韦伯望眼镜为何消耗重金，却又一鸽再鸽？

这一使用价值100亿美金的望眼镜对人们有哪些使用价值？

发送后怎样进行工作中？

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2021年12月25日，这终究是人们航天史的历史进程时时刻刻——在延迟发送14年之后，被我们称之为“鸽王”的詹姆斯·韦伯太空望远镜，总算乘坐欧空局阿里安5-ECA火箭弹顺利火箭升空，开始了它前去150万千米外“日-地拉格朗日函数2点”的旅程。

韦伯望眼镜火箭升空（图片来源：NASA）

Part.1

目前为止全球较贵望眼镜，到底有多贵？

20个我国不断25年的支出和数万名生物学家的倾情协作，铸就了这一有史以来生产制造价格较贵的航天飞机。

有多贵？

现阶段，包含后面的运营管理和科学研究花费，詹姆斯·韦伯太空望远镜（下称为詹姆斯·韦伯）的总经费预算预估已超出100亿美金。

充分考虑它的品质仅为6.5吨，也就代表着它的价格超出RMB10000元/克，是黄金单价的20余倍！

詹姆斯·韦伯看上去宛如一艘太空战舰

（图片来源：NASA）

詹姆斯·韦伯到底有怎样的特殊使命，能让这么多我国竭尽这般大的人力资源、人力物力、资金在它上边？它又能为人们产生什么？

Part.2

贵贵点的大道理——韦伯的观测能力远超老前辈

宇宙空间是个弥漫着各种各样无线电波和高能粒子的喧嚣全球，那边既藏着漫长的历史时间，也充分说明着人们乃至银河系的将来。

针对望眼镜而言，能见光到红外感应频率段是观测的关键，尤其是跟踪宇宙膨胀后残余的红外感应，他们早已在宇宙空间中散播了138亿光年，蕴含着宇宙空间最开始的秘密。

殊不知，地球地球大气层、电磁场、人类活动等要素，却促使地球变成一个典型性的“信息茧房”。在广阔无垠的无线电波频率段中，仅有很小一部分能成功到达地球表层并被望眼镜观测到，别的的则几乎都被屏蔽在外面。

从地球表层观测无线电波的频带对话框清晰度，真真正正的合理观测的对话框很小

（图片来源：wiki百科）

处理这个问题的方法只有一个：把望眼镜送出地球。

不一样望眼镜的重任也不一样，此次被送出去地球的詹姆斯·韦伯的观测股票波段关键聚集于光波长为0.6-28.3μm的橘色光到红外感应频率段，它的更大口径和一系列新技术应用产生了远超前的任哈勃、施皮茨、赫歇尔等著名太空望远镜的观测能力。

例如，它可以见到更加暗更历史悠久的星体，乃至可以跟踪到宇宙空间中第一批星球产生的印痕，资金投入工作中后可能巨大提高人们红外线天文学的有关科学研究。

史无前例的工程造价和里程碑式的实际意义，也让这一望眼镜“有幸”地以NASA（美国国家航空航天局）第二任厅长詹姆斯·韦伯取名。詹姆斯·韦伯于1961-1968年在任，领导干部了NASA最辉煌成就的环节。在这里一时期，NASA曾得到史无前例的财力适用，不但促进了水星计划、水瓶座方案、阿波罗登月计划、先峰方案、海员/旅者方案等一系列工程项目的进行，也为英国在航天航空行业的优秀人才技术性优点奠定牢固基础。

Part.3

工程造价100亿美金，这种钱都花在了哪儿？

尽管100亿美金看上去许多，但事实上针对研制开发詹姆斯·韦伯那样的顶尖望眼镜的新项目而言，并不能说十分富裕，最少并不是大伙儿想像中的想怎么花就怎么花。没法，前沿科学科学研究便是那么“砸钱”。

