【深度】韋伯望遠鏡的前世今生
韋伯望遠鏡的前世今生
文 | 張雪松
本文原載於《衛星與網絡》雜誌2022年1&2月刊
2021年12月25日，備受關注的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡從位於法屬圭亞那的庫魯發射中心，由歐空局（ESA）阿里安5大型火箭順利發射升空。韋伯空間望遠鏡是現役哈勃空間望遠鏡之後的新一代大型空間望遠鏡，它工作在近紅外和中紅外波段，用於觀測最遙遠和最原始的恆星和星系，幫助科學家們尋找宇宙大爆炸初期留下的痕跡，研究星系、恆星和行星形成和演化的奧秘。
從哈勃到韋伯
哈勃空間望遠鏡以美國著名天文學家埃德溫·哈勃命名，是人類第一個大型空間望遠鏡，自1990年升空以來取得了數不勝數的輝煌成就，被譽爲人類天文史最重要的望遠鏡。不過，哈勃望遠鏡上天前後，隨着自適應光學（AdaptiveOptics）技術的發展，地面望遠鏡得以補償大氣湍流或其他因素引起的波前畸變，有效解決了大氣層對地面望遠鏡觀測的干擾。與此同時，空間望遠鏡的研發價格遠高於地面望遠鏡，一直面臨着巨大的預算壓力。
地面大型望遠鏡幾乎可以無視重量和體積的限制，而空間望遠鏡受到諸如運載火箭和航天飛機等發射工具的限制，要在有限的體積和重量下保證高性能，在工程上力求精益求精，自然帶來數倍甚至更多的研發成本。以哈勃空間望遠鏡爲例，在它立項研製時雖然遇到很多技術問題，但最大的困難卻是高昂的預算帶來的壓力。1972年天文學家們提出大型空間望遠鏡概念時，預計只會花3億美元，但這些錢對美國國會來說都顯得不可接受，幾經波折砍掉一半才同意立項，不僅望遠鏡口徑從3米縮小到2.4米，也不得不和ESA合作分擔費用。
1978年美國國會批准了3600萬美元的預算，開始大型空間望遠鏡的設計工作，在1979年的初始設計階段預計這臺空間望遠鏡將耗資2億美元，並於1983年發射升空。與此同時，哈勃望遠鏡在研製中遭遇大量問題，加上1986年挑戰者號航天飛機事故，發射時間也不得不推遲，導致研發進度屢次拖延造成成本迅速上升，等到1990年4月24日發現號航天飛機將其送上太空這一財年，哈勃空間望遠鏡花費的資金已經高達21億美元！
與之相比，2000年投入使用的國際合作的雙子星（Gemini）望遠鏡包括南北半球各一個口徑8.1米的大型地面望遠鏡，整個計劃耗資不過1.87億美元，只有哈勃這臺2.4米口徑空間望遠鏡的零頭。
自適應光學技術的應用，對空間望遠鏡的發展帶來了巨大的衝擊。美國天文學界要推動下一代空間望遠鏡（NGST）的立項，如何證明它的必要性呢？幸運的是，大氣層對天文觀測的影響，不僅是湍流等干擾因素，還有對紅外線等波段的吸收，無論自適應光學等光學技術發展到什麼程度，也不可能在地面無中生有觀測到已經被大氣吸收的紅外線，而紅外波段正是未來天文觀測的重點。
星系紅移
宇宙大爆炸理論已被廣爲接受，但人類對宇宙大爆炸初期發生了什麼，還缺乏充分的觀測證據，哈勃空間望遠鏡工作在紫外、可見光和部分近紅外波段，只能觀測到宇宙大爆炸約5億年後的星體，這還是升空後航天飛機維護時加裝近紅外相機的結果。更早的恆星和星系雖然也發出可見光，但由於宇宙大爆炸後空間膨脹帶來的紅移效應，到今天已經偏移到紅外波段，讓哈勃空間望遠鏡，更不要說地面大型望遠鏡鞭長莫及。
哈勃空間望遠鏡
哈勃空間望遠鏡近紅外相機拍攝的照片，發現星系誕生時間比天文學家預期得要早得多，還發現宇宙正在加速膨脹，這些重大發現愈加顯示了紅外觀測的重要性，讓美國航空航天局（NASA）下定決心研製專注於紅外波段觀測的新一代大型空間望遠鏡，也就是剛剛發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。
儘管NASA相比其他國家的民用航天機構財大氣粗，但投入空間天文的預算仍然是相當有限的。韋伯空間望遠鏡也面臨巨大的預算壓力，立項時簡直是釣魚的典範。20世紀80年代美國學界已經開始討論哈勃空間望遠鏡的後繼者，1989年，通過十年調查提出6米被動冷卻紅外望遠鏡的設想，預測總研發成本20億美元（1990年幣值），和哈勃研發費用基本相當，並計劃2009年發射。1989年在NASA戈達德中心的支持下，空間望遠鏡科學研究所（STScI）就舉辦了研討會，討論哈勃空間望遠鏡的後繼者，提出了8米近紅外空間望遠鏡，甚至月面望遠鏡的構想。
