近日，发表于《自然》（Nature）的一项研究，报告了哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，缩写HST）对一个极为遥远的恒星的观测情况，该恒星可能为单星或处于恒星系中，约在大爆炸后9亿年形成，这是迄今发现的最远的一颗恒星，反映了宇宙演化早期的状态。
而几天后发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy）的另一项工作中，研究人员则借助于HST发现了一颗特别的类木行星御夫座AB，可能颠覆了传统的类木行星形成模型。HST于1990年发射，取得了众多突破性的成果，迄今仍在扩充着人类对宇宙的认知。
本文来自微信公众号：科技导报 （ID：STReview），作者：李成智（北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师），原文标题：《成本超百亿美元，它是美国宇航局史上最昂贵的单一科学任务》，头图来自：NASA
由于地面天文台和望远镜观测宇宙存在的不足，很早就有科学家提出建议将望远镜发射到地球轨道上。
1946年，美国天文学家斯皮策发表论文《地外天文台的天文学研究价值》，呼吁在地球轨道上建造天文台。但当时人类尚未进入航天时代，这一设想过于激进。
美国天文学家斯皮策 图片来自：Wikipedia
航天时代开始后的20世纪60年代，随着一系列小型天文卫星的发射，天文卫星的巨大价值被证实。
1970年，美国宇航局计划建造大型的太空望远镜，但经费预算受到国会的阻挠，宇航局公共预算的削减，使大型太空望远镜项目难以取得进展。
在美国科学界的多年游说之下，国会终于为太空望远镜项目批准了资金，但规模只有预计的一半。
宇航局只能将原计划的3米口径望远镜改为2.4米，对望远镜其他设备也予以简化，同时寻求与欧空局合作以分担费用。
在此情况下，美国国会于1978年批准了大型太空望远镜项目的投资3600万美元。
美国宇航局计划该望远镜能够在1983年由航天飞机发射，并以著名科学家爱德华·哈勃的名字进行命名——哈勃太空望远镜（HST）。
一、HST的研制
由于种种原因，HST的研制并非一帆风顺，1986年，航天飞机挑战者号的失事更是使进度大大拖延。
进入90年代，宇航局陆续制定了多项天文卫星计划，其中包括四大重器——HST、康普顿伽马射线天文台（1991-2000年）、钱德拉X射线天文台（1999年至今）和斯皮策太空望远镜（2003-2020年），它们的侧重点不同，其中HST主要以可见光观测为主，但发射入轨后经过多次维修，其观测光谱范围得到了很大的拓展。
HST研制采取招标方式，望远镜主体由防务供应商洛克希德公司研制和系统集成，大型光学望远镜由珀金·埃尔默公司研制。
宇航局马歇尔航天中心负责整个项目的设计、招标与管理工作，哥达德航天中心负责科学仪器及望远镜后期运行工作。
洛克希德公司厂房中的HST
HST整体呈柱形结构，安装了2个太阳电池板，展开后的最大宽度可达13.7米，望远镜主体长13.2米，直径4.27米，发射质量12.5吨，太阳能电池可提供2800瓦的功率。
为保持姿态稳定和进行姿态调整，HST上安装了6台大型陀螺仪和种种推力器。陀螺仪是动部件，长期运行的失效率高，采用航天飞机进行维护维修，可极大地延长其使用寿命。HST能够正常使用达30年，与其可维护性强关系极大。
HST外形
HST由光学部件、科学仪器、保障系统3大部件系统组成。
光学部件是一架卡塞格伦式光学望远镜，采用双曲面设计的主副镜。入射光由3米宽的舱门进入，射到直径2.4米的主镜上，再反射到在它前面4.88米处的副镜上。副镜将光线聚焦后再返回到主镜，从主镜中央小孔穿过到达焦平面。双曲线反射镜在大视场下具有良好的成像性能，但反射镜的形状难以制造和测试。
HST的反射镜和光学系统决定了最终的性能，必须严格按照规格设计。
