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哈勃望远镜因何与众不同?

2019-11-28 19:18| 发布者: | 查看: 23| 评论: 0

摘要:   作者:潘瑾  可以说我和哈勃望远镜是一起长大的。哈勃 一词最早在是普林斯顿天文学家莱曼斯皮策在 1946 年的一份报告中被提出,之后的 1951 年 10 月 3 日,我出生在新泽西州的帕特森。在我童年和少年时期,哈 ...

  作者:潘瑾

  可以说我和哈勃望远镜是一起长大的。“哈勃” 一词最早在是普林斯顿天文学家莱曼·斯皮策在 1946 年的一份报告中被提出,之后的 1951 年 10 月 3 日,我出生在新泽西州的帕特森。在我童年和少年时期,哈勃望远镜的设想一度被搁置甚至逐渐放弃,但后来,随着新太空时代技术的成熟,斯皮策的设想成终于成为可能。巧合的是,我和哈勃几乎同时开始了太空之旅,我被选为宇航员和哈勃被国会批准进行设计制造都发生在 1978 年。 

  制造哈勃望远镜是一项了不起的工程。哈勃与所有前代和后代望远镜最根本不同之处在于,它的设计初衷是让两名穿着笨重宇航服的宇航员可以在距地球数百英里的轨道上对其进行维护。这就像你穿着充气相扑服和拳击手套开车一样,如果你松开手,你手上的工具就会飘走。 

  可维护性设计的原则很简单,任何接触过家居或汽车维修的人都很熟悉:当零件布局简单清晰,不动没有问题的部件就能找到故障部件,紧固件和连接器非常标准,并且不需要什么特殊工具时,维修就会很容易。可是一群从未进入过轨道和从未穿过太空服的人该如何理解微重力环境中“可维护”的含义,然后将所有这些都整合到望远镜的设计中呢? 

  在设计哈勃的早期阶段,有两项创新提供了富有创造性和工作严谨的良好范例。维修哈勃望远镜比较困难,所以简化工具接口以提高效率和减少准备工作时间这两点非常重要。 

  设计师亨利·福特(不是福特汽车那个福特)决定通过减少望远镜上紧固件的种类来解决第一个问题。他要找到一种尽可能小的螺栓,同时具有必要的高抗拉强度和合理的断裂扭矩。简单地说,这种螺栓需要足够坚固,足以承受航天飞机发射时的作用力(那时航天飞机还在设计阶段,所以没有准确数据),但用扳手松开它也不会太难。找到了这种特殊的双高度 7/16 英寸的高强度六角头螺栓,福特与他的电子设备安装团队开始了探索。

  这个团队的工作是确保电子设备箱在安装过程中绝不松动;他们从未想过要把轨道上的螺栓拆下来。经过几轮争论和分析后,团队同意每个部分都能使用福特选择的螺栓。接下来,福特去了负责太阳能阵列、天线铰链和门闩的机械组,最后去了科学仪器组。他跑完这一趟之后,已经收集了必需的工程数据来证明这种螺栓适用于望远镜的全部系统,并确保了每个系统的首席工程师都会使用这种螺栓。NASA 后来把它作为航天飞机和空间站上的标准螺栓,用于任何可能在太空行走或舱外活动中需要修复的部位。 

  Tom Fisher 的发明则是针对望远镜工作点需要准备的时间。他比任何人都更了解望远镜上的 38 个舱外活动(EVA)工作点,他亲手绘制了每个位置的精确而详细的工程图,以及适合宇航员接触和操作所有维修配件的身体姿势。Fisher 认为宇航员需要一种叫做脚部固定装置的便携式 EVA 工作平台,这个平台比 NASA 设想的简单的工作平台用途更广。 

  便携式脚部固定装置对宇航员来说就像地心引力对地球力学一样:它能让宇航员固定住双脚,这样宇航员就可以对工具施加杠杆作用和力。如果没有这个脚部固定装置,又想在太空的微重力中转动一个螺栓,你就会发现螺栓没动,你自由漂浮的身体反而转动了。早期的脚部固定装置基本上是柱子上的板。它们被设计成直接从附着的结构中伸出来的样式。踏板只能在一个轴上倾斜,使用时还不能调整。Fisher 想出了在踏板上安装脚蹬的主意,这样宇航员就可以用靴子轻敲脚蹬来旋转他们的身体。从 1985 年开始,我们进行了一系列中性浮力测试来完善 Fisher 最初的概念,最终研发出一种用途广泛的可以用于哈勃每次任务的装置,现在国际空间站上也在使用这个装置。 

  在这段太空之旅最初的 2 分 15 秒里,整个过程非常颠簸并且充斥着噪音,就像置身于地震、摇滚音乐会和战斗机的疯狂组合中。那种震动就像骨鸣一样,我的后背一直被强大的推力推着。然后我感到火箭的推力越来越小,并且听到查理报告说固体火箭如预期中的一样快燃尽了,之后听到砰的一声,火箭彻底脱离。那个时候,整个旅程似乎很平静,就像一列电动火车一样平稳。六分钟后,引擎熄火了,轻盈的四肢和飘浮的检查表使我确信我又回到了轨道上。我立刻感到像回到家里一样。 