20世紀90年下一代空間望遠鏡（NGST）的討論和研究日益深入，1993年大學天文研究協會（AURA）和NASA聯合舉辦了“哈勃及後繼”委員會，考慮2005年哈勃空間望遠鏡壽命到期後，如何滿足天文學界的需求。委員會提出三項建議：
即使在存在球差的哈勃望遠鏡拍攝的照片，就已經顯示出早期星系團的結構，那麼下一步自然是更好的觀測大爆炸後最早形成的星系。1989年到1994年間，科學界提出的Hi-Z概念是一個傳統概念的4米口徑紅外望遠鏡，它有傳統的圓筒形遮光罩，將發射到近日點1天文單位、遠日點3天文單位的深空中，顯著降低黃道光背景對觀測的干擾。然而，哈勃空間望遠鏡上天后發現球差問題，讓修復“近視”的哈勃望遠鏡成了當務之急，下一代空間望遠鏡的一切想法都只能蟄伏待機。
1993年12月奮進號航天飛機發射執行STS-61任務，成功的對哈勃空間望遠鏡實施了首次維護任務，校正了主鏡存在的球差問題，隨後下一代空間望遠鏡也開始得到更多關注。當時的NASA局長丹尼爾·戈爾丁大力宣傳“更快，更好，更便宜”的發展戰略，他還敦促天文學界大膽創新設計出更廉價的8米口徑（空間）望遠鏡。
戈爾丁指示的挑戰，以及天文學界發現科學目標需要在高紅移下完成，這要求在極低的紅外背景下觀測，或者說軌道需要遠離地球，空間望遠鏡的設計也日益激進。NGST的早期概念比如大型可展開的拼接式反射鏡、金屬鈹爲鏡面材料、日地L2拉格朗日點軌道，以及無外部圓筒形遮光罩的開放式望遠鏡，被動式冷卻和-223°的工作溫度，還有大型多層遮陽板等設計，奠定了今天韋伯空間望遠鏡基本設計的基礎。1996年NGST項目進行可行性論證時，3個競爭團隊分別給出瞭望遠鏡的設計方案：
NASA戈達德中心的8米口徑拼接展開式望遠鏡，使用大型遮陽板，工作在日地L2軌道；TRW公司的望遠鏡同樣使用大型遮陽板，工作在日地L2軌道，使用鉸接式8米口徑主鏡；洛克希德公司的4米口徑單鏡片望遠鏡，工作在3天文單位的橢圓軌道上。
這個階段的研究報告自信地表示，研發下一代空間望遠鏡只需要5億美元預算，全壽命成本也只要9億美元，預計2005年發射升空。這個樂觀預計的前提，是整個望遠鏡包括科學儀器都由一個承包商研發製造。毫無疑問，和報告中很多假設前提一樣，無論從技術還是政治上說，單承包商的想法都是不可能的，換句話說早在1996年大家就知道NGST不止5億美元，但它最終的研發成本將來還是會讓人大跌眼鏡。
NGST進行可行性研究的同時，科學界還進行了大量模擬工作，爲NGST和載荷能力的研發提供了更好的科學依據，這些研究推動了NASA同意資助更多的研究工作，完善NGST所需的各項關鍵技術。NASA和ESA、加拿大航天局（CSA）從1996年開始在NGST項目上開始合作，但正式簽訂協議已經是21世紀的事情了。
NASA對NGST相關技術進行了初步研究，包括輕質鏡片、波前傳感和控制，探測器以及超低溫下的促動器。NGST項目組還權衡瞭望遠鏡方案的配置，比如8米直徑可展開的主鏡、使用宇宙神5火箭發射、日地L2軌道以及大型可展開式的遮陽板。戈爾丁局長“更快，更好，更便宜”的戰略看起來很美，但20世紀90年代末美國廣域紅外望遠鏡，以及兩個火星探測器接連因爲低級錯誤失敗，三次失敗讓NASA不得不謹慎起來，而戰略轉向和更嚴格的品控要求，讓研發成本不可避免地水漲船高，NGST預期研發成本翻倍到10億美元。
2000年NGST項目組表示，由於大口徑主鏡研製進度的問題，下一代望遠鏡的發射要推遲到至少2009年。意識到預算和技術問題後，NGST項目組不得不痛苦的決定，將望遠鏡主鏡縮小到6.5米，但項目預算卻隨着研究深入進一步提高到18億美元。NASA還選定空間望遠鏡科學研究所（STScI）作爲NGST的科學和操作中心，STScl此前已經是哈勃望遠鏡的操作中心，這項決定有助於通過複用哈勃的軟件，降低韋伯望遠鏡的軟件開發開支。2001年NGST望遠鏡兩項關鍵子系統的研製也有進展，NASA選定TRW/Ball宇航公司和洛馬公司角逐望遠鏡研製的主承包商，它還選定噴氣推進實驗室（JPL）負責研發NGST上關鍵的中紅外成像載荷（MIRI）。
