【深度】韦伯望远镜的前世今生

韦伯望远镜的前世今生

文 | 张雪松

本文原载于《卫星与网络》杂志2022年1&2月刊

2021年12月25日，备受关注的詹姆斯·韦伯空间望远镜从位于法属圭亚那的库鲁发射中心，由欧空局（ESA）阿里安5大型火箭顺利发射升空。韦伯空间望远镜是现役哈勃空间望远镜之后的新一代大型空间望远镜，它工作在近红外和中红外波段，用于观测最遥远和最原始的恒星和星系，帮助科学家们寻找宇宙大爆炸初期留下的痕迹，研究星系、恒星和行星形成和演化的奥秘。

从哈勃到韦伯

哈勃空间望远镜以美国著名天文学家埃德温·哈勃命名，是人类第一个大型空间望远镜，自1990年升空以来取得了数不胜数的辉煌成就，被誉为人类天文史最重要的望远镜。不过，哈勃望远镜上天前后，随着自适应光学（AdaptiveOptics）技术的发展，地面望远镜得以补偿大气湍流或其他因素引起的波前畸变，有效解决了大气层对地面望远镜观测的干扰。与此同时，空间望远镜的研发价格远高于地面望远镜，一直面临着巨大的预算压力。

地面大型望远镜几乎可以无视重量和体积的限制，而空间望远镜受到诸如运载火箭和航天飞机等发射工具的限制，要在有限的体积和重量下保证高性能，在工程上力求精益求精，自然带来数倍甚至更多的研发成本。以哈勃空间望远镜为例，在它立项研制时虽然遇到很多技术问题，但最大的困难却是高昂的预算带来的压力。1972年天文学家们提出大型空间望远镜概念时，预计只会花3亿美元，但这些钱对美国国会来说都显得不可接受，几经波折砍掉一半才同意立项，不仅望远镜口径从3米缩小到2.4米，也不得不和ESA合作分担费用。

1978年美国国会批准了3600万美元的预算，开始大型空间望远镜的设计工作，在1979年的初始设计阶段预计这台空间望远镜将耗资2亿美元，并于1983年发射升空。与此同时，哈勃望远镜在研制中遭遇大量问题，加上1986年挑战者号航天飞机事故，发射时间也不得不推迟，导致研发进度屡次拖延造成成本迅速上升，等到1990年4月24日发现号航天飞机将其送上太空这一财年，哈勃空间望远镜花费的资金已经高达21亿美元！

与之相比，2000年投入使用的国际合作的双子星（Gemini）望远镜包括南北半球各一个口径8.1米的大型地面望远镜，整个计划耗资不过1.87亿美元，只有哈勃这台2.4米口径空间望远镜的零头。

自适应光学技术的应用，对空间望远镜的发展带来了巨大的冲击。美国天文学界要推动下一代空间望远镜（NGST）的立项，如何证明它的必要性呢？幸运的是，大气层对天文观测的影响，不仅是湍流等干扰因素，还有对红外线等波段的吸收，无论自适应光学等光学技术发展到什么程度，也不可能在地面无中生有观测到已经被大气吸收的红外线，而红外波段正是未来天文观测的重点。

星系红移

宇宙大爆炸理论已被广为接受，但人类对宇宙大爆炸初期发生了什么，还缺乏充分的观测证据，哈勃空间望远镜工作在紫外、可见光和部分近红外波段，只能观测到宇宙大爆炸约5亿年后的星体，这还是升空后航天飞机维护时加装近红外相机的结果。更早的恒星和星系虽然也发出可见光，但由于宇宙大爆炸后空间膨胀带来的红移效应，到今天已经偏移到红外波段，让哈勃空间望远镜，更不要说地面大型望远镜鞭长莫及。

哈勃空间望远镜

哈勃空间望远镜近红外相机拍摄的照片，发现星系诞生时间比天文学家预期得要早得多，还发现宇宙正在加速膨胀，这些重大发现愈加显示了红外观测的重要性，让美国航空航天局（NASA）下定决心研制专注于红外波段观测的新一代大型空间望远镜，也就是刚刚发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。

尽管NASA相比其他国家的民用航天机构财大气粗，但投入空间天文的预算仍然是相当有限的。韦伯空间望远镜也面临巨大的预算压力，立项时简直是钓鱼的典范。20世纪80年代美国学界已经开始讨论哈勃空间望远镜的后继者，1989年，通过十年调查提出6米被动冷却红外望远镜的设想，预测总研发成本20亿美元（1990年币值），和哈勃研发费用基本相当，并计划2009年发射。1989年在NASA戈达德中心的支持下，空间望远镜科学研究所（STScI）就举办了研讨会，讨论哈勃空间望远镜的后继者，提出了8米近红外空间望远镜，甚至月面望远镜的构想。

20世纪90年下一代空间望远镜（NGST）的讨论和研究日益深入，1993年大学天文研究协会（AURA）和NASA联合举办了“哈勃及后继”委员会，考虑2005年哈勃空间望远镜寿命到期后，如何满足天文学界的需求。委员会提出三项建议：

