杜俊浩 原创 中国航天报
12月25日20点20分，在全世界的瞩目下，数千名科学家和工程师花费20多年精心设计建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜终于在库鲁空间使用了阿丽亚娜5号大型运载火箭发射中心发射到太空。
阿丽亚娜 5 号火箭将韦伯送入太空
阿丽亚娜 5 号火箭将韦伯送入太空 (00:20)
如果你站在直径6.5米的韦伯太空望远镜面前，你一定不敢大声喘气。 该望远镜拥有18个一尘不染的镀金主镜片、5个超薄聚酰亚胺隔热罩，工作温度低至-223摄氏度，制造成本高达97亿美元。 它是人类有史以来建造的最大、最复杂、最强大、最富有想象力的太空望远镜，简称JWST。
阿丽亚娜 5 号火箭载着韦伯进入太空的图像
“韦伯”的标志性外观——由18块六边形镀金铍镜组成的主镜
一旦部署，韦伯可以取代老化的哈勃太空望远镜。 与哈勃聚焦可见光波段不同，韦伯可以看到波长更长的中红外波段，并且具有更高的灵敏度和分辨率。 它可以看到宇宙中最古老的事件和最遥远的天体，闪耀在天文学和宇宙学研究的最前沿，对于推动整个人类社会的进步具有重要意义。
光学设计：金甲
光学望远镜模块（OTE）是“韦伯”的主要结构之一，由望远镜的主镜、次镜、三级反射镜、微调镜、望远镜框架及其控制装置组成。 OTE 就像整个“韦伯”眼睛。 其原理是三镜像散望远镜：光线首先被主镜聚集，反射到次镜。 副镜进一步将光线传输到望远镜中心的第三级反射镜，然后通过精细的转向镜传递到综合科学仪器模块进行光接收和处理。
“韦伯”光路图
“哈勃”和“韦伯”主镜对比示意图
“韦伯”最引人注目的就是18块金色六边形主镜。 这是一面镀金铍镜，直径6.5米，总面积25.4平方米，是哈勃望远镜的6倍多。 对于望远镜来说，口径就是真理，“韦伯”的观测能力较“哈勃”有了很大的提高。 当“哈勃”拍摄著名的“超深场”图像时，它一动不动地指向太空中的同一个地方，连续拍摄了16次，捕捉到了令人难以置信的微弱、遥远的星系图像。 相比之下，韦伯只需7小时即可完成类似的观测任务。
“哈勃”超深场图像是人类有史以来拍摄的最古老的宇宙照片，其中包括132亿年前的古代星系。 “韦伯”将拍摄更多令人惊叹的图像。
从质量上来说，“韦伯”的总重量约为6.5吨，仅为“哈勃”的一半望远镜原理光路图，但其体积却明显高于“哈勃”。 其中，“哈勃”主镜由玻璃制成，总重828公斤，而“韦伯”则采用元素周期表中的第四种元素——金属铍，其密度极低，使得巨大的主镜重仅705kg。
此外，铍还具有硬度较高、热膨胀系数较低的优点，使得“韦伯”能够在工作条件下处理巨大的温差，而不会产生过度的热胀冷缩。 “韦伯”的铍镜表面采用气相沉积技术喷涂了100纳米厚的金层，奢华感十足，因为金可以提高红外光的反射率，达到更好的成像效果。 最后，工程师在金层外侧喷涂了一层极薄的二氧化硅，以防止软金层被划伤。
2012年，技术人员正在检查其中一个主镜
左图：2011年，首批六块主镜准备进行低温测试。
右：2017年OTE模块准备低温测试
主镜的设计和建造是整个“韦伯”项目中最具挑战性的部分。 主镜展开时宽6.5米。 如果把它做成一个单独的大镜子，对于现有的运载火箭来说就太大了。 因此，工程师们将主镜分成18块规则的六边形片，在发射前将其折叠到火箭整流罩中，发射后再将其展开。 极其精致，是合理利用火箭整流罩空间的设计范例。
