想象力，比科技更重要！—三個值得思考的故事

+ 劉進軍

想象力，比科技更重要！—三個值得思考的故事

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太空反導

冷戰，越來越激烈，火藥味也越來越濃！蘇聯開始咬牙切齒，發飆了！

根據1972年《反彈道導彈條約》，美國和蘇聯不得不建造超視距反導雷達，以保護祖國免受導彈襲擊。美國選擇在北達科塔州建造多功能超視距反導雷達，蘇聯則選擇了莫斯科。1980年，蘇聯國防部開始在莫斯科郊區普希金市的蘇福利諾鎮部署反導系統。

這套反導系統由一個指揮站，一座“頓河”多功能雷達，以及100枚攔截導彈組成。它是俄羅斯“A-135”反彈道導彈系統的關鍵部分。1975年，總設計師巴斯斯托夫博士開始設計研制“頓河-2N”多功能雷達。1990年，它完成測試；1996年，開始戰略值班。如果與指揮和控制中心丟失或中斷聯絡，“頓河”多功能雷達可以自主運作。

“頓河-2N”雷達位于北緯52.7373°，東經174.0914°。它好像一座金字塔，號稱多功能、超視距雷達，屬于早期預警、導彈防御、太空監視雷達。它每個側面的底邊長130米，上邊長90米，高度33米。“頓河-2N”共消耗3.2萬噸金屬、5萬噸水泥、20噸纜線、數百千米長管材，以及1萬多個閥門。因為需要大量水給設備降溫，雷達站院內有水塘、小湖泊共5個。雷達站正門、院內、主路上還修建有防化墻。

這座超視距多功能雷達每側均裝有一個直徑18米的大孔徑有源相控陣收發天線，發射超高頻頻段信號，由“布魯斯-2”超級計算機控制。雷達每側的每個陣列配備6萬臺散熱器。它屬于多功能固定式環視厘米波有源相控陣天線，能精準跟蹤太空碎片和太空目標，識別真偽目標。它真正的用途是：監測太空彈道導彈。“頓河-2N”雷達就是一套太空反導系統。

“頓河-2N”超視距雷達

“頓河-2N”雷達擁有很多功能。它可對大氣層外和大氣層的目標進行探測和跟蹤。它能搜尋、篩選，并鎖定3700千米范圍內的洲際彈道導彈彈頭和目標。“頓河-2N”為反導系統指示目標，引導反導導彈攻擊來襲之敵。雷達還能發出錯誤的信號，干擾敵方飛機或導彈飛行。

“頓河-2N”雷達的功能強大。它的超視距覆蓋范圍360°，垂直視距4萬千米，水平視距3700千米，精度10米。雷達最大同時追蹤目標120個，最大預警時間9分鐘，最大同時制導能力為20枚近程導彈，16枚遠程導彈。

“頓河-2N”雷達的意義重大。自1996年進入戰略值班，至今20年一直不間斷地工作。它掃描區域覆蓋北大西洋至巴倫支海。根據設計，“頓河-2N”雷達的使用壽命至少應該在30年。“頓河-2N”號稱蘇聯國土防空的最后盾牌，北約戲稱為“藥盒”。

美國照相偵察衛星拍攝：“頓河-2NP”多功能雷達

“頓河-2N”雷達到底有多少功能呢？它到底有多少精度呢？它到底能看見多小和多少太空飛行體呢？俄羅斯人心里有底，美國人心里發毛。不過，美國的太空監視系統——美國太空監視網絡比俄羅斯的數量更多，功能也厲害多了。

美國太空監視網絡檢測、跟蹤環繞地球運行的死亡衛星、火箭箭體或碎片等人造物體，編輯成目錄和標識。美國戰略司令部負責一部分美國太空監視網絡。美國太空監視網絡分為陸基、海基、空基和天基4大部分。

美國陸軍、海軍和空軍在新墨西哥州索科羅、夏威夷州阿莫斯毛伊島、英屬印度洋領地迪戈加西亞島、西班牙莫隆空軍基地等全球25個陸基站點，操作陸基雷達和光學傳感器。美國空軍太空監視系統，稱為“太空護欄”，由美國空軍太空作戰司令部第21太空聯隊指揮。