1、哈勃空间望远镜延寿到2010年，从而实现新老空间望远镜同时运行，并平滑过渡到新的望远镜。
2、研究低背景轨道上部署4米口径空间望远镜的可信性。
3、支持起源领域的科学目标，即调查了解星系、恒星、行星和生命的形成过程。

即使在存在球差的哈勃望远镜拍摄的照片，就已经显示出早期星系团的结构，那么下一步自然是更好的观测大爆炸后最早形成的星系。1989年到1994年间，科学界提出的Hi-Z概念是一个传统概念的4米口径红外望远镜，它有传统的圆筒形遮光罩，将发射到近日点1天文单位、远日点3天文单位的深空中，显著降低黄道光背景对观测的干扰。然而，哈勃空间望远镜上天后发现球差问题，让修复“近视”的哈勃望远镜成了当务之急，下一代空间望远镜的一切想法都只能蛰伏待机。

1993年12月奋进号航天飞机发射执行STS-61任务，成功的对哈勃空间望远镜实施了首次维护任务，校正了主镜存在的球差问题，随后下一代空间望远镜也开始得到更多关注。当时的NASA局长丹尼尔·戈尔丁大力宣传“更快，更好，更便宜”的发展战略，他还敦促天文学界大胆创新设计出更廉价的8米口径（空间）望远镜。

戈尔丁指示的挑战，以及天文学界发现科学目标需要在高红移下完成，这要求在极低的红外背景下观测，或者说轨道需要远离地球，空间望远镜的设计也日益激进。NGST的早期概念比如大型可展开的拼接式反射镜、金属铍为镜面材料、日地L2拉格朗日点轨道，以及无外部圆筒形遮光罩的开放式望远镜，被动式冷却和-223°的工作温度，还有大型多层遮阳板等设计，奠定了今天韦伯空间望远镜基本设计的基础。1996年NGST项目进行可行性论证时，3个竞争团队分别给出了望远镜的设计方案：

NASA戈达德中心的8米口径拼接展开式望远镜，使用大型遮阳板，工作在日地L2轨道；TRW公司的望远镜同样使用大型遮阳板，工作在日地L2轨道，使用铰接式8米口径主镜；洛克希德公司的4米口径单镜片望远镜，工作在3天文单位的椭圆轨道上。

这个阶段的研究报告自信地表示，研发下一代空间望远镜只需要5亿美元预算，全寿命成本也只要9亿美元，预计2005年发射升空。这个乐观预计的前提，是整个望远镜包括科学仪器都由一个承包商研发制造。毫无疑问，和报告中很多假设前提一样，无论从技术还是政治上说，单承包商的想法都是不可能的，换句话说早在1996年大家就知道NGST不止5亿美元，但它最终的研发成本将来还是会让人大跌眼镜。

NGST进行可行性研究的同时，科学界还进行了大量模拟工作，为NGST和载荷能力的研发提供了更好的科学依据，这些研究推动了NASA同意资助更多的研究工作，完善NGST所需的各项关键技术。NASA和ESA、加拿大航天局（CSA）从1996年开始在NGST项目上开始合作，但正式签订协议已经是21世纪的事情了。

NASA对NGST相关技术进行了初步研究，包括轻质镜片、波前传感和控制，探测器以及超低温下的促动器。NGST项目组还权衡了望远镜方案的配置，比如8米直径可展开的主镜、使用宇宙神5火箭发射、日地L2轨道以及大型可展开式的遮阳板。戈尔丁局长“更快，更好，更便宜”的战略看起来很美，但20世纪90年代末美国广域红外望远镜，以及两个火星探测器接连因为低级错误失败，三次失败让NASA不得不谨慎起来，而战略转向和更严格的品控要求，让研发成本不可避免地水涨船高，NGST预期研发成本翻倍到10亿美元。

2000年NGST项目组表示，由于大口径主镜研制进度的问题，下一代望远镜的发射要推迟到至少2009年。意识到预算和技术问题后，NGST项目组不得不痛苦的决定，将望远镜主镜缩小到6.5米，但项目预算却随着研究深入进一步提高到18亿美元。NASA还选定空间望远镜科学研究所（STScI）作为NGST的科学和操作中心，STScl此前已经是哈勃望远镜的操作中心，这项决定有助于通过复用哈勃的软件，降低韦伯望远镜的软件开发开支。2001年NGST望远镜两项关键子系统的研制也有进展，NASA选定TRW/Ball宇航公司和洛马公司角逐望远镜研制的主承包商，它还选定喷气推进实验室（JPL）负责研发NGST上关键的中红外成像载荷（MIRI）。

