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太空望远镜是怎么应对镜片划伤的?

我们先说说哈勃吧。这张图片是 0.5mm 的微流星体(也称为微陨星、微流星或流星尘)撞在哈勃望远镜的太阳能电池板阵列上造成的直径 4mm 的弹坑。

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再远一点看,这样的撞击不止一处。

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NASA/ESA 从太空取回的哈勃太阳能板

撞击很频繁还是很少见?

微流星体和轨道碎片,在 NASA 内部称为 MMOD(Micro-Meteoroid and Orbital Debris),它们对人造卫星等设备的撞击已经不是什么新鲜事儿了。每次对航天飞机等轨道飞行器进行飞行后检查时,都能在外壳上观察到微小的陨坑。甚至在空间站的扶手上都会留下小而锋利的坑。航天飞机 STS-135 任务时带回来一条服役了 8.7 年的只有短短 34.8 厘米长的扶手上,就发现有六个撞击坑。扶手是一个特别敏感的地方。别看这个坑很小,凸起的锋利金属边缘只有 0.3 毫米左右,NASA 研究表明 0.25mm 的唇边足以钩住和撕裂太空服手套的防弹材料制成的外层,从而引发宇航服气体泄露失压的极大危险。例如,宇航员里克·马斯特拉基奥(Rick Mastracchio)在 STS-118 期间就遇到过这样的危险从而匆忙结束了他的 EVA 行走。

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微流星体撞击太空站暴露在太空环境中多年的扶手的特写。可见直径为 1.85 毫米的撞击坑和 0.33 毫米的边缘凸起。by NASA/JSC

借助 1993 年的 SM-1 任务和 2002 年的 SM-3B 任务,哈勃团队从哈勃望远镜拆回了一部分太阳能电池板返回地球以供研究。SM-1 的太阳电池共有 162 处从 3μm 到 3800μm(即 3.8mm)大小的撞击坑,其中有 61 处确认是由微流星体产生的。而 SM-3B 的 111 处损坏中,有 45 处确认是由微流星体产生的。另外有大约 25%的损坏特征无法分辨来源(微流星体或空间碎片)[1]

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Skylab 太空实验室外壳上的一处由 30μm 微流星体撞击出的约 110μm 直径的坑. by NASA

1999 年 12 月的 STS-103 任务期间,宇航员借助电子静止照相机(ESC)拍摄了哈勃外壳的所有可见区域。斯科特·凯利(Scott Kelly)共拍了 99 张照片(200 毫米镜头拍了 50 张,400 毫米镜头 49 张)。NASA 约翰逊航天中心的图像科学和分析小组后来发布了编号为 JSC-29539 的关于 MMOD 对哈勃望远镜的影响的调查评估报告。该报告对拍摄的哈勃照片进行了仔细分析,识别出明显的高速撞击特征共 571 处(200 mm 镜头照片中为 398 处,400 mm 镜头照片中为 173 处)。在 200 mm 镜头拍下的照片中看到最普遍的孔径为 2-3 mm,但是更高分辨率的 400 mm 镜头下,呈现了更多的孔径在 1-2 mm 撞击坑。

确定撞击粒子通量的最重要指标之一就是撞击的密度(每平方米的数量)。在哈勃望远镜上发现的平均冲击密度约为每平方米 45 处,相当于每一个 iPad 那么大面积上就有 1.35 个坑(如果我没算错的话)。这只是从 90 年发射到 99 年末的十年间的累积撞击量。

有了撞击密度还不够,在评估流 MMOD 撞击风险时,最终还得看是否有结构损坏。由于 MMOD 的撞击速度通常高达每秒 10-20 公里(相比之下,子弹也就每秒几百米),因此可以轻易刺穿压力容器,从而导致整个系统甚至整个航天器 / 设备遭到破坏。[2]

这么多 MMOD 都来自哪里?主要来自行星际空间、各大国反卫星试验以及后来的 2009 年的铱 33 撞击事件等。产生的碎片间会经常碰撞,每次碰撞又都会产生新的碎片,然后触发更多碎片碰撞。碎片将越来越多。这种状况被称为:凯斯勒现象(Kessler Syndrome)。

由此可见,MMOD 的撞击,并不是罕见的,而且会越来频繁。

哈勃的镜片划伤怎么办

当年为了减轻发射重量,需要每一处都能轻则轻。镜片也不例外,哈勃使用的是超低膨胀玻璃,为了把重量降至最低,镜片实际上采用的是蜂窝格结构,只有表面和底面各一英寸是厚实的玻璃。但发射上天后才发现,图像相当的模糊,那一年,哈勃成了全球天文界的笑柄。

对图样缺陷的分析显示,问题的根源在主镜的形状被磨错了。镜面边缘太平了一些,与需要的位置差了约 2.2 微米,但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光,不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。

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2.2 微米,对于精密的哈勃望远镜来说,已经是个很大的数量级了。而 MMOD 所能造成的危害远比这个要严重的多。

那哈勃望远镜的镜片岂不是也全是划痕?

