借“韦伯”遮阳罩展开到位之际，说说詹姆斯·韦伯太空望远镜项目-技术圈

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北京时间2021年12月25日20点20分，随着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在法属圭亚那库鲁航天发射中心搭乘阿丽亚娜5型运载火箭发射升空，这个耗资近百亿美元，由256家公司、政府、学术机构参与，由数千名科学家花费25多年设计建造的太空望远镜终于开始了它漫长的太空之旅。

遮阳罩展开后的“韦伯”效果图

“詹姆斯·韦伯空间望远镜”1月4日把其分为五层的巨型遮阳罩张紧到了最终形状，从而迈过了耗资100亿美元的这座天文台天上展开阶段最复杂、也最为棘手的一关，也让为该项目研制工作努力了30年的工程师以及迫切期盼着“韦伯”开创性的观测数据的无数科学家们松了一大口气。需综合利用线缆、滑轮和电机的遮阳罩各层张紧工作一度令人十分紧张，但最终的实施过程进展得相当顺利。

任务团队现在可以转向其下一项重要工作，那就是将望远镜的次镜和主镜部署到正确位置。那项工作将会在几天后启动。整个镜面展开工作预计要花约10天时间。“韦伯”直径6.5米的主镜由18块六边形子镜拼接而成。这些子镜分布在一个中心平台和两个较小的“侧翼”上。两个侧翼射前被折叠起来，以便能装入阿里安5火箭的整流罩。主镜展开工作包括展开两个侧翼，并使之锁定到位。

“韦伯”的次镜直径0.74米，装在几根支杆的末端，而那些支杆也必须伸展开。镜面展开工作将首先从次镜开始。

“韦伯”的部件展开工作进度有所调整，而这并不是太意外，也无需担忧。团队人员自该望远镜去年12月25日发射后便反复强调说，绝大多数展开动作在时间上可以灵活安排。

项目简介

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）项目由美国国家航空航天局(NASA)主导，欧空局(ESA)和加拿大航天局(CSA)参与合作，NASA戈达德太空飞行中心负责项目管理，太空望远镜科学研究所负责科学和任务运营以及地面站的开发，诺斯罗普·格鲁曼公司担任主要承包商。

JWST的使命包括：寻找特定区域最远的星系，开展宇宙起源调查并探索宇宙是如何产生目前的元素的;研究星系是如何演化的;探索恒星和行星系统如何形成和相互作用;观察行星系统的化学和物理特性，分析系外行星大气的化学成分，寻找生命组成部分的迹象。

NASA对JWST项目的终生成本预计为97亿美元，其中88亿美元用于航天器设计和开发，8.61亿美元计划用于支持五年的任务运行。ESA科学主任Günther Hasinger估计，欧洲以仪器和阿丽亚娜5号发射的形式对JWST的贡献约为8.5亿美元。CSA的太空探索项目总干事Gilles Leclerc表示，加拿大在20年间以开发仪器的形式对JWST的贡献约为1.65亿美元。

