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人类史上令人叹为观止的极限精度制造-詹姆斯韦伯(转载)

1575    2020-10-13    发布者:中国测试杂志社    来源:知乎

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詹姆斯韦伯的最核心任务是:寻找宇宙的边界,也就是宇宙最初期大爆炸后残留在边缘的红外线。

它的强大超越了之前任何一个太空望远镜。考虑到目前人类对可观测宇宙半径的认识已经达到了460亿光年,那么詹姆斯韦伯的发射极有可能极大扩展这个数据。

由于理论上说它任何一个部件都会辐射出红外信号产生干扰,所以这个望远镜必须温度极低以减少影响,低到接近绝对温度(-273.15摄氏度)的零下220度。

同时为了最大限度的收集红外信息,就需要超高反射率和超大的“镜子”,还需要尽量回避宇宙中干扰的热源,比如地球和太阳。也要回避地球附近的宇宙尘埃。

最后,詹姆斯韦伯的设计位置是处于日地引力平衡的拉格朗日2点,距离地球150万公里,躲在地球背后,这个引力平衡点轨道稳定几乎不需要额外控制,也远离热源。

要知道地球到月球才38万公里。

但这也意味着任务必须一次成功,不存在修理的可能性,像哈勃那种本来不能用慢慢修好的可能性是不存在的。

而且,它还有两大绝活,

1、超级精密的镜子

这是人类、哈勃望远镜的主镜和詹姆斯韦伯主镜的大小对比。

由于詹姆斯韦伯镜面设计要求是6.5米口径,而这个大小超过了火箭发射的尺寸限制,所以选择方案是加工成18面一模一样的六边形,折叠起来再展开。

普通镜面材料根本不行,因为温度变化导致变形,更何况零下220度。而且在反射电磁波的时候材料都会吸收掉一些能量(例如黑衣服白衣服区别),必须用抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、密度低的材料。

最后选择了碱土金属铍,这是军工行业极为重要的金属,是洲际导弹的导航设备等核心原料。

镜面的加工精度要求是:抛光误差不超过10纳米,每块镜片还能随意调整角度,调整精度不超过10纳米!!!

10纳米大概相当于几十个铍原子摆在一起的宽度。

2、遮阳板

尽管已经远离热源,但还要尽力遮住可能的外界能量,比如地球辐射。然后詹姆斯韦伯就要打着这么一把五层的“遮阳伞”。

在测试中,这把伞从正面到背面,可以将温度降低300摄氏度以上。

它完全展开时长宽占地大小有300平米左右,但即便这么大,每层的厚度其实才25微米或50微米(第一层),这已经包括了镀的硅膜和铝膜。

要知道,人的头发宽度还有80-100微米呢,而考虑到这么薄的一层要做到这么大,真是不可思议了。这恐怕也是人类历史上最牛的一个遮阳板了。

但你别忘了,无论是镜子还是遮阳板,都是需要先陀在一起塞进火箭里,然后进入太空后才慢慢展开的。也就是说经历了剧烈的火箭发射和非常大的温度变化后,它们要在太空中实现刚才我说到的10纳米和25微米精度,这就非常难了。

也正因如此,詹姆斯韦伯望远镜极其烧钱,目前预算已经逼近100亿美元了,是仅次于航天飞机、国际空间站、阿波罗登月和GPS卫星导航系统的人类第五大航天项目。


作者:太空精酿



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