První myšlenky zabývající se využitím kosmického prostoru pro astronomická pozorování pochází již z první poloviny minulého století. Pravděpodobně vůbec jako první se o ní zmínil německý průkopník raketové techniky, matematik a fyzik Hermann Julius Oberth.
Využití kosmické techniky má totiž řadu výhod. Umístěním teleskopu do kosmického prostoru jsou vyloučeny vlivy zemské atmosféry v podobě turbulencí, rozptylu světla v atmosféře, vlivy vodních par, znečištění atmosféry a absorpce některých vlnových délek, jsou anulovány vlivy počasí. Dostáváme tak řadu výhod, například mnohem ostřejší obraz s lepším rozlišením, pozorování v celém rozsahu spektra, možnost pozorovat objekty ve větších vzdálenostech a lépe detekovat různé exotické objekty.
Výstavba kosmického teleskopu byla prohlášena za americký národní projekt již v roce 1962. Ale teprve v roce 1971 se uskutečnila předběžná studie, ve které se počítalo s průměrem primárního zrcadla 3 m. Finanční náročnost projektu však později redukovala průměr zrcadla na 2,4 m a navíc americká NASA přizvala ke spolupráci i Evropskou kosmickou agenturou (ESA). Původní plán počítal, že HST bude vypuštěn již v roce 1983. Technické problémy však způsobily, že byl start přesunut až na srpen roku 1986. Nikdo však nepočítal s tím, že 28. 1. 1986 dojde k ohromné katastrofě v podobě exploze raketoplánu Challenger. Lety raketoplánů byly do vyšetření příčin havárie zrušeny, a tak start HST musel být odložen až na rok 1990.
HST byl do té doby skladován v klimatizované komoře, v naprosto čistém sterilním prostředí, s kontrolovanou teplou vlhkostí a prouděním vzduchu. Technici nosili speciální oděvy a obuv. Filtrovaný vzduch byl asi 1 000 × čistší než v optických laboratořích, neboť prachová mikroskopická zrnka by zabránila pozorování velmi slabých objektů. To ovšem celý projekt ještě prodražilo.
Finanční nároky byly mnohem větší, než se původně počítalo a brzdily realizaci projektu. V počátku stavby, v roce 1977, uvolnil Kongres USA celkem 300 miliónů dolarů na realizaci projektu. Ukázalo se, že tato částka stačit nebude, že celý projekt je silně podhodnocen. Nové odhady na realizaci byly vyšší a dosáhly 580 miliónů dolarů. Konečná částka však byla ještě mnohem vyšší a nakonec náklady vystoupaly až na 1,5 miliardy dolarů. Jen skladování teleskopu v bezprašném klimatizovaném prostředí totiž přišlo asi na 250 miliónů dolarů.
Ke startu na oběžnou dráhu došlo až v roce 1990. Raketoplán Discovery se vzácným nákladem odstartoval 24. dubna 1990. Mise, při níž byl HST vypuštěn do kosmického prostoru, nesla označení STS 31. Teleskop po vypuštění z nákladového prostoru raketoplánu začal obíhat Zemi rychlostí 28 000 km/h. Oběžná dráha se nacházela ve výšce 614 km, a měla sklon 28,5°. Doba oběhu dosahovala 97 min.
HST není žádný drobeček. Jeho celková délka je 13,1 m, maximální průměr tubusu až 4,3 m. Hmotnost dosahuje 11 600 kg.
Tvar dalekohledu vytváří dva do sebe vložené válce s rozdílným průměrem a se dvěma páry slunečních panelů. Užší válec tvoří tubus dalekohledu. V přední vstupní části je válec otevíratelný, neboť je opatřen krytem. Tubus je vyroben z uhlíkatého laminátu s malou roztažností. Při změně teploty o 140 °C se změní délka o pouhých 0,3 mm.
Kratší válec s větším průměrem tvoří služební úsek, ve kterém je umístěna přístrojová část. Nalezneme zde soustavu pro řízení a přesné zaměření. Jsou zde také umístěny moduly různých přístrojů, kamer apod.
Optický systém dalekohledu je umístěn v tubusu. Obsahuje primární zrcadlo o průměru 2,4 m a hmotnosti 282 kg, sekundární zrcadlo s průměrem 0,34 m a hmotností 12,3 kg, centrální clonu, clonu sekundárního zrcadla a hlavní clonu. Opticky se jedná o Ritchey – Chréteinovu konfiguraci Cassegrainova dalekohledu obsahující dvě hyperbolická zrcadla, konvexní a konkávní. Délka optického systému dosahuje asi 6 m, ohnisková vzdálenost v základní konfiguraci 57,6 m.
