太空侦查之王：直径20米的“云纹”薄膜卫星
想象力，比科技更重要！（之三）
超级分辨率：厘米
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作者 | 刘进军
本文节选自《卫星与网络》杂志2017年5月刊《想象力，比科技更重要》一文
人类将望远镜送入地球轨道是太空时代最早、最成功的目标之一。“哈勃”、“开普勒”太空望远镜已经彻底改变了天文学。即将发射的“詹姆斯·韦伯”太空望远镜将极有可能获得突破性的天文发现。太空望远镜已经从观测太空和宇宙，发展到观察地球、气象预报和军事侦察。
太空望远镜在很大程度上基于玻璃透镜和望远镜。由于玻璃透镜的局限性，太空望远镜卓越的工作效率为90%。玻璃非常沉重，光学太空望远镜卫星的重量迅速达到了顶点。在地球上，由于望远镜反射镜的重量和大小限制，它们在自身的重量下开始变形；在太空中，它甚至更糟。
于是，美国环球航天技术公司的科学家们设想：是否可以建造一架可折叠塑料透镜的太空望远镜。玻璃透光效率为90%，薄膜透光效率为30～55%。尽管薄膜比玻璃的效率低，但它的大小可以弥补这一缺点。这种太空望远镜，以轻量级聚合物薄膜取代传统光学玻璃，又轻又结实，可以非常巨大，分辨率极高。
几种望远镜的尺寸比较
因为薄膜望远镜可以很大，但重量很轻，并且可以折叠起来。据估计，这种薄膜望远镜的重量大约只有玻璃望远镜的七分之一。科学家们很有信心：有朝一日，这种可折叠塑料透镜的太空望远镜可能会取代传统光学玻璃太空望远镜。
基于这个思路，这家研究航天和国防的公司，构想了一种名为“云纹”的薄膜光学太空望远镜。几个美国政府机构，包括美国国防高级项目研究局、美国宇航局，对这种可用于地球静止轨道实时侦察的新技术非常感兴趣。
2011年，美国国防高级项目研究局赞助1500万美元，希望美国环球航天技术公司能够将这种“云纹”薄膜太空望远镜做到直径20米宽，或比美国宇航局的“詹姆斯·韦伯”太空望远镜大3倍以上。按照这样的设计，当“云纹”薄膜侦察卫星运行在地球静止轨道，将能够覆盖40%的地球表面。
“云纹”薄膜光学成像侦察卫星，又称为薄膜太空望远镜。它采用塑料代替玻璃，衍射而不是反射或折射光线。许多个同心圆蚀刻进塑料薄膜，提供衍射，形成望远镜的效果。“云纹”是一种太空望远镜，也是一个衍射薄膜光学系统，厚度从4微米到几百微米。
“云纹”薄膜侦察卫星的原理
在太空展开后，卫星主体和图像传感器在上面，太空望远镜的薄膜镜片在下面，三根长长的支撑结构架设起太空望远镜。当薄膜镜片展开后，太空望远镜直径达20米，上方的图像传感器聚焦图像。它的分辨率为1米，每秒生成一帧视频或图像，覆盖10×10千米。
“云纹”薄膜成像侦查卫星与太空望远镜
“云纹”薄膜卫星将运行在距地球表面3.6千米的地球静止轨道，提供7天×24小时的可见光图像覆盖，美国国家图像可判读等级（NIIRS）为3.5+，刷新频率至少为1Hz，覆盖面积超过155平方千米。它还可以运用激光通信技术，随时与地球通信，传递侦察情报。
目前，“云纹”薄膜卫星只是一个演示系统，成本预计每颗低于5亿美元。美国国防高级项目研究局对“云纹”薄膜卫星十分着迷，并寄予厚望。“能不能将薄膜太空望远镜造得更大一些？”“能不能让薄膜卫星看得更清楚一点？”“将来的薄膜卫星应当看到子弹在飞！”美国国防高级项目研究局要求美国环球航天技术公司将分辨率提升到几厘米，如同裸眼视觉一样。
“云纹”薄膜卫星将有可能彻底颠覆传统太空望远镜和侦察卫星的模式，非常新颖和拥有创造性，展示了无限美好的前景。这是一颗划时代的卫星，具有里程碑意义。
当问美国环球航天技术公司的科学家们：你们怎么想出这么绝妙的方案的？科学家回答：那种靠抄袭、模仿和偷盗的方法，永远不可能强大。这年头，比的不仅仅是科技，更是智慧！想象力，永远比科技更重要！