哈勃望远镜的传奇一生（二）
欢迎来到“火星茶馆”，这是一次有关宇宙与航天内容的尝试，想提供有情怀、有深度的科普。
哈勃望远镜离开“发现号”航天飞机的动人瞬间，展开的金色帆板正对着耀眼的太阳，而镜筒盖板则映照着蓝色的地球，美得如同一件艺术品。
上期链接：哈勃望远镜的传奇一生（一）
上期回顾：为了更美的星空，为了宇宙的奥秘，人类研究空间望远镜的可能性，并最终研制了第一个大型空间望远镜——哈勃望远镜。在哈勃望远镜的立项、研制和发射过程中，几次面临困境，都顽强地渡过。他艺术品般的外观下凝结着当时人类的尖端科技和智慧。当哈勃望远镜在万众期待中，终于翱翔太空，一次致命打击也即将来临。
天生近视的哈勃望远镜
我得说，当我们将它发射升空后发现它存在一个光学问题时，我都想不到20年后我们还可以在这里谈论它创造的这些伟大成绩。 —— 埃德.韦勒，哈勃望远镜前首席科学家
右侧是哈勃望远镜传回的第一张图片（广域和行星相机），左侧是智利的拉斯坎帕纳斯天文台的2.5米口径望远镜拍摄的相同天域。哈勃望远镜的图像更锐利，清晰度比拉斯坎帕纳斯天文台高50%，但远低于设计指标。
1990年4月25日，当“发现号”航天飞机成功将哈勃望远镜放入太空，全世界都期待着他硕大的“眼睛”所看到的宇宙图像。5月20日，哈勃望远镜向地面传回了第一张照片，给所有人浇了一桶冷水，照片成像质量远远没有达到设计要求。通过对哈勃望远镜进行不断调焦，依然得不到清晰的图像，说明光学系统存在严重的问题。点光源的影像被扩散成超过直径1弧秒（1度的1/3600）的圆，而设计要求是集中在直径0.1 弧秒（1度的1/36000）之内。奋斗了多年，人们惊讶地发现哈勃望远镜竟然是个近视眼。这意味着25亿美元的投入，制造出来的也许只是废物，这次的打击是致命的。
点光源被扩散成一个超过直径1弧秒 （1度的1/3600） 的圆，这意味着存在球面像差。
左图是正确的情况，所有光学都汇聚于焦点；右图是存在球面像差的情况，没有统一焦点，无法正常对焦。
为了诊断问题的原因，美国国家航空航天局进行了全面深入的调查，确认主镜存在球面像差，也就是说主镜的形状被磨错了，镜面边缘弧度比设计的平了一些，与需要的位置差了约2.2微米，大概是头发丝直径的1/50。这个误差虽然看起来微小，可对于哈勃望远镜这样高精度的设备来说是灾难性的。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上，导致了图像的模糊不清。
地面检验人员对哈勃望远镜主镜进行外观检查，这种检查能发现镜面镀层的缺陷，发现不了球面像差。
在进一步的调查中，确定了错误是如何发生的。调查发现珀金埃尔默使用的零校正器在装配上发生了错误，它的向场透镜位置偏差了 1.3 毫米。零校正器是用来校正镜子磨制误差的，它的位置偏差直接就导致镜子磨制的偏差。而零校正器的位置偏差只是由于错误地在装配中增加垫片而导致的。你是否还记得，上期中说到“挑战者号”航天飞机失事的原因是一个O形橡胶环失效导致的。航天是一个风险极大，要求极其细致可靠的领域，一个橡胶环、一枚垫片、一颗螺丝，甚至一根多余的头发都有可能决定最终的成败。
在地面测试大厅中，组装完成的哈勃望远镜旁，所有操作人员从头到脚着净化防静电服。
这一切本来还有两次挽救的机会。在抛光镜子的期间，珀金埃尔默公司使用另外二架零校正器，两者正确地都显示镜子有球面像差。而珀金埃尔默公司武断地认为这二架零校正器的精确度不如主要的设备，而忽略了测试的结果。在光学系统制作完成后，本该将光学系统组装起来测试整体成像精度，但由于成本、进度等多方面原因而没有进行测试。导致问题带到了太空，造成了难以挽回的后果。有句话叫：没有测量就没有管理，没有反馈就没有目标。及时并正确地测量，及时并正确地反馈，真正实现目标管理，无论在哪里都是确定成败的。
由柯达公司通过传统方式磨制的主镜备份，这面镜子现在永久保存在史密松宁学会
史无前例的太空维修
哈勃望远镜离开“发现号”航天飞机前，下面是蓝色的地球