Konstrukce primárního zrcadla byla velmi promyšlená. Do návrhu musely být zahrnuty nejrůznější vlivy. Jednalo se například o změny teplot, ke kterým dochází mezi osvětlenou a zastíněnou stranou Země. Tyto změny se pohybují o desítky stupňů. Dále na zrcadlo během oběhu působí vlivy gravitačního pole Země, čímž dochází k deformacím jeho plochy. Dalším problémem je mechanické uchycení zrcadel, které musí zabránit otřesům a vibracím, ale přitom nebude bránit vzájemným posunům a náklonům sekundárního členu. Muselo se také počítat s tím, že zrcadlo bude mít rozdílné typy odrazivého povrchu, aby bylo umožněno pozorování ve viditelné i ultrafialové oblasti, což bylo řešeno kompromisním způsobem, nanesením různých chemických vrstev. Také maximální odchylka od požadovaného tvaru optické plochy byla přímo neuvěřitelná, pouhých 0,000 025 mm.
Jen konstrukce speciálního brousícího stroje si vyžádala tři roky. Samotné broušení primárního zrcadla trvalo asi půl roku. Příprava speciální vakuové komory pro napaření vrstev necelý jeden rok. Paradoxně zkušební napaření zrcadla bylo hotové už za 10 sekund.
Kromě optického systému má HST také další systémy. Jedním z nich je napájecí, který zajišťuje dodávku elektrické energie pro přístrojový úsek. Elektrickou energii dodávají dva otáčivé panely slunečních baterií umístěné na obvodové válcové stěně dalekohledu. Panely napájí akumulátory. Výkon panelů se pohybuje kolem 5 000 W.
V přístrojovém (služebním) úseku se nachází několik vědeckých přístrojů. Jedná se například o širokoúhlou a planetární kameru, dále o kameru pro záznam velmi slabých objektů, infračervenou kameru pro blízký IR obor, spektrograf s vysokým rozlišením a spektrograf pro slabé objekty, vysokorychlostní fotometr s vysokým časovým rozlišením, systém přesné pointace pro astrometrická měření a další. Počet a složení přístrojů ve služebním úseku se časem poměrně výrazně měnil. Staré nebo nefunkční přístroje byly během jednotlivých misí nahrazovány modernějšími přístroji.
Dalekohled má také systém řízení. Ten má za úkol nejen dávat povely pro pohyb dalekohledu, ale i přijímat data z řídicích a kontrolních středisek a naopak zajistit předání napozorovaných dat. A není jich zrovna málo, až 10 GB dat denně. Systém také zajišťuje bezpečnost dalekohledu. S daty také pracuje telemetrický systém. Ten je vybaven dvěma směrovatelnými parabolickými anténami.
Zajímavý je i systém pohybu a stabilizace. Ten je řešen rozdílně od družic, které pro změnu pohybu používají malé orientační motorky s chemickou náplní. Tento způsob však u HST nešel použít, neboť hrozila kontaminace optických prvků spalinami z raketových trysek. To by mohlo například zapříčinit zkreslení spekter měřených objektů. Proto pohyb teleskopu a stabilizace závisí na elektronicky aktivovaných setrvačnících. Ty jsou schopny přenést moment setrvačnosti na těleso dalekohledu. Změna polohy HTS je tedy provedena změnou rychlosti otáčení setrvačníků. Systém silových setrvačníků je napojen na systém hvězdné orientace. Přesnost navedení dosahuje 0,007“. Kontrola pozice se provádí přes hlavy hvězdných hledáčků. Další kontrola je přes detektory přesné pointace. Při ní se porovnávají obrazy hvězd s vypočítanými polohami referenčních hvězd speciálního katalogu.
Během pohybu po oběžné dráze má HST pro danou oblast stanoven pracovní režim. Nejprve probíhá příprava pozorování s nastavením na referenční hvězdy. Po ní je vlastní pozorovací fáze. Ta se realizuje samozřejmě na noční straně Země. Při ní je možné objekty sledovat nepřetržitě maximálně po dobu 45 minut. Po této fázi dochází ke kalibraci. Následuje odklonění teleskopu, neboť se přístroj dostává nad osvětlenou polokouli. Poslední fází je zablokování detektorů (zakázaná oblast). Pak se celý cyklus opakuje.
