哈勃望远镜20年

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哈勃望远镜20年(图1)


哈勃望远镜20年(图2)


哈勃望远镜20年(图3)


哈勃望远镜20年(图4)


哈勃望远镜20年(图5)


哈勃望远镜20年(图6)

    2010年5月的一天,静谧的北京顺义区汉石桥湿地。当天色逐渐暗淡下去,民間天文爱好者团体——北京巡天会的成员们,架起心爱的望远镜,对准星空,在镜筒中仔细搜寻。他们今天观测的主题是飞过头顶的哈勃望远镜。 
  2010年是哈勃太空望远镜升空20周年,这位超期服役的“老兵”,还在不断创造新的传奇。 
  “哈勃”往事 
  2004年,对于哈勃太空望远镜来说是不平凡的一年。这一年是哈勃望远镜在距离地球600公里的太空轨道上度过的第14个年头。这架科学仪器,服役期限已接近15年的设计使用寿命,然而,“年迈”的哈勃望远镜还在争分夺秒地进行着科学观测工作。(图1)                   这年年初,哈勃望远镜对准天炉座的一小部分天区,累计曝光11天,拍出了一幅名叫“哈勃超深场”的照片,照片一出来就震惊了全世界,在这张照片中,人们看到了近10000个星系,时間跨度从130多亿年前的宇宙大爆炸早期,一直到今天。这是人类迄今获得的最深远的宇宙影像。人们为哈勃的成就欢呼,期待一年后的2005年,美国宇航局能够如期为哈勃望远镜进行第5次维修,让哈勃望远镜在退休前再好好干几年。(图2)       但是一场突如其来的风暴,打断了哈勃望远镜安度余生的计划。一年前,“哥伦比亚号”航天飞机失事,使美国宇航局对太空维修的安全性产生了担忧,加上美国要重启登月计划,资金短缺,2004年4月24日,哈勃望远镜上天14年纪念日,美国宇航局向社会宣布:取消对哈勃望远镜第5次也是最后一次维修。这意味着著名的哈勃望远镜将提前结束使命,退出探索太空的舞台,最终逐渐坠毁在大气中。 
  尽管我们头顶上还有20多个形态各异的太空望远镜,但哈勃是独一无二的,其他望远镜拍摄不出哈勃这样绚丽多彩的照片。 
  哈勃望远镜跟别的望远镜不太一样,它是光学望远镜,观测光的范围跟我们人类视觉的范围比较一致;另外,它的分辨率特别高,可以产生非常鲜艳好看的画面,这是很多其它望远镜不能比的。 
  哈勃发布的照片是科学家珍贵的研究素材,也是普通大众爱不释手的宇宙影像。人们为即将与这位相伴十几载,为人类提供了无数美妙绝伦照片的老朋友告别而悲伤不已。 
  1990年4月24日,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角,肯尼迪航天中心。“发现号”航天飞机发射升空。这次任务是把一个口径2.4米的巨型空間天文台送入太空。 
  当“发现号”航天飞机的机械手臂轻轻松开,从此,哈勃太空望远镜脱离地球引力的束缚,开始了它孜孜不倦的巡天历程。发射望远镜到太空中观测天体,是人类宇航先驱们的百年梦想之一。 
  1923年,德国著名火箭专家赫尔曼?奥伯特就提出建造一个太空望远镜的建议,但是限于当时的社会环境,人们没有足够的科技力量实现这个梦想。(图3)        1946年,美国天文学家莱曼?施皮策发表论文《在地球之外的天文观测优势》,认为在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。(图4) 
  从20世纪50年代开始的美苏太空竞赛,极大促进了空間技术的发展。人类有能力实现赫尔曼?奥伯特的构想了。 
  20世纪70年代,哈勃太空望远镜研制计划开始立项。 
  但是,计划刚开始就差点搁浅。由于哈勃太空望远镜所耗费的资金巨大,美国国会对它的预算要求提出了许多质疑。1974年,在裁减政府开支的压力下,当时的美国总统杰拉尔德-福特剔除了太空望远镜的预算。
  太空望远镜之梦不能就此破灭!美国天文学家启动了全国性的游说活动。许多天文学家前往拜会议员,他们扑天盖地的信件和文字宣传,强调了太空望远镜的重要性,最后参议院决议,恢复被国会删除的一半预算。 
  不仅哈勃望远镜的资金花费太大遭到质疑,当时它遇到的技术障碍问题更大。比如,哈勃望远镜要在太空中不断调整方向,望向不同的星空,如何精确地操纵它?甚至连如何让哈勃稳定地拍摄照片,都是难题。 
  在太空,什么东西都处于失重状态,是飘着的。除了难以稳定,还有一个难题,哈勃望远镜是光学望远镜,它拍摄宇宙照片的原理和传统相机的原理是一样的,拍摄的是胶片相片。在设计制造哈勃望远镜时,还没有成熟的数字成像技术,它怎么拍摄,照片底版又如何传回地面呢? 
