五修“哈勃”

诸葛炎

美国东部时间2009年5月11日14时01分(北京时间12日2时01分)，载有7名航天员的“阿特兰蒂斯号”航天飞机从肯尼迪航天中心发射升空，对“哈勃”空间望远镜进行最后一次维修升级。在飞行期间，航天员为“哈勃”安装2台新的科学仪器，修复和升级“哈勃”近1／3的系统。维修之后，“哈勃”的探测能力将大幅度提高，工作寿命延长到2014年。

这次发射和过去明显不同，因为在肯尼迪航天中心同时竖立着2架航天飞机，在39A发射台上是用于维修“哈勃”的“阿特兰蒂斯号”，任务代号STS－125；离它3千米处的39B发射台上是准备紧急救援“阿特兰蒂斯号”的“奋进号”，任务代号STS－400。此举在航天史上是首次，也是最后一次。

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“哈勃”空间望远镜于1990年4月25日登天，由光学系统、科学仪器和辅助系统三大部分组成。它采用卡塞格林式反射系统，由直径2.4米的主镜和直径0.3米的副镜(2个双曲面反射镜)组成。在轨工作时，投射到主镜上的光线首先反射到副镜上，然后再由副镜雾过主镜的中心孔到达主镜的焦面，形成高质量的图像，供各种科学仪器进行精密处理，所获数据通过中继卫星系统发回地面。

有8台仪器装毒主镜焦平面上，除2台定向遥感器和1台天体位置测量仪外，其余5台是：①广域行星相机－1(WFPC1)。②暗弱天体相机(FOC)。③暗弱天体光谱仪(FOS)。④戈达德高分辨率光谱仪(GHRS)。⑤高速光度计(HSP)。它们可工作在紫外、近红外和可见光波段，所以科学应用范围极广。“哈勃”空间望远镜是名副其实的“全能冠军”，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只营火虫，或相当于在地球上观测到月球上装有两节电池的手电筒的闪光，观测距离达140亿光年。

为了使“哈勃”充分利用最新技术成果，焦平面上的这些仪器可进行各种不同组合和更换方式，并通过航天飞机上的航天员进行维修更换。其设计寿命至少15年，但实际上达20多年。为了不断提高“哈勃”的性能，1993年、1997年、1999年和2002年，航天员先后4次对其维修升级。

到2009年4月25日，“哈勃”空间望远镜已在太空运行了19年。在这19年里，它对2.9万个宇宙天体拍摄了57万多张照片，其中最重大的科学发现有12项；首次证实暗物质的存在；探测到冥王星的卫星；观测到类星体明亮的光线；拍摄到数十颗彗星碰撞木星；观测到遥远爆炸恒星释放出的光束；提供了完整的星系形成过程，即星系随着时问的流逝如何形成现今所观测到的巨大星系；在可见光视角下探测到第一颗地外行星，并探测到该行星具有大气层；为超大质量黑洞“称重”{拍摄到宇宙中最强烈的爆炸；证明了行星诞生于恒星的灰尘盘；拍摄到恒星以壮观的它彩绚丽地死亡；计算出宇宙的年龄。

未雨绸缪

对于航天飞机来说，维修“哈勃”比飞往国际空间站更危险：一是“哈勃”运行轨道高于国际空间站，被太空碎片撞击的风险更大，因为太空垃圾行进速度快，即使只有一枚硬币1／3大小的物体也能刺穿机身，而目前美国只能追踪到直径大于10厘米的太空垃圾，因此，追踪系统还不足以使航天飞机规避风险。二是一旦航天飞机受到“灾难性撞击”，机内航天员没有一个像空间站那样的临时“避风港”。

2009年2月美俄卫星相撞，对这次维修“哈勃”增加了很多安全隐患，因为在相撞之前，太空垃圾问题已使维修“哈勃”的风险超过了美国惯常的限制指标——1／185，即“接近无法承受的程度”。美国的安全指标规定：飞行器与太空碎片相撞的最大风险不能超过1／200，而卫星相撞后导致这种情况变得更加严重。

