从哈勃到哈勃深空场（九）

在裁减的边缘瑟瑟发抖

二十世纪七十年代哈勃太空望远镜的研制计划开始立项，但是时隔不久，计划刚刚开始就差点搁浅。

事情要从1960年9月说起，那一年第三世界石油生产国建立了石油输出国组织欧佩克（OPEC），1973年10月第四次中东战争爆发后，OPEC成员国加快石油生产国有化进程，同时大幅度提高石油价格，国际油价从此前的每桶3.01美元提高到1974年1月的11.65美元。由此引发了美国石油危机，并导致了美国长达十年的经济滞涨。

饭都吃不饱了哪还有心情搞什么太空望远镜？于是在裁减政府开支的影响下，美国总统剔除了所有太空望远镜的预算。提上日程的太空望远镜马上要被扔进垃圾篓，人类的太空望远镜之梦濒临破灭

可能是埃德温·哈勃名气太大了吧，一听说政府取消“哈勃”太空望远镜项目，美国老百姓可不干了，许多天文学家也前往拜会议员，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。

逆境中的概念创新

这个过程中望远镜的设计师也没闲着，当时人们对未来的航天飞机抱有极大的期待，大家都认为可以回收使用的航天飞机能够大大减少航天活动的开销。受此影响，太空望远镜也被设计成可以灵活更换科学仪器的研究平台。“哈勃”不再是个单纯的太空望远镜，而是可以维修，可以换零件，可以升级的平台。

“哈勃”的一大创新就是采用了可互换的模块化元件，这使得宇航员能够在多年来技术不断进步的情况下平稳有效地更换硬件。平台上每个仪器都是独立的，仪器的接线位于小（有时相当大）的盒子内，就像现在的U盘和USB口一样，只需要“拔下”旧设备“插上”新设备就使“哈勃”得到升级。因此维修时宇航员只需要将一个盒子换成另一个盒子。这种前瞻性思维对于哈勃“续命”至关重要。这张图中标记的部分就是一次望远镜升级任务中需要升级和维护的元件

模块化的最直接优点就是可以把不同模块分包给不同的公司甚至不同的国家。这样，尽管设计图上的“哈勃”及其复杂，具体到每个功能模块而言挑战性就小了许多。分摊成本的同时也分摊了风险。

分工合作，欧洲人插了一脚

正值美国穷困潦倒的70年代，日本和欧洲的经济飞速崛起。1971年就连美国总统尼克松都酸溜溜地说：“西欧和日本都是美国强有力的竞争对手。朋友，是的。盟国，是的。但是他们正在和我们竞争，在经济领导的问题上，他们在全世界同我们竞争得非常激烈。”

1975年9月，欧洲在太空望远镜项目上插了一脚。

欧洲航天局通过承担哈勃太空望远镜暗弱天体照相机（Faint Object Camera 简称FOC）以及太阳能电池板的研发分担15%的整体研发费用。FOC是“哈勃”望远镜六大件之一。作为回报，NASA保证提供欧洲天文学家至少15％的望远镜使用时间。

1977年-1978年间，美国国会拨下预算，“哈勃”望远镜的计划一经批准，整体计划就被分割成若干子计划分送各机构执行。

马歇尔太空飞行中心作为包工头负责整体设计。金石太空飞行中心负责科学仪器的整体控制和建设地面任务控制中心。洛克希德公司负责建造望远镜的保护壳和支撑架构，最终的组装也是由洛克希德完成。

哈勃望远镜的五脏六腑都由当时顶尖公司生产，马歇尔太空飞行中心又委托珀金埃尔默（PerkinElmer）公司设计和制造太空望远镜的光学组件，还有精密定位传感器，合同里的光学望远镜组件包括了太空望远镜的主镜、次镜以及三个精密制导传感器（FGS）。它们是“哈勃”的眼睛以及神经系统，至关重要。珀金埃尔默是一个老牌的科学仪器制造企业，如果您从事化学、物理和生物医药研究，您一定对它的产品不陌生。此外望远镜上的戈达德高分辨率光谱仪、宽视场行星照相机、近红外照相机和多天体光谱仪等等，都外包给了一些大学和研究所（如戈达德航天中心负责高分辨率光谱仪）