  早期的空中望远镜,是用火箭把带胶片的相机打到太空上去,然后由气球携带相机下来,再冲洗。这显然不能适合哈勃太空望远镜。在离地600公里的气层之外,在没有地球引力的作用下,从哈勃望远镜放下的任何物体都不会直落到地面。       科学家们要创造性地研发新技术,解决哈勃望远镜的技术难题。这使得哈勃望远镜的预算一次次超支:原来的总预算大约为4亿美元,到1986年发射前,就已花费了11亿7500万美元。人们也许想不到,从哈勃望远镜立项到得到它拍摄的第一张照片,竟然经历了25年时間。从资金短缺到技术瓶颈,在25年里,哈勃望远镜研发所经历的每一步都历尽坎坷。 
  由于科学界的坚持,工业界的支持,哈勃计划最终得以成功运行。 
  当然,工业界支持哈勃是要回报的,当哈勃终于制造完成,支持哈勃的企业界,也因为掌握了新技术而得到了丰厚的经济回报,其中最明显的是ccd数字成像技术。现在人们手中的数码照相机、摄像机、甚至会拍照的手机都装上了ccd设备,照片不再需要冲印,放到电脑上即刻就可以通过互联网传向世界各地,这也可以说是哈勃给我们的生活带来的改变。 
  哈勃望远镜终于在1986年建造完成。它是世界上第一座巨型太空天文台,也是人类有史以来制造的最复杂、最精密的天文仪器。 
  哈勃望远镜最重要的设备是它的两组科学仪器,一组仪器负责拍摄照片;一组负责将恒星和其他星系射出的光线拆分,以便形成一个像彩虹一样的光谱。 
  全世界都想了解这个一辆公共汽车大小,超级精确复杂的太空巨眼到底能发现什么,都在期待着它发射升空的那一天。 
  走过了漫长的25年研发之路,哈勃太空望远镜最终从设想变成现实。在众人翘首期盼下,哈勃望远镜被安排在1986年发射升空。 
  可是1986年年初,一次灾难使哈勃升空的计划,突然变得遥遥无期。 
  1986年1月28日,挑战者号航天飞机发射后,在空中解体,机上7名宇航员全部罹难。这次灾难性事故导致美国的航天飞机飞行计划被冻结了长达32个月。(图5) 
  直到1990年4月24日,哈勃太空望远镜在经历了20多年的波折考验之后,终于成功而安全地上天了。(图6) 
  但是成功发射和获得成功是两码事。 
  哈勃望远镜发射后,它的一个太阳能电池帆板最初没有按计划展开。在大气层外离地面约600公里的卫星轨道上,宇航员不得不准备进行一次紧急的太空维修。这是谁也没有预料到的突发情况,宇航员临危授命,准备太空行走,修复太阳能电池帆板。幸运的是,这个太阳能板最终自己展开了,避免了宇航员进行太空行走的风险。         这好像是顽皮的哈勃望远镜在兴奋地上天后,给我们开的一个玩笑。但随后又出现的问题,几乎把哈勃望远镜推向了绝境。   经过最初几周紧张的测试与调整,美国宇航局的天文学家和工程师发现,哈勃望远镜可以正常拍摄,但它的图像非常模糊,竟然还不如地面望远镜拍摄的照片清楚。第一批观测资料,使天文学家大失所望。 
  经过地面专家紧张忙碌的调查研究,很快查明其原因:原来哈勃空間望远镜这样一个庞大、昂贵的设备,犯了一个低级错误,它主镜的边缘少了两微米。两微米虽然很小,但造成了它光学系统上很严重的误差。这是哈勃望远镜在主镜研磨制作过程中发生的人为差错。 
  哈勃望远镜使用的透镜在打磨过程中应该是非常精确的。主镜边缘处,比设计尺寸多磨去的2微米,大约相当于头发丝的百分之一。就是这样的误差导致了哈勃望远镜光学主镜存在严重的球面像差,降低了观测图像的分辨率,使它的“视力”大受损伤。更糟糕的是它的主镜是不可拆卸的,无法更换。“近视”的哈勃望远镜,使许多重要观测根本无法进行。 
  人们原以为能力超群的哈勃望远镜上天后一定会大显身手,做出一番丰功伟绩。但它却出师不利,从此进入一段长达3年的低谷。美国宇航局花了16亿美元,结果送一个“近视眼”上天。那几年,哈勃被讥讽为“科技小丑”、“一颗蒙羞的人造卫星废物”、耗资巨大的哈勃“近视镜”。哈勃让美国宇航局陷入了两难的境地。 
  幸运的是,哈勃望远镜有一个独特的地方,从设计开始它就是一座可以升级的天文台,宇航员可以在太空为它更换零件。 
        要想保留住哈勃望远镜,进行一次紧急太空维修势在必行。由于此时镜片大小和形状已被精确地测量出来,因此可以设计一个有着相同的球面像差,但功效相反的光学系统来抵消错误。在地面上维修精密仪器尚且不易,何况在大气层外失重、真空的太空进行维修,哈勃望远镜的第一次维修任务,其难度之大,在航天史上罕见。 
  执行第一次维修任务的美国宇航员杰弗里,霍夫曼回忆说:“1993年12月4日,航天飞机伸出遥控机械臂抓住了哈勃,把它固定在专用的支架上,那是我在太空最难忘的举动。第二天,我和另外一名宇航员马斯格雷夫出舱进入太空。那感觉非常神奇,背对哈勃,面对茫茫宇宙,感觉像漂浮在无限的自由里。不过修复哈勃的任务非常艰巨,操作要像外科医生一样精细。” 
  为了在太空中维修哈勃望远镜,7位宇航员在地面进行了长时間的训练,而宇航局则专门为维修哈勃开发了近百种专用工具。 
