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從哈勃到哈勃深空場（九）—坎坷的十年

07-15

宇航探索局出品，轉載請註明出處，轉自同名公眾號

在裁減的邊緣瑟瑟發抖

二十世紀七十年代哈勃太空望遠鏡的研製計劃開始立項，但是時隔不久，計劃剛剛開始就差點擱淺。

事情要從1960年9月說起，那一年第三世界石油生產國建立了石油輸出國組織歐佩克（OPEC），1973年10月第四次中東戰爭爆發後，OPEC成員國加快石油生產國有化進程，同時大幅提高石油價格，國際油價從此前的每桶3.01美元提高到1974年1月的11.65美元。由此引發美國石油危機，並導致了美國長達十年的經濟滯漲

飯都吃不飽了哪還有心情搞什麼太空望遠鏡？於是在裁減政府開支的影響下，美國總統剔除了所有太空望遠鏡的預算。提上日程的太空望遠鏡馬上要被扔進垃圾簍，人類的太空望遠鏡之夢瀕臨破滅

可能是埃德溫·哈勃名氣太大了吧，一聽說政府取消「哈勃」太空望遠鏡項目，美國老百姓可不幹了，許多天文學家也前往拜會議員，撲天蓋地的信件和文字宣傳，強調了太空望遠鏡的重要性，最後參議院決議，恢復被國會刪除的一半預算。

逆境中的概念創新

這個過程中望遠鏡的設計師也沒閑著，當時人們對未來的太空梭抱有極大的期待，大家都認為可以回收使用的太空梭能夠大大減少航天活動的開銷。受此影響，太空望遠鏡也被設計成可以靈活更換科學儀器的研究平台。「哈勃」不再是個單純的太空望遠鏡，而是可以維修，可以換零件，可以升級的平台。

「哈勃」的一大創新就是採用了可互換的模塊化元件，這使得宇航員能夠在多年來技術不斷進步的情況下平穩有效地更換硬體。平台上每個儀器都是獨立的，儀器的接線位於小（有時相當大）的盒子內，就像現在的U盤和USB口一樣，只需要「拔下」舊設備「插上」新設備就使「哈勃」得到升級。因此維修時宇航員只需要將一個盒子換成另一個盒子。這種前瞻性思維對於哈勃「續命」至關重要。這張圖中標記的部分就是一次望遠鏡升級任務中需要升級和維護的元件。

模塊化的最直接優點就是可以把不同模塊分包給不同的公司甚至不同的國家。這樣，儘管設計圖上的「哈勃」及其複雜，具體到每個功能模塊而言挑戰性就小了許多。分攤成本的同時也分攤了風險。

分工合作，歐洲人插了一腳

正值美國窮困潦倒的70年代，日本和歐洲的經濟飛速崛起。1971年就連美國總統尼克松都酸溜溜地說：「西歐和日本都是美國強有力的競爭對手。朋友，是的。盟國，是的。但是他們正在和我們競爭，在經濟領導的問題上，他們在全世界同我們競爭得非常激烈。」

1975年9月，歐洲在太空望遠鏡項目上插了一腳。

歐洲航天局通過承擔哈勃太空望遠鏡暗弱天體照相機（Faint Object Camera 簡稱FOC）以及太陽能電池板的研發分擔15%的整體研發費用。FOC是「哈勃」望遠鏡六大件之一。作為回報，NASA保證提供歐洲天文學家至少15％的望遠鏡使用時間。

1977年-1978年間，美國國會撥下預算，「哈勃」望遠鏡的計劃一經批准，整體計劃就被分割成若干子計劃分送各機構執行。

馬歇爾太空飛行中心作為包工頭負責整體設計。金石太空飛行中心負責科學儀器的整體控制和建設地面任務控制中心。洛克希德公司負責建造望遠鏡的保護殼和支撐架構，最終的組裝也是由洛克希德完成。

哈勃望遠鏡的五臟六腑都由當時頂尖公司生產，馬歇爾太空飛行中心又委託珀金埃爾默（PerkinElmer）公司設計和製造太空望遠鏡的光學組件，還有精密定位感測器，合同里的光學望遠鏡組件包括了太空望遠鏡的主鏡、次鏡以及三個精密制導感測器（FGS）。它們是「哈勃」的眼睛以及神經系統，至關重要。珀金埃爾默是一個老牌的科學儀器製造企業，如果您從事化學、物理和生物醫藥研究，您一定對它的產品不陌生。此外望遠鏡上的戈達德高解析度光譜儀、寬視場行星照相機、近紅外照相機和多天體光譜儀等等，都外包給了一些大學和研究所（如戈達德航天中心負責高解析度光譜儀）。