2002年初NGST项目从详细可行性研究（A阶段）过渡到定义研究的B阶段，戈达德中心通过任务定义审查后，项目将更多地由主承包商负责。2002年6月NASA选择亚利桑那大学开发NGST上的近红外相机（NIRCAM），而望远镜主承包商也终于水落石出，最终花落TRW公司，它将负责设计和制造望远镜主镜和平台。与此同时，NASA正式宣布将下一代空间望远镜命名为詹姆斯·韦伯，詹姆斯·韦伯是NASA的第二任局长，带领NASA实施了伟大的阿波罗载人登月任务。NASA对詹姆斯·韦伯空间望远镜寄予厚望，期待它能带来空间天文学的革命，可惜物美价廉终归成了黄粱一梦，这时韦伯空间望远镜的预期研制预算已经增长到约20亿美元！

预算超支举步维艰

2002年9月NASA将下一代空间望远镜（NGST）命名为詹姆斯·韦伯空间望远镜，同年12月主承包商TRW公司被诺斯罗普·格鲁曼公司收购，成为诺斯罗普·格鲁曼太空技术公司，缩写恰好就是NGST，但这个缘分并没有带来好运，随后韦伯空间望远镜的研制十分艰难，不仅进度屡次拖延更在经费上严重超支。

2002年NASA已经选择了所有的主要合作伙伴，菲尔·萨贝尔豪斯接替伯尼·希里担任NASA韦伯望远镜的项目经理，领导韦伯望远镜项目，韦伯空间望远镜项目尽力平衡性能、进度和预算，开始空间望远镜详细规划设计。2003年韦伯空间望远镜项目开始挑选备选的运载火箭，对比当时美国的宇宙神5火箭，欧洲公司的阿里安5火箭性能更佳，它拥有更长的5.4米直径大型整流罩，同时运载能力要大得多，有利于简化望远镜的主镜设计。

即使如此，韦伯望远镜的主镜也从36块拼接镜片更改为18块镜片，有效面积从TRW原始方案的29.4平方米减少到25平方米，原来整合的NIRCam和导星（Guider）一分为二，美国提供NIRCam，加拿大提供Guider也就是精细制导传感器（FGS）。为了降低技术开发工作量和难度，MIRI的制冷甚至打算用低温恒温器（Cryostat）原理的固氢杜瓦。2003年夏天，NIRCAM团队选择罗克韦尔技术公司研制近红外传感器，NASA最终选定基于金属铍的轻质空间反射镜技术，铍基反射镜将由Ball宇航技术公司提供，并在一年内开始生产，NASA还授予诺斯罗普·格鲁曼太空技术公司价值8.248亿美元的合同研制生产韦伯空间望远镜。

韦伯的镜片

2003年12月韦伯望远镜项目通过了任务系统需求审查（SRR），2004年随着韦伯望远镜初始合同的审查，以及望远镜成本和NASA预算的成熟，相关任务团队不得不调整计划进度和预算，适应2011年8月的发射时间。2004年韦伯望远镜进入详细设计阶段，第一批铍毛胚交付Axsys技术公司进行轻量化加工。2005年2月，NASA和ESA签订了使用阿里安5火箭发射韦伯望远镜的协议，同年5月所有的20块铍镜片都交付给Axsys技术公司进行切割轻量化。

韦伯望远镜使用了大量新技术，研制中出现大量的技术问题，严重影响了望远镜的进度和预算，比如原来加拿大负责的可调谐滤波器成像仪（TFI）由于技术问题被迫简化设计，好在超低温制冷系统重回机械制冷机路线，有助于降低韦伯的发射重量。2005年NASA收到了诺斯罗普·格鲁曼公司和NASA科学仪器模块（ISIM）团队的最新成本评估，再考虑将来遇到未知技术困难需要的追加预算，韦伯望远镜的预期研发成本几乎翻了一番，达到35亿美元。

此外，在轨10年寿命期还要另加10亿美元的操作费用，这导致了整个项目的重新规划和科学评估团队（SAT）的组建。SAT建议将望远镜科学能力列为优先事项，放宽一些性能要求，还建议简化主动光学元件的集成和测试，包括取消1.7微米以下波段的观测模式系统级测试。这些“放水”显著降低了开发风险和测试成本。根据SAT和独立项目评估办公室的审查建议，韦伯望远镜重新确定了项目基线，发射日期推迟到不早于2013年6月。

2006年后韦伯望远镜的研制形势似乎否极泰来：1月27日整个项目团队成功通过了系统设计审查（SDR）；项目经理和独立审查小组向NASA局长迈克尔·格里芬介绍了韦伯望远镜的技术和进度状态，NIRCAM和MIRI团队则都在2005年就通过了关键设计审查（CDR），诺斯罗普·格鲁曼公司测试了主镜背板的热稳定性，而Ball宇航公司的测试表明铍镜片能承受发射时的振动和噪声，不至于发生永久变形。

