太空望遠鏡是怎麼應對鏡片劃傷的？

我們先說說哈勃吧。這張圖片是0.5mm的微流星體（也稱為微隕星、微流星或流星塵）撞在哈勃望遠鏡的太陽能電池板陣列上造成的直徑4mm的彈坑。

再遠一點看，這樣的撞擊不止一處。

NASA/ESA從太空取回的哈勃太陽能板

撞擊很頻繁還是很少見？

微流星體和軌道碎片，在NASA內部稱為MMOD（Micro-Meteoroid and Orbital Debris），它們對人造衛星等設備的撞擊已經不是什麼新鮮事兒了。每次對太空梭等軌道飛行器進行飛行後檢查時，都能在外殼上觀察到微小的隕坑。甚至在空間站的扶手上都會留下小而鋒利的坑。太空梭STS-135任務時帶回來一條服役了8.7年的只有短短34.8釐米長的扶手上，就發現有六個撞擊坑。扶手是一個特別敏感的地方。別看這個坑很小，凸起的鋒利金屬邊緣只有0.3毫米左右，NASA研究表明0.25mm的唇邊足以鉤住和撕裂太空服手套的防彈材料製成的外層，從而引發太空衣氣體洩露失壓的極大危險。例如，太空人裡克·馬斯特拉基奧（Rick Mastracchio）在STS-118期間就遇到過這樣的危險從而匆忙結束了他的EVA行走。

微流星體撞擊太空站暴露在太空環境中多年的扶手的特寫。可見直徑為1.85毫米的撞擊坑和0.33毫米的邊緣凸起。by NASA/JSC

藉助1993年的SM-1任務和2002年的SM-3B任務，哈勃團隊從哈勃望遠鏡拆回了一部分太陽能電池板返回地球以供研究。SM-1的太陽電池共有162處從3μm到3800μm（即3.8mm）大小的撞擊坑，其中有61處確認是由微流星體產生的。而SM-3B的111處損壞中，有45處確認是由微流星體產生的。另外有大約25％的損壞特徵無法分辨來源（微流星體或空間碎片）[1]

Skylab太空實驗室外殼上的一處由30μm微流星體撞擊出的約110μm直徑的坑. by NASA

1999年12月的STS-103任務期間，太空人藉助電子靜止照相機（ESC）拍攝了哈勃外殼的所有可見區域。斯科特·凱利（Scott Kelly）共拍了99張照片（200毫米鏡頭拍了50張，400毫米鏡頭49張）。NASA詹森航天中心的圖像科學和分析小組後來發布了編號為JSC-29539的關於MMOD對哈勃望遠鏡的影響的調查評估報告。該報告對拍攝的哈勃照片進行了仔細分析，識別出明顯的高速撞擊特徵共571處（200 mm鏡頭照片中為398處，400 mm鏡頭照片中為173處）。在200 mm鏡頭拍下的照片中看到最普遍的孔徑為2-3 mm，但是更高解析度的400 mm鏡頭下，呈現了更多的孔徑在1-2 mm撞擊坑。

確定撞擊粒子通量的最重要指標之一就是撞擊的密度（每平方米的數量）。在哈勃望遠鏡上發現的平均衝擊密度約為每平方米45處，相當於每一個iPad那麼大面積上就有1.35個坑（如果我沒算錯的話）。這只是從90年發射到99年末的十年間的累積撞擊量。

有了撞擊密度還不夠，在評估流MMOD撞擊風險時，最終還得看是否有結構損壞。由於MMOD的撞擊速度通常高達每秒10-20公裡（相比之下，子彈也就每秒幾百米），因此可以輕易刺穿壓力容器，從而導致整個系統甚至整個太空飛行器/設備遭到破壞。[2]

這麼多MMOD都來自哪裡？主要來自行星際空間、各大國反衛星試驗以及後來的2009年的銥33撞擊事件等。產生的碎片間會經常碰撞，每次碰撞又都會產生新的碎片，然後觸發更多碎片碰撞。碎片將越來越多。這種狀況被稱為：凱斯勒現象（Kessler Syndrome）。

由此可見，MMOD的撞擊，並不是罕見的，而且會越來頻繁。

哈勃的鏡片劃傷怎麼辦

當年為了減輕發射重量，需要每一處都能輕則輕。鏡片也不例外，哈勃使用的是超低膨脹玻璃，為了把重量降至最低，鏡片實際上採用的是蜂窩格結構，只有表面和底面各一英寸是厚實的玻璃。但發射上天后才發現，圖像相當的模糊，那一年，哈勃成了全球天文界的笑柄。
對圖樣缺陷的分析顯示，問題的根源在主鏡的形狀被磨錯了。鏡面邊緣太平了一些，與需要的位置差了約2.2微米，但這個差別造成的是災難性的、嚴重的球面像差。來自鏡面邊緣的反射光，不能聚集在與中央的反射光相同的焦點上。

