想象力，比科技更重要！—三个值得思考的故事

2017-06-26刘进军

卫星与网络 2017年5期

关键词：莫尔视距立方体

+ 刘进军

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太空反导

冷战，越来越激烈，火药味也越来越浓！苏联开始咬牙切齿，发飙了！

根据1972年《反弹道导弹条约》，美国和苏联不得不建造超视距反导雷达，以保护祖国免受导弹袭击。美国选择在北达科塔州建造多功能超视距反导雷达，苏联则选择了莫斯科。1980年，苏联国防部开始在莫斯科郊区普希金市的苏福利诺镇部署反导系统。

这套反导系统由一个指挥站，一座“顿河”多功能雷达，以及100枚拦截导弹组成。它是俄罗斯“A-135”反弹道导弹系统的关键部分。1975年，总设计师巴斯斯托夫博士开始设计研制“顿河-2N”多功能雷达。1990年，它完成测试；1996年，开始战略值班。如果与指挥和控制中心丢失或中断联络，“顿河”多功能雷达可以自主运作。

“顿河-2N”雷达位于北纬52.7373°，东经174.0914°。它好像一座金字塔，号称多功能、超视距雷达，属于早期预警、导弹防御、太空监视雷达。它每个侧面的底边长130米，上边长90米，高度33米。“顿河-2N”共消耗3.2万吨金属、5万吨水泥、20吨缆线、数百千米长管材，以及1万多个阀门。因为需要大量水给设备降温，雷达站院内有水塘、小湖泊共5个。雷达站正门、院内、主路上还修建有防化墙。

这座超视距多功能雷达每侧均装有一个直径18米的大孔径有源相控阵收发天线，发射超高频频段信号，由“布鲁斯-2”超级计算机控制。雷达每侧的每个阵列配备6万台散热器。它属于多功能固定式环视厘米波有源相控阵天线，能精准跟踪太空碎片和太空目标，识别真伪目标。它真正的用途是：监测太空弹道导弹。“顿河-2N”雷达就是一套太空反导系统。

“顿河-2N”超视距雷达

“顿河-2N”雷达拥有很多功能。它可对大气层外和大气层的目标进行探测和跟踪。它能搜寻、筛选，并锁定3700千米范围内的洲际弹道导弹弹头和目标。“顿河-2N”为反导系统指示目标，引导反导导弹攻击来袭之敌。雷达还能发出错误的信号，干扰敌方飞机或导弹飞行。

“顿河-2N”雷达的功能强大。它的超视距覆盖范围360°，垂直视距4万千米，水平视距3700千米，精度10米。雷达最大同时追踪目标120个，最大预警时间9分钟，最大同时制导能力为20枚近程导弹，16枚远程导弹。

“顿河-2N”雷达的意义重大。自1996年进入战略值班，至今20年一直不间断地工作。它扫描区域覆盖北大西洋至巴伦支海。根据设计，“顿河-2N”雷达的使用寿命至少应该在30年。“顿河-2N”号称苏联国土防空的最后盾牌，北约戏称为“药盒”。

美国照相侦察卫星拍摄：“顿河-2NP”多功能雷达

“顿河-2N”雷达到底有多少功能呢？它到底有多少精度呢？它到底能看见多小和多少太空飞行体呢？俄罗斯人心里有底，美国人心里发毛。不过，美国的太空监视系统——美国太空监视网络比俄罗斯的数量更多，功能也厉害多了。

美国太空监视网络检测、跟踪环绕地球运行的死亡卫星、火箭箭体或碎片等人造物体，编辑成目录和标识。美国战略司令部负责一部分美国太空监视网络。美国太空监视网络分为陆基、海基、空基和天基4大部分。

美国陆军、海军和空军在新墨西哥州索科罗、夏威夷州阿莫斯毛伊岛、英属印度洋领地迪戈加西亚岛、西班牙莫隆空军基地等全球25个陆基站点，操作陆基雷达和光学传感器。美国空军太空监视系统，称为“太空护栏”，由美国空军太空作战司令部第21太空联队指挥。

美国太空监视网络可跟踪直径10厘米、棒球大小的太空物体，监测太空深处5.6万千米的太空物体，超出地球静止轨道高度。光学望远镜能够分辨比人类目力所及的暗1万倍的太空物体。每个太空监视站点每天跟踪9900个太空物体，定期跟踪大约3千个太空物体。

“眼镜蛇”相控阵雷达是美国太空监视网络组成之一，代号AN/FPS-108，是一种被动电子扫描阵列，由美国雷声公司研制。它安装在美国空军位于阿拉斯加州谢米亚岛的艾瑞克森航空站，坐标北纬52.7373°，东经174.0914°。“眼镜蛇”相控阵雷达是一座单面天线雷达，直径29米，面对俄罗斯的堪察加半岛库拉导弹靶场。