2007年1月韦伯望远镜10项关键技术的9项通过审查，最后一项MIRI低温冷却器也于4月通过审查，这些主要创新技术都达到了TRL6级。2007年春Axsys已经完成了对所有18块六边形子镜片的加工，随后NASA分别和ESA与CSA正式签署了韦伯空间望远镜研制和运行的谅解备忘录。韦伯望远镜的研发预算前景也相当乐观，戈达德中心的负责人爱德华·威勒表示自2005年项目重组以来，韦伯望远镜完成了每一项技术和预算里程碑，他还表示预计投入使用时韦伯望远镜的花费将是目前NASA在哈勃望远镜上投入（约70-80亿美元）的一半。

另一个佐证是当时韦伯望远镜的开发成本和钱德拉望远镜开发阶段的超支水平大致相当，NASA和诺斯罗普·格鲁曼公司成功控制了钱德拉望远镜的成本增长，发射时的研发成本和发射前七年预期的成本非常接近，这也意味着如果不出意外，韦伯望远镜的研发成本也能控制在目标范围内。

2008年3月，韦伯望远镜项目组成功通过了初步设计评审（PDR）,7月NASA批准项目过渡到实施和测试阶段，但此前的论证、设计和制造工作就已经花去了20亿美元，而预期的全寿命成本进一步增长到大致50亿美元，望远镜发射也要推迟到2014年左右。2008年韦伯望远镜的第一块主镜片通过了精细抛光和低温测试，完成了主镜开发的关键里程碑。

韦伯望远镜的其他部分，如仪器舱在2009年3月通过设计审查，望远镜光学部分于2009年10月完成设计评审，遮光板部分则是2010年1月通过设计评审。2010年4月韦伯望远镜通过了任务级关键设计评审（MCDR），标志着这台空间望远镜能够满足所需的工程和科学要求，只剩下最为成熟的航天器平台还没有进行设计评审。从技术研发上说韦伯空间望远镜似乎一片光明，但其中也有杂音，2011年7月由于低温技术问题，CSA不情愿地停止了可调谐滤波器成像仪（TFI）的研制，指标进一步缩水改名为无缝隙光谱仪（NIRISS）。

韦伯望远镜还面临更棘手的预算问题，由于韦伯项目的超支日益严重，迫使NASA不得不东拼西凑从其他项目调拨资金，引发了航天和天文界的广泛担忧。2010年《自然》杂志刊登的一篇文章，毫不客气地将韦伯望远镜称为“吞噬天文学的望远镜”。美国参议员芭芭拉·米库尔斯基（BarbaraA.Mikulski）呼吁对韦伯空间望远镜项目进行了独立审查，随后由喷气推进实验室的约翰·卡萨尼领衔成立独立审查小组。

卡萨尼调查后表示，自2008年韦伯望远镜通过NASA的初步设计评审以来，它的研发成本评估额就没变过。一个如此先进和复杂的空间望远镜，它在设计阶段和制造阶段的预估总成本完全一致，不管你信不信，反正我是不信NASA有这么强的预算控制能力，显然卡萨尼也不信。独立的全面审查小组作出结论：截至2015年9月发射时，韦伯望远镜的研发成本最少也将达到65亿美元，而NASA自己乐观的估计是2014年6月发射，望远镜全寿命成本50亿美元！

韦伯望远镜已经占据了NASA空间天文预算的40%，如果未来5年（2011-2015）额外增加15亿美元预算，将对NASA空间天文领域造成毁灭性影响。考虑到无论NASA还是空间天文部分都不可能在短期内大幅增加预算，唯一的解决之道或许只有推迟发射，等待新一年的预算到位，但这不仅会进一步推高项目总成本，而且会让美国空间天文下一个旗舰项目的开发推迟到2020年以后。面对这样的预算黑洞，2011年7月6日美国众议院商业、司法和科学拨款委员会提议取消詹姆斯·韦伯项目，他们从2012财年的NASA预算中砍掉了19亿美元，其中1/4正是韦伯望远镜的预算。

韦伯望远镜具有极为重要的科学价值，何况它此时已经花了30亿美元，并造好了75%的硬件，取消韦伯的计划也激起了强烈反对，美国天文协会表态支持韦伯望远镜，参议员芭芭拉·米库尔斯基也表示支持，成百上千的天文学家们极力呼吁发动各方力量支持。在强大的公众舆论压力下，2011年11月美国国会决定继续韦伯空间望远镜项目，但把完成这个项目的研发预算上限设定为80亿美元，并要求2018年发射。

然而，韦伯望远镜的预算灾难并没有结束。韦伯望远镜造出来是为了天文观测，上天后的观测使用也需要一大笔钱，以哈勃为例这台空间望远镜每年正常运行要花费近1亿美元。首先是NASA为韦伯望远镜初步申请了5.5年的L2观测预算，让全寿命成本达到了88亿美元，而韦伯望远镜的成本上升，甚至已经逼得NASA不得不从商业载人航天项目调配。

