开普勒空间望远镜专题（上）——开普勒望远镜：从难产到新生
2018年10月30日，美国宇航局（以下简称NASA）宣布，预计工作寿命为3.5年的开普勒空间望远镜因燃料耗尽，在超期服役直至工作了9年7个月零23天后，彻底退役，停止了所有在轨科学探索活动。从此，开普勒空间望远镜在发现了2662颗系外行星之后，带着满满的收获和无尽的好奇心，温和地走入了那个良夜。
立项与制造
开普勒空间望远镜是人类首个专门设计用来在茫茫宇宙搜寻类地系外行星的空间探测器。其质量为1.0524吨，长4.7米，最大直径2.7米。该望远镜是由鲍尔航天集团作为主承包商研制的，在2008年具备交付状态。
鲍尔航天集团，是全球第88大军火集团。美国陆军的单兵50瓦和单兵100瓦战术电源系统就是该集团研制的。F-35战斗机的共形天线，也是鲍尔航天的产品。贝尔公司大名鼎鼎的OH-58D奇奥瓦武装侦察直升机的观测/瞄准系统，也是出自鲍尔航天之手。而屡屡用超高清的对地观测照片引起我们对现代太空技术的赞叹的数字地球公司，实际上是由鲍尔航天、柯达（嗯，就是那个在我们童年时代成为相机和相纸代名词的柯达）还有福克空间这三大集团强强联合诞生的高科技企业。
▲开普勒空间望远镜
不过，整个开普勒项目的立项过程却是很曲折的。这一切，小火箭觉得需要从博鲁茨基这位工程师开始谈起。
博鲁茨基就是在阿波罗时代研究飞船防热系统的工程师。阿波罗计划完成，留下一代传奇。迄今为止，人类留在月球上的物品足足有170吨之多，而人类从月球取回的月壤和月球岩石则有382千克。
而阿波罗计划留给人类的宝贵瞬间，除了阿姆斯特朗踏上那个脚印的时刻之外，还有阿波罗17号的那次回眸。
这张照片如今成为了地球上一家叫做腾讯的企业的一款名为微信的应用程序的登陆画面，似乎在呼唤着人类早日重返月球。
从外太空拍摄的地球的照片，唤醒了很多人的梦想。这其中，就有博鲁茨基。博鲁茨基在阿波罗计划中，表现出色，获得了阿波罗任务成就奖。
随后，在1970年，已经31岁的博鲁茨基并未像大多数工程师那样，凭借年轻时代参与大工程的经历而去混资历，转行政，而是一头扎入了他热爱的行星探索事业。既然地球这颗行星这么美，那么太阳系内甚至太阳系外的行星，是不是也非常漂亮呢？
到1987年，博鲁茨基已经48岁了。按理说，应该是着手准备为退休生活培养一些爱好，去办理钓鱼协会或者房车协会的会员卡的时候了，但是，他在自己的办公室里冒出这样一句话：“我们对太阳系外面的行星，简直是一无所知！”
这下子可不得了。他的一席话，引起了同事间的大范围讨论。讨论的话题集中在两个方面：第一，到底有没有大量的系外行星？或者说，类似太阳系的这种一组行星小兄弟围绕一颗恒星转动的系统，在宇宙中是否是常见的？第二，就算系外行星是存在的，甚至是大量存在的，那么靠什么方法来发现呢？博鲁茨基没有和大家多说，直接就提出了解决方案。他把这个方案的意向报给了NASA的预研部门。
方案还是比较有趣的：用一个空间探测器，凝视数千颗恒星。如果其中有的恒星有它自己的行星系统的话，行星绕到恒星前面（类似金星凌日）的时候，恒星的一部分光就会被挡住，这样恒星的亮度就会出现周期性地变暗。
NASA一开始还是感兴趣的。于是，博鲁茨基得以有机会陈述他的技术基础：他早些年研究过行星的闪电，拥有用光度计来判断星球情况的工程经验。
但是，很多同行还是不能理解他的方案，并且认为，就算理论上可以，工程上也不可行。
博鲁茨基急了，说道：“我早在1967年就已经有闪电和光度计的相关工程经验了，是可行的！”
在众人表示有些懵的时候，老爷子拿出了他的阿波罗奖章，并且讲述了往事。在上世纪60年代，还没有超高速的高清摄影设备。而博鲁茨基是研究阿波罗飞船的防热系统的工程师，他迫切地想知道在高超声速飞行状态下，飞船防热大底的激波是什么样子的。
当他申请经费，要求专门为研究飞船防热系统的激波建造高超声速风洞的时候，一个明确的拒绝回应立刻就回绝了他。原因比较简单，当时美国根本没有建设高超声速风洞的技术条件（实际上，直到今天，真正掌握这门技术的国家也只有美国和中国）。
怎么办？博鲁茨基有办法。这也是为什么他后来被人称作炮弹工程师的原因。博鲁茨基想到，战列舰巨大的16英寸（406毫米）舰炮能够在瞬间赋予1.225吨重的炮弹762米/秒（马赫数2.2418）的速度，这巨大的出口动能能够让1吨多重的炮弹飞行38公里远。这是当时他能够想到的除核武器之外，爆发力最强的试验设备了。