2002年初NGST項目從詳細可行性研究（A階段）過渡到定義研究的B階段，戈達德中心通過任務定義審查後，項目將更多地由主承包商負責。2002年6月NASA選擇亞利桑那大學開發NGST上的近紅外相機（NIRCAM），而望遠鏡主承包商也終於水落石出，最終花落TRW公司，它將負責設計和製造望遠鏡主鏡和平臺。與此同時，NASA正式宣佈將下一代空間望遠鏡命名爲詹姆斯·韋伯，詹姆斯·韋伯是NASA的第二任局長，帶領NASA實施了偉大的阿波羅載人登月任務。NASA對詹姆斯·韋伯空間望遠鏡寄予厚望，期待它能帶來空間天文學的革命，可惜物美價廉終歸成了黃粱一夢，這時韋伯空間望遠鏡的預期研製預算已經增長到約20億美元！
預算超支舉步維艱
2002年9月NASA將下一代空間望遠鏡（NGST）命名爲詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，同年12月主承包商TRW公司被諾斯羅普·格魯曼公司收購，成爲諾斯羅普·格魯曼太空技術公司，縮寫恰好就是NGST，但這個緣分並沒有帶來好運，隨後韋伯空間望遠鏡的研製十分艱難，不僅進度屢次拖延更在經費上嚴重超支。
2002年NASA已經選擇了所有的主要合作伙伴，菲爾·薩貝爾豪斯接替伯尼·希裡擔任NASA韋伯望遠鏡的項目經理，領導韋伯望遠鏡項目，韋伯空間望遠鏡項目盡力平衡性能、進度和預算，開始空間望遠鏡詳細規劃設計。2003年韋伯空間望遠鏡項目開始挑選備選的運載火箭，對比當時美國的宇宙神5火箭，歐洲公司的阿里安5火箭性能更佳，它擁有更長的5.4米直徑大型整流罩，同時運載能力要大得多，有利於簡化望遠鏡的主鏡設計。
即使如此，韋伯望遠鏡的主鏡也從36塊拼接鏡片更改爲18塊鏡片，有效面積從TRW原始方案的29.4平方米減少到25平方米，原來整合的NIRCam和導星（Guider）一分爲二，美國提供NIRCam，加拿大提供Guider也就是精細制導傳感器（FGS）。爲了降低技術開發工作量和難度，MIRI的製冷甚至打算用低溫恆溫器（Cryostat）原理的固氫杜瓦。2003年夏天，NIRCAM團隊選擇羅克韋爾技術公司研製近紅外傳感器，NASA最終選定基於金屬鈹的輕質空間反射鏡技術，鈹基反射鏡將由Ball宇航技術公司提供，並在一年內開始生產，NASA還授予諾斯羅普·格魯曼太空技術公司價值8.248億美元的合同研製生產韋伯空間望遠鏡。
韋伯的鏡片
2003年12月韋伯望遠鏡項目通過了任務系統需求審查（SRR），2004年隨着韋伯望遠鏡初始合同的審查，以及望遠鏡成本和NASA預算的成熟，相關任務團隊不得不調整計劃進度和預算，適應2011年8月的發射時間。2004年韋伯望遠鏡進入詳細設計階段，第一批鈹毛胚交付Axsys技術公司進行輕量化加工。2005年2月，NASA和ESA簽訂了使用阿里安5火箭發射韋伯望遠鏡的協議，同年5月所有的20塊鈹鏡片都交付給Axsys技術公司進行切割輕量化。
韋伯望遠鏡使用了大量新技術，研製中出現大量的技術問題，嚴重影響了望遠鏡的進度和預算，比如原來加拿大負責的可調諧濾波器成像儀（TFI）由於技術問題被迫簡化設計，好在超低溫製冷系統重回機械製冷機路線，有助於降低韋伯的發射重量。2005年NASA收到了諾斯羅普·格魯曼公司和NASA科學儀器模塊（ISIM）團隊的最新成本評估，再考慮將來遇到未知技術困難需要的追加預算，韋伯望遠鏡的預期研發成本幾乎翻了一番，達到35億美元。
此外，在軌10年壽命期還要另加10億美元的操作費用，這導致了整個項目的重新規劃和科學評估團隊（SAT）的組建。SAT建議將望遠鏡科學能力列爲優先事項，放寬一些性能要求，還建議簡化主動光學元件的集成和測試，包括取消1.7微米以下波段的觀測模式系統級測試。這些“放水”顯著降低了開發風險和測試成本。根據SAT和獨立項目評估辦公室的審查建議，韋伯望遠鏡重新確定了項目基線，發射日期推遲到不早於2013年6月。
2006年後韋伯望遠鏡的研製形勢似乎否極泰來：1月27日整個項目團隊成功通過了系統設計審查（SDR）；項目經理和獨立審查小組向NASA局長邁克爾·格里芬介紹了韋伯望遠鏡的技術和進度狀態，NIRCAM和MIRI團隊則都在2005年就通過了關鍵設計審查（CDR），諾斯羅普·格魯曼公司測試了主鏡背板的熱穩定性，而Ball宇航公司的測試表明鈹鏡片能承受發射時的振動和噪聲，不至於發生永久變形。