雪上加霜的是，2018年韦伯望远镜的遮阳板测试时撕裂，外加螺钉松动、接线错误和用错清洗溶剂等失误，韦伯望远镜必须再花一大笔测试费用，发射时间也被迫推迟到2020年。NASA尴尬地表示80亿美元真不够用，2019年美国国会也不得不捏着鼻子又增加了8亿美元预算，让全寿命成本增加到96.6亿美元，其中研发成本为88亿美元，8.6亿美元为五年任务的运行费用。

福无双至祸不单行，2020年的新冠疫情又带来了新的冲击，疫情下的封锁等防控措施造成人手严重不足，NASA只能优先保证毅力号火星车的发射任务，韦伯望远镜发射被迫推迟到2021年10月底。2020年阿里安5号火箭发射失败，以及意外的整流罩振动问题，让韦伯望远镜的发射再次推迟，美欧官方后来将发射时间定为2021年12月18日，随后还出现箭镜通信问题和发射场天气问题，好事多磨的韦伯望远镜才终于在12月25日顺利发射成功，踏上了飞向日地L2轨道的旅程。

人类工业皇冠上的宝石

韦伯空间望远镜由于屡屡延期和超支饱受天文学界和航天爱好者的讽刺，《自然》杂志上“吞噬天文学的望远镜”的指责非常尖锐，而民间爱好者更是形象的称其为“鸽王”，意指韦伯望远镜不断延期“放鸽子”，堪称放鸽子之王。话虽如此，韦伯空间望远镜仍然是人类科学和工程上的巅峰之作，是人类精密工业的皇冠上最璀璨的宝石。

韦伯空间望远镜设计上用于观测宇宙大爆炸初期第一批恒星和星系的形成，也就是探索宇宙的“第一缕光”，它只能工作在近红外和中红外波段，为了提供对黯淡天体的观测能力，口径和聚光面积比哈勃望远镜有了巨大提高，在工程上带来了巨大的挑战。韦伯望远镜由NASA戈达德中心负责管理，主承包商是传统军工巨头、顶级卫星厂商诺斯罗普·格鲁曼公司，分包商Ball宇航公司也是航天光学领域的领头羊，L3哈里斯公司则是全球最大的军用电子厂商，毫不夸张地说，它是美国尖端工业举国之力的果实。

韦伯空间望远镜发射质量6161.4千克，不到哈勃望远镜的一半，但它的主镜口径达到了6.5米，远大于哈勃主镜2.4米的口径。韦伯作为一个科尔施式望远镜，采用三反射光学系统，即使去掉凹面主镜中央的光瞳，聚光面积也有25.4平方米，是哈勃望远镜5.6倍之多。

哈勃望远镜设计上没有特意针对红外区，而韦伯望远镜能观测到红移Z=20也就是宇宙大爆炸后1.8亿年时的天体，一般认为第一批星系在z=15也就是大爆炸后2.7亿年后诞生，观测到宇宙大爆炸的余晖和最早诞生的星系。韦伯望远镜超过哈勃望远镜数倍的聚光面积，也带来了更强的暗目标观测能力，据称韦伯能观测到比哈勃看到的最暗天体还要暗100倍的天体。总而言之，韦伯在设计上能看到宇宙黑暗时代的终结，观测到第一批恒星和星系的诞生和演化，为我们呈现宇宙“开天辟地”的壮观场面。

韦伯空间望远镜可以分为包括主镜在内的光学系统，综合科学仪器模块，巨型遮阳板和航天器平台等部分，除了航天器/卫星平台的技术相对成熟，其他部分的研制都有巨大的技术和工程难度。

精密的黄金之眼

作为空间望远镜迄今为止的巅峰之作，韦伯望远镜拥有极为复杂和精密的望远镜模块（OTE），OTE包括主镜、次镜和三级反射镜，还有精细转向镜、控制系统以及不可或缺的望远镜框架结构。OTE中最明显的当属大口径主反射镜。地面上由于重力影响，单个大镜片会发生重力变形，大型望远镜上拼接式主反射镜已经成为标配，即使是我国研制的口径4米的郭守敬望远镜，也采用了拼接式镜片和主动光学技术，但空间望远镜采用这样的设计，还是韦伯望远镜先拔头筹。

空间望远镜一般尺寸较小，而韦伯望远镜最初设计主镜口径8米，即使缩水后也有6.5米，比当时乃至现在所有运载火箭的整流罩直径都大，只能采用可展开的镜片设计，这就要求必须采用拼接式结构，折叠起来放进阿里安5火箭的整流罩。韦伯望远镜作为第一台使用可展开拼接式镜片和主动光学技术的大型空间望远镜，其6.5米口径主反射镜由18块正六边形的子镜片组成，每个子镜片直径约1.32米（面积1.46平方米）。

韦伯望远镜折叠时被分为3个部分，中央部分有12块子镜片，而两侧的主镜翼各有3块子镜片，发射准备阶段和发射时它们被折叠起来，以适应阿里安5火箭的整流罩，发射入轨后才依次展开。韦伯主镜完成展开后，将在促动器的作用下外移，使镜片后面的金属销脱锁，然后才会精确调整聚焦，这个镜面调整过程将持续两个月之久，最终形成一个口径6.5米、焦距131.4米的大型空间望远镜。

