哈勃坏了？打电话叫航天飞机来维修吧

寇晓明

这几年，一部讲述四位年轻科学家生活的美国情景喜剧《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）在国内非常流行。剧中，四位男主角里唯一没有博士学位的霍华德·沃洛维兹有一天终于出人头地，以载荷专家的身份被美国航空航天局委派到太空安装他自己设计的太空望远镜，在太空旅行中饱受两位宇航员同事的戏弄。其中一位同事的扮演者迈克尔·马西莫诺可是一名货真价实的宇航员。他应剧组邀请先后在4集电视剧中扮演自己。在现实生活中，他曾经两次搭乘航天飞机参与维修哈勃空间望远镜的任务。

那么，哈勃空间望远镜为什么需要维修呢？说来话长，咱们就从最开始磨镜片的糗事说起吧。

1990年4月，哈勃空间望远镜成功发射升空，满心欢喜的科学家发现哈勃传回的照片模糊不清，远没有达到设计的预期。自此，哈勃开始了它的维修史。

经过一番调查，设计者发现，哈勃的主镜片边缘被磨得过平，导致镜面反射的光不能聚焦在一个点上，形成了像差。镜片边缘被多磨了多少呢？2.20微米，大约是头发丝直径的1/40。失之毫厘，谬以千里，这一点儿错足以让一个耗资数十亿美元的空间望远镜没法正常工作。有意思的是，为了磨制这个精度达到史无前例的10纳米的镜片，生产商帕金埃尔莫公司专门制作了特殊的零像差较正器来控制镜面的形状。结果，正是这台“倾情特别制作”出了问题，其中一个透镜的位置偏离了1.3毫米。在后期的测试中，公司的科学家用传统的零像差较正器发现了哈勃主镜片的像差问题，可是他们觉得这是传统仪器精度不够造成的，于是忽略了这些像差。

在哈勃第一次维修任务中工作的宇航员

其实，哈勃空间望远镜上天前，美国航空航天局就已经准备了维修计划，因为望远镜上众多的电子仪器设备需要检修和维护。而且，就像大家总会琢磨着把手机换成最新一代一样，天文学家也希望哈勃总是能用上最新的技术，所以要不断升级。到目前为止，美国航空航天局总共进行了5次哈勃空间望远镜维修升级（维修任务1，2，3A，3B，4）。

维修任务1的首要目标自然是解决像差问题，帮哈勃恢复“视力”。柯达公司曾经为美国航空航天局制作了一个备用镜片，可是在太空中更换镜片的技术太复杂，不现实。如果用航天飞机把望远镜运回来修，花费又太高了，即使财大气粗的美国航空航天局也受不了。最后，科学家研制了一个叫COSTAR的光学矫正组件做哈勃的“眼镜”。另外，新研制的第二代广域/行星照相机也有修补像差的功能。这台相机后来拍摄了著名的老鹰星云气体柱照片和沙漏星云照片。

1993年12月4日，“奋进”号航天飞机的机械臂顺利地抓住了哈勃空间望远镜，并把它固定在打开的货舱中等待维修。在这次历时12天的任务中，宇航员一共进行了5次舱外行走，除了安装这两台主要设备外，还更换了太阳能电池板、陀螺仪和磁强计等一些组件。陀螺仪是用来控制望远镜方向的重要部件之一——要是哈勃错误地指向了地球，那就只能当侦察卫星用了。

穿着宇航服在太空中修东西可不是件容易的事，就像是带着烤箱手套剥鸡蛋皮。因此，航天飞机携带了近百件特别设计制作的工具以保证维修顺利进行。除此之外，宇航员都得连着绳索，以便不小心飘走时还可以抓着绳子飘回来。除了维修升级外，这次任务还包括升高哈勃的运行轨道，因为虽然那里空气极其稀薄，在哈勃运行的3年里，大气阻力仍然逐渐降低了哈勃的轨道。

1997年，“发现”号航天飞机的宇航员为哈勃进行了第二次维修升级，安装了用来找寻黑洞的空间望远镜影像摄谱仪和观测红外波谱用的近红外线照相机/多目标分光仪，后者可以让我们看到更远的星体。此外，还更换了3个精细导星传感器中的1个，它是用于控制望远镜指向的组件之一。

1999年11月，用于定位哈勃空间望远镜方向的6个陀螺仪中的4个失效，少于正常运行所需的3个，哈勃进入“安全模式”，停止了观测。美国航空航天局急忙在12月派出“发现”号航天飞机，让宇航员进行了3次6小时的太空行走，对其进行维修，这就是维修任务3A。本次维修替换了全部6个陀螺仪和1个精细导星传感器，并安装了一些电子设备和热保护设备。

2002年3月，“哥伦比亚”号航天飞机执行了维修任务3B，对哈勃进行了第4次维修升级。其中最主要的任务是安装先进巡天照相机，新的照相机与旧的第二代广域/行星照相机相比，有更大的视角范围、更高的灵敏度和更清晰的图像质量。宇航员还给早已停止工作的近红外线照相机/多目标分光仪更换了冷却系统，使它恢复正常。另外，哈勃的定向装置和动力系统，包括太阳能电池板也得到了更新。