“眼镜蛇”相控阵雷达

当“眼镜蛇”相控阵雷达获得数据，首先发送到位于科罗拉多州彼得森空军基地的北美防空司令部。美国宇航局轨道碎片办公室和美国导弹防御局等，也是“眼镜蛇”相控阵雷达的东家之一。

尽管苏联已经垮台，但俄罗斯的“顿河-2N”雷达，让美国如芒刺在背，非常不舒服。美国国防部反导专家认为：我们应该巧设妙计，测试一下“顿河-2N”雷达，同时比较一下美国太空监视网络、“眼镜蛇”相控阵雷达。一场骨头套白狼的演出开始了！

美国先与俄罗斯套近乎：太空中有太多太空垃圾和太空碎片，十分危险。咱们用超视距雷达举行一次发现微小太空物体的实验，验证一下探测极限，为将来清除、躲避太空碎片打下基础。可以！——俄罗斯国防部知道有诈，就干脆来了个将计就计：让美国佬瞧瞧“顿河-2N”雷达的厉害！不然，美国佬不知道马王爷三只眼！

美国宇航局戈达德太空飞行中心专门设计了一种“金球”轨道碎片雷达校准卫星。这种金光闪闪的“金球”卫星，按形状分为2种：金属球和金属条。

“金球”雷达校准卫星

金属球一共3种：15厘米金属球，重4200克；10厘米金属球，重500克；5厘米金属球，重5克。金属条分为2种：13.3厘米金属条，重1.5克；4.4厘米金属条，重0.5克。4.4厘米金属条是世界上最小、最轻的卫星。美国国防部将这些金属球、金属条卫星，昵称为“金球”、“金条”卫星。“哈哈，我们变成了富翁！”

1992年12月2日，美国宇航局“发现”号航天飞机执行“STS-53”航班，悄悄进行了一次“眼力”测试，而没有让俄罗斯察觉。美国国防部下达指令将“金球-1”雷达校准卫星，也就是三对15厘米、10厘米、5厘米的金属球向太空发射，冒充“轨道碎片”。当它们进入近地点317千米，远地点321千米，轨道倾角57°，轨道周期90.9分钟的低轨道。美国空军立即进行太空物体编号：22295号。测试成功！

现在，可以让俄罗斯人加入了！好戏开演！1994年2月3日5时22分，美国“发现”号航天飞机执行“STS-60”航班，从位于卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射升空。

2月4日，俄罗斯与美国共同参与的发现微小太空物体的实验开始了。这是一次视力、实力和势力的巅峰对决！双方都志在必胜！美国宇航员们爬出航天飞机，来到货舱，从货舱里发射了“金球-2”雷达校准卫星。分三批向太空各抛出两颗15厘米、10厘米、5厘米的金属球，用来测试超视距雷达效果。

首先，两颗直径15厘米的金属球从一个发球机一样的管子里被喷出来。它们进入近地点329千米，远地点353千米，轨道倾角56.9°，轨道周期91.35分钟的低轨道。美国空军立即进行太空物体编号：22990号。俄罗斯的超视距雷达几乎与美国同时发现了15厘米金属球。

当直径10厘米的金属球被发射出来，“顿河-2N”超视距雷达站、“眼镜蛇”超视距雷达站同时捕获。最艰难的比赛开始了。这时，5厘米的金属球飞旋而出，“顿河-2N”超视距雷达站立刻分辨出棒球大小的金属球，并立刻测算出它们在太空的运动轨迹。

“发现”号航天飞机发射金属球

当俄罗斯科学家弹冠相庆的时候，美国科学家垂头丧气，一副无可奈何的样子。这时，美国国防部部长和幕僚们却捂着嘴笑了。其实，美国“眼镜蛇”超视距雷达站也看见了5厘米的金属球，只是装傻，当做没看见。美国国防部希望蒙骗俄罗斯，放松对美国的警惕。通过这次竞赛，美国知道了俄罗斯“顿河-2N”雷达的秘密——最大探测距离和精度。

为了验证“眼镜蛇”的最佳视力，美国国防部又进行了一次极端试验。1995年2月3日，美国“发现”号航天飞机执行“STS-63”航班，宇航员悄悄在货舱发射了6颗“金球-3”雷达校准卫星：一个15厘米金属球，一个10厘米金属球，一个5厘米金属球；2条13.3厘米金属条，一条4.4厘米金属条。它们进入近地点250千米，远地点258千米，轨道倾角98.3°，轨道周期89.6分钟的太阳同步轨道。美国空军立即进行太空物体编号：23467号。

