人类历史上最伟大的修复工程——哈勃太空望远镜修复工程纪实

张宏亮笔名

人类历史上最伟大的修复工程——哈勃太空望远镜修复工程纪实
                                 作者：张宏亮
         人类历史上伟大的修复计划就是把著名的哈勃太空望远镜重新修复一遍，这架太空望远镜是以天文学家哈勃为名，在轨道上环绕著地球的望远镜。他的位置在地球的大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处-影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。于1990年发射之后，已经成为天文史上最重要的仪器。他已经填补了地面观测的缺口，帮助天文学家解决了许多根本上的问题，对天文物理有更多的认识。哈勃的哈勃超深空视场是天文学家曾获得的最深入（最敏锐的）的光学影像。
     从他于1946年的原始构想开始，直到发射为止，建造太空望远镜的计划不断的被延迟和受到预算问题的困扰。在他发射之后，立即发现主镜有球面像差，严重的降低了望远镜的观测能力。幸好在1993年的维修任务之后，望远镜恢复了计划中的品质，并且成为天文学研究和推展公共关系最重要的工具。哈勃空间望远镜和康普顿伽玛射线天文台、钱德拉X射线天文台、斯必泽空间望远镜都是美国宇航局大型轨道天文台计划的一部分 。哈勃空间望远镜由NASA和ESO合作共同管理。
     任务是否成功，维持稳定的几个陀螺仪已经损坏，2007年，连备用的也已经耗尽，而且另一架用于指向的望远镜功能也在衰减中。陀螺仪必须要以人工进行维修，在2007年1月30日，主要的先进巡天照相机（ACS）也停止工作，在执行人工维修之前，只有超紫外线的频道能够使用。另一方面，如果没有再提升来增加轨道高度，阻力会迫使望远镜在2010年重返大气层。自从2003年航天飞机哥伦比亚不幸事件之后，由于国际太空站和哈勃不在相同的高度上，使得太空人在紧急状况下缺乏安全的避难场所，因而NASA认为以载人太空任务去维修哈柏望远镜是不合情理的危险任务。NASA在从新检讨之后，执行长麦克格里芬在2006年10月31日决定以亚特兰大进行最后一次的哈柏维修任务，任务的时间安排在2008年9月11日，基于安全上的考量，届时将会让发现号在LC-39B发射台上待命，以便在紧急情况时能提供救援。计划中的维修将能让哈勃空间望远镜持续工作至2013年。如果成功了，后继的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）应该已经发射升空，可以衔接得上任务了。韦伯太空望远镜在许多研究计划上的功能都远超过哈柏，但将只观测红外线，因此在光谱的可见光和紫外线领域内无法取代哈柏的功能。
       “哈勃”太空望远镜已到“晚年”。它在太空的十几年中，经历４次大修，分别为１９９３年、１９９７年、１９９９年、２００１年。尽管每次大修以后，“哈勃”都面貌一新，特别是２００１年科学家利用哥伦比亚航天飞机对它进行的第四次大修，为它安装测绘照相机，更换太阳能电池板，更换已工作１１年的电力控制装置，并激活处于“休眠”状态的近红外照相机和多目标分光计，然而，大修仍掩盖不住它的“老态”，因为“哈勃”从上太空起就处于“带病坚持工作” 状态。
       时间翻回1993年12月，这时哈勃望远镜已经严重损坏了，而且不能再继续使用了，于是美国航天局宣布将对哈勃望远镜进行一次大修复，这次修复工程也是哈勃太空望远镜第一次大维修，在设计上，哈勃空间望远镜必须定期的进行维护，但是在镜子的问题明朗化之后，第一次的维护就变得非常重要，因为航天员必须全面性的进行望远镜光学系统安装和校正的工作。被选择执行任务的七位航天员，接受近百种被专门设计的工具使用的密集训练,于10天之中重新安装了几件仪器和其它的设备。
       最重要的是以COSTAR修正光学组件取代了高速光度计，和广域和行星照相机由第二代广域和行星照相机与内部的光学更新系统取代。另外，太阳能板和驱动的电子设备、四个用于望远镜定位的陀螺仪、二个控制盘、二个磁力计和其它的电子组件也被更换。望远镜上携带的计算器也被更新升级，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。
       在1994年的1月13日，美国国家航空暨太空总署宣布任务获得完全的成功，并显示出许多新的图片。这次承担的任务非常复杂，共进行了五次航天飞机船舱外的活动，它的回响除了对美国国家航空暨太空总署给予极高的评价外，也带给天文学家一架可以充分胜任太空任务的望远镜。