光学望远镜的镜面通常经过精细抛光，精度约为可见光波长的十分之一（10纳米）。由于承包公司在光学部件特别是主副镜制作和抛光过程中，一再出现精度等问题，致使整个望远镜的交付日期多次推迟。
光学系统计划用于从可见光到紫外线（较短波长）的观测，并防止衍射干扰，以充分利用空间环境。
由于反射镜要通过加热器保持在15℃的温度，而这个温度会对红外观测造成很大干扰，HST的红外观测性能不高。
HST主镜面抛光
安装光学系统和仪器的望远镜主体也是一个重大的工程挑战。它必须能够承受太阳直射到黑暗的地球阴影中的频繁转换，由此会带来很大的温度变化。而且望远镜还必须足够稳定，使其能够极其精确地进行指向。
多层隔热罩和轻质铝外壳使望远镜内的温度保持稳定，探测仪器能够在适宜的环境工作。
在外壳内，石墨环氧框架使望远镜的各动部件牢固对齐。由于石墨复合材料具有吸湿性，在测试中发现，桁架吸收的水蒸气有可能在真空环境下释放出来，导致望远镜的仪器结冰。因此，在将望远镜发射到太空之前须利用氮气进行净化，消除水汽。
望远镜本身的制造则由于预算问题而进度延误。
望远镜安装的5个主要仪器覆盖范围为电磁光谱的紫外线、可见光和部分近红外区域。
HST在地球大气畸变之外的轨道运行，能够在比地面望远镜低得多的背景光下拍摄极高分辨率的图像。大口径望远镜和优良的观测环境，使它能够观测记录到最详细的可见光图像。
这5个仪器分别是：广角行星照相机、暗弱天体照相机、暗弱天体摄谱仪、戈达德高分辨率摄谱仪和高速光度计。
望远镜上还装有精确制导敏感器，它可测出HST到目标天体的距离，测量精度是地面望远镜的10倍。
HST的观测能力大大超过了地面所有光学望远镜和已有的天基望远镜，估计能观测到27星等的恒星，比地面上5米口径望远镜观察到的星光暗50倍。
可以这样形象地比喻其分辨率之高：相当于从华盛顿看到1.5万千米外悉尼的1只萤火虫发出的光亮，或从地球上看到月球上1支手电筒发出的光。
它观测的距离可达140亿光年，几乎可以看到宇宙诞生时的景象。基于这些突出的优点，全世界的科学家都对HST寄予很大希望。
二、HST的发射与初期应用
1990年4月24日，航天飞机发现号在执行STS-31飞行任务时，将HST成功送入地球轨道。
它的轨道高度为537.0×540.9千米的近圆近地轨道，轨道倾角28.47°，运行周期95.42分钟。
HST发射
在HST发射时，美国宇航局在该项目上花费了大约47亿美元。如按2015年美元计算，累计成本估计约为113亿美元，其中包括所有后续维护与维修成本。这使其成为美国宇航局历史上最昂贵的单一科学任务。
航天飞机机械臂释放HST
HST入轨后，地面观测和监视人员对它进行了校准工作，在此过程中发现了问题。
6月14日，技术人员为了使HST的聚焦达到最佳状态，发出指令调整望远镜的副镜，但始终无法使聚焦达到最佳。
此后的两个星期内，技术人员全面检查HST的聚焦功能，发现主镜和副镜中可能有一个镜片存在着球面像差的质量问题。经过分析认为，这个故障是由于主镜在加工时边缘部分被多磨去了0.002毫米，从而出现球面像差造成。
另外，望远镜上的太阳电池板金属支架也因反复进出地球阴影导致热胀冷缩而发生周期震动；用于保持望远镜精确定向的6台陀螺仪传感器有3个发生故障；望远镜上主计算机的6个存贮器有1个失效，另1个部分失效。
主镜加工存在问题几乎是一个不可原谅的过失，此后两年多时间，宇航局一直在想办法修复HST存在的故障，并且千方百计利用它进行一些力所能及的观测活动。
尽管如此，HST投入天文观测后仍获得了一些重大发现。
它的最初目的是通过对中子星、脉冲星、类星体和黑洞的观测，深入研究宇宙的起源、结构、组成和演化等难题。
1991年，HST成功地观测到距离地球17万光年的大麦哲伦星云旗鱼座的第三个轮形星云；拍摄了超新星1987A的清晰照片；重新量度了大麦哲伦星云的距离为169000±5%光年，精确度较以往大幅提高。