如果主角换成是其它的航天器，故事到此也就结束了，结局是这个悲剧给人们留下永远的遗憾。可咱们说的是传奇的哈勃望远镜，故事远远还没结束，而是刚刚开始。你是否还记得，上期中说到哈勃望远镜采用了航天飞机的方案，这个决策是极其英明的。在一开始的设计上，航天飞机就扮演着哈勃空间望远镜的定期维护者。为了保障15年的设计寿命，航天飞机大约每3年就要去太空对哈勃望远镜进行一次全面的修理。现在是该航天飞机再次登场了。
两名宇航员来到哈勃望远镜旁，准备打开仪器舱门。
1993年12月，“奋进号”航天飞机升空，于10天之中对哈勃望远镜进行了仪器和设备的更换。其中最重要的操作是用两个：1、更换新的广域和行星相机，在相机内部对球面像差进行校正；2、光轴补偿校正光学组件取代了高速光度计，在外部对其他现有仪器的球面像差进行校正。这两个操作为哈勃望远镜戴上了“眼镜”，解决了“近视”问题。另外，太阳帆板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个动量轮、二个磁力计和其他的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算机也被更新升级。由于高层稀薄的大气仍有阻力，在三年内逐渐衰减的轨道也被提高了。
宇航员在更换设备，治疗哈勃望远镜的“近视”。
在维修过程中发生过一个小插曲，在顺利更换陀螺仪之后，最后关舱门时遇到了很大困难。当时情况很紧急，如果不能尽快关上舱门，哈勃望远镜的内部温度将会失控，导致仪器损坏。好在经过1个多小时的紧张努力，终于把门栓锁住，没有造成严重后果。
在壮阔的非洲好望角上空，哈勃再一次出发
失重环境下穿着舱外航天服修理如此精密的科学仪器，挑战是史无前例的，对于宇航员的要求极高，不亚于做一台高难度的手术。其一，宇航员穿着笨重的宇航服，行动很不方便；其二，哈勃望远镜上的设备是精密昂贵且脆弱的，稍有不慎就可能报废；其三，所有的操作都是在失重状态下，让操作与用力手法和地面完全不同；其四，宇航员与真空环境之间只隔了宇航服，由于操作不慎导致宇航服破损，或者被微流星等击中，都有可能丧命；其五，哈勃望远镜在600公里轨道高度，他所经历的“一天”时间为90分钟，也就是1.5小时会快速经历一次白天和黑夜，光照条件及温度都变化剧烈，无论对于宇航员还是哈勃望远镜都是极大的考验。为了应对挑战，这些宇航员都在林顿·约翰逊太空中心的2万立方米的水池中进行模拟失重的太空作业，面对全尺寸的哈勃望远镜实物模型，使用近百种特别为此次任务所设计的工具，进行高强度密集训练。
在约翰逊太空中心的巨大水池中，宇航员正训练模拟失重状态下的哈勃望远镜修理操作。
1994年1月13日，美国国家航空航天局召开了记者招待会，宣布在首次维修任务中安装在哈勃望远镜上的新光学系统成功修正了主镜的球面像差问题，使哈勃望远镜的图像清晰度达到预期。这可以看做是美国国家航空航天局重获新生的一次宣言。由于在研制过程中，对哈勃望远镜主镜的质量管理未能尽到应尽的职责，错失了在地面发现问题并解决的机会，让美国国家航空航天局饱受非议。如果没能修理好哈勃望远镜，不但会让NASA难以自保，可能还会严重影响后续人类探索太空的预算拨款，后续的大型空间望远镜项目都将面临搁浅。哈勃望远镜能正常工作的消息令人极其振奋，这是一个历史性里程碑，如同伽利略开启现代观测天文学一般，哈勃望远镜即将把人类对宇宙的认识带入崭新时代。
这是哈勃望远镜维修前后的图像对比（M100星系），维修后图像的细节令人震撼
不断重生
从这之后，航天飞机定期发射太空，对哈勃望远镜进行维修。这些维修任务主要可以分成两类：第一类维修任务是对于科学仪器进行升级替换，直接提升科学生产力；第二类维修任务是对于哈勃望远镜平台维护系统的更换，主要是替换掉已经故障的设备，并升级一些新技术的设备，让哈勃望远镜能更好地支持科学研究。每次经过航天飞机维修，哈勃望远镜就如同经历了一次重生，脱胎换骨变得更强大。
哈勃望远镜的第二次维修