一年后，“哥伦比亚”号航天飞机在升空时被燃料外储箱上掉落的绝热泡沫塑料碎片打中，左翼上的隔热复合材料遭到毁坏，导致航天飞机返回大气层时突然解体，7名宇航员全部遇难。这场灾难打乱了原本定于2005年进行的哈勃维修升级计划。美国航空航天局决定，“哥伦比亚”号事故之后的航天飞机任务都必须距离国际空间站足够近，一旦发生意外，宇航员能够把空间站当成临时避难所。而哈勃空间望远镜没法满足这一要求，所以维修任务被取消。祸不单行，2004年，哈勃的太空望远镜影像摄谱仪的供电系统出现故障，进入“安全模式”，变得无法使用。无奈之中，美国航空航天局曾考虑放弃哈勃空间望远镜，可是新一代的詹姆斯·韦伯空间望远镜还需要好多年才能升空工作，这可急坏了天文学家。他们四处游说，迫于压力，美国航空航天局甚至考虑发射机器人到太空中去修理哈勃空间望远镜，可是经过研究论证，机器人修理根本不现实。

哈勃的镜片

2005年，美国航空航天局新上任的局长迈克尔·格瑞芬决定重新考虑派宇航员维修哈勃，第二年，他正式拍板同意，由“亚特兰蒂斯”号航天飞机来执行这一任务。为了保险起见，另一架航天飞机“奋进”号也做好升空准备，万一“亚特兰蒂斯”号出意外，它可以进行救援。2007年，哈勃的先进巡天照相机发生短路，3个拍摄通道中的两个停止工作，使它的功能大打折扣。2008年，就在“亚特兰蒂斯”号航天飞机原定发射日期的两周前，哈勃的科学仪器指令和数据处理系统出现故障，虽然备用系统接替了它的工作，但是美国航空航天局还是希望“亚特兰蒂斯”号能够给哈勃换上一台新的处理系统。新系统准备好的时候已经是2009年5月，“亚特兰蒂斯”号顺利升空，宇航员为哈勃进行了最后一次维修升级，也是最复杂的一次，这就是维修任务4。

这次任务主要有：安装新的第三代广域照相机和宇宙起源频谱仪。新的相机可以观测近紫外、可见光和近红外三个波段的光，而且有更高的分辨率和更大的视野。宇宙起源频谱仪工作在紫外波段，可以将不同频率的光分离出来，从而得到发光物体的信息。它使得哈勃对紫外线的灵敏度提高了10倍至70倍，可以拍摄发出极微弱紫外线的遥远星体了。宇航员还修复了先进巡天照相机和空间望远镜影像摄谱仪，替换掉坏了的科学仪器指令和数据处理系统。由于新的观测设备自身都具有光学像差修补功能，所以COSTAR光学矫正组件被拆除，为其他仪器腾出空间。因为这是最后一次维修，为了尽量延长哈勃的寿命，宇航员更换了哈勃所有的电池模块、全部6个陀螺仪和精细导星传感器，安装了新的绝热毯。另外，他们安装了一个软捕获装置，以备将来哈勃寿终正寝时，美国航空航天局的太空船能够轻而易举地抓住哈勃并引导它安全地坠回地球。经过12天的太空任务，宇航员安全返回了地面。

维修任务4中维修哈勃空间望远镜的宇航员

至此，我们聊完了哈勃的维修升级史。宇航员自然是功不可没，但在他们的身后，其实有数千科研人员在地面为维修任务的成功而忙碌。最主要的三个机构是：位于佛罗里达的肯尼迪航天中心、位于得克萨斯州的约翰逊太空中心和位于马里兰州的戈达德太空飞行中心。其中，肯尼迪中心负责航天飞机的起飞、飞行与着陆。约翰逊中心则监控航天飞机和宇航员的方方面面，包括舱外行走、宇航员健康状况、维修过程与进度、驾驶舱与货舱的状况。戈达德中心测试和准备硬件仪器，隶属于这个机构的空间望远镜运行控制中心（STOCC）负责哈勃空间望远镜的运行。在维修开始之前，STOCC的地面工作人员会让哈勃进入“冬眠”状态，把重要的光学部件保护起来，而且还要变换望远镜的位置，以便被航天飞机的机械臂抓住。每当宇航员完成一台设备的更换或修理，STOCC都要遥控开机测试，确定它能正常工作。在任务最后，还要“唤醒”哈勃，确认一切正常，才能让机械臂把它释放。

每一次维修之后，哈勃空间望远镜都会重新焕发青春。时至今日，哈勃仍在继续工作，而美国航空航天局也没有新的维修计划。在未来，或许因为维修成本的原因，哈勃会被新一代望远镜所取代。在大家惊讶于那一张张蕴含着宇宙奥秘的照片时，别忘了其中有着一代宇航员和科技工作者的心血。endprint