HST拍摄的超新星1987A照片
1992年初，美国天文学家托德·劳尔在亚特兰大的一次会议上根据HST发回的资料，公布了一项十分惊人的大发现：首次在银河系临近M87的星系中央，确认存在一个巨大的黑洞，这是证明黑洞存在的最直接证据。
1992年4月，HST发现了一颗最亮的恒星，其温度比太阳高33倍。1992年5月，它发现宇宙中最古老的星系有新星形成。
三、HST的五次维修
为使HST“看得更清”，宇航局制定了详细的修复方案，设计了专用工具，宇航员也进行了地面模拟维修训练。
宇航员进行地面维修练习 图片来自：NASA
第一次维修
1993年12月2日，奋进号航天飞机肩负着修复HST的重任发射升空，7名经验丰富的宇航员随机带去了280多件专门设计的工具。
1993年12月4日，宇航员操纵15米长的机械臂捕获了HST，并将其放入载荷舱内。
12月5～9日，宇航员外分两组出舱活动，对望远镜进行修复。他们完成的主要工作有：更换了3台速率陀螺仪，安装了陀螺仪电子控制装置和8个保险丝，拆除两块太阳电池板并更换了新的太阳电池板；更换了望远镜上的宽视场行星相机；更换了两台磁场计。
其中12月8日的修理工作最为关键。宇航员为哈勃望远镜安装了球面象差光学校正系统——太空望远镜光学矫正替换箱，它内部装有5个钱币大小的透镜，用于矫正望远镜的视线，使其精确聚焦。
9日，将新安装的太阳电池板展开，更换了电池板的电子装置。10日，宇航员用机械臂将修理一新的望远镜送回轨道，还将望远镜的轨道提高了几千米，至此修复工作全部完成。
12月13日，宇航员乘航天飞机返回地面。
对HST进行首次修理维护 图片来自：NASA
修复后HST取得了明显的效果，甚至“超过了预期的目标”，包括了几方面的重大改进：清晰度提高了50%、可看到更暗的天体、可显示更大的明暗对比、科学家可对拍摄到的图像进行定量分析。
宇航局曾公布了两张HST拍摄的距地球5000万光年的M-100星系的照片，一张是1993年11月27日未修复时拍摄的，一张是12月31日修复后拍摄的，清晰度和分辨率大为提高。
修理前后M100拍摄的照片对比
这次修复工作耗资惊人，估计费用达6.29亿美元，其中更换部件及有关活动的费用2.51亿美元；航天飞机飞行费3.78亿美元。
从完成任务之重要和难度之大两方面看，这次HST的修理工作是自阿波罗计划以来，最复杂、最困难的航天活动。
第二次维修
1997年2月11～21日，航天飞机发现号在执行STS-82任务时，宇航员对HST进行了第二次维修。
此次维修利用机械手臂把HST捕获后，停放在被之为飞行支持系统的操作平台上，使发现号和HST之间建立一个脐带式连接方式，以便为望远镜提供电力和数据服务。
第一次出舱活动，宇航员把戈达德高分辨率光谱仪和微弱目标光谱仪拆下放入轨道器的有效载荷舱内，然后把扫描分光仪、近红外照相机及多目标分光仪安装在HST上。接着，地面控制人员发送指令要求检查上述设备的状况。
第二次出舱活动，宇航员用升级的备份传感器更换了退化的精密导航传感器，更换了一个数据记录器，安装了一个优化控制的电子增强型工具来提高精密导航传感器的性能。然后宇航员和地面控制人员对HST隔热层的几个被损坏的部分进行评价测定。地面控制人员和宇航员对破损的严重程度以及可能的维修方式进行了估价。
第三次出舱活动，宇航员拆卸并更换了一个数据接口单元，用一台新式的固态记录器取代了老式的转轮记录器，以便以数字方式存储数据，并且可以同步记录和回访数据。在此期间，发现号轨控推力器重新点火，以稍微提高HST的运行轨道。然后宇航员更换了望远镜上的一个反作用轮装置。
第四次出舱活动，宇航员更换了一个太阳能电池驱动的电子仪器盒，安放在HST的磁力计（用于确定HST在地磁场中的位置）上方。宇航员还维修了破损的隔热层，在两处破损的隔热层上放置了由多层隔热材料组成绝热层。
第五次出舱活动主要是维修破损的绝热层，在三处破损的绝热层上加绝热材料。