  第一次维修有几个主要内容,以前的太阳能电池板因为发热不均,微微颤动,要更换;还要更换照相机,一个广角照相机,一个恒星照相机;再换4个陀螺仪。最重要的一项是给望远镜的主镜加一个像差改正镜,相当于给人戴上一副眼镜,使它的观测能力基本达到设计要求。 
  1994年1月13日,美国宇航局宣布:哈勃望远镜第一次维修非常成功。 
  宇航员在太空中给哈勃望远镜戴上的“眼镜”,治好了它的“近视”,哈勃望远镜终于可以扬眉吐气了!通过第一次太空维修,哈勃望远镜从“近视眼”变成了“火眼金睛”。 
  由于“哈勃”运行于600公里高的地球上空,摆脱了地球大气对天文观测的一切干扰,因此,它的威力远远超过地面上的所有光学望远镜。美国帕洛马山天文台的5米反射镜可观测到数十亿光年之遥的天体,“哈勃”的口径虽然只有2.4米,却能观测到100亿光年之遥的天体。“哈勃”提供的图像比地面观测到的要清晰10倍。 
  哈勃望远镜拍摄的一幅幅宇宙照片,仿佛具有魔力,让我们产生无限的遐想。因为哈勃就像人类的眼睛,好奇地凝视着宇宙。它是第一个,也是唯一一个主要通过观测可见光来认识宇宙的望远镜,它传回了无数完美、清晰、绚烂多姿、细节丰满的宇宙图像。如果人眼能看得如此深远、真切,宇宙差不多就是如此。(图7-1、7-2、7-3、7-4、7-5)        正是这些清晰的宇宙照片,证明了哈勃望远镜的价值,也赢得了大众对它的热爱。让哈勃望远镜的影响力远远超过了美国本土,超越了天文科研的领域。哈勃太空望远镜拍摄的一系列精美照片,甚至激发了许多艺术家的灵感,现在“太空美术”已经成了一个美术门派。(图8) 
  直到1993年年底,哈勃实至名归,成为最多产、最富有创造力的科学仪器。它可以每天24小时开工,不像地面上的望远镜会受天气的影响。这个瞳孔直径2.4米的太空巨眼,观测范围几乎可以达到宇宙观测的极限。 
  经过维修能顺利工作的哈勃望远镜,成了科学家和普通大众交口称赞的超级明星。 
  美国宇航局原计划哈勃望远镜的服役期是15年,而无论天文学家还是普通天文爱好者都希望尽量延长它的使用年限。由于是在太空工作,哈勃望远镜受到了宇宙辐射的影响,它的设备老化很快。再加上哈勃望远镜的工作时間安排得密不插针,工作强度对它的各个设备也是不小的考验。 
  哈勃望远镜1993年第一次维修后,美国宇航局分别于1997年、1999年和2002年,又先后对哈勃太空望远镜进行了3次较大规模的维修。 
  哈勃空間望远镜的维修,按照3年左右一个周期,维修的内容有几个方面:一是更换太阳能电池板或里边的蓄电池;二是升级计算机系统;三是摄影的终端设备和信号处理系统;另外一项很重要的内容是维修或更换陀螺仪。 
  后续的维修任务没有第一次维修那样的戏剧化,但每一次空間大维修都给哈勃太空望远镜带来新的能力。经过4次改进之后,它依然是站在科研第一线上最先进、最得心应手、质量最高的天文附属设备。 
  由于4次维护,哈勃望远镜得到一次次升级,使它的功能能够满足全世界天文学家的科研需求。从哈勃望远镜平均每3年维修一次推算,第5次维修应该在2005年左右,但是2004年,美国宇航局取消了对哈勃望远镜的最后一次维修。 
  对于取消哈勃望远镜维修的原因,美国当局称仅仅是出于对宇航员生命安全的考虑。因为2003年哥伦比亚号航天飞机的爆炸解体造成7名宇航员逝世。在随后长达248页的最终调查报告中,美国宇航局把“安全”作为航天飞机执行任务的首要前提。 
  哈勃望远镜在外空間的轨道距离,大概距地球650多公里。在这个区域有很多太空垃圾,维修过程中,会不会有太空垃圾跟维修发生碰撞,是个未知数。 
  美国宇航局取消哈勃望远镜的最后一次维修,还有一个不便言明的原因:美国政府把返回月球和登陆火星作为太空计划的重点了,意味着太空经费会更多地被用在这两个项目上。 
  因此,哈勃望远镜将成为美国总统布什提出的新太空计划的第一个牺牲品。 
  放弃修理处于“带病坚持工作”的哈勃望远镜,意味着哈勃的命运就此完结。按照哈勃望远镜的状况,在不接受任何维修的情况下,在2007年和2008年之間,哈勃望远镜随时可能停止运转。 
  用形容人类的话来说,哈勃望远镜的一生充满着变数和坎坷,可谓“命运多舛”。这一回哈勃望远镜又遇到了生命中的一道坎。 
  在哈勃望远镜最危难的时刻,在它主人放弃它的时候,是它的朋友,它的粉丝拯救了它。 
  在美国,大众对天文的关注程度比较高。哈勃望远镜对于他们,就像一种神话,公众强烈呼吁,尽量对哈勃望远镜维修,以延长它的使用寿命。 
  美国公众给议员写信、给总统写信,最后美国国会实际上是强迫美国宇航局修复哈勃望远镜。美国宇航局新局长上任之后,第一件事情就说,我要改变上一任局长的决定,我们将为航天飞机增加一次哈勃太空望远镜的维修任务。 
  美国宇航局没有料到哈勃望远镜的影响力如此之大,一架自己发射升空的仪器,现在美国宇航局已经控制不了它的去留。
      2009年5月11日,美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机顺利发射升空,它携带着7名宇航员,终于要对“奄奄一息”的哈勃太空望远镜进行第5次,也是最后一次太空维修。由于这次维修要有5次出舱活动,而且每次出舱都在6个小时以上,外界评论这次维修是风险最高、投入最大的“眼科手术”。 