发展历程

JWST项目最初称为“新一代望远镜”(NGST),于1996正式启动。

2002年9月，该项目更名詹姆斯·韦伯太空望远镜，以纪念在其任职期内领导了阿波罗计划等一系列太空探索项目的美国国家航空航天局(NASA)第二任局长詹姆斯·韦伯。

2012年，ESA交付了第一台JWST科学仪器中红外仪(MIRI)。

2013年3月，精细制导传感器(FGS)/近红外成像和无缝隙光谱仪(NIRISS)安装在综合科学仪器模块(ISIM)中。

2013年7月4日，MIRI安装在ISIM中。

2014年3月，近红外相机(NIRCam)安装在ISIM中。

2014年3月24～25日，近红外光谱仪(NIRSpec)集成到ISIM中。

2014年6月，首次对所有四种科学仪器进行组合测试，包括在戈达德太空环境模拟器中进行低温测试。

2015年2月，JWST主镜的六边形部分完成。

2016年3月，NASA完成了JWST仪器和望远镜的低温测试。

2016年11月，NASA宣布JWST建造完成。

2021年12月25日，JWST搭乘阿丽亚娜5型运载火箭发射升空，将在29内完成一系列操作并到达预定轨道。JWST将在距离发射6个月之后全面投入使用。

JWST展开过程

性能参数及主要仪器

JWST的主要参数如下表所示。

主镜

JWST主镜由波尔航空航天公司设计和制造，是一个直径6.5m的镀金反射镜，由18个宽约1.3m六边形铍镜组成，镜上安装了低温驱动组件以控制镜子的曲率半径。

首先，Brush Wellman公司通过熔融铍制造了18个重约250kg的六边形毛坯。接下来，这些“坯料”在Axsys Technologies公司进行精密加工，重量减少到21kg。第三步，在Tinsley Laboratories进行表面的研磨抛光。最后，这些镜面由波尔航空航天公司集成到光学组件上。2016年，哈里斯公司在戈达德太空飞行中心完成了JWST主镜的组装。

JWST主镜

次镜

JWST次镜也是由铍制成，每个镜子表面涂有3.4g金，使其能够有效反射红外光。次镜为直径0.74m的原型凸面，由大型主镜中伸出的3个支柱支撑，支柱长约7.6m，材料为中空复合管，管壁厚度仅有1mm，具有重量轻、坚固、耐低温的优点。

JWST次镜

遮阳板

为了能探测到太空中微弱的红外光，JWST本身的温度必须保持在-369.7°F(-223.2°C)以下，因此必须有遮阳板阻挡来自太阳、地球、月亮的光线。完成部署后，遮阳板将始终位于太阳/地球/月亮和望远镜之间。JWST遮阳板由诺斯罗普·格鲁曼公司制造，共有5层，材料采用Dupont公司的Kapton聚酰亚胺薄膜，并根据JWST的规范进行涂层，5层薄膜均涂有铝，接近太阳一侧的两层薄膜额外采用了硅涂层。JWST遮阳板的厚度与头发丝接近，接近太阳一侧的1层厚度仅0.05mm，另外4层厚度为0.025mm，铝涂层厚度约100nm，硅涂层厚度约50nm。展开后的尺寸为21.197m×14.162m。

展开后的5层遮阳板

综合科学仪器模块

JWST的综合科学仪器模块(ISIM)由4个科学仪器组成，分别是近红外相机(NIRCam)、近红外光谱仪(NIRSpec)、中红外仪(MIRI)、近红外成像和无缝隙光谱仪(NIRISS)。

JWST近红外相机(NIRCam)由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司先进技术中心的一个团队建造，可覆盖0.6～5μm的红外波长范围。NIRCam有10个碲汞镉(HgCdTe)探测器阵列，短波长通道(0.6～2.3μm)包含8个具有0.031"/pixel的2048×2048像素探测器，长波长通道(2.4～5.0μm)包含2个具有0.063″/pixel的2048×2048像素探测器。

近红外相机(NIRCam)示意图

JWST近红外光谱仪(NIRSpec)由ESA提供，使用微快门组件、积分视场单元(IFU)和固定狭缝(FS)在3.4×3.6弧分视场内提供0.6～5.3μm的近红外光谱。主要仪器包括：滤光轮组件、光栅轮组件、碲汞镉(HgCdTe)焦平面探测器。

近红外光谱仪NIRSpec示意图

JWST中红外仪(MIRI)由喷气推进实验室(JPL)开发。MIRI提供4.9～28.8μm的中红外波长成像和光谱观察模式。MIRI成像仪中的光学元件包含两部分，MIRI成像仪和中分辨率光谱仪(MRS)。MIRI成像仪的主要光学元件包括滤光轮、日冕仪掩模和中红外探测器;MRS的主要光学元件包括两个光栅/分光轮、四个积分视场单元以及中红外探测器。

MIRI成像仪的光学元件及光路图

中分辨率光谱仪(MRS)的光学元件及光路图

JWST近红外成像和无缝隙光谱仪(NIRISS)为5.6cm×5.6cm视场角上0.6～5.0μm波长的无缝隙光谱成像、高对比度干涉成像提供了观测模式。NIRISS与精细制导传感器(FGS)安装在一起，但在功能上相互独立。NIRISS由CSA负责，由霍尼韦尔公司完成设计制造。光学元件包括分拣镜、准直器(3次反射)、瞳孔/滤光轮、相机(3次反射)、焦平面探测器。