第二次维修作业
至此，HST的第二次维修工作结束。宇航员利用轨道器的机械臂，把HST移动到轨道器的有效载荷舱外。在HST和机械臂仍连在一起时，地面控制人员发送指令，要求打开望远镜的快门。最后，HST释放到一个较高的运行轨道上。
第三次维修
1999年12月19~27日，航天飞机发现号执行STS-103飞行任务时完成第三次维修，此次维修规模较小。
第三次维修作业 图片来自：NASA
宇航员在三次舱外活动期间，为HST安装了3个用来瞄准星体的导航传感器、1个新的无线电收发机、1个数据记录器和1个用来保护免受太阳热力伤害的护罩。
宇航员还在舱外为望远镜更换了所有6个陀螺仪，安装了1台486计算机，新系统的速度快了20倍，贮存器增加6倍，可大大提高HST追踪移动目标的能力和瞄准能力。
第三次修复后的HST
第四次维修
第四次维修是在2002年3月1~12日，由哥伦比亚号航天飞机在执行STS-109飞行任务时完成。
宇航员在3月4日进行第一次舱外活动，更换了HST上的一块太阳能电池板。受温度极端变化和太空辐射的影响，原有太阳能电池板的供电效率下降了近40%，而且还出现了一些结构和电路方面的问题。新安装的太阳能电池板长7米，宽约2.7米，尺寸只有原来的三分之二，但产生的电能却多出20%以上，而且在飞行中所受的阻力相对较小，可以减少对望远镜运行轨道高度的影响。
3月6日，宇航员在第二次舱外活动期间，为HST更换了一个新的电源控制设备，并为望远镜装上了一个新的观测仪——先进测绘照相机，换下了原有的暗弱天体照相机。先进测绘照相机可使哈勃望远镜看得更深、更远、更清晰，其天文观测能力预计将提高10倍以上。
而随着暗弱天体照相机的拆除，HST原有的观测仪器已被全部更换。
第四次修复HST 图片来自：NASA
3月8日，宇航员进行最后一次太空行走，此次为望远镜安装了一套新的冷却系统，使一架失灵的近红外照相机和多目标分光计能重新投入工作。
测试表明，HST新换的所有设备都“运行良好”，维修后望远镜的观测能力上升了一个数量级。
修复期间宇航员舱外工作 图片来自：NASA
第五次维修
宇航局原计划在2005年2月为HST提供第五次维修，但2003年的哥伦比亚号航天飞机事故对宇航局维修计划和其他任务产生了很大影响。
之后经过多次讨论，最终决定由亚特兰蒂斯号航天飞机在2008年10月完成为期11天的维修任务。但由于种种原因，维修任务又推迟到下一年度。
2009年5月11~24日，航天飞机亚特兰蒂斯号执行STS-125任务，对HST进行了第五次维修。
第五次维修作业
此次维修，宇航员共进行了5次舱外活动，安装了一个航天器捕捉装置，以便在望远镜寿命结束时脱离轨道。
宇航员还更换了科学仪器管理设备和数据处理单元；安装了新的观测仪器——宽视角摄像机3（WFC3）和宇宙起源频谱仪（COS）；维修了高级巡天相机（ACS）和成像光谱仪（STIS）；安装了改进的镍氢电池；更换了包括所有六个陀螺仪在内的其他部件。
除了无法维修已经失效的高级巡天相机的高分辨率通道，第五次维修任务期间完成所有工作，使HST功能全面恢复。
宇航员舱外维修活动
由于结构限制，除光学望远镜外，HST可容纳5台科学仪器和精密制导传感器。这些传感器主要用于望远镜精确对准，偶尔也用于天体科学测量。
在航天飞机五次维修任务中，早期安装的5台仪器已经完全被更先进的仪器所取代。
在2009年维修任务后，5台科学仪器分别是高级巡天相机（ACS）、宽视角相机3（WFC3）、宇宙起源频谱仪（COS）、成像光谱仪（STIS）和近红外相机及多目标分光计（NICMOS）。这些更换后的仪器表明，HST以后的任务更加重视宇宙起源、早期星系形成与演化方面的探索与研究。
维修后的HST
本文来自微信公众号：科技导报 （ID：STReview），作者：李成智（北京航空航天大学人文社会科学高等研究院教授、博士生导师）