当时是20世纪60年代，距离二战结束还没有太久，有大量的二战舰只甚至还来不及拆解。博鲁茨基通过他在海军的关系，搞到了两门巨大的舰炮。在他精通空气动力学的好友的帮助下， 其中一门舰炮加装了超声速喷嘴，当发射药被点燃，炮声响起的时候，这门炮能够以15倍声速的速度瞬间抛出136千克的空气。另一门舰炮则紧接着开炮，这门炮并不发射空气，而是发射一枚特殊的炮弹。两门炮是头对着头，炮口瞄着炮口的。第二门炮发射的炮弹的头部，就是阿波罗飞船防热大底的气动外形。
这枚炮弹以相对于地面3倍的声 速撕裂迎面而来的快速气流，这样就构建了一个阿波罗飞船模型的18倍声速空气动力学实验条件（炮弹3倍声速 + 迎面气流的15倍声速）。
博鲁茨基在两门大炮的炮口之间，布置了大量光度计。当阿波罗飞船模型快速飞过的时候，伴随着巨响，会有一系列斜激波出现。这些斜激波会改变当地空气的密度，从而使得其透光率发生变化。
就是这样，依靠光度计的测量数值，博鲁茨基间接地了解了高超声速飞行的斜激波的情况。
▲德尔塔2火箭送开普勒望远镜升空
遭拒
博鲁茨基的光度计的方法，用于探测系外行星，理论上是可行的。
当行星转到恒星前面时，恒星的一部分光线就会被挡住，光度计就能够测到一个光度变弱并再次恢复常值的现象。
1992年，博鲁茨基带领团队，兴冲冲地正式向NASA提出了项目申请，想要用这种方法来搜寻系外行星。然而，等来的是拒绝。原因比较直接：NASA太缺钱了，为了保证哈勃空间望远镜的项目能够存活下来，其他所有空间望远镜的项目都被取消了。
▲开普勒望远镜的传感器
▲开普勒望远镜的传感器阵列
奔向太空的NASA的预算比起努力称霸全球的军费预算来说，还是太少了。这个情况，其实至今也没能得到改善。2019财年，NASA的总预算为199亿美元，而美国军费预算为7160亿美元。军费预算是NASA总预算的36倍！
1990年4月24日，哈勃空间望远镜搭乘发现号航天飞机进入太空。但是随即就发现，镜片出了点状况。在1992年，正是航天飞机项目和哈勃空间望远镜在轨维修项目的关键一年，博鲁茨基团队表示理解，愿意为“哈勃”让路。
再拒
后来，哈勃空间望远镜的光学系统得到了非常成功的纠正和升级，已经能够以较为良好的状态工作了。
不过，哈勃空间望远镜是可见光望远镜，擅长直接对恒星发出的光进行观测，而且其凝视观测的范围较小，对于本身不发光的系外行星和同时搜索大范围天区的任务并不擅长。而这，正是博鲁茨基的特长。
1994年，自上次被拒后，苦等了2年的博鲁茨基认为，机会来了。他第二次向NASA提交了申请。他给项目命名：FRESIP。这是“和地球大小相 仿的星系内环行星概率探测”的缩写。
然后，再次遭拒。
事后，大家分析原因，一致认为是这个名称太难记了，评审委员会的那些家伙们可能连名字都想不起来，根本没法提议来赞成。当然，很多人认为博鲁茨基的想法过于科幻，也是部分原因。
三拒
名字，一定要有个好名字，这是博鲁茨基团队第二次被拒之后总结出来的经验。于是，他们花了很大力气，请到了炙手可热的科学家、科普大师、科幻作家卡尔·萨根来给项目起名字。
▲当行星转到恒星前面时，恒星的一部分光线就会被挡住。光度计就能够测到一个光度变弱并再次恢复常值的现象
作为行星联合会创始人的卡尔·萨根对博鲁茨基团队非常支持。他一方面游说NASA拿出一些经费来支持行星探测，另一方面，开始冥思苦想，为项目起个好名字，以便替代那个没人能记住的FRESIP项目。
卡尔·萨根想到了开普勒这个名字。生于1571年的约翰-尼斯·开普勒是德国皇家数学家，同时也是华伦斯坦将军的首席顾问。开普勒基于对天体运行的观测和分析，得出了行星运动三大定律。
在开普勒的墓志铭上，铭刻着这样的句子：原文：Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras Mens coelestis erat, corporis umbra iacet.（曾去量天高，今来测地深。吾魂归上苍，吾体眠此地。）
开普勒对天体物理学和数学有着巨大的贡献，同时他改进的天文望远镜也是与伽利略的那把望远镜可以相提并论的高性能天文观测工具。