同时，“眼镜蛇”超视距雷达站传来喜讯：“报告，金属球全看见！”当抛出13.3厘米金属条、4.4厘米金属条后：“报告，大的金属条模模糊糊看见！小的看不见！”

这次“发现”号航天飞机创造了发射最小卫星的世界航天纪录。“眼镜蛇”超视距雷达站也创造了太空观测最小物体的世界航天纪录。美国国防部咧开了大嘴：哈哈哈，让“顿河-2N”雷达臭美吧！让俄罗斯人哭鼻子吧！

摘下满天星

托马斯·莫尔，罗马天主教徒、律师、哲学家、作家、政治家；文艺复兴时期人文主义者；《乌托邦》的作者；空想社会主义的创始人。1515年～1516年间，莫尔完成了不朽之作——《乌托邦》。《乌托邦》虚构了一个航海家航行到一个奇异的岛国——乌托邦的旅行见闻。“乌托邦”一词来自希腊文，意即“乌有之乡”。莫尔第一次用“乌托邦”来指代一个幸福的、理想的国家。

但因不服从国王，莫尔被关进了伦敦塔。他宁死不屈，被判为叛国罪，从轻刑改为斩刑。他说：“我可以死，但我是国王的好仆人，上帝的第一个好仆人。”最终，伟大的空想社会主义者莫尔的头颅，被悬挂在伦敦桥上示众。

尽管不是一位正统的天主教信徒，莫尔非常罕见地获得了推崇：有人发现了他的共产主义理想，有人发现了他对天主教的忠诚。托马斯·莫尔是空想社会主义的创始人。他为后来的马列主义、社会主义和共产主义指明了方向。1935年，教宗庇护十一世将莫尔封为圣徒。2000年，教皇约翰·保罗二世宣布：莫尔是天堂守护神。托马斯·莫尔，受到人们的尊重。

我们要讲的故事发生在美国弗吉尼亚州阿灵顿市，一座以托马斯·莫尔命名的圣·托马斯·莫尔教堂学校。这是一座拥有学前班、幼儿园、小学1～8年级的学校，共有400名学生。圣·托马斯·莫尔教堂学校的座右铭是：什么都可以学会！

2012年，圣·托马斯·莫尔教堂学校组织学生，前往史密森航空航天博物馆参观航天飞机等模型。在操场，学校集合学生们列队，排列出航天飞机的形状。校长爱莉诺·麦科马克说：“如果我们这样做，也许宇航员可以从太空上看到我们。”学生们都高兴坏了！这令人惊叹的视觉形象，激励了整个学校。有学生提出：我们能不能摘下天上的星星？

“如果你们认真学习卫星知识，就可能摘下天上的星星。”老师说：“如果你们建造一颗卫星，就能亲自登上太空！”“建造卫星的零部件就在五金店、电器商店里，就看脑子灵不灵，就看动手能力强不强。有没有信心！”“有，一定有！”学生们开始寻求建造一颗小型卫星——被称为“圣·托马斯·莫尔”号的立方体地球观测卫星。学生们发誓：让世界各地的学生都看见这颗卫星。

什么都可以学会！在美国宇航局“纳米卫星教育”计划下，美国宇航局曾邀请学校的老师到戈达德太空飞行中心进行实地考察。老师们先实地考察，然后再接受培训。渐渐地，卫星计划已经初具雏形。为了让学生们真正理解太空和太空探索，老师带着学生一起通读了一本书——《登月团队：40万人怎么让‘阿波罗-11’号登陆月球》。学生们在这一过程中学习了复杂的太空项目背后的相互合作和重要价值。

什么都可以学会！这颗卫星的目的是让孩子们能够亲自动手，参与到太空项目中来。如果一切按计划进行，这颗小卫星将会从国际空间站，通过喷射的方式发射出去，并进入轨道。它将会对地球进行长达9个月的拍摄。

什么都可以学会！未来3年内，圣·托马斯·莫尔教堂学校所有400多名一年级到八年级学生，都将参与设计、研制与检测他们的小卫星。学前班、幼儿园的学生也积极听课，开动脑筋，提出许多嘀笑皆非的疑问和建议。学生们动脑、动手，进行探究和学习活动，进行实际设计和操作。3年之后，世界上第一颗小学生制造的卫星——“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星诞生了。

“圣·托马斯·莫尔”号是一颗1U立方体卫星。它重量1千克，尺寸为10×10×10厘米，设计寿命9个月，卫星成本5万美元。它装载了一架照相机、电力系统、电脑、天线、温度计和通信系统。这颗卫星将每隔30秒拍照和传送回地面，以437.800兆赫接收和传输信号。