2007年1月韋伯望遠鏡10項關鍵技術的9項通過審查，最後一項MIRI低溫冷卻器也於4月通過審查，這些主要創新技術都達到了TRL6級。2007年春Axsys已經完成了對所有18塊六邊形子鏡片的加工，隨後NASA分別和ESA與CSA正式簽署了韋伯空間望遠鏡研製和運行的諒解備忘錄。韋伯望遠鏡的研發預算前景也相當樂觀，戈達德中心的負責人愛德華·威勒表示自2005年項目重組以來，韋伯望遠鏡完成了每一項技術和預算里程碑，他還表示預計投入使用時韋伯望遠鏡的花費將是目前NASA在哈勃望遠鏡上投入（約70-80億美元）的一半。
另一個佐證是當時韋伯望遠鏡的開發成本和錢德拉望遠鏡開發階段的超支水平大致相當，NASA和諾斯羅普·格魯曼公司成功控制了錢德拉望遠鏡的成本增長，發射時的研發成本和發射前七年預期的成本非常接近，這也意味着如果不出意外，韋伯望遠鏡的研發成本也能控制在目標範圍內。
2008年3月，韋伯望遠鏡項目組成功通過了初步設計評審（PDR）,7月NASA批准項目過渡到實施和測試階段，但此前的論證、設計和製造工作就已經花去了20億美元，而預期的全壽命成本進一步增長到大致50億美元，望遠鏡發射也要推遲到2014年左右。2008年韋伯望遠鏡的第一塊主鏡片通過了精細拋光和低溫測試，完成了主鏡開發的關鍵里程碑。
韋伯望遠鏡的其他部分，如儀器艙在2009年3月通過設計審查，望遠鏡光學部分於2009年10月完成設計評審，遮光板部分則是2010年1月通過設計評審。2010年4月韋伯望遠鏡通過了任務級關鍵設計評審（MCDR），標誌着這臺空間望遠鏡能夠滿足所需的工程和科學要求，只剩下最爲成熟的航天器平臺還沒有進行設計評審。從技術研發上說韋伯空間望遠鏡似乎一片光明，但其中也有雜音，2011年7月由於低溫技術問題，CSA不情願地停止了可調諧濾波器成像儀（TFI）的研製，指標進一步縮水改名爲無縫隙光譜儀（NIRISS）。
韋伯望遠鏡還面臨更棘手的預算問題，由於韋伯項目的超支日益嚴重，迫使NASA不得不東拼西湊從其他項目調撥資金，引發了航天和天文界的廣泛擔憂。2010年《自然》雜誌刊登的一篇文章，毫不客氣地將韋伯望遠鏡稱爲“吞噬天文學的望遠鏡”。美國參議員芭芭拉·米庫爾斯基（BarbaraA.Mikulski）呼籲對韋伯空間望遠鏡項目進行了獨立審查，隨後由噴氣推進實驗室的約翰·卡薩尼領銜成立獨立審查小組。
卡薩尼調查後表示，自2008年韋伯望遠鏡通過NASA的初步設計評審以來，它的研發成本評估額就沒變過。一個如此先進和複雜的空間望遠鏡，它在設計階段和製造階段的預估總成本完全一致，不管你信不信，反正我是不信NASA有這麼強的預算控制能力，顯然卡薩尼也不信。獨立的全面審查小組作出結論：截至2015年9月發射時，韋伯望遠鏡的研發成本最少也將達到65億美元，而NASA自己樂觀的估計是2014年6月發射，望遠鏡全壽命成本50億美元！
韋伯望遠鏡已經佔據了NASA空間天文預算的40%，如果未來5年（2011-2015）額外增加15億美元預算，將對NASA空間天文領域造成毀滅性影響。考慮到無論NASA還是空間天文部分都不可能在短期內大幅增加預算，唯一的解決之道或許只有推遲發射，等待新一年的預算到位，但這不僅會進一步推高項目總成本，而且會讓美國空間天文下一個旗艦項目的開發推遲到2020年以後。面對這樣的預算黑洞，2011年7月6日美國衆議院商業、司法和科學撥款委員會提議取消詹姆斯·韋伯項目，他們從2012財年的NASA預算中砍掉了19億美元，其中1/4正是韋伯望遠鏡的預算。
韋伯望遠鏡具有極爲重要的科學價值，何況它此時已經花了30億美元，並造好了75%的硬件，取消韋伯的計劃也激起了強烈反對，美國天文協會表態支持韋伯望遠鏡，參議員芭芭拉·米庫爾斯基也表示支持，成百上千的天文學家們極力呼籲發動各方力量支持。在強大的公衆輿論壓力下，2011年11月美國國會決定繼續韋伯空間望遠鏡項目，但把完成這個項目的研發預算上限設定爲80億美元，並要求2018年發射。
然而，韋伯望遠鏡的預算災難並沒有結束。韋伯望遠鏡造出來是爲了天文觀測，上天后的觀測使用也需要一大筆錢，以哈勃爲例這臺空間望遠鏡每年正常運行要花費近1億美元。首先是NASA爲韋伯望遠鏡初步申請了5.5年的L2觀測預算，讓全壽命成本達到了88億美元，而韋伯望遠鏡的成本上升，甚至已經逼得NASA不得不從商業載人航天項目調配。
