解决方案
1990年6月,刚发射不久的哈勃空间望远镜传回的图像清晰度并不比地面望远镜更高:其2.4米主镜被研磨成了错误的形状,造成了严重的球面像差。该镜面被认为过于困难,无法运回地球,工程师们考虑了一些孤注一掷的方案——派一名太空行走的宇航员进入光学镜筒更换次镜,或者安装一个孔径遮罩来遮挡镜面有缺陷的外围区域。
最终胜出的想法把问题倒转了过来。Ball Aerospace的光学工程师詹姆斯·克罗克在德国举行的一次欧空局危机会议上,注意到他酒店淋浴喷头被夹在一根垂直杆上,可调节高度和角度;类似的滑动安装装置可以将小型校正镜片送入每个仪器的光路中。其成果COSTAR预算耗资5000万美元,大小相当于一个电话亭,替换了使用最少的仪器——高速光度计。在同一1993年任务中安装的新宽场和行星相机2则自带内置校正。
宇航员在1993年12月的STS-61任务中,通过为期十一天的太空行走安装了COSTAR,该仪器的镜片支臂于1993年12月28日展开。在经校正的暗天体相机上,一颗恒星的光集中在0.1角秒范围内的比例从18%跃升至85%——相当于1.6个星等的灵敏度提升——有效分辨率从66毫角秒改善至43毫角秒,代价仅是20%的吞吐量下降和更小的视场。
取得了什么成就
校正光路的下游,而不是镜面本身
为何奏效
镜面的误差是稳定的,并且已通过恒星图像被完全表征,因此可以在地面制造出其相反量,并有把握地在轨道上抵消它。
将哈勃带回地球或在其光学镜筒内操作,要么不可能,要么过于鲁莽;仪器舱是唯一一个已经设计为由宇航员进行维护的接口。
每个仪器配备两片小镜片,只消耗几克玻璃,相比之下重新镀膜或更换2.4米主镜则代价高昂——这一修复方案的规模随误差而定,而非随孔径而定。
放弃能力最弱的高速光度计,将这一取舍转化为望远镜上一个近乎免费的槽位。
设计自带校正的新仪器(WFPC2),让同一任务能够同时从两端修复系统。
可以借鉴之处
当缺陷位于你无法更换的部件中时,把校正推到你能触及的下游。一个已知的确定性误差可以在最便宜的边界处被抵消。
后续
修复工作如计算那样奏效:哈勃交付了重新校准宇宙学的深场和距离测量,该任务也成为NASA在轨维护的范本。此后安装的每一台仪器都自带校正光学元件,这使COSTAR变得过时——它在2009年的维护任务中被移除,以腾出其舱位给宇宙起源光谱仪,并被运回地球,如今已成为一件博物馆展品。克罗克的淋浴喷头故事成为NASA关于优秀工程创意从何而来的常备寓言。
从这里,追溯依据
参考来源
- 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