2.2微米，對於精密的哈勃望遠鏡來說，已經是個很大的數量級了。而MMOD所能造成的危害遠比這個要嚴重的多。

那哈勃望遠鏡的鏡片豈不是也全是劃痕？

很多人一想到望遠鏡的鏡片，腦海中應該是這樣的：

但實際上，哈勃是一種卡塞格林望遠鏡。它的表面是沒有鏡片的。

簡單粗暴的說，卡塞格林望遠鏡就是一個很深的空桶，在桶底有一面拋物面鏡做成的主鏡，主鏡將入射光線反射到主鏡中心的雙曲線面凸面鏡中，再次反射到主鏡中央的一個小洞裡，起到將像射入目鏡（哈勃用的是數字成像元件組）的作用。

圖片來自百度

看下圖中藍色部分，描述的就是哈勃遠望鏡的光線的路徑。

這種只有多次反射沒有折射的光學設計，即避免了佳能索尼尼康拍出來的那種有色散紫邊等的折射現象，還能有效的緊縮鏡筒的長度，讓重量足夠輕。封閉的鏡筒設計雖然會造成集光量的損失，但鏡筒可以更加乾淨，主鏡也能得到保護，免受MMOD的直接侵害。

那如果有小型的MMOD闖入鏡桶中亂反彈--雖然概率很低--那不也會傷害到主鏡鏡片麼？哪怕最後不損傷鏡片而是落在主鏡片上，總不能派個太空人去一邊哈氣一邊擦玻璃吧。。。

不過事實上還好，由於主鏡是一個凹面鏡，灰塵和微粒只會降低成像處的光強，但不影響成像（具體就不展開寫了）。如果遇上流星雨，那就直接調轉身體，把屁股朝向入射的方向。再不行，哈勃鏡桶前還有一個蓋子，還可以把眼睛遮起來嘛，就像這樣。

哦，不是這樣，重來：

hubble telescope aperture door

所以，哈勃的鏡片劃傷而影響成象是極小概率事件。

JWST怎麼辦？

詹姆斯韋伯望遠鏡，簡稱JWST，採用的是和哈勃不一樣的形態。

下方那個銀色的相當於網球場的大小的五層盾，非常的輕薄，每個遮陽膜層的厚度比頭髮還薄（面向太陽第1層厚度僅為0.05毫米，而其他四層為0.025毫米。矽塗層的厚度約為50納米，而鋁塗層的厚度約為100納米），主要用來防曬從而保持主體的低溫（and擋光），在JWST計劃的10年任務中，它將受到大量的MMOD的攻擊。更不要說連主鏡片也是暴露在外。。 所以在設計之初，就要求它必須在400K至30K的極端溫度下能長期抵禦磨損，拉伸，撕裂和破裂。

位於阿拉巴馬州的奧本大學超高速衝擊試驗場裡，科研人員對這個矽塗層Kapton薄膜做了大量的MMOD衝擊試驗。最終確定下來的設計中，五層膜每一層的間距要非常精確，甚至還有特殊的接縫和加強條以減少MMOD的損壞。其中位於主鏡下方的第五層的作用，就是為了儘量防止MMOD形成孔洞。

Kapton材料樣本，顯示了ripstop seaming接縫加強的樣子 by NASA

為了實現足夠輕薄的同時又能拉到足夠大的面積，Kapton膜材料是相當堅韌的，但如果一旦撕裂或出現小孔洞，這種韌性反而會讓孔在很短的時間內變得更大。因此，在縫合時採用稱為「熱斑粘合（TSB）」的特殊工藝，讓膜不是縫在一起而是融合在一起。此外，每隔大約6英尺，就會有一個加強條（類似金工中的加強筋）熱粘合到母膜上，從而形成「防撕裂」的網格圖案。大量的測試表明，這種方法可以有效的阻止撕裂，並防止其延伸到網格區域之外。因此，即使MMOD撞擊膜材料後產生孔洞，其損壞的大小也將受到嚴苛的限制。堵不如疏，既然這些MMOD阻擋不了，那就讓損壞範圍足夠小，小到可以接受的範圍。

那鏡片呢？剛才說了，凹面鏡上的劃痕不影響成像。其它鏡片受到膜的保護也不會受多大影響。其它關於L2拉格朗日點的影響，其它答主也有提到，我就略了。

什麼時候鴿王JWST發射了，我再更吧。

一更：我還是忍不住更新了。。。

有人問我說，太空望遠鏡到底有沒有被MMOD嚴重傷過？

答案是：有的。

2009年夏天，NASA在對哈勃太空望遠鏡廣角行星相機2（WFPC-2）散熱器組件進行檢查時在熱噴塗層中發現了很明顯的大面積撞擊剝落特徵，而在此之前WFPC-1散熱器的檢查中也發現了同樣的撞擊。

