解決方案
1990年6月,甫發射的哈伯太空望遠鏡傳回的影像清晰度並不比地面望遠鏡高:其2.4公尺主鏡被研磨成錯誤的形狀,造成嚴重的球面像差。這面主鏡被判定為太難送回地球,工程師們考慮過一些絕望的選項——派太空人進行太空漫步進入光學鏡筒更換次鏡,或加裝孔徑遮罩以遮蔽主鏡有缺陷的外圍區域。
最終勝出的構想則把問題反轉過來。Ball Aerospace的光學工程師James Crocker在德國一場ESA危機會議上,注意到他飯店淋浴噴頭以可調整高度與角度的方式夾在垂直桿上;類似的滑動式安裝座可以將小型矯正鏡送入各儀器的光路中。成果就是COSTAR,預算為5,000萬美元,大小如電話亭,並取代了最少使用的儀器——高速光度計。在同一趟1993年任務中安裝的新廣域與行星相機2號,則自帶內建矯正。
太空人在1993年12月的STS-61任務中,以十一天的太空漫步安裝了COSTAR,該儀器的鏡臂於1993年12月28日展開。在矯正後的暗天體相機上,一顆恆星的光集中在0.1角秒內的比例從18%躍升至85%——相當於1.6星等的靈敏度增益——有效解析度則從66毫角秒改善至43毫角秒,代價僅是20%的較低通量與較小的視場。
達成了什麼
矯正光路的下游,而非主鏡
為何奏效
主鏡的誤差是穩定的,且已從恆星影像中完整表徵,因此可以在地面上製造出相反的誤差,並可信賴其在軌道上抵銷原誤差。
將哈伯送回地球或在光學鏡筒內操作,若非不可能便是魯莽;儀器艙是唯一已設計成可由太空人維修的介面。
每台儀器兩面小鏡僅耗費數公克玻璃,相較於重新鍍膜或更換2.4公尺主鏡——此修正方案隨誤差規模而非孔徑規模而定。
放棄能力最弱的高速光度計,把這項取捨轉化為望遠鏡上幾乎免費的槽位。
設計自帶矯正的新儀器(WFPC2),讓同一趟任務能同時從兩端修復系統。
可應用的啟示
當缺陷位於無法更換的元件上時,把矯正推到你能觸及的下游。已知的確定性誤差可以在最便宜的邊界上抵銷。
後續
修復按計算奏效:哈伯提供了重新校準宇宙學的深場與距離測量,該任務也成為NASA在軌維修的範本。此後安裝的每台儀器都自帶矯正光學,使COSTAR變得過時——它在2009年維修任務中被移除,以騰出其艙位給宇宙起源光譜儀,並被送回地球,如今成為博物館展品。Crocker的淋浴噴頭故事則成為NASA關於優秀工程構想從何而來的常設寓言。
追溯依據
參考來源
- In-orbit performance of the COSTAR-corrected Faint Object Camera NASA Technical Reports Server (Space Telescope Science Institute) · ntrs.nasa.gov
- Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement Wikipedia · en.wikipedia.org