第一张宇宙照片传回，科学家差点晕过去！哈勃竟差点成 “瞎子”？

从这回起啊，咱们就得开始介绍空间望远镜的发展史了，这也是咱们探测器列传的一个非常重要的分支。

要说这空间光学望远镜的根子，得往一百多年前捋。其实啊，大概在1837年左右，就有人开始动心思，要把望远镜送出地球大气层。德国有两位天文学家，一位叫威尔海姆·比尔，一位叫约翰·海因里希·马德勒，俩人凑一块儿琢磨。地球上有大气层啊，大气会流动，所以就导致了图像的扭动。望远镜的清晰度也就那样了，在提高很难，咱要是能把天文台建到月球上，躲开这层空气，那得看得多清楚啊！这主意搁当时就是天方夜谭，却为后来的空间望远镜埋下了第一颗种子。

莱曼·斯皮策

这一等，就等了近一百年。美国出了位高人，名叫莱曼·斯皮策，后来被尊为“哈勃望远镜之父”。这位斯皮策可是了不起的大科学家。因为太空望远镜这个概念，就是他提出来的。早在1946年，他就写了一篇论文，名叫《地外天文台的天文学优势》，把“太空望远镜”的好处说得明明白白。把望远镜给送到太空里，能避开大气干扰，能看得更清、看得更远，还能捕捉到地面上看不到的波段。这篇论文一出来，才算给现代空间望远镜奠定了理论基调，从“纸上谈兵”，正式走向“技术谋划”。

当然啦，1946年，那时候人类的火箭技术刚起步，距离实用化还早着呢。人家斯皮策就已经想到要发展太空天文观测了。这位斯皮策不仅仅是太空望远镜的先驱，人家也是可控核聚变的先驱者。美国的第一台可控核聚变装置就是斯皮策主导设计建造的。

他设计的装置叫做“仿星器”。核聚变可不就是在仿照恒星嘛。这名字起的倒也贴切。斯皮策作为一个天文学家，为一转身跑去设计核聚变装置了呢？那是因为研究恒星燃烧跟氢弹爆炸本来就是一码事。恒星本身的能源就来自于核聚变。这帮搞核武器的科学家，一转身就能转头去搞天体物理。不仅仅美国的是这样，苏联也这样。引爆核弹需要1亿度的高温，宇宙大爆炸3分钟以后的温度差不多也是1亿度，物质的状态都差不多嘛。

苏联那边设计的可控核聚变装置叫托卡马克。大家一定知道，我们已经带了好几拨小伙伴参观合肥的东方超环了，这东西就是个全超导托卡马克。大家记得通过电话号码18616903175加我企业微信。下次有EAST的参观机会，我还会尽快通知大家。

OSO-4号卫星（1967）

好啦，扯远啦，咱们还是扯回来。一直到了1962年，美国人设计了一系列的太阳观测卫星，名字叫做“轨道太阳天文台”，缩写就是OSO，从1962年开始，美国人一共发了8颗OSO探测器，完整了观察了一整个太阳活动周期，算是获取了不少的有用数据。

这种探测器只有一个光电倍增管。要想获取太阳的图像，别提多麻烦了。必须要反射镜的摆动，对太阳表面进行扫描，这样才能获取太阳的完整图像，然后数据只能临时记录在磁带里，然后再用无线电发送回地球，别提多麻烦了。而且那时候卫星的寿命也短，必须不断的发射新卫星来顶替老卫星。没办法，美国人只好接连不断的发了8颗卫星。

同时期，美国人还发射了轨道天文观测台卫星，简称叫OAO，一连串发了4颗。第一颗上去2天就坏了，一张照片也没传回来。二号星倒是成功了，在太空里工作了足足4年。3号星发射的时候整流罩没打开，发射失败了，不算数。4号星工作得不错，探测器上的望远镜口径达到80厘米。算是把太空望远镜需要的技术都跑了一遍。