由于主镜展开后的精度对望远镜的观测能力影响巨大，因此如何保证展开后的精度是主镜设计的难点之一。 也就是说，18颗独立的镜片在展开后必须整合成一片。 对此，工程师为每个镜头设计了6个电动伺服机构（执行器），使得每个镜头都可以独立调整角度。 最大调节精度甚至达到10纳米，大约相当于人类头发丝的大小。 万分之一。 “韦伯”发射后，近红外相机的波前传感器（）将测量每个主镜的误差，然后利用计算机算法自动调整每个镜头。
“韦伯”的副镜和三级反射镜与主镜材质相同，均为镀金铍镜。 次镜为直径74厘米的圆形曲面，三级反射镜为较小的非对称六边形透镜。 光线经主镜、次镜、三镜反射后，图像经精细转向镜进一步稳定，并传递至综合科学仪器模块中的四个主要科学负载，对光线进行分析和处理。
工程师使用干冰清洁副镜
第三反射镜和微调镜
轨道及热控设计：汉兆铁衣
体温枪的原理是测量人体发出的红外线的强度，因为物体的温度越高，向周围辐射的能量越强，辐射出的红外线也越多。 如果韦伯的工作温度太高，它的透镜和其他结构本身就会发射红外光，阻挡来自遥远星系的微弱红外光。 因此，“韦伯”的光学望远镜模块需要在-223摄氏度以下的极低温度下工作。
对太空探测器影响最大的热源是太阳。 远离太阳可以减少太阳辐射量，但如果距离太远，会影响太阳能电池板的正常供电，并降低与地面的通讯速率。 科学家和工程师发现了热与功率之间的绝佳平衡点——拉格朗日 L2 点。
地球与太阳形成的稳定系统中有五个引力平衡点，因此韦伯选择了日地拉格朗日L2点作为其大本营。 只需少量扰动，望远镜就能长时间稳定在L2点附近。 在这里，“韦伯”可以“忘记”所有阳光，将镜子转向没有阳光的天空。
“韦伯”轨道示意图，天体尺寸并非按照真实比例
日地拉格朗日L2点距地球约150万公里，来自太阳、地球和月球的红外线仍会影响红外观测。 为了进一步降低望远镜的温度，科学家们使出了浑身解数——2003年发射的斯皮策太空红外望远镜同样工作在L2点，并使用昂贵的液氦作为制冷剂，温度低至-267.7摄氏度。 但有限的液氦在2009年5月耗尽，导致其工作温度持续升高，此后观测性能大幅下降。
展开的五层菱形隔热罩
为了实现更长的使用寿命，“韦伯”并没有采用液氦作为主要制冷手段，而是携带了五个网球场大小的菱形聚酰亚胺隔热罩。 每个隔热罩的直径约为人类头发的直径，最靠近太阳的一层厚 0.050 毫米，其他层厚 0.025 毫米。
为了提高薄膜的反射率以反射更多的热量，隔热罩的正面和背面都附着了一层100纳米厚的铝。 最靠近太阳的两层也掺杂了硅。 这是这两层材料的结果。 薰衣草颜色的原因。 每层隔热罩可阻挡约90%的热量，五层共同作用可使两侧温差达到约300摄氏度，为望远镜主体结构提供-223度以下的工作温度摄氏度。
“韦伯”隔热罩原理示意图
与望远镜一样，巨大的隔热罩无法在展开状态下放入火箭整流罩中。 完全展开的隔热罩长约21米，宽约14米。 它在发射前将像折纸一样小心折叠12次，发射后将通过复杂的机械设备逐步展开到位。
用手折叠隔热罩
折叠起来的“Weber”，左右淡紫色的是隔热罩
遮阳罩可以将望远镜镜头和其他结构的温度降低到-223摄氏度以下，但这个温度对于科学研究和探测设备来说仍然太高。 这三个近红外成像仪将通过被动冷却系统在大约 -234 摄氏度的温度下运行。 对中红外成像仪的要求更加严格。 其工作温度低至-266摄氏度，只能采用液氦冷却。 不过，它对液氦的需求远低于斯皮策太空红外望远镜，因此液氦资源不会太紧张。
