太空偵查之王：直徑20米的「雲紋」薄膜衛星

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想像力，比科技更重要！（之三）

超級解析度：厘米

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作者 | 劉進軍

本文節選自《衛星與網路》雜誌2017年5月刊《想像力，比科技更重要》一文

人類將望遠鏡送入地球軌道是太空時代最早、最成功的目標之一。「哈勃」、「開普勒」太空望遠鏡已經徹底改變了天文學。即將發射的「詹姆斯·韋伯」太空望遠鏡將極有可能獲得突破性的天文發現。太空望遠鏡已經從觀測太空和宇宙，發展到觀察地球、氣象預報和軍事偵察。

太空望遠鏡在很大程度上基於玻璃透鏡和望遠鏡。由於玻璃透鏡的局限性，太空望遠鏡卓越的工作效率為90%。玻璃非常沉重，光學太空望遠鏡衛星的重量迅速達到了頂點。在地球上，由於望遠鏡反射鏡的重量和大小限制，它們在自身的重量下開始變形；在太空中，它甚至更糟。

於是，美國環球航天技術公司的科學家們設想：是否可以建造一架可摺疊塑料透鏡的太空望遠鏡。玻璃透光效率為90%，薄膜透光效率為30～55%。儘管薄膜比玻璃的效率低，但它的大小可以彌補這一缺點。這種太空望遠鏡，以輕量級聚合物薄膜取代傳統光學玻璃，又輕又結實，可以非常巨大，解析度極高。

幾種望遠鏡的尺寸比較

因為薄膜望遠鏡可以很大，但重量很輕，並且可以摺疊起來。據估計，這種薄膜望遠鏡的重量大約只有玻璃望遠鏡的七分之一。科學家們很有信心：有朝一日，這種可摺疊塑料透鏡的太空望遠鏡可能會取代傳統光學玻璃太空望遠鏡。

基於這個思路，這家研究航天和國防的公司，構想了一種名為「雲紋」的薄膜光學太空望遠鏡。幾個美國政府機構，包括美國國防高級項目研究局、美國宇航局，對這種可用於地球靜止軌道實時偵察的新技術非常感興趣。

2011年，美國國防高級項目研究局贊助1500萬美元，希望美國環球航天技術公司能夠將這種「雲紋」薄膜太空望遠鏡做到直徑20米寬，或比美國宇航局的「詹姆斯·韋伯」太空望遠鏡大3倍以上。按照這樣的設計，當「雲紋」薄膜偵察衛星運行在地球靜止軌道，將能夠覆蓋40%的地球表面。

「雲紋」薄膜光學成像偵察衛星，又稱為薄膜太空望遠鏡。它採用塑料代替玻璃，衍射而不是反射或折射光線。許多個同心圓蝕刻進塑料薄膜，提供衍射，形成望遠鏡的效果。「雲紋」是一種太空望遠鏡，也是一個衍射薄膜光學系統，厚度從4微米到幾百微米。

「雲紋」薄膜偵察衛星的原理

在太空展開後，衛星主體和圖像感測器在上面，太空望遠鏡的薄膜鏡片在下面，三根長長的支撐結構架設起太空望遠鏡。當薄膜鏡片展開後，太空望遠鏡直徑達20米，上方的圖像感測器聚焦圖像。它的解析度為1米，每秒生成一幀視頻或圖像，覆蓋10×10千米。

「雲紋」薄膜成像偵查衛星與太空望遠鏡

「雲紋」薄膜衛星將運行在距地球表面3.6千米的地球靜止軌道，提供7天×24小時的可見光圖像覆蓋，美國國家圖像可判讀等級（NIIRS）為3.5+，刷新頻率至少為1Hz，覆蓋面積超過155平方千米。它還可以運用激光通信技術，隨時與地球通信，傳遞偵察情報。

「雲紋」具有體積更大、成本更低、重量更輕，穩定性高、動力學性能好，移動目標快速探測、戰術地理定位精度高，圖像解析度高、視頻圖像穩定，近實時傳輸、傳輸保密，向作戰人員提供持續、實時的戰術視頻，如有必要可增加光譜帶寬等特點。

目前，「雲紋」薄膜衛星只是一個演示系統，成本預計每顆低於5億美元。美國國防高級項目研究局對「雲紋」薄膜衛星十分著迷，並寄予厚望。「能不能將薄膜太空望遠鏡造得更大一些？」「能不能讓薄膜衛星看得更清楚一點？」「將來的薄膜衛星應當看到子彈在飛！」美國國防高級項目研究局要求美國環球航天技術公司將解析度提升到幾厘米，如同裸眼視覺一樣。

「雲紋」薄膜衛星將有可能徹底顛覆傳統太空望遠鏡和偵察衛星的模式，非常新穎和擁有創造性，展示了無限美好的前景。這是一顆劃時代的衛星，具有里程碑意義。

當問美國環球航天技術公司的科學家們：你們怎麼想出這麼絕妙的方案的？科學家回答：那種靠抄襲、模仿和偷盜的方法，永遠不可能強大。這年頭，比的不僅僅是科技，更是智慧！想像力，永遠比科技更重要！

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負責人：農燕

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編輯：楊艷、朝暉、林紫、娜娜

設計：鄭慧

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