为了更好地得到更快的观测能力，詹姆斯·韦伯在各类层面都开展了更新、升级，可以说每单钱都用在了刀刃上。

1、更大口径的眼镜片

电子光学和红外望远镜的核心内容是眼镜片，其规格与观测能力正相关，但也必须更高一些成本费。对比先前较大的哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯的眼镜片规格从2.4米提高到了6.5米，集光总面积也从4.5平米飙升到了25.4平米。

必须留意的是，规格提升产生的总体难度系数和工程造价提高并并不是线性增长关联，仅是这一项，就立即影响了詹姆斯·韦伯的费用预算远超哈勃。

人们、哈勃望远镜主镜和詹姆斯·韦伯主镜的尺寸比照

（图片来源：NASA）

眼镜片很大，几乎难以总体生产制造，不但不成功风险性大、原材料成本费极高，也必然产生总体品质和容积的飙升，乃至远超人们目前火箭弹的发送能力。因而，詹姆斯·韦伯的镜面玻璃设计方案挑选了拼凑计划方案，由18面一模一样的六边形构成，发送时折叠式起來，进到空间后再拼凑到一起。

2、称得上“巧夺天工”的镜面玻璃原材料

詹姆斯·韦伯在生产制造、发送和工作中时要遭遇迥然不同的气温自然环境。尤其是它的关键元器件操作温度已十分贴近绝对零度，对镜面玻璃原材料的规定极高，因而必须与此同时具有弯曲刚度高、耐热性好、导热系数高、透射率高、相对密度低、溫度变形小、特性不开朗等特性。

而在精密度规定上，最终眼镜片成形的生产制造加工精度要做到10纳米技术等级，这一规定所容许的偏差等同于一张A4纸薄厚的万分之一！并且在进到空间后，总体拼凑和眼镜片航姿的精密度也需要做到同样水准。

综合性以上规定，詹姆斯·韦伯的眼镜片关键原材料选用了碱土金属铍，10纳米技术几乎便是几十个铍分子并列放在一起的总宽，这也是贴近“巧夺天工”等级的生产制造制作工艺规定。

3、一把屏蔽掉发热量的“遮阳伞”

避开地球，不意味着能完全解决地球的影响，詹姆斯·韦伯还需要应对自然光和地球折射光/辐射热的影响。因此，它必须身上一个极大地“遮阳伞”来屏蔽掉发热量，并应用积极制冷系统保持关键部件贴近绝对零度的办公环境。

挡阳板一共有五层，都需要精确开启

（图片来源：NASA）

依照设计规定，这把伞必须给予300℃以上的溫度屏蔽掉实际效果。这等同于一面是高溫油腻，另一面则是天寒地冻。它的每一层原材料关键由聚丙烯腈、硅膜和铝模组成，首层更厚也仅为50μm，比人们头发丝直径还小，而内层仅为25μm。

更高的难度系数仍在后边——这把“遮阳伞”怎样成功进行？

“遮阳伞”每一层的总面积约300平方米，在发送的时候会被塞入火箭弹里强烈震动，进到空间后要在激光器正确引导下让100多个中小型托车带上逐级进行。难度系数显而易见，这显然是人类发展史上最厉害的一个挡阳板。

总体看来，詹姆斯·韦伯必须的全是最现代化的高新科技，且各种各样产品研发全是“珍品拍卖”，它既沒有备份数据，也不会批量生产，务必确保100%通过率。除此之外，还需要通过一系列极高费用的测验和维护保养。这种要素累加在一起，让它的费用预算快速飙升到了100亿美金等级。

詹姆斯·韦伯的官方网宣传海报

（图片来源：NASA）

Part.4

看起来“咕咕咕”，实际上是务必一次顺利的气魄

众所周知，哈勃望远镜尽管远在空间中，但也仅离地球表层大概575千米，可以说“紧靠”着地球。那詹姆斯·韦伯为什么不可以像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地区工作中呢？

这是由于地球和全部的物品一样全是热原，在源源不绝往外反射太阳和辐射源红外感应，不然便会不断转暖。因而，即使在空间中，地球周边难以避免地存有肇事逃逸的气体分子结构和星际帝国浮尘，对太空望远镜仍然有一定危害。针对更为精细的詹姆斯·韦伯而言，这种危害特别是在显著。因此，它务必想方设法避开它的起源地——地球。

