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詹姆斯·韋伯空間望遠鏡

來自網絡的圖片

韋伯望遠鏡的鏡面系統介紹美國國家航空航天局(NASA)的詹姆斯•韋伯太空望遠鏡傳回的首張全彩色照片。該照片是一張星系團圖像,揭示了迄今為止最清晰的早期宇宙景象,這張照片代表了科學技術的歷史性時刻。下面來了解一下拍攝這張照片的韋伯望遠鏡的鏡面系統。[1]

韋伯望遠鏡的鏡面系統

1.主鏡

詹姆斯·韋布空間望遠鏡的鏡面系統包括主鏡、次鏡和三鏡。雖然尺寸相對較小的次鏡和三鏡也都很有特色,但昂貴的主鏡卻是結構最複雜的,由許多個子鏡拼接而成的。

鏡面系統和精密偏轉鏡(FSM)是由鮑爾航空航天技術公司研製的,該公司是諾·格公司「光學技術和輕質鏡面系統」的主承包商。「韋布」的主鏡直徑高達6.5米,在天基望遠鏡中絕對算得上是巨大的。

主鏡的直徑的比發射它用的火箭更大。主鏡被分割成18塊六角形的鏡片,發射後這些鏡片會在高精度的微型馬達和波面傳感器的控制下展開。但是,此法不會跟凱克望遠鏡一樣,不必像地面望遠鏡那樣必需根據重力負荷和風力的影響而要按主動光學來時常持續調整鏡段,故詹姆斯詹姆斯·韋布空間望遠鏡除了初期配置之外將不會有太多改變。

主鏡的鏡面作為全體也形成六角形,聚光部和鏡面都露在外面,容易讓人聯想到射電望遠鏡的天線。另外,它的主體也不呈筒狀,而是在主鏡下展開座席狀的遮光板。

2.鈹鏡襯底

鈹鏡襯底使所有子鏡可拼接成傳統意義上的一面鏡子。襯底厚度約為5cm,「前」反射面被高度拋光,「後」面被精密加工成比實心結構更輕的「蛋架型」結構。

反射面的表面粗糙度小於20nm,鍍上的一層純金薄膜也是為了提高其反射紅外光線的能力。選擇鈹材料是因其極高的剛性和輕質特性,在「韋布」極寒的運行溫度下不易發生形變。

3.鈹傳力部件

鈹襯底的另一面被安裝在三角形、蛋架型的鈹傳力部件上。每個傳力部件長約60cm、寬30cm,可用於分擔來自底層結構的負載,來減少鏡面失真。

4.鈹三角構架

鈹三角構架(BDF)是18塊子鏡的主要中間結構,三角形的構架寬約76.2cm,連接在作動器與反射鏡、襯底或傳力部件之間。

5.作動器

作動器是由精密馬達和齒輪構成的精細結構,用於移動和調整反射鏡表面形狀。作動器可使18塊子鏡精確排布,像一面整鏡一樣對宇宙中的某一物體進行會聚成像。

18塊子鏡各含6台用於移動和轉動作動器,全部子鏡可利用作動器排布成一面巨大的整鏡。另外,每塊子鏡都搭載一台特殊的作動器,一邊直接連接鏡背面中心,另一邊通過長、薄的鈹結構連接鏡邊緣。每台作動器可使18塊子鏡擁有完全相同的「曲率中心」,確保它們的焦點重合。

這些鏡面作動器是「韋布」眾多新發明中的一個。它們能夠通過納米尺度的微小位移使鏡面具備最佳的光學性能。另外,這些作動器必須在只比絕對零度高几十度的極端「製冷」溫度下運行。

當「韋布」在太空展開並冷卻到運行溫度後,地面站的工程師們將向所有作動器發送指令來調整所有的鏡面,這一過程耗時兩個月。隨後,一旦「韋布」開始全面運行並進行科學觀測,每10到14天就要進行一次鏡面調校工作。藉助這項新技術,「韋布」將成為首台採用主動控制拼接主鏡的天基天文台。

6.接口柔性部件

底板接口柔性部件(BIF)接口將主鏡連接到望遠鏡底板上,該底板支撐主鏡全部的18塊子鏡。精密加工而成的柔性部件像精緻的彈簧一樣,可承受從室溫到零下190度的溫度變化引起的熱脹冷縮。

除了這些連接到底板上的,每塊子鏡上的還有很多這種柔性部件。[2]

參考文獻