  如果这次修复活动取得成功,未来4年,哈勃望远镜的性能将达到顶峰,它的观测能力将比1990年刚发射时强90倍。不过,一旦修理任务失败,哈勃望远镜这颗立下汗马功劳的天文学“皇冠上的宝石”,只能变成一块价值60多亿美元的太空垃圾。所以,这注定是一场牵动亿万人心的“惊天大维修”。 
  惊天大维修 
  美国东部时間2009年5月11日,在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心,“亚特兰蒂斯”号航天飞机准备发射升空,它将飞往距离地球600公里的太空轨道, 
  对著名的哈勃望远镜进行第5次太空维修。 
  在去往肯尼迪航天中心发射台的路上,很多为了观看发射,当天不去上班的人昨晚都没有睡觉,很早就在车站排队等候。(图9) 
  这里离发射台很近,只有5公里左右。 
  与以往发射不同的是,这一回,在“亚特兰蒂斯”号航天飞机发射的同时,另一架“奋进”号航天飞机也在发射架上整装待发,它的任务是万一“亚特兰蒂斯”号航天飞机在太空出现险情,它要准备好出手营救。(图10) 
  之所以如此,是因为这次维修被外界称为“惊天大维修”,它是美国宇航局有史以来难度最大、风险最高的一次太空行走活动。 
  发射当天一大早,世界各国媒体纷纷摆开架势,准备随时报道现场出现的新闻。 
  如何保障维修任务的安全性,仍然是个回避不了的问题。 
  维修过程中最大的威胁来自太空垃圾。哈勃望远镜是在距离地面600公里的太空上进行观测,这里不同于国际空間站的飞行轨道,各种各样的太空垃圾层出不穷。(图11)        2009年2月,美、俄两颗卫星相撞后,在太空中新出现了1.9万多块直径超过10厘米的垃圾,其中950块可以对各类宇航器造成威胁。 
  在太空中,人类活动留下了各种垃圾和碎片,这些垃圾在轨道上也在高速运行,它们和飞船的飞行速度是一样的,每小时27200公里,比普通飞机快数10倍,遭遇一个仅10克的小碎片,就相当于被一辆时速为100公里的中型轿车撞到,因此,各国的卫星在太空飞行一段时間后,被收回时总是千疮百孔。(图12) 
  美国东部时間2009年5月11日下午2点01分,“亚特兰蒂斯”号航天飞机准时从肯尼迪航天中心发射升空。(图13) 
  火箭发射后,地面控制工作交给了位于美国休斯顿的约翰逊空間中心,5月13日,发射的第3天,地面控制中心一片繁忙,工作人员为第二天即将开始的太空行走积极做着准备。(图14) 
  哈勃第5次维修经历了11天时間,2009年5月11日,亚特兰蒂斯号航天飞机携带7名宇航员发射到太空中。5月14日开始,宇航员进行第一次太空行走,5月15日第二次行走,依次类推一直到5月18日。 
  从上天到进行第一次太空行走,中間間隔了3天,宇航员进入太空后,为什么不马上开始工作呢? 
  其实,这是一种航天常规,为什么如此安排,要先从人体的一个特殊器官说起。 
  在地球上人对运动的感知,通常依赖耳朵内的前庭器官,那里有一种叫作耳石的物质,在重力作用下,耳石压迫毛细胞,毛细胞就能感知运动的快慢和方向,但在太空失重环境下,耳石失去了重量,形成不了对毛细胞的刺激,人就失去了对运动的感知。此时人会出汗、头晕、恶心、呕吐,这些症状很像晕车晕船后的感觉,这种病叫作太空运动病。航天员上天后的前3天是太空运动病高发期,发病率接近50%。 
  人站在地面上,由于受到地球引力的影响,血液往腿下流,然后心脏工作,增加动力,把血液的重力抵消,这样才把血液供到大脑,人们长时間生活在地面上,已经适应了这样的环境。可是,当人进入太空,基本摆脱了地球的引力,这时血液没有了重力,心脏还像在地面上一样,继续往大脑加压,把血液供到头部。那种感觉就像拿大顶,头冲下倒立一会儿没事,时間长了,脸胀、眼睛充血、脑袋发胀,非常难受。 
  太空运动病看似不大,可对于全世界的载人航天事业来说,却是一个难以攻克的大问题。必须对航天员进行严格的前庭功能选拔,这一条,是各国选择航天员的标准中最一致的。前庭功能考核,一般使用转椅、秋千或对耳部器官进行温度刺激。因此,有幸成为航天员的人,身体平衡系统一定非常优异。 
  航天员要完成艰巨而复杂的出舱活动任务,必须要在地面进行严格选拔和艰苦训练,他们必须具备过硬的心理素质和身体素质,因为出舱活动时間长,危险性高,必须有很好的心理素质,能够做到遇事不慌,处变不惊;航天员出舱活动时間一般都六七个小时,而且在太空中容易诱发太空运动病,没有很好的身体素质,就可能在舱外服内发生呕吐,这是非常危险的。 
  太空运动病一般在载人飞船一进入轨道后就会发生,持续2~4天后症状自动消失。这就是在这次维修任务中,宇航员上天4天后才进行出舱行走的重要原因,宇航员要有一段适应太空环境的缓冲期。 
