你认为能称得上机械制造业「皇冠上的明珠」的有哪些？ 第1页

一看见这题目，脑子里除了下面这个家伙就别无其它了

它是詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）

JWST是世界最先进的空基天文台，它是NASA、欧空局和加拿大航天局的联合项目，是天文界大功臣哈勃望远镜的继任者，且观测精度高出哈勃100倍。该计划始于1996年，经过了漫长的开发、设计和建造，整个过程可谓一波三折，近期望远镜主体组装已经完毕，还在进行各种严格到变态的测试工作，预计于2018年10月搭载欧洲阿丽亚娜5号火箭升空成为我们观测宇宙的崭新利器。

我们先来看看这个JWST牛逼在哪儿

首先，它上班的地方很远，非常远。

为了避开大气层的干扰，哈勃望远镜跑到距地面570公里的太空运行，而JWST走得更远，它的工作地点位于地球背阳一侧距地球150万公里处，在这个点上物体受太阳、地球两大天体引力作用能保持相对静止，既“第二拉格朗日点”，它将不会围绕地球旋转，而将永远躲在地球的背阳面与地球同步围绕太阳旋转，也就是说它是一颗太阳的人造卫星。这个距离大约是哈勃轨道高度的2600多倍。

L2既是第二拉格朗日点

JWST轨道与哈勃和月球的对比

这注定是一趟有去无回且无人照顾的就职之旅。哈勃曾经因故障接受了五次在轨维修，而没有人能够带着工具抵达JWST工作的位置，人类迄今距离地球最远的记录是阿波罗13号成员在路过月球背面轨道远地点时创造的，大约为40万公里（还是因为突发故障被逼无奈），而这一记录仅约JWST工作轨道高度的1/4。所以，在工程技术上要求做到自动安装且终生不维护。为什么是自动安装？后面会讲。

第二，作为一个非陆基天文台，它个头巨大。

相对于哈勃望远镜，詹姆斯韦伯望远镜技术更先进，能够观测宇宙中更遥远的信号，其主镜面直径达6.5米（原计划是8米，但是因为太贵且技术难度太大所有放弃了），其镜面面积是哈勃望远镜的五倍。

其主镜由18个六边形子镜片组成，每一个都有独立的校准系统，将在升空后进行一系列的校准和调试，确保它们对焦精准，之后任务运行过程中每过一段时间就会校准一次。和哈勃的可见光观测不一样，JWST将工作在红外波段下，为了避免干扰，工程师们还为望远镜配备了一个巨大的遮阳伞，展开后有12.2米宽18米长，用于隔绝太阳辐射的热能，使得望远镜的工作温度始终维持在50k以下（约零下230摄氏度）。它制造完成后是这样的

一个标准网球场勉强放得下。

但是，大又怎样呢？比它大的东西多了去了，但别忘了，它要上天！

那么问题来了：送它去上班的交通工具装不下它。。。

所以工程师设计了精密的折叠结构，把基座、主镜片和遮阳伞折叠起来，保证望远镜能塞进阿丽亚娜5号火箭中，到达目的地后再像变形金刚一样展开，而展开过程却并不像变形金刚那样“唧唧咔咔”几下搞定，而是极其小心、缓慢地进行，整个展开过程历时数十日，这就是刚才提到的自动安装。韦伯望远镜若全被伸展开，将有一架波音737客机那样大，万一什么地方卡壳而展不开或者展开的误差太大呢？天哪，那将是一场灾难。想象一下，那可是距地150万千米的深空，你不可能送人去帮它一把。所以，这是一次只许成功，不许失败的大工程，也可以说是大赌博，赌资高达88亿美元。

折叠起来的镜面主体，技术人员正在使用特殊灯光检查望远镜上是否有杂质

第三，制造精度要求极高。

作为天文望远镜，最重要的部件当属镜片了，18个子镜面组成一个统一的主镜面，用于观测距离以光年计的目标，这需要它们在展开后的排列精度误差小于人类头发丝直径的万分之一。

计划初期，天文学家曾打算用超低膨胀玻璃。但当把试验镜片冷却到零下233℃时，玻璃发生的弯曲足以使望远镜完全失效。最后，镜片的材料选择了铍。

然而，要制作没有残余应力的铍金属镜片是极为困难的，切割金属的表面会使剩余的金属部分有向上弯曲的趋势。

另外，抛光六边形的镜片也非易事，直到距离边缘5毫米处都是要抛光的，若未经抛光边缘的宽度每增加一倍（10毫米），那将使望远镜的反射光量减少1.5%，对于天基望远镜工程来说绝对是一个重大的损失，如此高难度的抛光也是第一次。最终镜面能够达到多么光滑呢？把主镜面放大到美国国土面积（约960万平方公里）那么大，你能看见的最大凹陷相当于一个核桃大小。

