总预算直逼100亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜有多厉害工业毛刷
文章来源：长美机械网 | 2022-07-13
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！
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▲詹姆斯韦伯看起来犹如太空中的一艘巨型战舰（假想图）
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微波背景辐射。
? 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。
▲詹姆斯韦伯与哈勃望远镜的位置关系
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。
▲低温测试中的詹姆斯韦伯
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
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
▲这是哈勃望远镜的主镜和詹姆斯韦伯主镜的大小对比
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。
▲折叠在阿里亚娜火箭中的詹姆斯韦伯望远镜
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。。。
▲主镜面
2、遮阳板
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。
▲遮阳板实际大小
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，都是需要先窝在一起塞进火箭里，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
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
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里亚娜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。