启动流程：只去哪里
“韦伯”号是使用欧洲航天局研制的阿丽亚娜5号大型运载火箭从法属圭亚那库鲁航天发射中心发射升空的。 前面提到，“韦伯”的光学结构和隔热结构是折叠的，发射后需要展开。
此外，“韦伯”还有太阳能电池板、通讯天线等重要仪器设备，需要部署后才能正常工作。 因此，“韦伯”发射后并不能立即投入工作，等待它的还有6个月的在轨部署和测试。
韦伯的太阳能电池板
下图展示了“韦伯”发射后在轨部署的全过程。 起飞26分钟后，火箭完成使命，“韦伯”独自踏上前往日地拉格朗日L2点（A）的途中。 紧接着，它的太阳能电池板将首先部署（B）。 毕竟充足的电力供应是以后一切工作的基础。 两小时后，它将旋转其通信天线以将其指向地球（C）。
下一步是部署隔热罩。 发射三天后，主镜前后隔热板托盘相继打开（D/E），光学望远镜模块整体升起，与隔热板拉开距离（F）。 下一步将部署一个不显眼的襟翼 (G)。 它的作用是平衡巨大的隔热罩承受太阳风的压力，这样可以最大限度地减少任务期间的燃料消耗。 最关键的步骤是将五层隔热罩展开到位并拉紧它 (H/I)，这个过程需要两天时间。 最后，每层隔热罩需要间隔一定的距离，以达到更好的隔热效果（J）。
“韦伯”在轨部署全过程示意图：杜俊浩
随后光学望远镜模块展开，历时4天。 首先，打开副镜长臂，将副镜放置到位并锁定（K）。 然后望远镜背面的仪器辐射器将展开（L）。 该散热器负责冷却红外成像仪等关键科研仪器。 近两天，左右主镜（M/N）依次展开，完成了全部在轨部署工作。
在这个环环相扣、繁琐的环节中，任何一个环节出现问题都会对“韦伯”的工作表现产生影响。 由于拉格朗日L2点距离地球较远，我们没有机会派载人飞船去修复它，所以所有工作都必须在地面上完成，才能确保万无一失。
随之而来的是望远镜的整体调试期较长，至少需要6个月的时间。 工程师和科学家将确认每台科研仪器工作正常，并调整18片主镜以达到最佳的聚焦能力。
任务目标：看千里之外
综合科学仪器模块（ISIM）负责“韦伯”号的科学研究和探索工作。 它由4个主要仪器组成，即近红外相机（）、近红外光谱仪（）、精制导传感器/近红外成像无缝光谱仪（FGS/）、中红外仪器（MIRI）。
左上：右上：FGS/下：MIRI的核心传感器
近红外相机和近红外光谱仪都可以观测0.6～5.0微米的波段。 近红外相机还负责18个主镜的在轨测试和标定任务。 精细制导传感器/近红外成像无缝光谱仪（FGS/）由精细制导传感器、近红外成像和光谱仪组成，可观测0.8至5.0微米的波长带。
精制导传感器是整个“韦伯”的“指南针”。 通过这个传感器，“韦伯”可以以极高的精度指向需要探索的天空。 中红外仪器是中红外波段相机和光谱仪的复合体，可以观测4.6微米至28.6微米的中长红外波段。 它还配备了日冕仪，非常适合观察系外行星。
凭借这些具有互补波段和原理的科学有效载荷，“韦伯”成为一台时间机器。 它可以看到130亿光年外的宇宙，观测宇宙第一批天体的形成和演化，揭示宇宙的悠久历史。
此外望远镜原理光路图，“韦伯”还可以观测遥远的原始星系，以确定星系如何演化，这对于我们反思太阳系如何形成和演化具有建设性意义。 星云中部有许多低能量的褐矮星和年轻的原恒星。 由于它们的光线太暗，只能通过韦伯来观察它们。 因此，《韦伯》将向我们揭示一个由看不见的恒星和行星组成的隐藏宇宙。 对系外行星的探索甚至可能帮助我们揭开地球生命起源的奥秘。