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?從“高端民用”到“私家訂制”——扒一扒那些太空相機

2021-06-21     來源:百家號:

原創 中國航天報 中國航天報

照片是航天科學活動最重要的探索成果和科研依據,讓大多數沒機會進入太空的人們可以看到宇宙里有什么?!白H凇碧柕顷懟鹦菚r就第一時間為我們傳回了火星照片。

那么,這些照片是用什么儀器拍攝的?如果把自家的普通相機送上太空,能不能用呢?其實答案并不單一。我們今天就來討論兩種不同用途的相機:一種是航天員帶到太空使用的相機,另外一種是裝在火星車上遙控使用的相機。

“祝融”號上的地形導航全景相機

耐高溫曾是飛天門檻

早在阿波羅計劃時期,美國宇航局的科學家們就在討論一個問題,航天員登上月球表面之后,該用什么手段為人類帶回月球上的景色呢?

眾所周知,月球上的自然條件和地球上完全不同,航天員登月一般選在月晝期間,也就是太陽直射月球表面的那半個月,任何帶到月球上的東西都需要考慮防高溫這個問題。

在太陽直射的條件下,月球表面的溫度可達到200多攝氏度,地球上沒有任何一種普通的民用相機是為這種環境設計的。

另外,當時的相機一般都是使用膠卷來作為成像手段,真正起到影像記錄作用的是焦點表面噴涂的那一層鹵化銀顆粒。上了年紀的攝影愛好者中,有不少人具有使用膠片攝影的經驗。他們應該一定知道,在購買膠卷時,包裝盒上都會用醒目的字體指出,“不要置于高溫環境下”。

如今,膠片相機的時代過去了,相當多的膠卷廠已經停產。很多攝影老手為了更好地保存自己手里越用越少的膠卷,往往會把他們放在冰箱里,那么在阿波羅登月時代這些膠卷怎么承受得了極限溫度呢?

阿波羅計劃期間,美國宇航局選擇了瑞士哈蘇公司研制的哈蘇500EL相機。雖然這種相機價值數萬美元,但已經是哈蘇公司最便宜的型號之一了。美國宇航局看中它并不是為了省錢,而是因為哈蘇500 EL在航空攝影活動中表現出色、性能穩定。為此,美國宇航局還委托柯達公司,為哈蘇500 EL相機配套研制了70毫米正片。

哈蘇500EL相機

此外,美國宇航局還選用了徠卡相機。不過,這些相機統統被扔在了月球表面,因為返程需要攜帶大量月球巖石和土壤樣品,沒地方留給它們了。

上世紀60年代,日本相機企業開始崛起,并且積極參與美國宇航局的太空飛行活動。到1971年,日本尼康公司提供了一批F相機和特殊改造的鏡頭給美國宇航局,用于阿波羅15號任務。

1973年,一種改進型尼康F系列自動對焦相機登上了美國天空實驗室空間站。有意思的是,因為研發費用太高,所以尼康公司向美國宇航局提供相機的合同是賠本的,而且損失慘重。但尼康公司通過宇宙相機的研制取得了大量科研成果,特別是大大提高了尼康產品的可靠性和操作性能,更為自己贏得了巨大聲望,成為美國宇航局的長期合作伙伴。從這些方面看,尼康公司也算是“失之東隅收之桑榆”了。

數碼時代帶來的變局

進入數碼時代之后,人們再也不用擔心膠卷是否能耐高溫了,只要相機里裝的感光器件能夠經受住火箭起飛和飛船返回的劇烈震動和沖擊就可以。事實證明,主流單鏡頭反光照相機制造商為了野外攝影所設計的嚴格環境標準在太空也是管用的。

第一種進入國際空間站的單鏡頭反光照相機是尼康F4,它于1991年升空。1996年,柯達公司與尼康公司合作研制的柯達DCS 460 相機升空。到1999年12月,最后一種膠片相機尼康F5升空。這次飛行非比尋常,尼康F5被直接帶到航天飛機之外的太空中,用來拍攝艙外行走的過程。

尼康F4

后來,美國宇航局完全放棄了柯達品牌,全面轉向尼康數碼相機。2013年~2016年間,美國宇航局購買了48 臺尼康D4 相機和64 支鏡頭。2017年,美國宇航局再下大單,一下子購買了53臺尼康D5。微單時代來臨之后,喜歡嘗試新技術的美國宇航局也沒有放過,把一臺索尼α7S II送上了國際空間站。

隨著數碼技術的發展,美國宇航局也一直在研究電子產品能不能直接上天。根據到目前為止的統計,已經有iPhone4、HTC Nexus One、iPad2 這三種數碼產品被送上天并且還拍過照。

火星上的相機大不同

前文說的大多是普通民用相機,即使被稱之為“專業照相器材”,也是大批量生產的商業型號?;鹦擒嚿蠑y帶的相機就不可能直接采購商業相機了,連改造都行不通,堪稱“私家訂制”。

以正在火星上運行的毅力號火星車為例。它攜帶了大小不同的23臺相機,其中最重要的被稱為“主相機Z”?!爸飨鄼CZ”由兩臺單獨的相機組成,可以起到3D攝影的效果。按照美國宇航局的說法,“主相機Z”能夠感知類似于人眼的紅、綠、藍顏色,以及超出人類顏色感知范圍的紫外線和紅外顏色成像。在最大的焦距時,“主相機Z”可以看到近處鉛筆尖大小的東西,也可以看到一個足球場外杏仁般大的目標。

毅力號身上居然有23臺相機

“主相機Z”的關鍵技術很多,其鏡頭變焦機構就是重中之重。按照美國宇航局專家的解釋,它的光學設計與民用相機變焦鏡頭有相似之處,但機制是不同的。

普通相機的變焦鏡頭往往采用旋轉變焦,在鏡頭內裝有螺旋形的軌道。軌道上有潤滑脂,轉動變焦環就可以驅動鏡筒運動,改變焦距。但隨著時間的推移,潤滑油脂會出現分解和變質,變焦機構的機械性能會退化,導致其難以移動,最終鏡頭會自己把自己鎖死,必須拆開清理、重新加注潤滑油才能使用,而這在火星上當然是行不通的。

為了解決這個問題,“主相機Z”沿用了“好奇號”主相機的基本設計,并且進行了一定的改進,鏡頭用電子箱、濾光片輪、變焦鏡頭和對焦機構組成系統,還自帶遮光罩。鏡頭變焦范圍從6.2~100.4毫米變為26~110毫米。同時,簡化光學設計,降低對透鏡元件位置變化的敏感性,并大大降低光學元件制造和裝配過程中出現問題的風險。

“主相機Z”的變焦是一種全折射設計,由一個移動聚焦鏡片組、兩個移動變焦鏡片組、三個固定鏡片組和一個平面元件(濾光片)組成。光學元件和所有運動部件都密封在光機透鏡外殼內,以防止灰塵污染。還有一個用電機驅動的齒輪機構,在不同的光照條件下換用不同的濾光片,能夠形成11種不同色調的圖像。

事實證明,“主相機Z”的設計是合理可行的,能夠為人類提供這顆紅色星球的寶貴圖像。

隨著技術的發展,人們用來記錄影像的設備越來越多。今后還有什么東西能到太空中去拍照,我們有沒有機會把自己的相機送進太空試一試?還真是一件值得期待的事情。

文/ 常飛

原標題:《?從“高端民用”到“私家訂制”——扒一扒那些太空相機》

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