轨道天文观测台卫星（OAO）

这东西就开始用电视摄像管作为成像传感器。而且用了3层精密的跟踪装置。因为天文望远镜为了拍摄暗弱天体，总是需要长时间曝光，就必须紧盯着某个天体精确的跟踪，这样才能保证拍照不糊掉。OAO利用太阳传感器，以及卫星的喷气姿态调整装置，可以实现粗略的跟踪。在粗略跟踪的基础之上，卫星上搭载6个恒星跟踪装置，只要能抓住2~3颗恒星的位置，就能反算出望远镜指向。然后利用反作用轮来调节本身的角度，指向精确度进一步提高。

最后就是望远镜本身的高精度跟踪装置了，可以精确的盯着目标保存静止不动。这三层装置，每一层都架设在另外一层上。OAO的跟踪精度可以达到0.1角秒的程度。圆周是360度，每1度分为60分，每1分分为60秒，由此可见，0.1角秒是多小的一个角度。

美国人实践了这么多次，最终客服了重重难关，把望远镜的跟踪精确度提高到了角秒级。这就为日后的大型太空望远镜做了足够的技术准备。

苏联人也没闲着，他们在礼炮1号空间站上也装了一台望远镜只是这台望远镜并不是用来成像的，而是用来测量紫外光谱的。因为空间站上有人，所以拍摄那个天体，都是宇航员手动选择。望远镜架设在真空之中，记录光谱靠的是胶片，苏联的电子技术比美国人差，他们还是依靠胶片来记录光谱数据。拍完照片，要想法子把胶片盒从真空环境里弄进空间站舱室，本质上是弄个微型气闸舱。

猎户座1号天文望远镜

苏联人碰上的问题和美国人差不多，都是如何高精度跟踪星点的问题。苏联用胶片来拍摄，主镜片也不是用来成像的。所以他们要通过另外的望远镜来选择和跟踪星点。宇航员手动对准一刻恒星。然后自动跟踪装置就开始发挥作用，自动盯着那颗恒星。但凡星点偏移了一点点，马上调整望远镜指向，仍然保存星点在中央。

不过呢，苏联的产品毕竟比较糙。空间站里的人不可能不走动，不工作。这东西不是专用的天文卫星。可能宇航员剁了两脚，或者打开个抽屉。跟踪装置就跑偏了。所以，要拍摄恒星光谱，也挺费劲的，宇航员最好啥也别干。

拍摄完成以后，把胶片收回来，撞进密封罐子，塞进联盟11号飞船的座舱。准备带回地球。哪知道，这次返回地球的过程出了事故，飞船漏气，导致3位宇航员窒息死亡。苏联人不是嫌飞船太拥挤，塞不下吗？所以在返回的时候没穿宇航服，要不然不至于全窒息。好在胶片没事，马上送到天文台去冲洗。这种胶片对紫外波段非常敏感。

苏联的侦察卫星是东方号飞船改造的，连照相机带胶片一起返回

苏联这套胶片记录的方式跟侦查卫星是一码事。早期美苏两国都是在胶片作为记录载体，然后定期扔胶片罐回来。望远镜在太空里紧盯着某个星点长时间曝光的技术，其实也是来自于侦查卫星。侦查卫星想盯着地上移动的坦克车拍照，也得解决跟踪问题，说穿了都是一码事。苏联的空间站本质上就是载人侦查卫星嘛，这都是一码事。

红外天文卫星上用的那一套制冷成像，盯着微小热源的本事从哪里来的？其实这东西和导弹预警卫星也是一码事。美苏两国都在太空里布置了红外监视卫星，就是盯着对方的导弹发射，人家专门盯着哪里有微弱的火光。屁股挺亮，温度挺高，飞的还挺快，十有八九是导弹。这套技术用在红外天文卫星上也是一样的好用。

总而言之，太空望远镜跟侦查卫星本质上就是一码事，只是焦距长短不同，观察波段不一样罢了。军用才是重头戏，偶尔造两个民用的只是捎带脚而已。

美国人后来发射了天空实验室空间站，这东西是用土星5号火箭的第三级改造的，尺寸那叫一个宽敞，不像现在的国际空站这么憋屈。这个巨大的空间站的外边，安装着一整套大型望远镜系统，这里头可不是一台望远镜，而是8台各种各样的望远镜。

