密的镜子

这是人类、哈勃望远镜的主镜和詹姆斯韦伯主镜的大小对比(来自NASA)。


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。。。


2。遮阳板

遮阳板实际大小,来自NASA


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”。

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80-100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牛的一个遮阳板了。


但你别忘了,无论是镜子还是遮阳板,都是需要先陀在一起塞进火箭里,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刚才我说到的10纳米和25微米精度,这就非常难了。

它的遮阳伞打开机构共计有100个,它们负责在经历剧烈火箭震动和恶劣太空环境后,将这把打伞打开,实现那么夸张的精度。

在地面上通过庞大的机械臂吊装测试,图自NASA

它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

某结构测试,来自NASA


类似于在上面绑了100个小型拖车,把这庞然大物缓缓拖开。


所以目前大家觉得,还是在地面上使劲儿测试测试吧,再测试一年看看千万不能出问题啊。毕竟出一点差错就是100亿美元预算 几千个研究员参与项目 上百位博士的毕业问题啊。这个项目先后有欧美十几个国家参与,国际影响力也要求它必须慎重。


而且,对于大型任务而言,任务延期是太正常的事情了,延期3年5年都不是事儿。罗塞塔号当年本来计划探测的根本就不是那颗彗星,纯粹因为被各种延期而不断修改探测目标。毕竟彗星可不等你啊,人家该飞飞的,谁鸟你,错过了就换一颗吧。

詹姆斯韦伯自然也早不是第一次延期,按照原计划它现在应该已经接近结束任务了。


说实话,它延期发射并不担心,还是希望欧空局的阿利亚纳5火箭一定要给力,千万别出幺蛾子,因为这完全就是一锤子买卖!

一锤子100亿美元,这可真够刺激的说。


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