左圖：被STS-125太空梭捕獲並停靠在貨艙後的哈勃。 右圖：博物館陳列櫃中的WFPC-2散熱器。

WFPC-2的外表面有一層100-150μm厚的原鈦酸鋅（Zn2TiO4）納米晶薄膜塗層和一層YB-71導熱塗層，它們共同讓外表面呈現白色，而那些黑色的點點就是在MMOD撞擊坑上為取樣而人為鑽的洞，這一片不大的散熱器組件上共觀察到677個衝擊特徵（小於300μm的不計）[3]。如果你在2010年左右去過華盛頓的史密森國家航空航天博物館，你快去翻翻相機裡是否拍到過這個展品（可惜我2016年去的時候已經撤展了）。

帶有雷射瞄準定位輔助裝置的取芯裝置

根據NASA和ESA的數據統計，哈勃太空望遠鏡的每塊太陽能電池（面積為8平方釐米）在8.25年的太空暴露期內的平均受撞擊次數達到12次。[4]但還好都沒有傷到核心元件。如果要舉傷到核心元件影響拍攝的話，那不得不提XMM-牛頓衛星（是ESA的多鏡片X射線觀測望遠鏡），它的電荷耦合器件（CCD）中的象素點至少有五次被MMOD永久撞毀了。[5]算是目前被MMOD傷的最深的望遠鏡了。

最近十年的各國實驗室數據表明，0.1毫米大小的超高速MMOD顆粒就能損壞太空飛行器的塗層、箔片或者太陽能電池，毫米大小的超高速粒子就有機率穿透坦克裝甲那麼厚的金屬板[6]，大於1釐米的MMOD碰撞就可能會使正在運行的衛星設備失靈或破裂。而大於10釐米的碎片撞擊就足以刺穿任何SiC保護層並產生大量碎屑雲，這些碎屑雲隨後又會撞擊內部結構，除了包辛格效應，還會造成大量的無序分布的微裂紋，並將產生更多的亞毫米大小的碎屑飄蕩在望遠鏡內部，引起間接的幹擾或損壞，比如產生碰撞電離等離子體或通過觸發預充電錶面產生靜電放電等。我以前零星看過一些關於太空飛行器的故障報告中，就有因為超高速撞擊產生的靜電放電(ESD)或電磁幹擾/電磁脈衝[7]而導致的。

實際上，機械故障和等離子體導致的故障很多時候是共同存在的。超高速撞擊會導致被撞擊物質的表面變得粗糙，從而撞擊坑周圍形成許多微觀不規則現象。這些微觀上的不規則形狀可能會顯著增加局部的電場強度，然後由於隧道效應而導致電子釋放，產生靜電放電現象。[8]

如果在望遠鏡的設計之初沒有充分考慮應對MMOD的保護，將會導致望遠鏡傳感器和整體性能不可控的下降。外殼的保護層即使被刺穿很小的一個孔洞，也會由於等離子體、氣體或者熱量的滲透而導致更大的損壞。未來將有像JWST一樣的更大型的望遠鏡被發射升空，它們有很多是直接裸露在太空中或僅被很薄的箔片保護，使得它們將不得不面對MMOD的頻繁撞擊。就像歐洲空間局的空間望遠鏡GAIA這樣：

歐洲空間局的空間望遠鏡GAIA（蓋亞）

二更 多來點兒照片

有人說圖太少了。那我就不寫字了，來點圖吧。

1。太空史上最慘烈的鏡片損傷：

NASA攝影師比爾·英格爾斯的融化了的佳能相機。是2018年5月22日在加州范登堡空軍基地拍攝SpaceX Falcon 9火箭升空時被摧毀的。

2.一小片油漆渣的威力

一小片油漆碎片擊中了挑戰者號太空梭STS-7舷窗的玻璃。由於MMOD，平均每次太空梭執行任務後要更換兩個太空梭窗玻璃。

3.

哈勃太空望遠鏡在太空維修之後返回地面的零件。上面箭頭標記出許多MMOD的撞擊。

4。哈勃的碟形天線

一次MMOD撞擊完全穿透了哈勃太空望遠鏡的碟狀天線。

5.洞見宇宙的黑暗

這是MMOD射入SMM衛星的太陽能板後留下的一個洞

6.還是個洞

STS-118奮進號散熱器上的創口。 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：長時暴露裝置（LDEF）

LDEF在低地球軌道（LEO）上漂了5年多，於1990年1月被哥倫比亞號太空梭取回。LDEF共記錄了2萬多次撞擊。 它不僅為MMOD的類型提供了重要信息，而且為其軌道分布收集了重要數據。

拉近一點看

LDEF其中的一塊面板

8.沙漠中的太空殘骸

2001年1月21日, 德爾塔-2火箭PAM-D墜入中東地區。重約70公斤的PAM-D鈦電機外殼，墜落在沙烏地阿拉伯首都利雅得外約240公裡的沙漠中。（丁丁歷險記既視感）

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