  5月13日,哈勃第5次维修任务的第3天,宇航员用控制机械臂抓住了哈勃太空望远镜,把它固定在专用平台上。天上7个人在操作,而在约翰逊航天中心却有几百人和他们配合,一天24小时的每分每秒,地面工作人员一直紧张地盯着航天飞机内外的一切情况。 
  5月14日,太空维修任务进入第4天。根据事先安排,在接下来的6个多小时里,要进行维修任务的第一次太空行走。 
  当天的任务是为哈勃望远镜安装一台新的照相机和电子数据处理装置,使哈勃望远镜可以将一些必要的数据传给地面的科研人员。 
  美国东部时間5月14日早上8点52分,两名航天员走出“亚特兰蒂斯号”航天飞机,开始忙碌的工作。他们首先要卸下哈勃望远镜的一台旧相机,但这项工作进行得并不顺利。 
  由于固定旧相机的一颗螺丝钉卡在望远镜上,他们尝试了多种工具都未能将其取出。地面控制中心的工作人员要求航天员使出最大力气,但这么做存在着一定的风险,一旦螺丝钉断裂,旧相机将固定在望远镜上,新相机将无法安装。        地面控制中心里的气氛变得紧张起来。 
  地面指挥中心的人员指示,不管遇到多大困难、付出多大代价,一定要把螺丝钉卸下来。 
  经过努力,两位宇航员终于拔掉了“作梗”的螺丝钉。 
  维修的第一项工作是将使用了16年的第二代广角照相机,换成第三代广角照相机。第三代和第二代相比,基本设计相近,但工程师们在保留了经典仪器的同时,在新相机的内部安装了改良仪器,以便使它提供更逼真壮观的太空图像。 
  在第三代相机里,安装了两个镜头,新添的第二个镜头对拍摄更清晰的图片将起到很大的作用。另外还增加了一个图像仪器,它可以展现星体的不同角度,使它们看上去更有立体感。 
  第三代广角照相机,能够感测到更广泛的颜色范围,有利于我们根据这些星系的不同颜色,推测它们处于什么阶段。哪些是年轻的星体,哪些是中、老年星体,并可以得知这些星系是否属于同一个家族。另外,根据星体的颜色和形状,还能看出它们在宇宙中蕴含的能量。同时,这架最新的照相机可以观测到更大范围的天体,也可以探究更遥远的宇宙,让人们加深对宇宙起源的了解。(图15) 
      在第一次太空行走中,宇航员们还更换了哈勃望远镜的电子指挥和数据处理设备,安装了推进装置。 
  哈勃望远镜以前没有推进装置,如果不维修,大约在2010年就要坠毁,具体坠毁到什么地方是一个未知数,可能对地面造成影响或灾难。第5次维修中给望远镜安装一个推进装置,协助它在废弃之后能够有计划地重返大气层。 
  在第二天的太空行走过程中,另外两名宇航员要更换6个陀螺仪和3个蓄电池组件,使哈勃空間望远镜的定位系统和电力系统均得到加强。这项工作是这次太空维修任务中延长哈勃的使用寿命的首要任务。 
  第一件事是更换陀螺仪。陀螺仪能够使相机保持稳定,避免拍摄出晃动的照片。 
  安装陀螺仪是一项难度很大的任务,因为宇航员要在望远镜内部进行操作。不仅宇航员要进入望远镜内部进行维修,航天飞机的机械臂也需要伸入到望远镜内,在这样狭小的空間里进行维修,宇航员的工作需要极其小心谨慎。(图16) 
  在失重的太空维修哈勃望远镜,宇航员们要学习掌握许多新技术和新工具。在正式执行任务之前,宇航员们要进行大量的训练。在美国宇航局戈达德空間中心,为了模拟太空失重的环境,让宇航员相对真实地体验太空维修的具体情况,宇航员们要在12米深、有着6200万牛顿压力的水槽中,进行长时間的水下训练。(图17) 
  为了准备哈勃望远镜的第5次维修任务,仅负责设计维修工具的部门就派出20个工程师,协助宇航员在水槽中进行训练。在水中,宇航员们要练习如何使用工具,更重要的是锻炼他们之間的协作能力。项目负责人需要观察、发现宇航员们以什么样的组合来工作是最适当的。 
  太空模拟环境非常逼真,宇航员们就像在太空一样,可以飞起来。 
  利用水槽模拟失重进行宇航员出舱训练,是国际上通用的方式。在北京中国航天员中心,也有一座直径23米、深10米的亚洲第一大水槽,一个跟神舟七号气闸舱一模一样的模拟器。在这个大水池里,航天员穿着水槽训练用的舱外服,体验失重时如何运动,学习如何开关气闸舱舱门,如何拿出润滑材料,寻找最佳的太空行走路线。下水前,工作人员要对航天服进行配平,借助铅块的增减,使航天员与航天服的总重量,和他们的浮力相抵消。 
  当然,在水槽中模拟的太空失重状态,与真实的太空环境还是有所不同。最主要的区别是航天员在水下训练时,水有阻力和粘滞性,在太空中,一个个动作如果按照水下力的大小、方式运动,动作很难停下来,因为太空缺少水的阻力和粘滞性。 
  很多人看到航天员在太空中自由舒展的样子,都很羡慕。现在看来,太空的生活并不一定舒服,连最简单的活动都要经过长时間的练习和适应。 
  第二次太空行走的主要工作要在望远镜内部进行,宇航员小心翼翼地把报废的蓄电池和陀螺仪拆卸下来。 
  宇航员为哈勃望远镜更换了6个陀螺仪和3组新的蓄电池。可以说第二次太空行走的维修内容,是整个维修任务中最基本的,也是影响最长远的。不过明天的任务更为令人瞩目,因为第3次太空行走过程中,宇航员将修理哈勃望远镜上最重要的仪器——巡天照相机。        2009年5月16日,第3次太空行走。这次要完成两项大任务,首先为哈勃望远镜更新1993年安装的COSTAR(科斯塔)光学矫正系统,再就是安装新的宇宙起源摄谱仪,并安装先进的巡天照相机。 