HST má některá technická omezení. Jak už bylo naznačeno, může objekt sledovat maximálně 45 minut. Déle to možné není. Ale jsou tu i další omezení pozorování. Dostane-li se osvětlený okraj Země na 20° a méně od požadovaného směru pozorování, nelze pozorovat. Okraj neosvětlené části Země nesmí být blíže jak 5°. Jasné objekty jako je Slunce, Měsíc a některé jasné hvězdy nesmí až na výjimky přijít do zorného pole. HST se odklání od Slunce minimálně o 50°, od Měsíce minimálně o 30°.
Pozorovací program musí být promyšlen a optimalizován, aby nedocházelo ke zbytečnému pohybu dalekohledu. Jednak zbytečné pohyby jsou energeticky nevýhodné a ani rychlost otáčení není velká. Dosahuje jedné otáčky za jednu hodinu. Z energetických důvodů se také vypínají nepotřebné přístroje. Je také nutné počítat s tím, že před použitím je zapotřebí přístroje temperovat s předstihem 12 hodin. V případě nepředvídané poruchy se vstupní otvor tubusu teleskopu uzavře krytem. Navíc dojde k odklonění vědeckých přístrojů z ohniskové roviny.
Řízení a kontrolu HST provádí celkem tři instituce. Dvě jsou v USA a jedna v Evropě, v Německu. Všechna pozorování HST musí být přesně naplánována a provádí se automaticky. Nastavení cílů, činnost přístrojů a telemetrické údaje jsou zaznamenány a odeslány do řídícího střediska. Data z HST jdou na komunikační družice TDRS (Tracking and Data Relay Satellite) umístěné na geostacionární dráze ve výšce 35 900 km. Jedna je umístěna nad Atlantikem (TDRS východ), druhá nad Pacifikem (TDRS západ). Z družice jdou data přenesena do základní pozemní stanice (ve White Sands v Novém Mexiku). Odtud do Goddardova střediska prostřednictvím satelitu DOMSAT. Dále pozemními linkami do Institutu.
Po vypuštění HST na oběžnou dráhu se během testování zjistilo několik závad. Jednou z nich bylo kmitání konstrukce dalekohledu. K tomu docházelo v pravidelných intervalech a způsobovalo, že bodový zdroj v ohniskové rovině (například slabá hvězda) se roztáhl až na 6 úhlových vteřin. Jak se později zjistilo, zdrojem kmitání byly panely slunečních baterií. K jejich rozkmitání docházelo při změnách teploty během přechodu dalekohledu ze světla do stínu. Tlak záření a teplotní změny vyvolaly pnutí materiálu a tím i kmity. Závadu se podařilo odstranit programovým řešením v dubnu 1991. Další problémem byla chyba v katalogu pozičních hvězd. Během pozorování se nedařilo správně vygenerovat hvězdné pole v blízkosti požadovaného objektu. Příčina byla chyba znaménkové konvence v jednom z použitých vzorců pro výpočet. Chyba nalezena a opravena. Nejhorší ale byla třetí závada. V průběhu technologických zkoušek a prvního snímkování oblohy 20. 5. 1990 nešlo přesně doostřit obraz. Citlivost sice byla na předpokládané úrovni, ale obraz zůstal rozostřen. Zaostřit se nedařilo posunem ani náklonem sekundárního zrcadla. Po další prověrce se zjistilo, že optická část teleskopu vykazuje optickou vadu, sférickou aberaci. Ukázalo se, že primární zrcadlo je podleštěno o 4 mm. Kombinací chyby primárního a sekundárního zrcadla vznikl rozdíl ohniskových vzdáleností okrajového a středového paprsku o 38 mm! Tuto závadu nebylo možné odstranit. Teprve během první servisní mise byla nainstalována korekční optika, která tuto závadu potlačila.
Každé složité zařízení, a tím HST bezesporu je, vyžaduje určitou údržbu. A tak bylo uskutečněno několik servisních misí pomocí amerických raketoplánů.
K první servisní misi (servisní mise 1) došlo v prosinci 1993. V rámci mise STS 61 letu raketoplánu Endeavour byla provedena první kosmická údržba. Byla instalována korekční deska COSTAR (odstranění sférické aberace), došlo k výměně širokoúhlé planetární kamery za lepší kameru s větší rozlišovací schopností a také k výměně panelů slunečních baterií.