殊不知，“逃出”地球后，并不是就大吉大利了。进到错综复杂繁杂的吸引力全球，航天飞机将遭受日光、地球、月球表面，乃至宇宙空间天地万物的吸引力危害，这促使它的路轨难以趋于稳定。针对品质和大小都非常大的望眼镜来讲，经常地根据汽车发动机工作中保持路轨，不但会造成发送时务必带上很多推进剂，也会很大地危害观测品质。

詹姆斯·韦伯太空望远镜部位平面图

（图片来源：NASA）

因而，务必要在以上规定中寻找一个均衡。及时止损后，专家挑选了日-地吸引力均衡的拉格朗日函数2点做为詹姆斯·韦伯的工作中地址。这儿间距地球150万多公里（月球距离地球但是38万多公里），避开了地球这一热原和尘土源的影响，溫度也低达零下220℃下列，可达到望眼镜的总体操作温度自然环境规定。除此之外，在“日-地拉格朗日函数2点”，日光和地球两大吸引力源和谐共处，一同牵引带周边的航天飞机紧紧围绕日光平稳健身运动，航天飞机所必须的路轨保持成本费极低。

但是，这给詹姆斯·韦伯产生了另一大考验：那么远的间距，一旦它出了一切问题，人们是不太可能去检修的。这也代表着它变成了“一锤子买卖”，规定一次性取得成功，不可以有一切过失。

这和哈勃望远镜产生了明显的比照。当初哈勃火箭升空后产生了一系列问题，因此在1993-2009年间，人们根据五次极为价格昂贵的航天飞船每日任务持续维护保养并提高哈勃，才促使它得到了今日令人瞩目的造就。

现如今，航天飞船早已完全退伍，人们也失去在空间中检修大中型宇宙飞船的能力。但是，就算航天飞船再度下山，也不太可能前去“日-地拉格朗日函数2点”。终究，哈勃的工作中地址距地球但是几百千米远，这和詹姆斯·韦伯与地球中间的150万千米的间距，是根本不一样的定义。

某种意义上，这也是詹姆斯·韦伯鸽了又鸽的关键缘故——一旦发送，承受不住一点过失。

为哈勃太空望远镜，NASA一共开展了六次航天飞船每日任务，投入了很大成本

（图片来源：创作者自做）

因此，针对承担卫星发射的欧空局来讲，此次的取得成功不容置疑是令人激动的，发送精英团队绷紧了多年的神经系统总算可以好好地放松一下了。终究这也是个100多亿美元的“一锤子买卖”，身后拥有成千上万人几十年的勤奋投入。

Part.5

在探索宇宙的路上，又迈出了新的一步

詹姆斯·韦伯的漫长研发史，是人类最顶级智慧的结晶。现在，它终于顺利升空前往遥远的目标工作地点。也许很多人会关注它的经费，感慨前沿科学研究的“烧钱”，但是，我们更应该认识到，我们为前沿科学付费，其实是在为人类上下求索的决心与梦想付费，如此看来，这价格也不能说是昂贵。

未来，詹姆斯·韦伯会给人类带来什么？可以预知的是，它能更容易探寻到宇宙的边界和最初的奥秘；无法预测的是，科学家们将在它的数据里获得何等惊人的发现。它是人类梦想向宇宙深处的又一次延伸，是人类好奇心与探索精神的承载，是人类在探索世界的路上迈出的新的一步。让我们祝福它远航的路上一切顺利，期待它带来新的发现与启迪！

参考资料：

1. https://www.jwst.nasa.gov

2. https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

3. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst

出品：科普中国

图文制作：太空精酿

视频制作：中国科普博览、

胡桃夹子工作室

监制：中国科学院计算机网络信息中心

（本文中标明来源的图片已获得授权）

文章仅代表作者观点，不代表中国科普博览立场

本文首发于中国科普博览（kepubolan）

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