  哈勃太空望远镜上的宇宙起源摄谱仪于1990年研制成功,它的科学目标包括一一研究宇宙结构的起源、星系的形成和演化,以及恒星、行星与冷星际介质的起源等。如果想知道宇宙中的某个星体是由什么组成的,它如何运动,如何演化等,宇宙起源摄谱仪可以解答并提供很多相关信息。 
  当星体发出的白光通过某种物质时,某些波长的光被该物质吸收,而每一种化学元素都有非常独特的吸收光谱线,比如氢原子的光谱,它和日光光谱外貌很不同,因为氢气有自己的吸收特性,因此我们可以用氢光谱来观测含有大量氢气的云层后面的星体。 
  用不同光谱的摄谱仪拍摄出的光线照片,效果存在很大差异。我们可以通过这些物质对光的发射与吸收产生的光谱,了解到很多关于宇宙历史的秘密。 
  宇宙起源摄谱仪的灵敏度极高,它可以使哈勃向地面研究人员提供各种精确的数据。 
  宇宙起源摄谱仪安装完,就要更换哈勃望远镜最重要的设备——巡天相机。 
  先进巡天照相机,是哈勃望远镜中最大的科学相机。由于它有很高的灵敏度,成像装置的工作效率和能力都很高,可以做到人类无法做到的事。比如,它可以拍摄到星系間的火焰和行星的闪烁,可以观测到很多宇宙中真正的物质。带给我们很多清晰的图像,所以它是哈勃的主力观测设备。先进巡天照相机是2002年宇航员为哈勃安装的,人们可以用它拍摄出最真实的宇宙太空。拍摄出恒星的立体图像。另外它还有一种重要的能力,可以观测到星系的闪烁,并告诉我们很多星系已经离我们远去。 
  如今,由于频繁使用造成了损坏,它的电力供应出现了问题。 
  在第3次太空行走中,要维修宇宙起源摄谱仪和巡天相机两件大设备,所以地面指挥员要求宇航员们的操作速度要比练习时快2~3倍,无论卸除设备还是安装仪器都要再快一些。 
  这次惊天大维修中的5次太空行走,已经完成了3次,后面的路尽管崎岖,但离胜利的终点还是越来越近了。而后面两次太空行走,主要任务是安装哈勃望远镜的成像摄谱仪和恒星追踪传感器。如果后面两次太空行走圆满成功,哈勃望远镜的使用寿命将延长到2014年,宝刀不老的哈勃望远镜,还会给我们带来惊喜。 
  第5次太空大维修,是人类最后一次接近哈勃望远镜,也是命运多舛的哈勃望远镜最后重生的机会:是凤凰涅槃,浴火重生,还是抱憾离场,提前结束探索宇宙的壮丽征途,第5次太空大维修将最终决定这架著名望远镜的前途。 
  再见,“哈勃” 
  2009年5月17日,哈勃太空望远镜的维修任务准备进行第4次太空行走。宇航员的任务是修复哈勃望远镜上一个停止工作的成像摄谱仪。虽然这次维护任务的难度不大,但维修过程并不顺利。 
  从航天飞机传来消息,扶手上的一个螺丝出现问题。宇航员需要查找在地面上的设备照片,看看到底用的是什么螺丝。 
  如果这个问题不容易解决,地面上的工作人员就要与1996年发射前拍摄的旧成像光谱仪进行对比,而这些照片有17万多张。 
  这台名为“成像摄谱仪”的设备,曾为黑洞的研究做出很大贡献,正是它第一次拍摄的黑洞照片,证实了星系中心超大质量黑洞的存在。 
  2004年8月,这台成像光谱仪因出现供电问题停止了工作。这次维修中,科学家研制了一种特殊的设备,换上它以后,哈勃的成像光谱仪就可以正常运作了。 
  宇航员从没有尝试过安装这些特殊的设备。这可是个精细活儿,宇航员要在保证安全的情况下,移除供电板上的110个小螺丝钉,以便更换旧供电板。 
  解决了螺丝钉的问题,后面就要换上地面工程师准备好的新低压电源板,在这块电子板每一个元件上面都单独用玻璃覆盖着,以便于检查每一个元件的运行情况。 
     哈勃望远镜非常精密,设备非常专业,这需要非常专业的工具。维修最大的挑战就是制造这些专用工具。为了这次维修,工程师们准备了300多种特殊工具,他们不断地改进,希望这些工具尽量适应太空恶劣的环境,因为当太阳照过来时,温度会高达110℃,而背向太阳时,温度又低于零下110℃,大多数的电力设备要经过加工之后,才可以适应这样大的温差。 
  在第4天的太空行走任务中,马斯米诺和古德在维修中遇到了一些麻烦,地面工作人员要根据他们发送到地面的图像,来决定应该用什么设备来替换旧的零件。不仅如此,地面工作人员还得告诉太空中的宇航员,应该使用什么样的工具,才能顺利地完成这个任务。 
  在位于休斯敦的美国宇航局约翰逊航天中心,地面控制人员高度紧张,24小时轮流工作,随时注意哈勃维修任务的一举一动。虽然工作任务繁重,但他们还是可以抽空吃东西,和同事交流。 
  相比之下,在遥远危险的太空中,执行维修任务的宇航员们的工作条件就差多了。出舱工作的宇航员,要连续在太空工作六七个小时,执行几千项操作,还不能出现任何一点失误,最令人烦恼的是——他们即便累了,也不能回飞船休息一下。4名航天员在5天的时間里,完成5次太空行走,每一次太空行走都在6个小时以上,劳动强度非常大。(图18) 
  在漫长的工作中,宇航员的身体非常疲惫,他们喝水吃饭、上厕所如何解决呢? 