很多人一想到望远镜的镜片,脑海中应该是这样的:

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但实际上,哈勃是一种卡塞格林望远镜。它的表面是没有镜片的。

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简单粗暴的说,卡塞格林望远镜就是一个很深的空桶,在桶底有一面抛物面镜做成的主镜,主镜将入射光线反射到主镜中心的双曲线面凸面镜中,再次反射到主镜中央的一个小洞里,起到将像射入目镜(哈勃用的是数字成像元件组)的作用。

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图片来自百度

看下图中蓝色部分,描述的就是哈勃远望镜的光线的路径。

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这种只有多次反射没有折射的光学设计,即避免了佳能索尼尼康拍出来的那种有色散紫边等的折射现象,还能有效的紧缩镜筒的长度,让重量足够轻。封闭的镜筒设计虽然会造成集光量的损失,但镜筒可以更加干净,主镜也能得到保护,免受 MMOD 的直接侵害。

那如果有小型的 MMOD 闯入镜桶中乱反弹 -- 虽然概率很低 -- 那不也会伤害到主镜镜片么?哪怕最后不损伤镜片而是落在主镜片上,总不能派个宇航员去一边哈气一边擦玻璃吧。。。

不过事实上还好,由于主镜是一个凹面镜,灰尘和微粒只会降低成像处的光强,但不影响成像(具体就不展开写了)。如果遇上流星雨,那就直接调转身体,把屁股朝向入射的方向。再不行,哈勃镜桶前还有一个盖子,还可以把眼睛遮起来嘛,就像这样。

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哦,不是这样,重来:

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hubble telescope aperture door

所以,哈勃的镜片划伤而影响成象是极小概率事件。

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JWST 怎么办?

詹姆斯韦伯望远镜,简称 JWST,采用的是和哈勃不一样的形态。

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下方那个银色的相当于网球场的大小的五层盾,非常的轻薄,每个遮阳膜层的厚度比头发还薄(面向太阳第 1 层厚度仅为 0.05 毫米,而其他四层为 0.025 毫米。硅涂层的厚度约为 50 纳米,而铝涂层的厚度约为 100 纳米),主要用来防晒从而保持主体的低温(and 挡光),在 JWST 计划的 10 年任务中,它将受到大量的 MMOD 的攻击。更不要说连主镜片也是暴露在外。。 所以在设计之初,就要求它必须在 400K 至 30K 的极端温度下能长期抵御磨损,拉伸,撕裂和破裂。

位于阿拉巴马州的奥本大学超高速冲击试验场里,科研人员对这个硅涂层 Kapton 薄膜做了大量的 MMOD 冲击试验。最终确定下来的设计中,五层膜每一层的间距要非常精确,甚至还有特殊的接缝和加强条以减少 MMOD 的损坏。其中位于主镜下方的第五层的作用,就是为了尽量防止 MMOD 形成孔洞。

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Kapton 材料样本,显示了 ripstop seaming 接缝加强的样子 by NASA

为了实现足够轻薄的同时又能拉到足够大的面积,Kapton 膜材料是相当坚韧的,但如果一旦撕裂或出现小孔洞,这种韧性反而会让孔在很短的时间内变得更大。因此,在缝合时采用称为“热斑粘合(TSB)”的特殊工艺,让膜不是缝在一起而是融合在一起。此外,每隔大约 6 英尺,就会有一个加强条(类似金工中的加强筋)热粘合到母膜上,从而形成“防撕裂”的网格图案。大量的测试表明,这种方法可以有效的阻止撕裂,并防止其延伸到网格区域之外。因此,即使 MMOD 撞击膜材料后产生孔洞,其损坏的大小也将受到严苛的限制。堵不如疏,既然这些 MMOD 阻挡不了,那就让损坏范围足够小,小到可以接受的范围。

那镜片呢?刚才说了,凹面镜上的划痕不影响成像。其它镜片受到膜的保护也不会受多大影响。其它关于 L2 拉格朗日点的影响,其它答主也有提到,我就略了。

什么时候鸽王 JWST 发射了,我再更吧。

一更:我还是忍不住更新了。。。

有人问我说,太空望远镜到底有没有被 MMOD 严重伤过?