雪上加霜的是，2018年韋伯望遠鏡的遮陽板測試時撕裂，外加螺釘鬆動、接線錯誤和用錯清洗溶劑等失誤，韋伯望遠鏡必須再花一大筆測試費用，發射時間也被迫推遲到2020年。NASA尷尬地表示80億美元真不夠用，2019年美國國會也不得不捏着鼻子又增加了8億美元預算，讓全壽命成本增加到96.6億美元，其中研發成本爲88億美元，8.6億美元爲五年任務的運行費用。
福無雙至禍不單行，2020年的新冠疫情又帶來了新的衝擊，疫情下的封鎖等防控措施造成人手嚴重不足，NASA只能優先保證毅力號火星車的發射任務，韋伯望遠鏡發射被迫推遲到2021年10月底。2020年阿里安5號火箭發射失敗，以及意外的整流罩振動問題，讓韋伯望遠鏡的發射再次推遲，美歐官方後來將發射時間定爲2021年12月18日，隨後還出現箭鏡通信問題和發射場天氣問題，好事多磨的韋伯望遠鏡才終於在12月25日順利發射成功，踏上了飛向日地L2軌道的旅程。
人類工業皇冠上的寶石
韋伯空間望遠鏡由於屢屢延期和超支飽受天文學界和航天愛好者的諷刺，《自然》雜誌上“吞噬天文學的望遠鏡”的指責非常尖銳，而民間愛好者更是形象的稱其爲“鴿王”，意指韋伯望遠鏡不斷延期“放鴿子”，堪稱放鴿子之王。話雖如此，韋伯空間望遠鏡仍然是人類科學和工程上的巔峰之作，是人類精密工業的皇冠上最璀璨的寶石。
韋伯空間望遠鏡設計上用於觀測宇宙大爆炸初期第一批恆星和星系的形成，也就是探索宇宙的“第一縷光”，它只能工作在近紅外和中紅外波段，爲了提供對黯淡天體的觀測能力，口徑和聚光面積比哈勃望遠鏡有了巨大提高，在工程上帶來了巨大的挑戰。韋伯望遠鏡由NASA戈達德中心負責管理，主承包商是傳統軍工巨頭、頂級衛星廠商諾斯羅普·格魯曼公司，分包商Ball宇航公司也是航天光學領域的領頭羊，L3哈里斯公司則是全球最大的軍用電子廠商，毫不誇張地說，它是美國尖端工業舉國之力的果實。
韋伯空間望遠鏡發射質量6161.4千克，不到哈勃望遠鏡的一半，但它的主鏡口徑達到了6.5米，遠大於哈勃主鏡2.4米的口徑。韋伯作爲一個科爾施式望遠鏡，採用三反射光學系統，即使去掉凹面主鏡中央的光瞳，聚光面積也有25.4平方米，是哈勃望遠鏡5.6倍之多。
哈勃望遠鏡設計上沒有特意針對紅外區，而韋伯望遠鏡能觀測到紅移Z=20也就是宇宙大爆炸後1.8億年時的天體，一般認爲第一批星系在z=15也就是大爆炸後2.7億年後誕生，觀測到宇宙大爆炸的餘暉和最早誕生的星系。韋伯望遠鏡超過哈勃望遠鏡數倍的聚光面積，也帶來了更強的暗目標觀測能力，據稱韋伯能觀測到比哈勃看到的最暗天體還要暗100倍的天體。總而言之，韋伯在設計上能看到宇宙黑暗時代的終結，觀測到第一批恆星和星系的誕生和演化，爲我們呈現宇宙“開天闢地”的壯觀場面。
韋伯空間望遠鏡可以分爲包括主鏡在內的光學系統，綜合科學儀器模塊，巨型遮陽板和航天器平臺等部分，除了航天器/衛星平臺的技術相對成熟，其他部分的研製都有巨大的技術和工程難度。
精密的黃金之眼
作爲空間望遠鏡迄今爲止的巔峰之作，韋伯望遠鏡擁有極爲複雜和精密的望遠鏡模塊（OTE），OTE包括主鏡、次鏡和三級反射鏡，還有精細轉向鏡、控制系統以及不可或缺的望遠鏡框架結構。OTE中最明顯的當屬大口徑主反射鏡。地面上由於重力影響，單個大鏡片會發生重力變形，大型望遠鏡上拼接式主反射鏡已經成爲標配，即使是我國研製的口徑4米的郭守敬望遠鏡，也採用了拼接式鏡片和主動光學技術，但空間望遠鏡採用這樣的設計，還是韋伯望遠鏡先拔頭籌。
空間望遠鏡一般尺寸較小，而韋伯望遠鏡最初設計主鏡口徑8米，即使縮水後也有6.5米，比當時乃至現在所有運載火箭的整流罩直徑都大，只能採用可展開的鏡片設計，這就要求必須採用拼接式結構，摺疊起來放進阿里安5火箭的整流罩。韋伯望遠鏡作爲第一臺使用可展開拼接式鏡片和主動光學技術的大型空間望遠鏡，其6.5米口徑主反射鏡由18塊正六邊形的子鏡片組成，每個子鏡片直徑約1.32米（面積1.46平方米）。
韋伯望遠鏡摺疊時被分爲3個部分，中央部分有12塊子鏡片，而兩側的主鏡翼各有3塊子鏡片，發射準備階段和發射時它們被摺疊起來，以適應阿里安5火箭的整流罩，發射入軌後才依次展開。韋伯主鏡完成展開後，將在促動器的作用下外移，使鏡片後面的金屬銷脫鎖，然後纔會精確調整聚焦，這個鏡面調整過程將持續兩個月之久，最終形成一個口徑6.5米、焦距131.4米的大型空間望遠鏡。