  饮食的问题相对简单,舱外活动航天服里有饮水袋,还有条状食品,宇航员一低头就可以饮水,一搬弄,食品棒就出来了。但宇航员需要控制住尽量不要大便,小便使用尿不湿。 
  在人们的想象中,在太空星海上工作,似乎是很浪漫的享受,可真实的情况是:又饿、又累,没有片刻休息。 
  宇航员连续六七个小时在舱外活动,除了生活不方便,在工作中还有另一大苦恼——失重。在太空里,什么东西都是飘着的,包括宇航员都是处于飘浮状态。 
  在维修哈勃太空望远镜时,宇航员着舱外航天服走出舱门之后,因为离维修的地方有一段距离,一般都是通过航天飞机上带的机械臂,抓着航天员把他送到要维修的地方。航天员身上有一个安全挂钩,也叫安全系绳,送到之后,把钩子挂在哈勃太空望远镜外面扶手上,这样才能保证宇航员不会飘走。 
  2008年,在神舟七号任务中,我国研制的第一代舱外航天服——飞天服的腰部,就有两根安全带,一根3米,一根8米,都能承受一吨重的拉力。 
  尽管看起来安全挂钩的结构形式非常简单,但它在舱外航天服上却有很重要的功能。 
  在哈勃望远镜第5次维修任务中,不仅宇航员自己要随时做好固定工作,手中的工具也要带着挂钩。另外,人处于漂浮状态不仅难以固定身体,而且行动异常迟缓,一般每秒钟才能挪移身体10厘米,拆卸一颗螺丝钉,地面上用不了一分钟,可在太空中操作,如果航天员缺乏经验,旋转的往往不是螺丝而是自己。 
  在宇航员和地面上的指挥员通力合作下,第4天的维修任务终于完成了。 
  他们修复了哈勃望远镜上一个停止工作的成像光谱仪;为哈勃望远镜更换了一个恒星追踪传感器。整个团队尽管有些疲惫,但仍无法休息,因为第二天还有更重要的任务,那将是本次哈勃望远镜维修任务的最后一次。 
  5月18日,哈勃第5次维修任务执行最后一次太空行走,任务是:为哈勃更换一块电池和3个恒星追踪传感器,并安装不锈钢防护板,以减少太阳对望远镜的曝晒。 
  电池已经在哈勃上工作了20年。近几年来,它们的储电量以及为哈勃供电的能力不断下降。更换新的电池组非常重要,要让供电能力恢复正常,确保至少能满足5年的任务期,当然期望它会更长。 
  专家介绍,如果一切顺利,这些电池可以让哈勃望远镜使用到2014年。这次安装的恒星追踪传感器实际上也是一个辅助控制系统,它将帮助哈勃望远镜拍摄到更清晰的图片。因为电子元器件的故障,传感器性能一直在下降,事实上,它正在慢慢“死亡”,不得不进行更换。 
  在前一天的太空行走任务中,原计划6个小时完成的工作,结果耗费了8小时零2分才完成。在茫茫太空中进行维修,宇航员唯一的依靠和保障就是那身显得很笨重的航天服,它要时时刻刻保护着宇航员的生命安全,还要保障他们能够连续8小时以上紧张地工作,所以舱外航天服是世界上最复杂、科技含量最高的服装,也是最昂贵的服装。2008年,中国航天员翟志刚穿着中国制造的舱外航天服,游出神舟七号太空船,以漂浮的海豚姿态,实实在在地感受了太空星海的自由、美丽与严酷。中国也因此继俄罗斯、美国之后,成为世界上第3个可以制造舱外航天服的国家。(图19) 
  目前世界上使用中的舱外航天服,只有美国、俄罗斯和中国的。这3套舱外航天服,大的功能基本一致,都是为满足航天员出舱活动使用。中国的飞天舱外服和美国的航天舱外服,主要区别是在压力制度上,中国的压力制度是40千帕,美国是30千帕左右。其实,高压制度和低压制度各有利弊,压力高安全性好,航天员更适应,但手套操作性会差一些,必须加大航天员上肢力量的训练,加以弥补。       在舱外航天服提供的小环境中,宇航员格伦斯菲尔德和福伊斯特尔更换了一组蓄电池和精确导向装置,最后,还在望远镜外安设了不锈钢防护毯,罩住了防护性隔热层上因太阳辐射轰击而受损的部位。这次太空行走共用时7小时零2分。(图20) 
  但是航天员没能回收旧的防护材料,只好任其在太空中飘远。好在这些材料不会对航天飞机造成危害。 
  2009年5月18日,当本次维修任务中的最后一次太空行走结束之后,地面指挥员们终于放松下来,不过想到这很可能是人们最后一次接近哈勃望远镜了,心情难免有些惆怅。 
  美国东部时間5月19日早上8点,约翰逊航天中心的地面控制人员相互庆祝,庆祝哈勃太空望远镜第5次在轨维修任务基本完成。早上8时57分,在放开哈勃的关键时刻,地面控制中心所有指挥员激动不已。有些人特地准备了摄像机,拍下这难忘的画面。 
  太空维修任务的主要工作基本结束了,所有关心这次惊天大维修的人们长舒了一口气,此前最为担心的太空垃圾撞击事件没有发生,这的确是一件幸运的事。因为一旦太空碎片撞破了宇航员的舱外航天服,服装漏气泄压,压力泄完之后,就会使体液沸腾,直接威胁到宇航员的生命。 
  1965年,俄罗斯航天员利昂诺夫在进行世界上首次太空行走时,他所穿的航天服在内外压力差的作用下,严重变形,由于服装过度膨胀,致使利昂诺夫差点挤不进舱门内,他出舱走了12分钟,进舱却走了14分钟,险些遇难。 