韦伯望远镜的镜片加工精度极高，目前报道称镜面抛光精度优于10纳米，比“牙膏厂”Intel最新CPU的内部线宽还要窄，或者说相当于头发丝直径的万分之一。很多人可能对韦伯镜片优于10纳米的加工精度叹为观止，但这个精度在地面望远镜上早已习以为常，韦伯望远镜最大的挑战是克服发射的振动，并在寒冷的深空保持镜面精度，实现设计高达0.1角秒的聚焦能力。

韦伯作为空间望远镜，火箭发射的振动仅仅是开门的拦路虎，更大的挑战在于它的镜片要在零下223°的超低温下稳定工作，必须使用热稳定性好和密度低的材料。NASA曾制造两个测试镜对比研究，一个是Ball宇航公司的金属铍镜片，另一个是L3哈里斯公司的微晶玻璃镜片，权衡性能成本和制造难度等因素后，韦伯项目组选择了金属铍作为镜面材料。铍不仅具有轻质高强度和高刚度的特点，而且热稳定性和热导率高，是一种广泛用于航天工业的稀有金属，韦伯镜片材料选择金属铍，轻质高刚度和超低温下不易变形都是重要原因。

韦伯望远镜的镜片由BrushWellman公司（Materion的子公司）提供，该公司以熔融法制造了18个重约250千克的毛坯，随后毛坯运到Axsys技术公司进行轻量化处理，切割加工为21千克的镜面，然后由Tinsley实验室进行精细的研磨和抛光，并通过真空气相沉积法镀上厚度100纳米的金涂层，镀金是为了提高反射红外线的能力，接下来镜片将由Ball宇航公司进行集成，最后由L3哈里斯公司和戈达德中心将18块子镜片组装为6.5米的主镜。韦伯望远镜的镜片还在黄金涂层外喷涂了更薄的二氧化硅，防止柔软精密的黄金涂层被划伤，最终组装完成的韦伯主镜金光闪闪，被很多人称为“黄金眼”，它将通过红外波段观测，在时间长河里逆流而上，看透宇宙大爆炸后黑暗时代如何终结。

作为一台使用主动光学技术的望远镜，韦伯望远镜18块子镜片背后，都有一个六爪形的连接，通过6台移动和转动促动器调整子镜的位置和角度，子镜中心还有一个促动器专门用于调整镜片的曲率，韦伯主镜装有18X7总计126台促动器，用于精确调整子镜的位置角度和曲率，让18块子镜构成的凹面主反射镜精确聚焦，为了保证韦伯望远镜的聚光能力，促动器的调整精度同样要求优于10纳米。主动光学技术通常根据波前传感器测量到波前变形，相应的控制促动器的压力，实时监测和抵消镜面的重力变形，韦伯望远镜没有专用波前传感器，而是使用基于图像处理的相位检索算法重建波前，虽然同样根据波前变形进行曲率调整。

韦伯望远镜运行在遥远的日地L2轨道上，固然没有地面望远镜的重力变形，但镜面可能由于低温或其他因素发生形变，韦伯正式开始科学观测后每隔10到14天就将进行一次镜面调校工作，保证望远镜始终拥有最精确的光轴。韦伯的次镜是一个直径0.74米的圆形镜片，它也装有6个促动器调整姿态，三级反射镜尺寸更小，是一个不对称的六边形镜片，来自遥远过去的红外线经过三次反射后，再通过精细转向镜进一步调整提供更稳定的图像，并反射到综合科学仪器模块的4个科学载荷上，进行进一步的科学观测和处理。

另外，当年哈勃空间望远镜发射上天后发现主镜存在加工球差的问题，不得不给它装上形同“眼镜”的校正镜纠正光轴，而对韦伯望远镜来说即使再发生这样的问题，只要加工误差不太大，就可以通过主动光学技术自行校正，无须航天员上天修理，这样的技术进步也是韦伯望远镜无需维修也能长期运行的底气之一。韦伯望远镜上应用主动光学的难度，同样在于在遥远深空的超低温环境下的长期稳定工作，毕竟韦伯望远镜的设计寿命只有10年，而实际运行时间可能高达20年或更长，这就对主动光学控制系统尤其是机械促动器的可靠性提出了极高的要求。

综合科学仪器模块

哈勃望远镜可以观测到0.8微米到2.5微米，覆盖了一部分近红外区，但它主要用于观测0.1到0.8微米的紫外和可见光范围，而韦伯望远镜专注于红外区观测，它的综合科学仪器模块（ISIM）包括4个科学仪器，分别是近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外成像载荷（MIRI），以及精细制导传感器、近红外成像仪和无缝光谱仪（FGS/NIRISS），观测能力覆盖了从0.6到28.3微米的可见（红）光和红外区。