韋伯望遠鏡的鏡片加工精度極高，目前報道稱鏡面拋光精度優於10納米，比“牙膏廠”Intel最新CPU的內部線寬還要窄，或者說相當於頭髮絲直徑的萬分之一。很多人可能對韋伯鏡片優於10納米的加工精度歎爲觀止，但這個精度在地面望遠鏡上早已習以爲常，韋伯望遠鏡最大的挑戰是克服發射的振動，並在寒冷的深空保持鏡面精度，實現設計高達0.1角秒的聚焦能力。
韋伯作爲空間望遠鏡，火箭發射的振動僅僅是開門的攔路虎，更大的挑戰在於它的鏡片要在零下223°的超低溫下穩定工作，必須使用熱穩定性好和密度低的材料。NASA曾製造兩個測試鏡對比研究，一個是Ball宇航公司的金屬鈹鏡片，另一個是L3哈里斯公司的微晶玻璃鏡片，權衡性能成本和製造難度等因素後，韋伯項目組選擇了金屬鈹作爲鏡面材料。鈹不僅具有輕質高強度和高剛度的特點，而且熱穩定性和熱導率高，是一種廣泛用於航天工業的稀有金屬，韋伯鏡片材料選擇金屬鈹，輕質高剛度和超低溫下不易變形都是重要原因。
韋伯望遠鏡的鏡片由BrushWellman公司（Materion的子公司）提供，該公司以熔融法制造了18個重約250千克的毛坯，隨後毛坯運到Axsys技術公司進行輕量化處理，切割加工爲21千克的鏡面，然後由Tinsley實驗室進行精細的研磨和拋光，並通過真空氣相沉積法鍍上厚度100納米的金塗層，鍍金是爲了提高反射紅外線的能力，接下來鏡片將由Ball宇航公司進行集成，最後由L3哈里斯公司和戈達德中心將18塊子鏡片組裝爲6.5米的主鏡。韋伯望遠鏡的鏡片還在黃金塗層外噴塗了更薄的二氧化硅，防止柔軟精密的黃金塗層被劃傷，最終組裝完成的韋伯主鏡金光閃閃，被很多人稱爲“黃金眼”，它將通過紅外波段觀測，在時間長河裡逆流而上，看透宇宙大爆炸後黑暗時代如何終結。
作爲一臺使用主動光學技術的望遠鏡，韋伯望遠鏡18塊子鏡片背後，都有一個六爪形的連接，通過6臺移動和轉動促動器調整子鏡的位置和角度，子鏡中心還有一個促動器專門用於調整鏡片的曲率，韋伯主鏡裝有18X7總計126臺促動器，用於精確調整子鏡的位置角度和曲率，讓18塊子鏡構成的凹面主反射鏡精確聚焦，爲了保證韋伯望遠鏡的聚光能力，促動器的調整精度同樣要求優於10納米。主動光學技術通常根據波前傳感器測量到波前變形，相應的控制促動器的壓力，實時監測和抵消鏡面的重力變形，韋伯望遠鏡沒有專用波前傳感器，而是使用基於圖像處理的相位檢索算法重建波前，雖然同樣根據波前變形進行曲率調整。
韋伯望遠鏡運行在遙遠的日地L2軌道上，固然沒有地面望遠鏡的重力變形，但鏡面可能由於低溫或其他因素髮生形變，韋伯正式開始科學觀測後每隔10到14天就將進行一次鏡面調校工作，保證望遠鏡始終擁有最精確的光軸。韋伯的次鏡是一個直徑0.74米的圓形鏡片，它也裝有6個促動器調整姿態，三級反射鏡尺寸更小，是一個不對稱的六邊形鏡片，來自遙遠過去的紅外線經過三次反射後，再通過精細轉向鏡進一步調整提供更穩定的圖像，並反射到綜合科學儀器模塊的4個科學載荷上，進行進一步的科學觀測和處理。
另外，當年哈勃空間望遠鏡發射上天后發現主鏡存在加工球差的問題，不得不給它裝上形同“眼鏡”的校正鏡糾正光軸，而對韋伯望遠鏡來說即使再發生這樣的問題，只要加工誤差不太大，就可以通過主動光學技術自行校正，無須航天員上天修理，這樣的技術進步也是韋伯望遠鏡無需維修也能長期運行的底氣之一。韋伯望遠鏡上應用主動光學的難度，同樣在於在遙遠深空的超低溫環境下的長期穩定工作，畢竟韋伯望遠鏡的設計壽命只有10年，而實際運行時間可能高達20年或更長，這就對主動光學控制系統尤其是機械促動器的可靠性提出了極高的要求。
綜合科學儀器模塊
哈勃望遠鏡可以觀測到0.8微米到2.5微米，覆蓋了一部分近紅外區，但它主要用於觀測0.1到0.8微米的紫外和可見光範圍，而韋伯望遠鏡專注於紅外區觀測，它的綜合科學儀器模塊（ISIM）包括4個科學儀器，分別是近紅外相機（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外成像載荷（MIRI），以及精細制導傳感器、近紅外成像儀和無縫光譜儀（FGS/NIRISS），觀測能力覆蓋了從0.6到28.3微米的可見（紅）光和紅外區。