答案是:有的。

2009 年夏天,NASA 在对哈勃太空望远镜广角行星相机 2(WFPC-2)散热器组件进行检查时在热喷涂层中发现了很明显的大面积撞击剥落特征,而在此之前 WFPC-1 散热器的检查中也发现了同样的撞击。

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左图:被 STS-125 航天飞机捕获并停靠在货舱后的哈勃。 右图:博物馆陈列柜中的 WFPC-2 散热器。

WFPC-2 的外表面有一层 100-150μm 厚的原钛酸锌(Zn2TiO4)纳米晶薄膜涂层和一层 YB-71 导热涂层,它们共同让外表面呈现白色,而那些黑色的点点就是在 MMOD 撞击坑上为取样而人为钻的洞,这一片不大的散热器组件上共观察到 677 个冲击特征(小于 300μm 的不计)[3]。如果你在 2010 年左右去过华盛顿的史密森国家航空航天博物馆,你快去翻翻相机里是否拍到过这个展品(可惜我 2016 年去的时候已经撤展了)。

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带有激光瞄准定位辅助装置的取芯装置

根据 NASA 和 ESA 的数据统计,哈勃太空望远镜的每块太阳能电池(面积为 8 平方厘米)在 8.25 年的太空暴露期内的平均受撞击次数达到 12 次。[4]但还好都没有伤到核心元件。如果要举伤到核心元件影响拍摄的话,那不得不提 XMM- 牛顿卫星(是 ESA 的多镜片 X 射线观测望远镜),它的电荷耦合器件(CCD)中的象素点至少有五次被 MMOD 永久撞毁了。[5]算是目前被 MMOD 伤的最深的望远镜了。

最近十年的各国实验室数据表明,0.1 毫米大小的超高速 MMOD 颗粒就能损坏航天器的涂层、箔片或者太阳能电池,毫米大小的超高速粒子就有机率穿透坦克装甲那么厚的金属板[6],大于 1 厘米的 MMOD 碰撞就可能会使正在运行的卫星设备失灵或破裂。而大于 10 厘米的碎片撞击就足以刺穿任何 SiC 保护层并产生大量碎屑云,这些碎屑云随后又会撞击内部结构,除了包辛格效应,还会造成大量的无序分布的微裂纹,并将产生更多的亚毫米大小的碎屑飘荡在望远镜内部,引起间接的干扰或损坏,比如产生碰撞电离等离子体或通过触发预充电表面产生静电放电等。我以前零星看过一些关于航天器的故障报告中,就有因为超高速撞击产生的静电放电(ESD)或电磁干扰 / 电磁脉冲[7]而导致的。

实际上,机械故障和等离子体导致的故障很多时候是共同存在的。超高速撞击会导致被撞击物质的表面变得粗糙,从而撞击坑周围形成许多微观不规则现象。这些微观上的不规则形状可能会显著增加局部的电场强度,然后由于隧道效应而导致电子释放,产生静电放电现象。[8]

如果在望远镜的设计之初没有充分考虑应对 MMOD 的保护,将会导致望远镜传感器和整体性能不可控的下降。外壳的保护层即使被刺穿很小的一个孔洞,也会由于等离子体、气体或者热量的渗透而导致更大的损坏。未来将有像 JWST 一样的更大型的望远镜被发射升空,它们有很多是直接裸露在太空中或仅被很薄的箔片保护,使得它们将不得不面对 MMOD 的频繁撞击。就像欧洲空间局的空间望远镜 GAIA 这样:

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欧洲空间局的空间望远镜 GAIA(盖亚)

二更 多来点儿照片

有人说图太少了。那我就不写字了,来点图吧。

1。太空史上最惨烈的镜片损伤:

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NASA 摄影师比尔·英格尔斯的融化了的佳能相机。是 2018 年 5 月 22 日在加州范登堡空军基地拍摄 SpaceX Falcon 9 火箭升空时被摧毁的。

2.一小片油漆渣的威力

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一小片油漆碎片击中了挑战者号航天飞机 STS-7 舷窗的玻璃。由于 MMOD,平均每次航天飞机执行任务后要更换两个航天飞机窗玻璃。

3.

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哈勃太空望远镜在太空维修之后返回地面的零件。上面箭头标记出许多 MMOD 的撞击。

4。哈勃的碟形天线

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一次 MMOD 撞击完全穿透了哈勃太空望远镜的碟状天线。

5.洞见宇宙的黑暗

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这是 MMOD 射入 SMM 卫星的太阳能板后留下的一个洞

6.还是个洞

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STS-118 奋进号散热器上的创口。 入射孔不到半英寸,而背面的射出孔要大得多

7. 太空活靶子:长时暴露装置(LDEF)

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LDEF 在低地球轨道(LEO)上漂了 5 年多,于 1990 年 1 月被哥伦比亚号航天飞机取回。LDEF 共记录了 2 万多次撞击。 它不仅为 MMOD 的类型提供了重要信息,而且为其轨道分布收集了重要数据。

拉近一点看

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LDEF 其中的一块面板

8.沙漠中的太空残骸

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2001 年 1 月 21 日, 德尔塔 -2 火箭 PAM-D 坠入中东地区。重约 70 公斤的 PAM-D 钛电机外壳,坠落在沙特阿拉伯首都利雅得外约 240 公里的沙漠中。(丁丁历险记既视感)

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