然而即便是抛光到极致平整的铍在近红外波段的反射性并不是最理想的，因此每块分镜面都必须镀上大约3.4克的黄金。

从2010年6月开始，NASA的工程师们开始为每一块子镜片进行涂层处理工作，科学家将黄金涂料加热到1371摄氏度，使黄金涂料由固态变成液态，并蒸发到铍制镜片上，表面的黄金涂层厚度要求是精准的120纳米，这一工序总共花了15个月，然后再花了4个月完成了冷冻测试。

我就问你滑不滑？舒不舒服？强迫症的福音

第四，生产与使用环境差别巨大，还要做到终生免维护。

我们所提到的一切，都是基于正常室温生产装配、接近于绝对零度的真空高辐射环境下使用为前提，这对工程技术提出了前所未有的挑战。JWST发射升空后，由于某种热梯度的影响会使望远镜发生轻微变形，在观测过程中，需将镜面精确地对准特定方向，这时候也会产生极微小的温度变化，而这个变化也会给观测结果带来轻微但不可接受的精度影响。

为了解决这个问题，工程师们设法在每个子镜片后面都安装了7个微型电机，每个电机可以通过推、拉使子镜面的位置产生略微超过10纳米的改变。

如此一来，只要从地球发送遥控信号到150万公里的地方激活子镜面背后的7个微型电机，就可以单独调整每一块子镜面相对于其他子镜面的曲率和方位，以补偿形变带来的影响。

工程师正在检查基座

遮阳帆共有五层，可以阻隔几乎一切辐射

好，让我们来看看什么样的机械产品能够称得上皇冠上的明珠呢？

肯定没有一个公认的标准。

而如果一个产品的制造成本是天文数字、技术难度大到业内专家都抱着看热闹的心态围观、运输过程充满风险、要实现自动安装后在极端恶劣的环境中工作且使用寿命内做到不维护，再加之使命意义非凡，那么这样的机械产品都算不上一颗明珠的话，那我不知道还要怎样。这个JWST完全符合上述标准：

1. 制造过程中预算不断攀升，在主体最终装配完毕后目前已经花掉88亿美金，相当于造两艘 “尼米兹”级核动力航空母舰再配上11架F-18E超级大黄蜂。然而JWST重量仅仅6.5吨而已，折合成本单价人民币460万一斤(⊙o⊙)…

2. 这么贵的东西，投资风险极大。在制造、测试手段上让专家绞尽脑汁，且很多手段上都被业内人士认为不可能实现，比如说对镜面平整度、稳定性的检测手段，要求对镜面上数十万个点同时进行拍照，然后对比每一张照片中各个点的位移情况，从而判断镜面有无形变，拍摄速度要求达到N次/秒以上，N的值是背景环境的振荡频率，通常在5000以上（注意是同时对数十万个坐标进行测量），这样才能排除空间温度差异、震动等因素对材料形变的影响，其难度可见一斑。

3. 必须规避火箭发射过程中的剧烈震荡和加速度、曲折的入轨过程和在轨展开过程（并且是在室温组装、接近绝对零度的环境中进行操作）对精密光学设备的影响。

4. 使命意义非凡。它能够看到宇宙诞生最初的光，能够对系外行星的质量、大气成分等进行准确的判定，与它所具备的观测能力相比，人类现在完全是个瞎子。

所以，詹姆斯韦伯太空望远镜是当之无愧的人类工程技术之集大成者。

----儿童节更新----

这里有个从YouTube 搬运来的视频，演示了明年JWST在奔向深空的途中展开的全过程，有兴趣的朋友可以看一下，英文旁白。留意它的“晕轨道”- Halo Orbit，很有意思。

http:// m.youku.com/video/id_XM TYyODA1Mzc0OA==.html?from=s7.8-1.2&spm=a2h0k.8191393.bodydiv.5!2~5!4~A&source=http%3A%2F%2Fwww.soku.com%2Fm%2Fy%2Fvideo%3Fq%3D%25E8%25A9%25B9%25E5%25A7%2586%25E6%2596%25AF%25E9%259F%25A6%25E4%25BC%25AF

---6.2更--

1. 有几位朋友提到这个东西因为无法量产，所以跟机械制造无关。在下有点头疼。要是人家花600多亿人民币造的是一个占地几十亩的钢铁巨物，是不是一下就觉得其实不必量产也算是机械制造了？我们说的是明珠，不是珠子。

2. 技术分为科学技术和工程技术，前者即科研，后者即应用，我们说的就是它。而在应用领域，越是领先的项目越是风险巨大，原因是制造过程中“技术暗箱”越多，毕竟是在集合众多领域最先进生产力办大事，那么拼的就是项目管理能力了。我非常认同JWST项目在管理中屡屡出现问题，但是，如果它顺利“上岗履职”，那么说明它的制造者从磕磕绊绊中获得了多么宝贵的管理经验？虽然这收获不是我们中华名族的，但作为人类还是感到万分欣慰。

3. 很多朋友在纳闷它既然躲在地球背阳面，那么太阳能电池板有何用？看看视频中它在轨道上那风骚的走位你就明白了。