近紅外相機由亞利桑那大學牽頭開發，和工業界的洛克希德·馬丁公司先進技術中心合作，還有Teledyne技術公司的碲鎘汞（HgCdTe）焦平面紅外傳感器。它工作在37K的超低溫下，觀測波長覆蓋0.6微米到5微米，擁有10塊4百萬（2048*2048）像素的傳感器，其中短波長通道（0.6～2.3微米）是8個具有0.031角秒/像素密度的傳感器，長波長通道（2.4～5.0微米）包含2個0.063角秒/像素密度的傳感器。
近紅外相機同時還兼作波前傳感器，算法處理後提供波前變形數據，供主動光學系統的促動器調整校正。近紅外相機裝有日冕儀，它的視野只有2.2X2.2角分，但角分辨率可以達到0.07角秒，可以通過1萬秒曝光觀測到29等的暗淡星體，它將觀測宇宙中第一批恆星和星系的形成和演化，還能通過日冕儀觀測系外行星，尋找生命的家園。
近紅外光譜儀由歐洲空間局提供，其開發團隊主要由空客公司防禦航天部門負責，德國卡爾·蔡司根據空客公司合同設計製造和測試了它的光學和機械元件，法國里昂高等師範學院也參與了該項目。近紅外光譜儀重量196千克，視野爲3角分X3角分，觀測範圍也是0.6到5微米，它使用兩個400萬像素的碲鎘汞焦平面紅外傳感器，擁有四種觀測模式其中包括多目標光譜測量（MOS）。
作爲多目標光譜儀它能同時測量多達100個目標天體的近紅外光譜，可以觀測到大爆炸後1.5至8億年的黑暗時代，用於對遙遠過去的恆星、星系和類星體進行光譜調查，還能用於調查星系的成分和溫度，是韋伯望遠鏡探索宇宙大爆炸初期黑暗時代和第一縷光的主力傳感器。
中紅外成像載荷的觀測波長覆蓋4.6到28.6微米，包括紅外傳相機和成像光譜儀。中紅外成像載荷是NASA和歐洲國際合作的產物，主要由亞利桑那大學和愛丁堡的英國天文技術中心牽頭負責，由於工作波長更長，它需要在6.2K的超低溫環境中工作，不得不使用專門的氦氣機械製冷機冷卻。中紅外成像載荷除了用於觀測大爆炸後的早期宇宙，它甚至帶有日冕儀，可以專門用於觀測系外行星。
有趣的是中紅外載荷的成像儀爲寬視角設計，爲74X113角秒，而光譜儀視角卻小得多，但它們的紅外傳感器都是1024X1024像素，其中一塊用於成像儀，另外兩個用在光譜儀上。韋伯望遠鏡寬視野的中紅外成像儀能拍攝比哈勃超深場更寬廣的照片，而中紅外波段也將呈現更遠紅移的暗淡星系，呈現宇宙大爆炸初期密佈新生星系的更震撼的畫面。
FGS/NIRISS是加拿大航天局提供的載荷，其中FGS模塊的測量結果不僅用於控制韋伯望遠鏡的姿態尤其是方向，也用於驅動精細轉向鏡實現聚焦成像的穩定。NIRISS模塊由蒙特利爾大學牽頭研製，用於0.8到5微米範圍內進行天體成像和光譜觀測。事實上，雖然被稱爲一個科學載荷，但FGS和NIRISS只是同樣由加拿大航天局提供，並安裝整合到一起，從功能上說它們一個是支持韋伯運行的“基礎設施”，一個是真正的科學儀器，是相互獨立的儀器。NIRISS擁有無縫隙光譜成像和高對比度干涉成像等觀測模式，除了用於觀測宇宙初期的再電離等事件，還能用於研究系外行星。
正如汽車一樣，底盤支撐着發動機和各種部件，綜合科學儀器模塊的4個科學載荷和相關的配套設備，也由綜合科學儀器模塊的飛行結構託舉。飛行結構需要在距離地球150萬公里外的日地L2軌道，承受零下223°以下的超低溫，並保持足夠的強度和剛度，其難度可想而知。NASA戈達德中心爲飛行結構研發了以碳纖維和氰酸酯樹脂複合材料爲核心的系統，這種材料是從無到有全新研製的，而韋伯綜合科學儀器模塊飛行結構更是空前龐大的異形複合結構。地面測試時這個結構通過了26天最嚴苛的考驗，能在比冥王星表面還冷的27K（零下246°）超低溫環境下可靠工作。
最複雜的遮陽板
韋伯望遠鏡爲了探索宇宙中的第一縷光，工作在紅外波段的結果，就是對運行軌道和熱控提出了極高的要求。哈勃望遠鏡在距離地面約560公里的地球低圓軌道上工作，爲了屏蔽地球帶來的光污染干擾，配有長筒形的遮光罩，而韋伯望遠鏡採用開放式的結構，在地球軌道上無法遮擋無處不在的光污染，尤其是作爲十分靈敏的紅外望遠鏡，不要說地球這個巨大的紅外背景，哪怕是太陽系赤道面塵埃散射帶來的黃道光都是需要屏蔽的光污染。韋伯望遠鏡早期概念設計時就特意提到低背景的軌道環境，最終選擇了日地L2暈軌道規避地球紅外輻射和黃道光污染。