1997年2月11日至21日，“发现号”航天飞机进行了第二次维护任务。其中第一类维修任务是：以空间望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机及多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈达德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）。第二类维修任务是以一台新的固态记录器替换工程与科学纪录器，修护了绝热毯和再提升哈勃的轨道。
近红外线照相机及多目标分光仪需要探测红外光，对热控要求很高，包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声。这次出现了一个小意外，部分来自吸热器的热扩散进入光学挡板，这额外增加的热量导致仪器的寿命由原先期望的4.5年缩短为2年。
空间望远镜影像摄谱仪可以通过将光分解为光谱，而分析出距离遥远星系的组成元素
1999年11月13日，在第四个陀螺仪发生故障后，哈勃望远镜进入一种被称为“安全模式”的休眠状态。哈勃在船上有六个陀螺仪，但需要至少三个才能准确地指向和观测。在安全模式下，哈勃望远镜将停止进行新的科学观测，而是进入保障能源和通信安全的状态。
向发射架前进过程中的航天飞机
为了能够尽快修复哈勃望远镜，重启科学观测，美国国家航空航天局紧急启动了第三次维修任务。12月19日至27日，“发现号”航天飞机再次受命升空，取得圆满成功。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细制导传感器和功能更强大的计算机，安装了一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，并且更换了绝热毯。新的计算机是能在低温和辐射条件下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与太空船有关的计算工作。
在第三次维修任务的第二次太空行走中，ESA的Claude Nicollier正在将精细制导传感器插入哈勃望远镜。Michael Foale正在协助。
第四次维护任务由“哥伦比亚号”航天飞机在2002年3月1日至12日完成。任务中以先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC）。这个最新安装的先进巡天照相机具备广阔的视野、卓越的图像质量和精确的灵敏度，具有10倍于它所取代的相机的科研能力。为近红外线照相机及多目标分光仪（NICMOS）更换了新的冷却系统，虽然还不能达到原先设计时预期的低温，但已经冷到足以继续工作了。
宇航员John M. Grunsfeld与Richard M. Linnehan正在协同作业，为哈勃更换第三代太阳能板，称为SA3。 Linnehan站在哥伦比亚号航天飞机远程机械手系统（RMS）末端的脚踏板上。
在这次任务中再度更换了太阳能板。新的太阳能板是为铱卫星发展出来的，大小只有原来的三分之二，除了可以有效的减少稀薄大气层带来的阻力，还能多供应30%的电力。这多出来的动力使得哈勃空间望远镜上所有的仪器可以同时运作，其中影响最大的两架仪器，先进巡天照相机和近红外线照相机和多目标分光仪，在2003至2004年间共同完成了哈勃超深空视场。
第四次任务的最后一次太空行走
通过之前四次维修，哈勃望远镜就如同经历了四次脱胎换骨般的重生。每次维修都给哈勃望远镜带来了新的能力，使得哈勃能一直处于天文观测的最前线，满足全世界天文学家的科研需求。维修是哈勃望远镜能“永葆青春”、持续做出新发现的关键。
哈勃眼中的奇幻星空
下期预告：第四次维修任务一年后，“哥伦比亚号”航天飞机失事，美国国家航空航天局宣布取消哈勃的第五次维修任务。哈勃望远镜的命运就这样结束，还是会有新的转机？敬请期待火星茶馆下一期。