      后续的维修任务没有如此的戏剧化，但每一次都给哈勃空间望远镜带来了新的能力。
2、第二次维护任务
      第二次维护任务由发现号在1997年2月的STS-82航次中执行，以太空望远镜影像摄谱仪（STIS）和近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）替换掉戈达德高解析摄谱仪（GHRS）和暗天体摄谱仪（FOS）；以一台新的固态记录器替换工程与科学录音机，修护了绝热毯和再提升哈柏的轨道。近红外线照相机和多目标分光仪包含由固态氮做成的吸热器以减少来自仪器的热噪声，但在安装之后，部分来自吸热器的热扩散却意料之外的进入光学挡板，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。
3、第三次维护任务(3A)
       在六台陀螺仪中的三台故障之后（第4台在任务之前几个星期故障，使望远镜不能胜任执行科学观察），第三次维护任务仍然由发现号在1999年12月的STS-103航次中执行。在这次维护中更换了全部的六台陀螺仪，也更换了一个精细导星传感器和计算器，安装一套组装好的电压/温度改善工具（VIK）以防止电池的过热，并且更换绝热的毯子。新的计算器是能在低温辐射下运作的英特尔486，可以执行一些过去必须在地面处理的与宇宙飞船有关的计算工作。
4、第四次维护任务(3B)
       第四次维护任务由哥伦比亚号在2002年3月的STS-109航次中执行，以先进巡天照相机（ACS）替换了暗天体照相机（FOC），并且查看了冷却剂已经在1999年耗尽的近红外线照相机和多目标分光仪（NICMOS）。更换了新的冷却系统之后，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。
       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%的动力。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，并且因为较为柔软，还消除了老旧的太阳能板因为进出阳光照射区域会产生震动的问题。为了改正继电器迟滞的问题，哈柏的配电系统也被更新了。这是哈勃空间望远镜升空之后，首度能完全的应用所获得的电力。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年间共同完成了哈柏超深空视场。
5、 最后的维护任务
       最后一次的哈柏维修任务已经安排在2008年9月11日，航天员将更换新的电池和陀螺仪。更换精细导星传感器（FGS）并修理太空望远镜影像摄谱仪（STIS）。他们也将安装二架新的仪器：宇宙起源频谱仪和第三代广域照相机，但是可能不会重置或替换先进巡天照相机。
         每一次维修对哈勃太空望远镜来说都为它增添了新的能力，人类的科学家也能更好的通过哈勃望远镜了望宇宙，解读宇宙。
                                2008年3月28日 完稿于河南平顶山紫云书院
                                 电子信箱：  完稿与河南平顶山紫云书院
                                  作者：张宏亮
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每一次维修对哈勃太空望远镜来说都为它增添了新的能力，人类的科学家也能更好的通过哈勃望远镜了望宇宙，解读宇宙。
              不过在这已经进行的四次维修中，第一次维修是最重要的，因为第一维修，涉及到了很多方面，可以做个比喻说如果把维修哈勃太空望远镜比喻成盖高楼的话，第一次维修就象为高楼打下坚实的地基一样，伺候的后续维修都是再第一次维修的基础上进行的，担负第一次维修任务的航天飞机就是美国的奋进号航天飞机，这是一架美国的元老飞机，曾经为美国的太空发展做出了很大贡献，这次它又要承载一次艰巨的使命也是充满挑战的任务，参与此此维修太空计划的航天员分别是【斯科特·凯利】
斯科特·凯利是美国海军的一名军官，在前往国际空间站执行STS‐118任务期间，他将担任领导工作。对凯利来说，这将是他的第二次太空飞行，自从1999年成为STS‐103任务(前往哈勃太空望远镜的任务)的飞行员后，他已经有191小时的太空飞行经历。