韋伯選擇在中近紅外波段觀測，它自身的紅外輻射也成了需要解決的問題。衆所周知，凡是高於絕對零度的物體都在發射紅外線，韋伯望遠鏡本體也不例外，爲了保證中近紅外波段觀測視野的“乾淨”，韋伯必須在極低的溫度下工作。韋伯望遠鏡在距離地球150萬公里的日地L2暈軌道工作，還特意設計了展開後足有網球場大小，具體的說是20.197米長、14.162米寬的大型5層展開式遮陽板，遮陽板展開後位於太陽、地球、月球和望遠鏡主鏡之間，爲光學系統和載荷遮擋來自這些天體的輻射。
韋伯望遠鏡的遮陽板使用杜邦公司20世紀60年代發明的Kapton聚酰亞胺材料，這個網球場大小的遮陽板由5層薄膜組成，每層薄膜都塗有100納米（0.1微米）厚的鋁塗層，靠近太陽一層的兩層還額外增加了25納米（0.025微米）厚的硅塗層，進一步增強對輻射的反射效果，將太陽輻射的影響降低爲原來的百萬分之一。5層遮陽板薄膜中，最靠近太陽一側的薄膜厚度爲0.05毫米（50微米），另外4層厚度爲0.025毫米（25微米），如果你對這些數據沒有概念的話，你只需要知道我們中國人頭髮直徑一般都有80-100微米，換句話說這5層疊起來也只有一根半頭髮那麼粗！再考慮這些遮陽板在地面是摺疊起來的，發射時又要經受阿里安5火箭飛行和分離時的振動，這麼輕薄的遮陽板在太空還要完美地展開，尤其是不能撕裂破開口子，否則整個項目就要前功盡棄，其研發生產和展開難度可想而知。要知道，韋伯望遠鏡研發中的一次重大延期就是2018年遮陽板在地面測試時撕裂，使測試進度至少推遲了一年。
巨型遮陽板是韋伯望遠鏡在深空中維持超低溫環境的最關鍵部分，確保了光學系統維持在低於50K也就是零下223°的超低溫環境中工作。韋伯望遠鏡的遮陽板在地面發射時是摺疊的，收納在主鏡前後的單元化托盤結構（UPSs）上，它本身又極爲輕薄，發射成功後在微重力環境下展開如此巨大的遮陽板，是韋伯望遠鏡研製和部署的一大難關。韋伯望遠鏡展開測試可能出現344個單點故障，其中遮陽板的展開就佔去了70%到75%，遮陽板包括多達139個釋放機構，還有8個展開馬達、70個鉸鏈組件、大約400個滑輪和90根電纜，展開過程就需要一週時間，是韋伯入軌後完成展開的過程中最複雜和困難的操作。
另外，韋伯的中紅外載荷MIRI還需要在低於7K也就是零下266°的超低溫下工作，確切地說是冷卻到6.2K，並保持溫度波動小於0.1K，如果說其他載荷還能通過遮陽板被動式冷卻實現，MIRI就必須使用主動製冷系統了。韋伯望遠鏡項目組在先進製冷機技術研發項目（ACTDP）的多個競爭方案中，選擇了諾斯洛普·格魯曼空間技術（NGST）公司研發的預冷J-T循環的三級脈管制冷機方案，這個重量37千克使用氦-4的製冷機取代了原來的250千克重的固氫杜瓦方案，不僅降低了韋伯望遠鏡主動製冷系統的重量，而且帶來了更長的使用壽命。我們地面上的冰箱，即使有關機和維護，一般也很難堅持20年，而韋伯望遠鏡的這臺機械製冷機要在遙遠的日地L2深空暈軌道上，在6.2K的超低溫環境中，穩定工作20年以上，其技術難度也是可想而知的。
韋伯的展開順序
尾聲
20世紀90年代的工程師們樂觀地表示，下一代空間望遠鏡也就是現在的韋伯望遠鏡使用革命性的可展開拼接式結構，發射重量能降低到數噸級，成本也將只有哈勃望遠鏡的幾分之一。雖然韋伯望遠鏡的超支讓最初的預期成了笑談，但可展開的拼接式主鏡結構是一項難度極大的革命性創新，韋伯望遠鏡花費上百億美元走通了展開拼接式望遠鏡研製過程，也爲人類設計製造更大的望遠鏡鋪平了道路。
目前韋伯望遠鏡正在飛向L2暈軌道並進行復雜的測試，韋伯望遠鏡首席系統工程師MikeMenzel表示，由於阿里安5火箭的入軌精度遠高於預期，韋伯節省了大量軌道修正調整的燃料，目前燃料足夠20年運行的軌道維持開銷。韋伯望遠鏡發射後NASA還表示，將爲韋伯望遠鏡開發在軌維護的航天器。如果不出意外的話，韋伯也將擁有媲美哈勃甚至更長的壽命，這對天文學家是個好消息，但對NASA來說意味着更高的全壽命成本，所謂幸福的煩惱不外如此。韋伯望遠鏡預計今年6月正式“開光”，爲人類提供第一張宇宙大爆炸初期的照片，讓空間天文學進入一個新的時代。
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