近红外相机由亚利桑那大学牵头开发，和工业界的洛克希德·马丁公司先进技术中心合作，还有Teledyne技术公司的碲镉汞（HgCdTe）焦平面红外传感器。它工作在37K的超低温下，观测波长覆盖0.6微米到5微米，拥有10块4百万（2048*2048）像素的传感器，其中短波长通道（0.6～2.3微米）是8个具有0.031角秒/像素密度的传感器，长波长通道（2.4～5.0微米）包含2个0.063角秒/像素密度的传感器。

近红外相机同时还兼作波前传感器，算法处理后提供波前变形数据，供主动光学系统的促动器调整校正。近红外相机装有日冕仪，它的视野只有2.2X2.2角分，但角分辨率可以达到0.07角秒，可以通过1万秒曝光观测到29等的暗淡星体，它将观测宇宙中第一批恒星和星系的形成和演化，还能通过日冕仪观测系外行星，寻找生命的家园。

近红外光谱仪由欧洲空间局提供，其开发团队主要由空客公司防御航天部门负责，德国卡尔·蔡司根据空客公司合同设计制造和测试了它的光学和机械元件，法国里昂高等师范学院也参与了该项目。近红外光谱仪重量196千克，视野为3角分X3角分，观测范围也是0.6到5微米，它使用两个400万像素的碲镉汞焦平面红外传感器，拥有四种观测模式其中包括多目标光谱测量（MOS）。

作为多目标光谱仪它能同时测量多达100个目标天体的近红外光谱，可以观测到大爆炸后1.5至8亿年的黑暗时代，用于对遥远过去的恒星、星系和类星体进行光谱调查，还能用于调查星系的成分和温度，是韦伯望远镜探索宇宙大爆炸初期黑暗时代和第一缕光的主力传感器。

中红外成像载荷的观测波长覆盖4.6到28.6微米，包括红外传相机和成像光谱仪。中红外成像载荷是NASA和欧洲国际合作的产物，主要由亚利桑那大学和爱丁堡的英国天文技术中心牵头负责，由于工作波长更长，它需要在6.2K的超低温环境中工作，不得不使用专门的氦气机械制冷机冷却。中红外成像载荷除了用于观测大爆炸后的早期宇宙，它甚至带有日冕仪，可以专门用于观测系外行星。

有趣的是中红外载荷的成像仪为宽视角设计，为74X113角秒，而光谱仪视角却小得多，但它们的红外传感器都是1024X1024像素，其中一块用于成像仪，另外两个用在光谱仪上。韦伯望远镜宽视野的中红外成像仪能拍摄比哈勃超深场更宽广的照片，而中红外波段也将呈现更远红移的暗淡星系，呈现宇宙大爆炸初期密布新生星系的更震撼的画面。

FGS/NIRISS是加拿大航天局提供的载荷，其中FGS模块的测量结果不仅用于控制韦伯望远镜的姿态尤其是方向，也用于驱动精细转向镜实现聚焦成像的稳定。NIRISS模块由蒙特利尔大学牵头研制，用于0.8到5微米范围内进行天体成像和光谱观测。事实上，虽然被称为一个科学载荷，但FGS和NIRISS只是同样由加拿大航天局提供，并安装整合到一起，从功能上说它们一个是支持韦伯运行的“基础设施”，一个是真正的科学仪器，是相互独立的仪器。NIRISS拥有无缝隙光谱成像和高对比度干涉成像等观测模式，除了用于观测宇宙初期的再电离等事件，还能用于研究系外行星。

正如汽车一样，底盘支撑着发动机和各种部件，综合科学仪器模块的4个科学载荷和相关的配套设备，也由综合科学仪器模块的飞行结构托举。飞行结构需要在距离地球150万公里外的日地L2轨道，承受零下223°以下的超低温，并保持足够的强度和刚度，其难度可想而知。NASA戈达德中心为飞行结构研发了以碳纤维和氰酸酯树脂复合材料为核心的系统，这种材料是从无到有全新研制的，而韦伯综合科学仪器模块飞行结构更是空前庞大的异形复合结构。地面测试时这个结构通过了26天最严苛的考验，能在比冥王星表面还冷的27K（零下246°）超低温环境下可靠工作。

最复杂的遮阳板

韦伯望远镜为了探索宇宙中的第一缕光，工作在红外波段的结果，就是对运行轨道和热控提出了极高的要求。哈勃望远镜在距离地面约560公里的地球低圆轨道上工作，为了屏蔽地球带来的光污染干扰，配有长筒形的遮光罩，而韦伯望远镜采用开放式的结构，在地球轨道上无法遮挡无处不在的光污染，尤其是作为十分灵敏的红外望远镜，不要说地球这个巨大的红外背景，哪怕是太阳系赤道面尘埃散射带来的黄道光都是需要屏蔽的光污染。韦伯望远镜早期概念设计时就特意提到低背景的轨道环境，最终选择了日地L2晕轨道规避地球红外辐射和黄道光污染。