NASA，是整个项目的法包商和监工。1977年，NASA从38个机构中选出了一个由60名科学家组成的新团队参与“哈勃”的研发设计工作，他们既有跨学科的专家也有数据处理、航天器操作以及望远镜光学等某一领域的科学家

工程分包的一大好处就是可以多点齐头并进，作为历史上第一座运行在太空中的巨型天文台，“哈勃”结构十分复杂，技术门槛也很高。

技术障碍？分摊风险！

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。

许多非常简单的事情在太空当中却难以轻松完成，因为在太空，所有东西都处于失重状态，是飘着的，每个力都有一个反作用力，因为找不到着力点宇航员拧螺丝时稍不留神自己就会转起来。而哈勃望远镜要在太空中不断调整方向，以望向不同的星空，如何精确地操纵它？

“哈勃”在地球轨道上不断运动，如何让“哈勃”绕地球飞行过程中稳定地拍摄照片，这也是一个难题

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如出一辙，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，海量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。最典型的应用就是返回式卫星。早期太空实验和太空侦察需要将实验标本、数据、胶片带回地球，为此卫星的一部分被设计成可再入大气层返回地面的结构。上图为我国四代返回式卫星

返回式卫星的主要目的有三个，第一个是运输对地观测所得的数据，例如美国KH间谍卫星的早期型号就是返回式。第二就是载人飞船的先导测试。第三个就是验证并测试洲际导弹弹头隔热、变轨和制导效果，请比较上面图片，我不说您也明白。请看往期文章《浅析再入式航天器钝头体设计 1系列》。

哈勃望远镜照片胶卷能采用返回式卫星运输吗？这要看它的工作量了。工作量小完全可以采用返回式卫星运送胶卷，毕竟在六七十年代，太空军事侦察就是用这中笨办法。

从1990年“哈勃”升空到2019年将近三十年时间，“哈勃”望远镜在地球轨道上运行了近15万8千圈，执行了近150万次任务，平均每个月，“哈勃”都会产生829G的观测数据。上图分别为哈勃望远镜拍摄的M101（“风车星系”），M81星系，半人马座A星和M51（“漩涡星系”）。下图分别为拍摄的NGC1672剑鱼座星系，NGC1300波江座棒旋星系，NGC634三角座螺旋星系和NGC5866天龙座北部透镜星系。拍摄这样的照片，存量十分庞大。

这些图片来自Hubble官方网站，网站上有Hubble拍摄的大量照片，供全球天文学家在线下载、研究。非常方便

显然，返回式卫星肯定不适合哈勃太空望远镜。在离地550公里的大气层之外，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。返回式卫星发射回收与宇宙飞船类似，成本相当高，不可能每隔几个星期都把“哈勃”的胶片回收一次。而且，回收过程搞不好还会变成下面这样：

科学家们要创造性地研发新技术，解决哈勃望远镜的一系列技术难题。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年时间。而这张照片居然是“糊”的。这是后话了，我们暂且不表。

从资金短缺到技术瓶颈，在十几年时间里，哈勃望远镜研发所经历的每一步都历尽坎坷。然而由于美欧科学界的坚持，工业界的支持，“哈勃”的诸项难题一一迎刃而解。

解决上面这些问题，就需要“哈勃”望远镜上七大科学仪器：宽视场/行星相机，微弱物体相机，微弱物体光谱仪，高分辨率光谱仪，高速光度计，用于测量恒星精确位置的精密制导系统和动量轮。

运输是个大难题

让美国人上愁的不是没有工具运送“哈勃”，毕竟当时土星五号还未淡出人们视线，愁的是没有理想的运输工具。

“哈勃”之前的OSO和OAO系列望远镜（上期内容《从哈勃到哈勃深空场（八）—哈勃重生》）不是烧毁在大气层中就是胎死腹中，只有OAO-2和OAO-3正常工作了几年。这让不仅仅让天文学家打呼不过瘾，国会拨款的官老爷也觉得太不划算了。