之后，美国航空航天局找到了降低这一风险的方法：为了减小遭撞击损坏的可能性，在维修“哈勃”期间，“阿特兰蒂斯号”采用“倒飞”姿态，即让货舱面对地球，以保护机头和机冀。维修完成后，航天飞机将立刻点燃发动机，迅速降低高度，脱离危险区。这样，“阿特兰蒂斯号”遭受太空垃圾引起致命损伤的概率降为大约1／229。这一概率使得这次任务的风险等同于其他人类太空飞行的风险。

另外，由于“哈勃”在国际空间站上方的不同轨道里飞行，而航天飞机上的7名航天员根本无法登上国际空间站避难，所以美国准备了另一架航天飞机作为紧急救援之用。这项以防万一的灾难救援任务代号之所以叫STS-400，意思是需要发射一架救援航天飞机的概率仅为1／400，美国当然不希望执行这项任务。如果真的发生意外，它将是一次和时间赛跑的任务。

“阿特兰蒂斯号”飞行期间，“奋进号”在发射台上待命7天，让工程技术人员有充分时间确认“阿特兰蒂斯号”安全可靠；如果有救援需要，“奋进号”将以货舱不载货的“空机”状态升空，并在舱内多安置7个供“阿特兰蒂斯号”航天员使用的座椅。

“阿特兰蒂斯号”所带燃料可供在太空停留25天。“奋进号”救援飞行计划是一项为期8天的任务，由4名航天员搭乘“奋进号”执行救援任务，最快可在“哈勃”修复任务的第4天开始实施。即使“奋进号”航天飞机成功飞近“阿特兰蒂斯号”，救援任务也只是成功了一半。“阿特兰蒂斯号”机组人员还必须穿越这2架航天飞机之间的“太空空隙”，安全进入“奋进号”航天飞机。

“奋进号”发射升空的第2天将与“阿特兰蒂斯号”会合。之后，“奋进号”的机械臂将抓住“阿特兰蒂斯号”，而“奋进号”上的航天员通过几次太空行走，将“阿特兰蒂斯号”的机组成员接到“奋进号”。

第5次维修“哈勃”是最后一次，因为能够飞往“哈勃”的航天飞机将在17个月后停止使用，所以不允许出现任何差错。为此，美国航空航天局事前进行了精心准备，研制出了一些维修“哈勃”的新工具。维修时，航天员先把便携式支架固定在“哈勃”上，然后航天员站在支架上进行操作，而航天飞机的机械臂将在附近等待支援。

此次维修“哈勃”共进行5次太空行走，每次都在6小时以上，其中最艰巨的是第4次太空行走，2名航天员将修复“成像光谱仪”。鉴于光谱仪外的螺丝钉特别小，很容易在操作过程中遗失，美国航空航天局特别发明了一种微型螺丝刀。具体维修升级任务如下：

为“哈勃”更换多块新电池(这种手提箱大小的电池是16年来第一次更换，可让“哈勃”寿命延长5～10年，并能在夜间正常工作)、6台陀螺仪(用于“哈勃”每次数小时精确指向遥远的恒星和星系)，1台精密制导传感器(又叫恒星敏感器，用于高精度的定向，锁定观测目标)。

安装1台宇宙起源光谱仪(这是一台灵敏的紫外线频谱装置，自己带有光学矫正装置，用于替换空间望远镜光轴补偿校

正光学仪)和1台广域行星相机－3(1600万像素，用于取代广域行星相机－2)。

维修成像光谱仪(用于分析宇宙中从遥远的天体发出的光。因为电路板出现故障，该光谱仪在2004年失效)、高级巡天照相仪(2007年已处于半瘫痪状态，维修后能恢复70％的功能)的电子系统。

更换隔热毯(又叫热屏蔽罩)，这是“哈勃”的新盔甲，使用3层隔热毯来保护内部的精密仪器。“哈勃”原来的隔热毯已经损坏，新隔热毯可帮助“哈勃”维持稳定的温度。

安装对接环。“哈勃”可借助对接环与一艘无人飞船对接，进而被引导至太平洋上空，然后再人大气层坠落到南太平洋的“航天器坟场”。

这次还将恢复“哈勃”的数据处理装置。另外，IMAX公司和华纳兄弟电影制作公司也把3D立体镜头送上了天，记录这次维修任务和“哈勃”望远镜拍下的影像，以便制作《哈勃3D》电影，拟干2010年上映。