凯利将负责执行STS-118任务，并监视所有机组成员和检查航天飞机的运行情况。作为指挥官，在与空间站对接前，他将负责驾驶“奋进”号航天飞机。这个过程叫“集结倾斜操作”，是一个空翻动作，可让空间站成员在“奋进”号接近这个轨道实验室时拍摄航天飞机的隔热板。在对接和返回地球降落时，凯利还将负责驾驶航天飞机。1996年4月，他被挑选成为宇航员候选人。曾在宇航员办公室担任很多技术性职位。其中包括担任俄罗斯星城的美国宇航局运营总监、宇航员办公室空间站分部主任和国际空间站远征5任务的替补人员。
【查列·霍伯格】
在“奋进”号航天飞机的驾驶员座舱内与凯利并肩合作的是查列·霍伯格，他是“奋进”号驾驶员。这也是霍伯格的第二次太空飞行。他的第一次经历是在2001年执行STS‐104任务。在此期间，他在太空度过了306小时35 分。在STS‐118任务中他负责将“奋进”号脱离国际空间站，并操作空间站上的机械臂。霍伯格是海军陆战队的中校，驾驶过40多种不同的飞机，飞行时间超过3000小时。
1996年4月，霍伯格加入美国宇航局，接受最初的宇航员训练后，在宇航员办公室飞船系统和操作分部工作。他在该部门的工作项目包括，负责航天飞机电子设备综合实验室中的着陆和最初评估、高级项目、多功能电子仪器展示改进、改进驾驶舱和驾驶舱更新、集结和靠近操作、探视航天飞机。最近他还担任了太空舱的通讯员，在任务控制总部工作。
【大卫·威廉姆斯】
内科医生大卫·威廉姆斯是来自加拿大航天局的一名经验丰富的宇航员,在STS·118任务中担任任务专家。1995年，他加入美国宇航局，成为宇航员候选人员国际班的成员。在为期16天的STS‐ 90飞行任务(已知的神经学实验计划)中，他担任任务专家。他还曾两次参加远离佛罗里达海岸的宝瓶宫水下实验室的任务。2001年，威廉姆斯参与了美国宇航局的极端环境任务操作。2006年，他领导了“极端环境任务操作9”，致力于评定将医疗保健品运输到偏远地区的新方法，这对长途太空飞行来说非常有必要。
四年来，威廉姆斯一直担任太空生命科学理事会的主管。发射升空时他将座在中甲板上，将执行至少两次太空行走。
【芭芭拉·摩根】
对芭芭拉·摩根来说，这将是她的第一次太空飞行，在“奋进”号发射升空和降落时，担任4号任务专家的摩根将坐在中甲板上。作为装卸员，摩根对5000磅将从“奋进”号上转移到国际空间站上的补给和设备负责。在执行太空行走和安装任务时，她还将操作航天飞机和空间站上的机械臂。
1985年7月19日摩根被美国宇航局选中，成为“教师在太空”项目的替补人员。从1985年9月到1986年1月，摩根和克里斯·麦考利夫以及其他“挑战者”号机组人员在休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心接受训练。“挑战者”号失事以后，摩根被指定为“教师在太空”项目的继任人，在全国教育机构进行演说。1986年秋天，摩根回到爱达荷州，继续她的教育事业，但是1998年1月她又以任务专家的身份重返美国宇航局。她在宇航员办公室从事大量技术性工作。
【里克·马斯特拉奇奥】
对里克·马斯特拉奇奥来说，这将是他的第二次太空之旅，此次他将担任二号任务专家。2000年，他在为期12天的“亚特兰蒂斯”号航天飞机STS‐106任务期间担任任务专家，为即将来到国际空间站的第一批长驻居民做准备。在发射和降落时，马斯特拉奇奥都将坐在飞行甲板上。他的最初任务是在计划好的3次太空行走时担任一号太空行走员。他将与太空行走员大卫·威廉姆斯一起，在空间站上的构架或支柱上安装一个新部件。
1990年，马斯特拉奇奥加入美国宇航局，成为飞行员工作理事会(Flight Crew Operations Directorate)的一名工程师。稍后在太空航行地面指挥中心作一名发射、着陆指导和程序官，作为一名飞行控制员，参加了17次航天飞机任务。
【特蕾西·考德威尔】
特蕾西·考德威尔拥有物理化学博士头衔，自1998年被美国宇航局选中，这是她第一次参加太空飞行，此次她将担任一号任务专家。在发射过程中，考德威尔将与凯利和霍伯格一起呆在飞行甲板上。一旦航天飞机发射，她将立即开始工作。大约在航天飞机升空的8分钟内，她将负责拍摄机体外部燃料箱的废弃物情况。考德威尔还将操作“奋进 ”号的机械臂，检查航天飞机的隔热板，并在太空行走期间担任“奋进”号舱内指挥官。
考德威尔在宇航员办公室做过很多其他工作，例如进行检测并将俄罗斯的硬件和软件整合；在航天飞机电子设备综合实验室进行飞行软件查证工作；在远征 5期间担任替补宇航员；并在太空航行地面指挥中心作飞船通讯员。她还有力支援了佛罗里达美国宇航局肯尼迪航天中心的发射和降落操作。考德威尔是一名私人飞行员，善于用美式哑语和俄语交谈。
【阿尔文·德鲁】
这将是阿尔文·德鲁第一次飞往太空，他在今年5月被指派参加该任务。在发射和降落时，德鲁将坐在“奋进”号航天飞机的中甲板上，他被任命为5号任务专家。STS‐118任务期间，他将协助进行货物运输和其他任务援助工作，其中包括利用照片和录像记录操作过程。