韦伯选择在中近红外波段观测，它自身的红外辐射也成了需要解决的问题。众所周知，凡是高于绝对零度的物体都在发射红外线，韦伯望远镜本体也不例外，为了保证中近红外波段观测视野的“干净”，韦伯必须在极低的温度下工作。韦伯望远镜在距离地球150万公里的日地L2晕轨道工作，还特意设计了展开后足有网球场大小，具体的说是20.197米长、14.162米宽的大型5层展开式遮阳板，遮阳板展开后位于太阳、地球、月球和望远镜主镜之间，为光学系统和载荷遮挡来自这些天体的辐射。

韦伯望远镜的遮阳板使用杜邦公司20世纪60年代发明的Kapton聚酰亚胺材料，这个网球场大小的遮阳板由5层薄膜组成，每层薄膜都涂有100纳米（0.1微米）厚的铝涂层，靠近太阳一层的两层还额外增加了25纳米（0.025微米）厚的硅涂层，进一步增强对辐射的反射效果，将太阳辐射的影响降低为原来的百万分之一。5层遮阳板薄膜中，最靠近太阳一侧的薄膜厚度为0.05毫米（50微米），另外4层厚度为0.025毫米（25微米），如果你对这些数据没有概念的话，你只需要知道我们中国人头发直径一般都有80-100微米，换句话说这5层叠起来也只有一根半头发那么粗！再考虑这些遮阳板在地面是折叠起来的，发射时又要经受阿里安5火箭飞行和分离时的振动，这么轻薄的遮阳板在太空还要完美地展开，尤其是不能撕裂破开口子，否则整个项目就要前功尽弃，其研发生产和展开难度可想而知。要知道，韦伯望远镜研发中的一次重大延期就是2018年遮阳板在地面测试时撕裂，使测试进度至少推迟了一年。

巨型遮阳板是韦伯望远镜在深空中维持超低温环境的最关键部分，确保了光学系统维持在低于50K也就是零下223°的超低温环境中工作。韦伯望远镜的遮阳板在地面发射时是折叠的，收纳在主镜前后的单元化托盘结构（UPSs）上，它本身又极为轻薄，发射成功后在微重力环境下展开如此巨大的遮阳板，是韦伯望远镜研制和部署的一大难关。韦伯望远镜展开测试可能出现344个单点故障，其中遮阳板的展开就占去了70%到75%，遮阳板包括多达139个释放机构，还有8个展开马达、70个铰链组件、大约400个滑轮和90根电缆，展开过程就需要一周时间，是韦伯入轨后完成展开的过程中最复杂和困难的操作。

另外，韦伯的中红外载荷MIRI还需要在低于7K也就是零下266°的超低温下工作，确切地说是冷却到6.2K，并保持温度波动小于0.1K，如果说其他载荷还能通过遮阳板被动式冷却实现，MIRI就必须使用主动制冷系统了。韦伯望远镜项目组在先进制冷机技术研发项目（ACTDP）的多个竞争方案中，选择了诺斯洛普·格鲁曼空间技术（NGST）公司研发的预冷J-T循环的三级脉管制冷机方案，这个重量37千克使用氦-4的制冷机取代了原来的250千克重的固氢杜瓦方案，不仅降低了韦伯望远镜主动制冷系统的重量，而且带来了更长的使用寿命。我们地面上的冰箱，即使有关机和维护，一般也很难坚持20年，而韦伯望远镜的这台机械制冷机要在遥远的日地L2深空晕轨道上，在6.2K的超低温环境中，稳定工作20年以上，其技术难度也是可想而知的。

韦伯的展开顺序

尾声

20世纪90年代的工程师们乐观地表示，下一代空间望远镜也就是现在的韦伯望远镜使用革命性的可展开拼接式结构，发射重量能降低到数吨级，成本也将只有哈勃望远镜的几分之一。虽然韦伯望远镜的超支让最初的预期成了笑谈，但可展开的拼接式主镜结构是一项难度极大的革命性创新，韦伯望远镜花费上百亿美元走通了展开拼接式望远镜研制过程，也为人类设计制造更大的望远镜铺平了道路。

目前韦伯望远镜正在飞向L2晕轨道并进行复杂的测试，韦伯望远镜首席系统工程师MikeMenzel表示，由于阿里安5火箭的入轨精度远高于预期，韦伯节省了大量轨道修正调整的燃料，目前燃料足够20年运行的轨道维持开销。韦伯望远镜发射后NASA还表示，将为韦伯望远镜开发在轨维护的航天器。如果不出意外的话，韦伯也将拥有媲美哈勃甚至更长的寿命，这对天文学家是个好消息，但对NASA来说意味着更高的全寿命成本，所谓幸福的烦恼不外如此。韦伯望远镜预计今年6月正式“开光”，为人类提供第一张宇宙大爆炸初期的照片，让空间天文学进入一个新的时代。