在上述任务中，最重要的是安装宇宙起源光谱仪和广域行星相机－3。宇宙起源光谱仪是迄今太空中灵敏度最高的紫外光谱仪，它在远紫外区的灵敏度是“哈勃”早期紫外光谱仪的20倍，可以“看到”来自更遥远宇宙的更微弱光线，并且向地面科学家提供宇宙中遥远天体的温度、密度及其运行速度的精确数据，从而研究星系的形成和演化、宇宙结构最终是如何随时间改变的。

新安装的广域行星相机，3价值1.32亿美元，可在可见光、近紫外和近红外光下拍照，这么宽的波长范围能够增强人类获得新发现的能力，使“哈勃”看到宇宙大爆炸后仅4亿年后生成的早期星系。

太空行走显身手

成像光谱仪，高级巡天照相仪原本在设计中都不能在太空中维修，后来有了新的方法：把有故障的5块电路板(其中高级巡天照相仪4块，成像光谱仪l块)换成新的。航天员先进到“哈勃”去，打开电路板的盒子取出旧的故障电路板，把新的电路板装上，随后盖好盒子并拧紧盖子上的小螺钉。以往的太空行走，多是将各种准备好的接头、插件安装到大型结构件上的“粗活”，而在太空身穿笨重的舱外航天服完成如此精细的动作还是第一次，这无疑是对航天员巨大的挑战。

这次航天员携带了配备180种工具的工具箱开展维修，其中116种工具专为这次使命设计。他们要拧开316枚螺栓，安装的设备包括重约400千克的照相设备。

在此次修复任务中，最艰巨的一步是修复成像光谱仪。这台仪器在地面上维修难度就很大，更不用说在轨维修了。对它的维修需要用特殊工具松开111个特别小的螺丝，并更换损坏的控制面板。由于这些螺丝很容易在操作过程中丢失，为此，美国航空航天局发明了一种微型螺丝刀。5月17日，马西米诺和古德进行了第4次太空行走，修复了成像光谱仪，更换了电池等。他们的任务比较艰难，因为光谱仪把手上的一个螺栓是个比较难啃的“硬骨头”，马西米诺用尽力气才将其拔掉。随后，航天员为这台光谱仪更换了低压电源板，使其恢复正常功能。由于一颗螺栓更换造成的延误，导致本次太空行取消了新隔热毯的安装，耗时8小时2分钟。

另外，高级巡天照相仪位于一个拐角附近的柱子后面，这样的位置妨碍了航天员的视线，因而只能用手摸着操作。航天员配置了一双特制的灵敏度极高的手套，在执行任务时帮助航天员对角落周围的物体有清晰的“感觉”。他们借助这双神奇的手套，在水下的“哈勃”模型上进行了多次训练，掌握了娴熟的操作技15，很短时间即可搞定相机的修理。5月16日，航天员格伦斯菲尔德和福斯泰进行第3次太空行走，维修了高级巡天照相仪。对于戴着厚厚手套的航天员们来说，修复相机这种精细活是此次任务中的最大挑战，需要拆下32个螺丝，拔出电路板，然后安装上新电源。航天员格伦斯菲尔德工作时甚至无法看到相机内部情况，靠事先大量练习才得以完成任务。总的来说，工作进展顺利，6个半小时即告结束。

从5月13日女航天员麦克阿瑟用机械臂将“哈勃”放入“阿特兰蒂斯号”货舱内，到5月19日又将其放入太空，标志着美国最后一次维修“哈勃”任务成功结束。此后，戈达德航天飞行中心“哈勃”项目控制人员对其展开为期10周的检测，确保这台空间望远镜完全正常运转。如果一切顺利，“哈勃”修复后的第一批照片有望在9月左右公布。

这次航天员太空行走的任务繁多，航天员通过5次、37小时太空行走，完成全部维护计划。在其中2次作业中，航天员们完成从未有过的高难度任务。

5月20日，美国总统奥巴马打电话给“阿特兰蒂斯号”航天员，对全体航天员大加赞扬，热烈祝贺完成任务。

“阿特兰蒂斯号”航天飞机原计划22日返回佛罗里达州肯尼迪航天中心，由于当地天气的原因，两次推迟返回，后来终于在25日降落在加州莫哈维沙漠的爱德华兹空军基地。这也是美国航天飞机第53次迫降爱德华兹空军基地。

责任编辑：兆然