  舱外航天服设计中最重要的一环就是防破损、控制好压力,但是有一个部位是整套航天服中最薄弱的,就是手套。手套既要有良好的操作灵活性,又要防止真空、微陨石等空間环境因素对航天员手部的伤害。 
  手套是一个很复杂的装置,叫功效操作设备,里面有气密层来保证手免受真空伤害。另外,手套要有很好的灵活性,还要有触感,手部是维修和操作工作最主要的环节。 
  在第5次太空大维修中,宇航员用灵活的双手为哈勃望远镜换上了新的设备,对于维修哈勃望远镜的宇航员来说,执行这样的任务,考验宇航员挑战太空的冒险精神,更要有足够的精心与耐心。因为两层楼高的哈勃望远镜,就像一辆竖立起来的公共汽车,然而这样庞大的设备却又是极其精密的科学仪器,不允许有半点安装失误。 
  哈勃空間望远镜第5次维修任务的尾声——返航的时間到了,但5月22日一早,美国佛罗里达州就开始下雨,而且似乎没有转晴的迹象。 
  为了宇航员和航天飞机的安全,肯尼迪航天中心的地面指挥员决定将降落时間推迟。但天公不作美,又过了一天,佛罗里达的天气情况依然不乐观。 
  最终美国西部时間5月24日8时39分,亚特兰蒂斯号航天飞机载着7名宇航员安全降落在加利福尼亚洲爱德华兹空军基地。 
  7名宇航员和航天飞机的顺利着陆,只是意味着哈勃本次维修任务顺利结束,是否意味着这一次哈勃维修圆满完成,还要等哈勃传送回地面的第一批图片,通过图片的清晰度,来分析到底本次维修任务是不是真正结束了。 
  2009年9月10日,在宇航员们返航4个月之后,美国宇航局对外公布了维修后哈勃太空望远镜拍摄的第一批深空照片。 
  图片是由新安装在哈勃上的广角照相机3号拍摄的,图片展示的是一个名为“NGC 6302”的行星状星云。从这只奇异的“太空蝴蝶”上,人们发现,哈勃望远镜比以往拍摄得更加细腻清晰,看上去像蝴蝶翅膀一样的物质,其实是恒星释放的热气和尘埃。而另一张照片是新修复的“哈勃先进巡天照相机”拍摄的,它将目光锁定距离地球近50亿光年的星系团“阿贝尔37”,揭示了这个星系团错综复杂的细节。(图21、22) 
  哈勃再次重回探索宇宙的主战场,人们期待它能够帮助科学家做出更大的发现。 
  在过去的20年里,哈勃空間望远镜已累计飞行大约45亿公里,这相当于海王星到太阳的平均距离。哈勃望远镜每月的轨道观测产生超过80G的数据,它在20年的观测中所产生的数据,足以填满2个美国国会图书馆。 
  由于哈勃望远镜要拍摄宇宙中较远的、很暗的天体,所以它要避开太阳,而地球反射的光芒对于它来说太亮了,哈勃望远镜甚至都不能对着月亮。太强的光线会把它的主镜烧坏,造成无法弥补的伤害。 
  可以想象,安排望远镜什么时間观测什么目标,是一个很复杂的事,因为太阳、月亮在天上动,自己还在不停地转,所以什么时間看什么天体,有很多限制。 
  这使得哈勃望远镜的运行情况很复杂,需要专门的机构,安排哈勃望远镜的使用。 
  哈勃望远镜是美国宇航局为主建造的,欧洲空間局也参与了。在哈勃望远镜刚运行时,主要的观测时間是由美国科学家使用,欧洲科学家也用一点。经过这些年运行之后,美国将哈勃望远镜的观测时間对全世界开放。望远镜使用的时間,欧洲科学家大概15%。剩下的观测时間,全世界的科学家都可以申请。另一方面,哈勃望远镜第一次大规模地把它观测的科学数据,全部再现地放在互联网上。 
  把“哈勃”的观测数据放到互联网上,是希望联合全世界的科学力量来对海量数据进行处理,这是一项对后世影响深远的创新。在哈勃望远镜上天之前,全世界的科学家在许多科学领域中,数据是“私有”的,只属于进行这项实验的小组。然而,哈勃望远镜的观测数据在一年之后,便向全世界开放。 
  有人会问,中国科学家是否能使用哈勃太空望远镜的数据?回答是肯定的,中国的天文学家,很多人在自己的研究工作里間接或直接地引用了哈勃太空望远镜的数据。 
  哈勃望远镜的开放政策,不但对后来的天文学研究影响深远,也塑造了哈勃望远镜的形象,奠定了它在全世界科学家中备受尊崇的地位。现在几乎所有的大型天文计划都会在项目运转的过程中,向公众公布数据,这个新的运转模式使得来自小的研究机构,或者发展中国家的研究人员,也能接触到全世界最好的观测数据。 
  形容人类的成功,人们常用“时势造英雄”来说明,而哈勃望远镜工作的20年,正是天文设备大发展,人类宇航活动大发展的20年。尤其哈勃望远镜拍摄的数字照片首次进入公众视野时,正值互联网的高速发展。可以说正是一个公众对天文、对宇航高度热情的时代,造就了成功的哈勃望远镜。 
  不过,无论人们再如何挽留,“哈勃”的寿命也将在2014年左右结束,第5次维修任务中,航天员们为“哈勃”安装了新的对接系统。新对接装置将使“哈勃”能与带推进设备的无人航天器对接,当望远镜无力再开展观测时,美国宇航局打算利用无人航天器将其推落到太平洋中。 
  20年来,哈勃望远镜拍摄的精彩照片,唤起无数人对宇宙的好奇、对天空的向往,哈勃望远镜在科学与公众之間,架设了一道五彩缤纷的桥梁。

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