2000年他被美国宇航员选中，成为一名任务专家，在宇航员办公室空间站业务部从事技术职务。德鲁还是一名美国空军上校，曾驾机参与“正义事业”行动、“沙漠盾牌”和“沙漠风暴”行动以及人道救援行动。他一直指挥两个试飞单位，是空中作战司令部的参谋。他是一名飞行员，驾驶过30多种飞机，飞行时间 3000小时以上。
          当奋进号航天飞机即将带着第一次修复哈勃望远镜的光荣使命耸立在肯尼迪航天中心的时候，在遥远的太空中，哈勃望远镜正在等待着这些航天员为它来一次大整容，让它已经老化损坏的躯体重新获得新生，随着一声巨大的点火声，奋进号航天飞机开始升空，整个点火发射的过程大概是这样的发射过程

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·4点01分：任务专家里克 马斯特拉基奥已经最后一个登上航天飞机，目前所有机组成员均已经登上航天飞机就坐。
·4点21分：机组成员完成起飞前常规检测，准备关闭航天飞机舱门。
·4点40分：截至目前为止，没有发现任何技术故障，天气状况良好。
·4点55分：工作人员在白屋内开始对舱门进行密封检查
·5点00分：地面检测人员发现与航天飞机相连的一处开关出现小问题，重新开启舱门并再次进行封闭。
·5点07分：在外部液氧罐支架泡沫上发现一个微小裂痕，指挥中心表示，不影响继续发射。
·5点17分：根据安排，倒计时进入T-20倒计时，此时会有10分钟左右的暂停时间。这个暂停时间主要是用于地面协调发射时间以及应对其他突发状况。之后进入T-9倒计时还有有一个内嵌的倒计时暂停时段，约为45分钟。
·5点31分：T-20倒计时开启。目前NASA公布的本次发射窗口期为：6点32分52秒至6点43分46秒。
·5点36分：美国国家航空航天局测试主管杰夫-斯伯尔丁(Jeff Spaulding)已经向宇航员通报了倒计时情况。目前，地面人员检测结果表示，舱门密封合格。预定发射时间为6点36分42秒。
·5点38分：地面控制中心已经按照预定发射时间在奋进号航天飞机电脑上加载了正确的导航参数。
·5点42分：进入T-9倒计时暂停，持续45分钟42秒。
·5点43分：地面专家正在对此前出现的技术问题进行分析，目前天气状况良好，可以发射。
·5点50分：固体火箭推进器回收船只已经在杰克逊维尔海岸东北处140海里准备就绪。回收船只将在火箭推进器分离坠海之后将其回收。
·5点52分：地面负责封闭小组已经完成对“白屋”最后检测，准备离开航天飞机。
·6点05分：宇航员已经固定在座椅上，等待发射时间到来。
·6点10分：距离发射不到30分钟。指挥中心报告，目前天气状况良好，可以按照预定时间发射。
·6点17分：距离T-9倒计时开启还有10分钟，目前一切状况良好。
·6点24分：NASA控制中心最后意见：没有技术问题，天气状况良好，将按照预定时间发射！
·6点27分：进入T-9倒计时。地面自动发射程序将开始启动。
·6点29分：发射台通往航天飞机的机械臂自动松开。
·6点31分：辅助动力系统开启。
·6点34分：宇航员关闭宇航服面罩并锁定。
·6点36分：倒计时31秒，地面自动发射程序准备完毕。
·6点36分：进入倒计时16秒，开启地面消音系统。
·6点36分42秒：点火，发射！
·6点40分：第一级助推器已经分离
·6点42分：奋进号已经达到26英里的高空
·6点43分：地面控制中心表示一切正常
·6点45分：奋进号在进行第一次校姿
·6点46分：奋进号顺利和助推器分离   
当奋进号航天飞机进入太空后，就很顺利的与空间站接轨，航天员经过一段时间的休息，就开始执行这次人类历史上最伟大的修复计划，修复哈勃太空望远镜，几天的时间里，这些航天员把哈勃望远镜损坏的零件都重新更换了一遍，当第一张由哈勃太空望远镜拍摄的数字照片清晰的传回地面指挥中心的时候，大家都在相互祝贺，是的，这张照片就是人类目前所能拍摄到的最完美最清晰的太空照片。
        当奋进号航天飞机载着完成任务的胜利凯旋而归时，一仑红日正在东方的地平线上冉冉升起，航天飞机就象一只白色的大鸟一样，展开金色的翅膀，带人类对宇宙的无限梦想悠然飞过天空，翱翔宇宙的鹰今天回家了。
                  2008年3月28日 完稿于河南平顶山紫云书院
                                 电子信箱：  完稿与河南平顶山紫云书院
                                  作者：张宏亮
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