NASA，是整個項目的法包商和監工。1977年，NASA從38個機構中選出了一個由60名科學家組成的新團隊參與「哈勃」的研發設計工作，他們既有跨學科的專家也有數據處理、航天器操作以及望遠鏡光學等某一領域的科學家

工程分包的一大好處就是可以多點齊頭並進，作為歷史上第一座運行在太空中的巨型天文台，「哈勃」結構十分複雜，技術門檻也很高。

技術障礙？分攤風險！

不僅哈勃望遠鏡的資金花費太大遭到質疑，當時它遇到的技術障礙問題更大。

許多非常簡單的事情在太空當中卻難以輕鬆完成，因為在太空，所有東西都處於失重狀態，是飄著的，每個力都有一個反作用力，因為找不到著力點宇航員擰螺絲時稍不留神自己就會轉起來。而哈勃望遠鏡要在太空中不斷調整方向，以望向不同的星空，如何精確地操縱它？

「哈勃」在地球軌道上不斷運動，如何讓「哈勃」繞地球飛行過程中穩定地拍攝照片，這也是一個難題

除了難以穩定，還有一個難題，「哈勃」望遠鏡是光學望遠鏡，它拍攝宇宙照片的原理和傳統相機的原理如出一轍，拍攝的是膠片相片。在設計製造哈勃望遠鏡時，還沒有成熟的數字成像技術，它怎麼拍攝，海量照片底版又如何傳回地面呢?

早期的空中望遠鏡，是用火箭把帶膠片的相機打到太空上去，然後由氣球攜帶相機下來，再沖洗。最典型的應用就是返回式衛星。早期太空實驗和太空偵察需要將實驗標本、數據、膠片帶回地球，為此衛星的一部分被設計成可再入大氣層返回地面的結構。上圖為我國四代返回式衛星

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返回式衛星的主要目的有三個，第一個是運輸對地觀測所得的數據，例如美國KH間諜衛星的早期型號就是返回式。第二就是載人飛船的先導測試。第三個就是驗證並測試洲際導彈彈頭隔熱、變軌和制導效果，請比較上面圖片，我不說您也明白。請看往期文章《淺析再入式航天器鈍頭體設計 1系列》。

哈勃望遠鏡照片膠捲能採用返回式衛星運輸嗎？這要看它的工作量了。工作量小完全可以採用返回式衛星運送膠捲，畢竟在六七十年代，太空軍事偵察就是用這中笨辦法。

從1990年「哈勃」升空到2019年將近三十年時間，「哈勃」望遠鏡在地球軌道上運行了近15萬8千圈，執行了近150萬次任務，平均每個月，「哈勃」都會產生829G的觀測數據。上圖分別為哈勃望遠鏡拍攝的M101（「風車星系」），M81星系，半人馬座A星和M51（「漩渦星系」）。

上圖分別為拍攝的NGC1672劍魚座星系，NGC1300波江座棒旋星系，NGC634三角座螺旋星系和NGC5866天龍座北部透鏡星系。拍攝這樣的照片，存量十分龐大。這些圖片來自Hubble官方網站，網站上有Hubble拍攝的大量照片，供全球天文學家在線下載、研究。非常方便。

顯然，返回式衛星肯定不適合哈勃太空望遠鏡。在離地550公里的大氣層之外，在沒有地球引力的作用下，從「哈勃」望遠鏡放下的任何物體都不會直落到地面。返回式衛星發射回收與宇宙飛船類似，成本相當高，不可能每隔幾個星期都把「哈勃」的膠片回收一次。而且，回收過程搞不好還會變成下面這樣：

科學家們要創造性地研發新技術，解決哈勃望遠鏡的一系列技術難題。這使得哈勃望遠鏡的預算一次次超支：原來的總預算大約為4億美元，到1986年發射前，就已花費了11億7500萬美元。

人們也許想不到，從哈勃望遠鏡立項到得到它拍攝的第一張照片，竟然經歷了25年時間。而這張照片居然是「糊」的。這是後話了，我們暫且不表。

從資金短缺到技術瓶頸，在十幾年時間裡，哈勃望遠鏡研發所經歷的每一步都歷盡坎坷。 然而由於美歐科學界的堅持，工業界的支持，「哈勃」的諸項難題一一迎刃而解。

解決上面這些問題，就需要「哈勃」望遠鏡上七大科學儀器：寬視場/行星相機，微弱物體相機，微弱物體光譜儀，高解析度光譜儀，高速光度計，用於測量恆星精確位置的精密制導系統和動量輪。