  我们兴奋地结束了在轨道上的第一天。机械臂工作正常,望远镜没有显示出被强力发射破坏的迹象,我们的宇航服也没有一点问题。 

  我们在一段早就想不起来的起床曲中开始了围绕哈勃望远镜的日常工作:穿衣服,吃点早餐,查看早晨的信息包,更新航天飞机的导航数据,并确保我们所有的中甲板实验都在正常运行。但是当史蒂夫开始把望远镜抬出货舱时,我们精心设计的部署计划开始出现问题。接下来,部署望远镜附件(太阳能阵列和天线)的计划开始瓦解。计划的每一步都显示出,太空望远镜操作控制中心的地面控制小组没有充分认识到哈勃系统的复杂性,并且正在努力应对真实的太空飞行操作的速度和压力。 

  几周后,当全世界都知道刚刚送入轨道的价值数十亿美元的太空望远镜竟然视野模糊时,我们对哈勃望远镜首次拍摄壮观图像的希望破灭了。查理和史蒂夫担心了好几个星期,是不是在他们小心翼翼地把望远镜抬出航天飞机的货舱时,不小心撞到了它,从而导致现在这种情况。他们一定是地球上唯二两个因为知道哈勃直径 96 英寸的主镜形状不对而感到宽慰的人。它 0.0001 英寸的周长太扁平了,大约是人类头发直径的 1/25,或者是精装书厚度的 1/40。 

  这个消息令人难以置信,这是个不可思议的错误。震惊和痛苦席卷了 NASA 和哈勃科学界。国会和媒体对此义愤填膺。向公众宣布这一消息的 NASA 官员们苍白的脸上清楚地写着悲痛二字。 

  虽然我们的计划一直是在部署望远镜两到三年后才进行第一个维护任务,但没有人想到哈勃的寿命会在第一次任务就岌岌可危。 

  通常情况下,找到解决方案的诀窍是重设问题。镜头本身真的需要修理吗?如果我们假设真正的挑战是校正反射到仪器上的光呢?结果令人感动,这个假设是有可能的,如果没有这唯一的一个小小的好消息,哈勃任务可能变成一个非常可怕的失败计划。镜子的形状确实是错的,但是恰恰因为它是错的,工程师们可以非常精确地计算出它的实际形状和预期形状之间的差异。这些信息可以用来计算校正望远镜视野,就像验光师决定一副眼镜所需镜片的形状一样。 

  10 月,团队已经有了恢复计划的大致框架。哈勃尾部的四个大型科学仪器中的一个将被替换成一个相同的盒子,盒子里装着矫正光学仪器——在哈勃这个情况中盒子里面装的是小镜子,而不是透镜。这些镜子将为望远镜的制导传感器和剩下的三个仪器提供合适的聚焦光线。类似的镜子被安装到哈勃的主要成像设备——宽视场/行星照相机的替换单元中,而该设备正在建造中。 

  接下来的 16 年里,有另外 4 名航天飞机机组人员加入了哈勃任务。每一个维修任务都改进了原有方法,并发明了新设备以处理更加复杂的维修工作,但所有这些都严重依赖于原小组生产的工具和设备。到第四次任务时,维修团队做了一些我们在 1990 年从未想过的事情,比如把安装在主镜下方几英尺的精密科学仪器的盖子拿掉,以便更换单独的电路板。 在五次维护任务中,16 名太空漫步者总共花费 165.8 个小时(差 6 分钟就是七天)骑在航天飞机的机械臂上或爬上望远镜。由于这些任务的完成,今天的望远镜比我们在 1990 年 4 月 25 日首次部署的那个要好得多。航天飞机机组人员用更先进的固态元件取代了 20 世纪 70 年代的老式电子产品,所以哈勃的可靠性、数据存储和数据传输速度都有所提高。 

  提高了三倍的灵敏度可以让它看到宇宙深处。现在哈勃的照相机要比当初好 100 倍,它的摄谱仪也比当初好 10 倍。所有这些进步使哈勃能够测量宇宙的膨胀率,即哈勃常数,它的结果比飞行前的设计目标精确五倍,并被认为是有史以来最多产的天文台。 

  我们在 1990 年带上去的哈勃望远镜基本上只剩下两面镜子和支撑它们的计量桁架,黄色的 EVA 扶手和脚部固定装置底座,以及闪亮的银色外壳,它曾经让这架宏伟的飞行器在暮色中从头顶飞过时很容易被发现。但现在与 1985 年 4 月我第一次看到哈勃望远镜时相比,那银色的外壳变得暗淡多了。褪色的主要原因是恶劣的太空环境。所有的卫星都会不断受到微流星体、太空碎片、强烈辐射和太阳风中带电粒子的侵蚀。只有哈勃会受到另一种侵蚀力的影响:人类的接触。在执行重要任务时,维护望远镜的太空漫步宇航员在望远镜的外壳上留下了他们的手印。 

  这些可见的手印就像冰山一角,强烈暗示着一个看不见的更加庞大的群体。对我来说,它们象征着无数在地球上工作的手,那些科研人员设计了望远镜的可维护性,制造了实现在轨服务所需的工具和设备,训练了机组人员,并像宇航员一样不辞辛劳地完成每一项任务。这些默默无闻的人都有理由说他们也在哈勃上留下了自己的手印。


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