位于梵蒂冈的天主教教皇方济各祝福小学生们的卫星！他送来了一枚黄金十字架。学生们将这枚黄金十字架镶嵌在卫星上面。另外，值得一提的是，卫星上还嵌入了一块蚀刻了小学所有学生、老师、工作人员和项目支持者名字的铭牌。

“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星

在卫星发射之前两天，校长爱莉诺·麦科马克接受采访时表示：“上帝的意志——天气控制和完成发射，‘圣·托马斯·莫尔’号立方体卫星将成为世界上第一颗小学生成功建造、测试和发射的卫星，当然我们也得到了许多来自社区的无私帮助。”当地社区和公司积极捐款捐赠，确保资金来源。一家公司免费租借了卫星升空测试用的氦气气球。

小学生怎么能建造卫星呢？他们是怎样建造的呢？首先，美国宇航局戈达德太空飞行中心派遣科学家，指导学生的卫星总装、集成、测试和发射。学生们穿上防静电服装，学会了如何焊锡，以及安装构造脆弱的电子元器件。

卫星建成后，圣·托马斯·莫尔学校将它送到麻省理工学院、密歇根大学和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室进行了各种测试，结论是：“吆呵，这玩意还真能飞起来！”在太空飞行之前，圣·托马斯·莫尔学校还进行了2次高空气球飞行，测试卫星和硬件。在卫星通信地面站，小学生们学会了如何操作无线电，如何与卫星建立通信。

一开始，家长们都眯起眼睛，摇摇头，不相信孩子们能造出卫星。小学生们说：“我们老师讲解卫星原理、卫星组成、卫星构造、卫星功能、卫星系统、卫星零部件、卫星飞行原理、飞行轨道、设计原理、设计程序、设计技巧、程序编辑、软件编辑等等。”

“听得懂吗？”“有的听得懂，有的听不懂。”“听不懂，怎么办？”“没关系！我只负责其中的一部分，一个系统懂了就干一个系统的事情。”“卫星上的零件怎么造呢？”“根据设计原理，我们到各个商店采购原材料，再加工一下，就组装成卫星。”“造卫星如同玩拼图游戏，也如同叠积木。”

“我们的卫星要给地球拍照，并传输图像。”“卫星拍了照片怎么送到地球上呢？”“我们学校有一个主地面站，在全国各地的学校有远程地面站。我们只要接收到卫星的信号就行了。”“能接收到信号吗？”“我们卫星上有一个学校的徽章，上面有一个十字架。上帝会保佑我们的！”家长们都搂着自己的孩子亲吻：“我的孩子真聪明！”

一名学生与“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星合影。

2015年12月6日，“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星、科罗拉多大学博尔德分校和密歇根大学等的21颗卫星和立方体卫星，搭乘“天鹅座-4”货运飞船发射升空，前往国际空间站。家长与孩子们一起观看卫星发射的电视转播。当发射成功，孩子们都蹦跳起来：我们成功了！

5月16日，国际空间站上的立方体卫星喷射系统开始一个接一个地喷射部署卫星。这是一个紧张而激动的时刻！美国宇航局局长博尔登来到圣·托马斯·莫尔教会学校，与学生们一起分享卫星喷射成功的图像。

只见，立方体卫星发射系统内部弹簧释放，将立方体卫星喷射部署在距地球约400千米高度。30分钟后，“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星的内部计时器和计算机开机，并开始传输信号。圣·托马斯·莫尔教会学校卫星团队利用地面站，倾听来自卫星的信标，以确定卫星的功能和操作状态。

“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星在太空中部署成功！世界上第一颗小学生立方体卫星部署到了太空！世界各地超过1万名小学生参加远程操作中心，当卫星飞过他们的学校，小学生们接收下传的地球图像和太空温度。“圣·托马斯·莫尔”号立方体卫星载入世界航天史册！圣·托马斯·莫尔教堂学校也载入世界航天史册！

这是世界上第一颗小学生立方体卫星，也是美国宇航局部署的第一颗小学生立方体卫星。并且，“圣·托马斯·莫尔-2”号立方体卫星也即将升空。家长们惊叹道：真的！什么都可以学会！

超级分辨率：厘米

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。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。光学太空望远镜卫星的重量迅速达到了顶点。

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。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。玻璃透光效率为90%，薄膜透光效率为30～55%。薄膜比玻璃的效率低，但它的大小可以弥补这一缺点。

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”薄膜成像侦察卫星与太空望远镜

“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。

几种望远镜的尺寸比较

“云纹”具有体积更大、成本更低、重量更轻；稳定性高、动力学性能好；移动目标快速探测、战术地理定位精度高；图像分辨率高、视频图像稳定；近实时传输、传输保密；向作战人员提供持续、实时的战术视频；如有必要可增加光谱带宽等特点。

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，如同眼前视觉一样。