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衛(wèi)星 微小的立方體衛(wèi)星可以像詹姆斯韋伯一樣擁有可展開的鏡子

當(dāng)你想到太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)，你可能會(huì)想到像哈勃這樣的望遠(yuǎn)鏡，它使用精密光學(xué)探測(cè)深空。但是光學(xué)太空望遠(yuǎn)鏡也指向地球，為我們提供從天氣到交通模式再到軍隊(duì)行動(dòng)的詳細(xì)視圖。盡管以地球?yàn)橹行牡耐h(yuǎn)鏡非常有用，但它們也可能很大，發(fā)射到太空的費(fèi)用也很高。但這可能會(huì)隨著立方體衛(wèi)星的新提議設(shè)計(jì)而改變。
衛(wèi)星 微小的立方體衛(wèi)星可以像詹姆斯韋伯一樣擁有可展開的鏡子
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1U CubeSat的示例
立方體衛(wèi)星（CubeSat）是一種按重量和尺寸標(biāo)準(zhǔn)化的微型衛(wèi)星。立方體衛(wèi)星的基本尺寸被稱為一個(gè)單位或“U”，它是一個(gè)邊長(zhǎng)為 10 厘米的立方體，盡管一些立方體衛(wèi)星的尺寸是多個(gè)單位。它們的低質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)尺寸意味著它們可以成組或星座發(fā)射，從而顯著降低成本。但是這種小尺寸也限制了您可以裝入的光學(xué)器件數(shù)量。
對(duì)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，圖像的清晰度取決于光圈的大小。例如，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡有一個(gè) 2.4 米寬的鏡子。如果鏡子較小，哈勃的圖像將不太細(xì)致。這是因?yàn)榉Q為衍射的波效應(yīng)。當(dāng)光波通過(guò)有限區(qū)域的孔徑時(shí)，它們會(huì)相互干擾，從而使生成的圖像變得模糊。這種衍射極限會(huì)降低望遠(yuǎn)鏡的分辨率。
由于1U CubeSat只能跨10厘米，因此CubeSat的光學(xué)孔徑只能跨幾厘米。鑒于衍射極限，在地球上空 500 公里軌道上運(yùn)行的立方體衛(wèi)星最多只能解析 3m 寬或大約 10 英尺寬的地球特征。這并不可怕，但遠(yuǎn)低于現(xiàn)代商業(yè)衛(wèi)星的分辨率。但是一組研究人員開發(fā)了一種可以顯著改善該限制的設(shè)計(jì)，他們使用與詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡相同的技巧來(lái)做到這一點(diǎn)。
衛(wèi)星 微小的立方體衛(wèi)星可以像詹姆斯韋伯一樣擁有可展開的鏡子
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折疊后的鏡子如何在CubeSat上工作
詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)直徑為 6.5 米的主鏡。今年晚些時(shí)候發(fā)射時(shí)，它將提供比哈勃望遠(yuǎn)鏡更詳細(xì)的圖像。問(wèn)題在于，韋伯將在只有 5.4 米寬的阿麗亞娜 5 號(hào)火箭上發(fā)射。所以韋伯的鏡子必須折疊起來(lái)才能合身。只有在發(fā)射后，它才會(huì)展開到全尺寸。CubeSat 設(shè)計(jì)使用相同的方法。四個(gè)折疊的反射鏡使衛(wèi)星能夠安裝在 1U 內(nèi)，同時(shí)在發(fā)射后展開時(shí)為 CubeSat 提供更大的孔徑。這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。折疊和展開后視鏡很容易，但要使用它們必須極其精確地對(duì)齊。即使有韋伯 100 億美元的預(yù)算，這也很難做到，那么便宜的 CubeSat 如何做到呢？
衛(wèi)星 微小的立方體衛(wèi)星可以像詹姆斯韋伯一樣擁有可展開的鏡子
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該團(tuán)隊(duì)建議分階段進(jìn)行。發(fā)射后，CubeSat 反射鏡可以展開并放置到“足夠近”的位置，然后使用主動(dòng)和自適應(yīng)光學(xué)來(lái)銳化圖像。自適應(yīng)光學(xué)器件的使用還可以使CubeSat補(bǔ)償加熱和冷卻效果，這可能會(huì)使反射鏡偏離對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。根據(jù)他們的初步研究，該團(tuán)隊(duì)估計(jì) 1U CubeSat 在 500 公里的軌道上運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn) 80 厘米的分辨率，這在當(dāng)前商業(yè)衛(wèi)星的范圍內(nèi)。
CubeSat 的低成本意味著 CubeSat 望遠(yuǎn)鏡可以使地球的實(shí)時(shí)高分辨率成像更具成本效益。一個(gè)星座可以跟蹤我們星球上的長(zhǎng)期變化和突然變化。對(duì)于諸如自然災(zāi)害之類的信息可能有限的事情來(lái)說(shuō)，這將是非常有幫助的。但這也意味著這些微小的衛(wèi)星將始終從上方觀看。
【 衛(wèi)星|微小的立方體衛(wèi)星可以像詹姆斯韋伯一樣擁有可展開的鏡子】參考： Schwartz，Noah等。“高分辨率可部署立方體衛(wèi)星原型。” 2020 年空間望遠(yuǎn)鏡和儀器：光學(xué)、紅外和毫米波。卷。11443. 國(guó)際光學(xué)與光子學(xué)會(huì)，2020。

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