好名字！这个名字，一方面预示了项目是和行星探测有关，一方面则是纪念开普勒对行星运行理论和望远镜制造技术的贡献。
但是，在1996年年底，博鲁茨基兴冲冲地向NASA报上项目的时候，又被拒了。这一次，被拒的理由是：用于探测系外行星的CCD传感器技术并不成熟。
四拒
从1987年提出构想，到1992年第一次提交申请被拒，再到1994年第 二次提交申请被拒，然后到1996年第三次提交申请被拒，转眼就到了1997年，整整十年过去了。
开普勒项目有了响亮的名称，却还未迎来锦绣的前程。
行星联合会的创始人卡尔·萨根博士奋力向NASA推荐。他本人有着广泛的民众基础，在他巨大的影响力下，NASA松口了：如果博鲁茨基团队能够在地球上造出一个能够证明确实可以可靠工作的CCD传感器系统的话，一切都有商量的余地。机会难得！博鲁茨基向卡尔·萨根博士表示了衷心地感谢，然后就一头扎进了地面原理样机的研制工作中。
1998年初，博鲁茨基团队的原理样机研制成功！他们建造了一个系统，能够同时对6000颗恒星进行观测，同时具备初步判断该恒星是否有行星环绕的可能性。可惜的是，该系统位于地球表面，难免会受到地球大气活动的影响。
1998年，博鲁茨基团队正式向NASA 递交了第四次申请。然而，还是被拒了。原因：虽然原理样机在地面上能够勉强工作，但是在太空中如果受到各种干扰，还能不能工作可就不知道了。
坚持
1998年，开普勒项目团队到了非常艰难的时候。整个团队租住在利克天文台山顶旧址的小破屋里。这个带有破洞的小圆顶，见证了人类在19世纪对天文学的痴迷，如今则正在见证人类天文学家在20世纪末的窘迫境地。
▲开普勒望远镜在厂房
山顶没有淋浴条件，整个团队要冒着被蛇咬和被美洲狮扑杀的危险，穿过密林小路去山脚的镇子上找个可以洗澡的地方。到2000年，他们终于又证明了开普勒系统对干扰的强大抵抗能力。整个系统设计完备，13年来，他们始终在坚持。
公元2000年1月，NASA给开普勒团队发来一份邮件：你们赢了，来宇航局领钱。
其实，美国宇航局的大大小小的部门，在这个时候，已经悄悄资助了100万美元给开普勒项目了。这些努力的坚持和悄悄支持，就像缓缓飘落的雪花，虽轻柔，但却更能有沁润灵魂的力量。
修成正果
6亿美元，在2002年到账，开普勒空间望远镜开始动工建造。2008年，开普勒空间望远镜达到交付状态，实际耗资6.92亿美元（约47.69亿元人民币）。相较于1990 年的哈勃空间望远镜项目21亿美元的造价（另有后来的8亿美元在轨维护费用），开普勒空间望远镜对于预算的控制是非常好的。
完工后的开普勒望远镜在位于佛罗里达州泰特斯维尔的有效载荷处理中心的超洁净室中，准备进行初步测试。
开普勒空间望远镜计划是美国宇航局正式立项的探索任务，是人类首个系外行星空间望远镜项目。它专门用于探测银河系内的区域，努力去探寻太阳系之外、银河系之内的可供人类居住的行星。
2009年2月21日，工程师们将开普勒空间望远镜放到了德尔塔-II运载火箭的载荷舱内。
而对开普勒项目有所了解的人知道，从1987年博鲁茨基提出概念到此时，整整22年过去了！
博鲁茨基老爷子，已经年入古稀。不知道他当时是否回想起了自己在48岁的时候，在办公室里说出那句：人类 对太阳系外的行星简直一无所知。
这个情况，因为他长达22年的坚持，将会产生根本的改变。
进入发射协调的时候，已经多次推迟发射的开普勒项目，有些等不及了。2009年1月，美国空军主动找到了开普勒团队，告诉他们了一个好消息：原定于2009年3月初发射的美国空军GPS导航卫星（GPS IIR-M-7）准备推迟到月底，让开普勒空间望远镜先打。
原本大伙儿是非常高兴的。当然，后来团队知道了真实原因后，就有些哭笑不得了。原来，美国空军认为德尔塔-II型火箭7925构型的第三级，可能有一些可靠性方面的问题。为了稳妥起见，他们让同样使用7925构型的开普勒空间望远镜先打，看看情况再说。
2009年3月7日，协调世界时03时49分57秒465毫秒，开普勒空间望远镜，从1987年到2009年，历经22年，终于从设想迎来了发射升空的时刻。开普勒空间望远镜，将会为我们揭开一个终极问题的答案提供关键线索。
该文收录于《太空探索》2019年01期
文/小火箭邢强