阿波罗望远镜支架

这东西叫做“阿波罗望远镜支架”。这东西基本上就是个外挂，和空间站内部不相连。操作起来比较麻烦，但是也算是因祸得福。天空实验室发射的时候出了问题，保护罩飞了，一块太阳能板折了。空间站里边热得跟蒸笼差不多了。咱们在讲航天史的时候介绍过了。后来为了修理这个天空实验室，宇航员还费了好打架呢。但是这个阿波罗望远镜支架没事，人家有自己的太阳能板，自己是独立系统，基本不受影响。

您要问这望远镜长啥样？嘿，它可不是咱们平时看星星的长筒镜，它长得像个巨大的八角风车，中间套着个两米多粗、三米多长的密封大圆筒。

这筒子里头可有乾坤！里边立着一个十字形的“定海神针”，专业术语叫光学基准梁。这梁上密密麻麻挂了八台大望远镜。有的专看紫外线，有的专看X射线，还有的盯着太阳日冕。这阵仗，就像八位神仙各显神通，把太阳公公全身每一根火苗子都给盯得死死的！

这望远镜不是焊死在支架上的，它是悬浮在一套万向节自稳系统里。哪怕空间站在后边晃荡，这望远镜筒子也能像不倒翁一样，纹丝不动地指着太阳。

阿波罗望远镜支架拍摄的日珥照片

可这望远镜不是自动导航，它得靠人操纵。宇航员坐在舱里，盯着小电视屏，手里攥着摇杆。哎！瞧准了，那边太阳上起了一个大耀斑，宇航员二话不说，推杆、对准、按快门——“咔嚓”！这惊心动魄的一瞬间，就被定格了。太阳太亮了，基本不需要长时间曝光。

现在的望远镜拍了照片，那是发个电波就传回地球了。可那时候是什么年代？1973年！CCD传感器还不知道在哪个实验室吃灰呢。

这天空实验室用的是最原始、最硬核的办法：感光胶片。这就苦了宇航员了，胶片拍完了怎么办？得人出去取！谁让这个望远镜系统是个外挂呢，这还不如苏联人的玩意儿。美国人设计空间站，其实不如苏联人经验充足。天空实验室也是唯一一个美国人独立鼓捣的空间站，后边都是和别人合作搞的。

您想象啊，宇航员穿上臃肿的宇航服，推开舱门，迈进那太空。他得顺着空间站外壁，像壁虎一样爬到望远镜末端。那胶片盒可不是咱们相机里的小卷，那是几十公斤重的“大家伙”。

宇航员保罗·J·韦茨在望远镜的控制台前

宇航员在那儿一边飘，一边还得小心翼翼地把装满宝贝照片的胶片盒卸下来，再把崭新的胶片装进去。这活儿，只要手一滑，价值连城的科研成果就成“太空垃圾”了。这是既是体力活，也是个精细活。操作起来还真是麻烦。

就这么着，宇航员先后出舱十几次，取回来的胶片足足有18万张。每一批宇航员坐着阿波罗飞船，拎着几十盒胶片降落在太平洋上，全世界的科学家都乐开了花。

等到胶片冲洗出来，大家一瞧，好家伙！太阳日冕的爆发弄得跟礼花弹似的。太阳上的“冕洞”就像深不见底的大坑，科学家们第一次看清了太阳的“火爆脾气”。不过呢，NASA千算万算，就没想到太阳的大爆发会加热地球的高层大气。高层大气的体积膨胀就使得轨道上的空间站遇到的阻力也变大了，所以天空实验室的轨道衰减远比想象的要快，最后这家伙还是掉进了印度洋里。有一部分还掉在了澳大利亚的一个小镇上，当地还给NASA开了一张400美元的罚单。谁让NASA乱扔垃圾来着。