Druhá servisní mise (servisní mise 2) se uskutečnila v únoru 1997. Tentokrát se jednalo o let STS 82 raketoplánu Discovery. Opět došlo k výměně některých přístrojů: spektrografu FOS, IR kamery, spektrografu STIS, demontáži a výměně spektrografu GHRS, instalaci spektrografu NICMOS. Bylo také nutné vyměnit jeden ze čtyř stabilizačních setrvačníků. Zároveň byla instalována nová ochranná pokrývka na citlivé materiály HST.
Třetí mise byla předčasná (servisní mise 3A). Proběhla již v prosinci 1999. Opět se jí zúčastnil raketoplán Discovery během letu STS 103. Hlavním důvodem bylo mechanické selhání několika gyroskopů, takže došlo k instalaci tří náhradních jednotek gyroskopů RSU – Rate Sensing Unit, které obsahují po dvou gyroskopech RSG (Rate Sensor Gyro). Dále byl kromě jiného nainstalován modernější řídící počítač, nová nabíjecí elektronika a vysílač.
Raketoplán Discovery se zúčastnil i čtvrté servisní mise (servisní mise 3B) v březnu 2002. Tentokrát se jednalo o let STS 109. Kromě běžné údržby HST došlo opět k výměně obou solárních panelů. Dále proběhla výměna řídicí energetické jednotky PCU (Power Control Unit). Došlo i k demontáži a výměně kamery FOC (Faint Object Camera) a k montáži kamery ACS (Advanced Camera for Surveys). Také byl doplněn chladicí systém NCS (NICMOS Cooling System).
Další tragédie přišla 1. 2. 2003. Během vstupu do atmosféry došlo ke zničení raketoplánu Columbia. Po vyšetření příčin havárie vydala NASA z bezpečnostních důvodů některá opatření. Jedním z nich bylo, že raketoplány smí létat pouze k Mezinárodní kosmické stanici (ISS). V roce 2004 došlo ke zrušení servisních misí k HST, což mělo za následek postupné zhoršení technického stavu kosmického dalekohledu až na kritickou mez.
Nicméně nátlak veřejnosti donutil kosmickou agenturu NASA připravit pátou a zároveň poslední servisní misi (servisní mise 4). Ta se po několika odkladech nakonec uskutečnila v květnu 2009 pomocí raketoplánu Atlantis, během letu s označením STS 125. Z bezpečnostních důvodů byl na startovní rampě připraven i záložní raketoplán, což se historicky stalo poprvé. Během páté mise HST prodělal generální opravu. Muselo být provedeno celkem pět náročných výstupů do volného kosmického prostoru. Na HST bylo mimo jiné přiděláno speciální zařízení pro konečný návrat do atmosféry, až bude jednou činnost HST definitivně ukončena. Posledním člověkem, který se dotkl tohoto přístroje, byl astronaut Andrew Feustel, který s sebou pro tuto misi vzal do vesmíru i Nerudovy Písně kosmické.
Přes vynaložené vskutku astronomické finanční prostředky na pořízení a provozování vesmírného dalekohledu je jisté, že HST měl a stále má ohromný dopad na jednotlivé astronomické obory. Výsledky získané pozorováním z tohoto pozoruhodného přístroje znamenaly ohromný kvalitativní pokrok v astronomii. HST přinesl celou řadu zajímavých a někdy zcela zásadních informací a významně se tak zasloužil nejen o rozšíření znalostí o vesmíru, ale i o jeho popularizaci mezi veřejností. HST se tak ve své době stal nejdůležitějším teleskopem v historii astronomie. Tím, že je umístěn mimo zemskou atmosféru, umožnil pořízení velmi ostrých snímků vesmírných objektů blízkého i vzdáleného vesmíru. Nádhernými zveřejněnými snímky včetně pohledu do raného stádia života vesmíru, si vydobyl respekt a po celém světě získal ohromné množství příznivců i mimo astronomickou komunitu.
HST již čtvrt století obíhá kolem Země a přináší výsledky. Přístroj je však starší a je jasné, že jeho činnost bude muset být časem ukončena. Přestože jeho výsledky budou v budoucnu zřejmě překonány modernějšími a výkonnějšími přístroji, bude symbolem neobyčejného pokroku.