運輸是個大難題

讓美國人上愁的不是沒有工具運送「哈勃」，畢竟當時土星五號還未淡出人們視線，愁的是沒有理想的運輸工具。

「哈勃」之前的OSO和OAO系列望遠鏡（上期內容《從哈勃到哈勃深空場（八）—哈勃重生》）不是燒毀在大氣層中就是胎死腹中，只有OAO-2和OAO-3正常工作了幾年。這讓不僅僅讓天文學家打呼不過癮，國會撥款的官老爺也覺得太不划算了。

「哈勃」的設計使用壽命為15年，問題是「哈勃」能平穩入軌嗎？入軌後出現問題怎麼辦？直接丟掉太可惜了。就算「哈勃」健康工作了15年，15年後在發射「哈勃2」嗎？

美國人把目光轉向了另一個正在研製中的「神器」——太空梭！

當年馱載「哈勃」望遠鏡入軌的「發現號」太空梭「幸運地」躺在博物館裡，而「哈勃」還在500公里之外的軌道上堅守自己的崗位。太空梭早早地退出了歷史舞台，「哈勃」已經超期服役了15個年頭。它們個生命軌跡數次交疊卻終沒有相隨到老。實為憾事

實際上在「哈勃」望遠鏡撥款、設計、定型的同時，太空梭的開發也漸入佳境。（不再贅述，請看本公眾號往期文章《不滅的太空探索精神（1）——太空梭研發史》系列）。

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「哈勃」的設計使用壽命為15年，如果能得到及時維修、升級，服役年限會長的多。要延年益壽，最為關鍵的就是確保太空梭的可用性，它不僅用來部署「哈勃」，而且還將定期為「哈勃」提供服務。只要望遠鏡上的儀器需要維護、修理或更換，太空梭就會造訪太空望遠鏡。設計者甚至設想在更長的時間間隔（可能每五年）時，整個太空望遠鏡將通過太空梭馱回地面，以翻新主鏡和其他主要部件。然後再將其馱回軌道。

1982年4月12日，哥倫比亞號太空梭首飛成功。「哈勃」團隊鬆了一口氣。他們有理由相信，「哈勃」將在某次太空梭飛行中進入地球軌道，為人類揭開浩瀚宇宙的奧秘

手抓衛星

運輸工具算是有了。接下來的問題是，太空梭入軌以後如何把「哈勃」望遠鏡拖出來？畢竟當時還沒發明機械臂，機械臂的出現要等到太空梭第二次飛行任務（STS-2）時才會出現。喜歡的小夥伴可以點擊往期文章——不滅的太空探索精神——太空梭研發史（6）。

這可難住了工程師們。難不成要用手把「哈勃」望遠鏡拖出太空梭不成？

是的。

他們真想這麼干。

而且，太空梭飛行歷史上，不止一次這麼干過。

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探索局早期文章《太空梭研發史（4）——巨大的軍事應用潛力》介紹過，在太空梭第49次飛行中，要將沒有入軌的「國際通信衛星6號」拖進太空梭維修。儘管當時奮進號太空梭安裝了機械臂，但是宇航員兩次操縱機械臂捕捉衛星都未能成功，無奈之下三個航天員進行太空行走，飄到這枚重達4噸的通信衛星旁邊幾英尺遠的地方，用手把這顆衛星生生給拽了到了太空梭的貨艙中，在貨倉里給「國際通信衛星6號」安裝了新的發動機

說干就干，馬歇爾飛行訓練中心立即著手展開宇航員「手抓」衛星的訓練。

宇航員在與哈勃太空望遠鏡結構類似的中性浮力模擬器（NBS）上開展空間任務訓練和測試。中性浮力模擬器用於訓練宇航員如何在低重力下工作。攝於1979年馬歇爾太空飛行中心（MSFC）

時間一晃就到了1980年。80年代「哈勃」的故事更加跌宕起伏。

「哈勃」的技術被廣泛應用于軍事通信和軍事偵察中，並深刻改變著我們的生活。

其中，「哈勃」望遠鏡的主要元件——光學鏡片將在80年代加工完成，該技術將助力美國軍事偵察衛星KH-11……

為了解決照片膠捲存放難題，發明了CCD數字成像技術……

為了傳輸圖像信息，衛星的衛星——中繼衛星閃亮登場……

「哈勃」不僅為人類打開了通向宇宙深空的大門，還打開了新技術新科技的大門。

下期更精彩，敬請期待。

文章的最後，我們稍稍休息一下，觀看一個「哈勃」拍攝的宇宙視頻。

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