科学探索|新的宇宙曙光：等待了二十多年的詹姆斯·韦布太空望远镜( 三 ) 新的宇宙曙光：等待了二十多

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图2 分层遮阳板。这是一个巨型遮阳板的测试模型，可以让詹姆斯·韦布太空望远镜的温度保持足够低

一部分问题是，遮阳板上的每一层膜都会根据其工作温度的不同而不同程度地膨胀或收缩。设计和建造遮阳板的航天公司Northrop Grumman公司洁净室里的薄膜会与太空中的薄膜大小不同。“每种膜的大小都需要经过精心调整，以适应预测的温度范围，”Cooper解释说，“面向太阳的第一层将是最热的，而第五层将变得非常冷。因此，在地球上建造第五层时必须足够大，因为我们知道，当材料变冷时，它会收缩。”
另一个挑战是，遮阳板的每一层都薄如细纱。最热的第一层厚0.05 mm，其他四层厚0.025 mm，它们的铝层只有100 nm厚。保持薄膜较薄可以减轻重量，但也可能容易使遮阳板损坏。事实上，遮阳板的设计考虑了应对一定程度的损坏，工程师们预计它在使用期间会遭受微陨石撞击造成各种创伤。Cooper说，这里或那里的奇怪的洞不会影响它的性能——特别是因为他们在每一层中都建立了接缝和防止破裂的网格，以防止撕裂的尺寸超过大约一米乘两米。Cooper补充说：“即使任何一层都有这种尺寸的撕裂，我们也能够满足性能要求。”
然而，最大的损害风险发生在发射后不久。风筝形状的遮阳板6个角中的每一个，都包含一个薄膜张力系统（membrane tensioning system，MTS），每个MTS连接着15根缆线（每层膜各3根），总共90根缆线。为了将遮阳板的5层分开，MTS必须卷起这些电缆。在展开阶段的拉扯可能会非常具有破坏性，在系统演练过程中发现，让其工作是非常困难的。“MTS在单独进行测试时相对简单，但当我们把所有东西放在一起时，发现膜和电缆管理系统之间存在复杂的相互作用，”Cooper说，“我们必须克服挑战，从而应对电缆中时而张力过大、时而松弛的问题。”
遮阳板计划在望远镜发射3天后开始展开，并需要5天时间才能完成，这将是一段紧张的时期。但遮阳板工程师不会是唯一一个努力让JWST保持很低温度的人，虽然遮阳板将使望远镜的光学系统和大多数仪器保持在36 K的低温，但有些部件需要更低的温度。
保持冷却
在JWST上的4台仪器中，有3台（近红外光谱仪（NIRSpec）、近红外相机、精细制导传感器/近红外成像仪和无缝光谱仪）工作在0.6—5 μm的近红外波段。对它们来说，望远镜的一般工作温度36K已经足够低了，然而第四台仪器被设计为在5—28 μm的更长波长下进行观测，为此它需要更低的温度，准确地说，比其他设备低29 K 。为了使中红外仪器（Mid-Infrared Instrument，MIRI）上的掺砷硅探测器保持在7 K的工作温度，NASA建造了有史以来发射到太空中的最先进的制冷机，我们称它为大冰箱虽然准确，不过对其运行所需的创新技术有点严重贬低。
然而，与它的两个前身（NASA的斯皮策太空望远镜和欧洲航天局的赫歇尔空间天文台）不同的是，它的冷却剂不会耗尽，因为它的制冷器是一个封闭的系统。制冷机的主要部分是它的制冷压缩机组件（Cryocooler Compressor Assembly，CCA），被安置在望远镜温暖的一侧，使用氦气作为制冷剂，并通过迷宫般的管子连接到MIRI（距离望远镜主镜后面的综合科学设备模块大约10m远）。一旦氦气被CCA内的预冷器冷却，它就利用制冷机冷头组件（Cryocooler ColdHead Assembly）通过这些管子泵送到MIRI 。制冷机冷头组件包含一个不到一毫米宽的阀门，它充当氦气的“节流阀” 。由于焦耳—汤姆孙效应，当氦气在阀门的另一侧膨胀时，它会下降到6 K（比MIRI的工作温度低1 K），然后氦气在通过MIRI探测器的后面时，会吸收并交换多余的热量。