哈勃太空望远镜

时间一晃，到了1990年代，空间光学望远镜迎来了它的“黄金时代”，这一时期，最耀眼的两颗“明星”，便是哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜。这两位，一个靠间谍卫星技术撑腰，一个借导弹预警卫星技术发力，堪称军民技术融合的典范。

哈勃望远镜可以说是有里程碑意义的望远镜。它的口径是2.4米，为啥是2.4米呢？因为间谍卫星基本上也都是这个尺寸。哈勃望远镜的光学镜头由佩金埃尔默公司负责制造。在此之前，这家公司已经制造了不少间谍卫星的镜头，需求都差不多，为了省钱，干脆就把所有镜片做成一样大小，这样的话，生产流程基本不变。顺便说一声，国家侦查局后来白送给NASA两个大镜片，口径也是2.4米，说白了，也是同一条生产线下来的东西。

发现号航天飞机

2.4米这个尺寸又有什么也别之处呢？说白了，就是为了能放进航天飞机的货舱。航天飞机货仓的宽度是4.6米。尺寸上你总不能死磕死吧，哈勃望远镜的屁股部分的粗细是4.27米，其他侦查卫星也应该是差不多的。前边的镜筒子两侧装有太阳能帆板，发射的时候要折叠起来，塞在筒子两侧。筒子粗细加上折叠后的帆板尺寸，不能超过货舱宽度。筒子只能设计成3.05米粗。镜片总要比筒子小一圈吧，打点折扣，2.4米基本上是合适的。

航天飞机货舱的宽度为啥是4.6米呢？当时美国重型火箭的整流罩直径大概是5.1米，内部实际上能使用的有效尺寸，大概是4.6米。这都是环环相扣的因素。

哈勃望远镜跟KH-11锁眼卫星基本上就是一码事。整机制造厂商都是洛克希德·马丁公司。没错，哈勃望远镜和F22战斗机是同一家厂商制造的。哈勃望远镜的外部容器、电池板结构甚至通信方式都和锁眼卫星极为相似，甚至有说法称哈勃本质上就是一颗“调转了方向的侦察卫星”。

KH-11的想象图（外界只能猜测它的外观）

从KH-11侦查卫星开始，就再也不用从太空里扔胶片盒了，而是可以直接从太空里把图像发送回地球。这种技术后来也用在哈勃望远镜上。数字CCD摄影技术，其实也离不开国家侦查局的大力扶持。总而言之，哈勃望远镜和侦查卫星之间的界限真的非常模糊。侦查卫星也看过星星，哈勃也看过地面，区别真的不大。

哈勃最初计划在1983年发射，但从项目开始就陷入了泥潭。预算从最初的4亿美元一路飙升到20多亿美元。NASA经常得去国会求着打钱啊，结果导致项目多次濒临取消。

哈勃望远镜的主镜的磨制精度要求极高，承包商进度严重滞后。光是主镜的抛光就比预期多花了好几年。望远镜镜片的磨制精确度是要用光波波长来衡量，磨制精度必须达到主要观测波长的1/20，小镜片还好办，大镜片也要达到这个精确度，难度的确很高。

哈勃的主镜片正在打磨

到了1986年初，哈勃已经基本准备就绪，计划在当年发射。没想到1986年1月28日，挑战者号航天飞机在众目睽睽之下炸了。这下坏菜了，整个航天飞机机队停飞了近三年。由于哈勃是专门为航天飞机设计的，没有其他火箭能发。它被迫在加州的无尘室里闷4年。这期间，NASA还要维持它的供电、除尘和氮气循环，这笔维护费几乎够再造一台小望远镜。

一直到1990年，哈勃望远镜才排上了班次，但是依然状况不断。就在发射前几天，发现了一个备用电池失灵，被迫更换。4月10日的发射前4分钟，因为液压泵故障紧急停止。只能拉回去检修，一直到1990年4月24日，发现号航天飞机才终于带着哈勃升空。

全世界科学家都屏住呼吸，等着看那第一张震撼宇宙的照片。结果照片一传回来，科学家差点没晕过去。虚了！全虚了！

咱们下回再说。