“哈勃”的设计使用寿命为15年，问题是“哈勃”能平稳入轨吗？入轨后出现问题怎么办？直接丢掉太可惜了。就算“哈勃”健康工作了15年，15年后在发射“哈勃2”吗？

美国人把目光转向了另一个正在研制中的“神器”——航天飞机！

当年驮载“哈勃”望远镜入轨的“发现号”航天飞机“幸运地”躺在博物馆里，而“哈勃”还在500公里之外的轨道上坚守自己的岗位。航天飞机早早地退出了历史舞台，“哈勃”已经超期服役了15个年头。它们个生命轨迹数次交叠却终没有相随到老。实为憾事

实际上在“哈勃”望远镜拨款、设计、定型的同时，航天飞机的开发也渐入佳境。（不再赘述，请看本公众号往期文章《不灭的太空探索精神（1）——航天飞机研发史》系列）。

“哈勃”的设计使用寿命为15年，如果能得到及时维修、升级，服役年限会长的多。要延年益寿，最为关键的就是确保航天飞机的可用性，它不仅用来部署“哈勃”，而且还将定期为“哈勃”提供服务。只要望远镜上的仪器需要维护、修理或更换，航天飞机就会造访太空望远镜。设计者甚至设想在更长的时间间隔（可能每五年）时，整个太空望远镜将通过航天飞机驮回地面，以翻新主镜和其他主要部件。然后再将其驮回轨道。

1982年4月12日，哥伦比亚号航天飞机首飞成功。“哈勃”团队松了一口气。他们有理由相信，“哈勃”将在某次航天飞机飞行中进入地球轨道，为人类揭开浩瀚宇宙的奥秘

手抓卫星

运输工具算是有了。接下来的问题是，航天飞机入轨以后如何把“哈勃”望远镜拖出来？毕竟当时还没发明机械臂，机械臂的出现要等到航天飞机第二次飞行任务（STS-2）时才会出现。喜欢的小伙伴可以点击往期文章——不灭的太空探索精神——航天飞机研发史（6）。

这可难住了工程师们。难不成要用手把“哈勃”望远镜拖出航天飞机不成？

是的。

他们真想这么干。

而且，航天飞机飞行历史上，不止一次这么干过。

探索局早期文章《航天飞机研发史（4）——巨大的军事应用潜力》介绍过，在航天飞机第49次飞行中，要将没有入轨的“国际通信卫星6号”拖进航天飞机维修。尽管当时奋进号航天飞机安装了机械臂，但是宇航员两次操纵机械臂捕捉卫星都未能成功，无奈之下三个航天员进行太空行走，飘到这枚重达4吨的通信卫星旁边几英尺远的地方，用手把这颗卫星生生给拽了到了航天飞机的货舱中，在货仓里给“国际通信卫星6号”安装了新的发动机

说干就干，马歇尔飞行训练中心立即着手展开宇航员“手抓”卫星的训练。

宇航员在与哈勃太空望远镜结构类似的中性浮力模拟器（NBS）上开展空间任务训练和测试。中性浮力模拟器用于训练宇航员如何在低重力下工作。摄于1979年马歇尔太空飞行中心（MSFC）

时间一晃就到了1980年。80年代“哈勃”的故事更加跌宕起伏。

“哈勃”的技术被广泛应用于军事通信和军事侦察中，并深刻改变着我们的生活。

其中，“哈勃”望远镜的主要元件——光学镜片将在80年代加工完成，该技术将助力美国军事侦察卫星KH-11……

为了解决照片胶卷存放难题，发明了CCD数字成像技术……

为了传输图像信息，卫星的卫星——中继卫星闪亮登场……

“哈勃”不仅为人类打开了通向宇宙深空的大门，还打开了新技术新科技的大门。

下期更精彩，敬请期待。

文章的最后，我们稍稍休息一下，观看一个“哈勃”拍摄的宇宙视频。

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