美國太空監視網絡可跟蹤直徑10厘米、棒球大小的太空物體，監測太空深處5.6萬千米的太空物體，超出地球靜止軌道高度。光學望遠鏡能夠分辨比人類目力所及的暗1萬倍的太空物體。每個太空監視站點每天跟蹤9900個太空物體，定期跟蹤大約3千個太空物體。

“眼鏡蛇”相控陣雷達是美國太空監視網絡組成之一，代號AN/FPS-108，是一種被動電子掃描陣列，由美國雷聲公司研制。它安裝在美國空軍位于阿拉斯加州謝米亞島的艾瑞克森航空站，坐標北緯52.7373°，東經174.0914°。“眼鏡蛇”相控陣雷達是一座單面天線雷達，直徑29米，面對俄羅斯的堪察加半島庫拉導彈靶場。

“眼鏡蛇”相控陣雷達

當“眼鏡蛇”相控陣雷達獲得數據，首先發送到位于科羅拉多州彼得森空軍基地的北美防空司令部。美國宇航局軌道碎片辦公室和美國導彈防御局等，也是“眼鏡蛇”相控陣雷達的東家之一。

盡管蘇聯已經垮臺，但俄羅斯的“頓河-2N”雷達，讓美國如芒刺在背，非常不舒服。美國國防部反導專家認為：我們應該巧設妙計，測試一下“頓河-2N”雷達，同時比較一下美國太空監視網絡、“眼鏡蛇”相控陣雷達。一場骨頭套白狼的演出開始了！

美國先與俄羅斯套近乎：太空中有太多太空垃圾和太空碎片，十分危險。咱們用超視距雷達舉行一次發現微小太空物體的實驗，驗證一下探測極限，為將來清除、躲避太空碎片打下基礎。可以！——俄羅斯國防部知道有詐，就干脆來了個將計就計：讓美國佬瞧瞧“頓河-2N”雷達的厲害！不然，美國佬不知道馬王爺三只眼！

美國宇航局戈達德太空飛行中心專門設計了一種“金球”軌道碎片雷達校準衛星。這種金光閃閃的“金球”衛星，按形狀分為2種：金屬球和金屬條。

“金球”雷達校準衛星

金屬球一共3種：15厘米金屬球，重4200克；10厘米金屬球，重500克；5厘米金屬球，重5克。金屬條分為2種：13.3厘米金屬條，重1.5克；4.4厘米金屬條，重0.5克。4.4厘米金屬條是世界上最小、最輕的衛星。美國國防部將這些金屬球、金屬條衛星，昵稱為“金球”、“金條”衛星。“哈哈，我們變成了富翁！”

1992年12月2日，美國宇航局“發現”號航天飛機執行“STS-53”航班，悄悄進行了一次“眼力”測試，而沒有讓俄羅斯察覺。美國國防部下達指令將“金球-1”雷達校準衛星，也就是三對15厘米、10厘米、5厘米的金屬球向太空發射，冒充“軌道碎片”。當它們進入近地點317千米，遠地點321千米，軌道傾角57°，軌道周期90.9分鐘的低軌道。美國空軍立即進行太空物體編號：22295號。測試成功！

現在，可以讓俄羅斯人加入了！好戲開演！1994年2月3日5時22分，美國“發現”號航天飛機執行“STS-60”航班，從位于卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空。

2月4日，俄羅斯與美國共同參與的發現微小太空物體的實驗開始了。這是一次視力、實力和勢力的巔峰對決！雙方都志在必勝！美國宇航員們爬出航天飛機，來到貨艙，從貨艙里發射了“金球-2”雷達校準衛星。分三批向太空各拋出兩顆15厘米、10厘米、5厘米的金屬球，用來測試超視距雷達效果。

首先，兩顆直徑15厘米的金屬球從一個發球機一樣的管子里被噴出來。它們進入近地點329千米，遠地點353千米，軌道傾角56.9°，軌道周期91.35分鐘的低軌道。美國空軍立即進行太空物體編號：22990號。俄羅斯的超視距雷達幾乎與美國同時發現了15厘米金屬球。

當直徑10厘米的金屬球被發射出來，“頓河-2N”超視距雷達站、“眼鏡蛇”超視距雷達站同時捕獲。最艱難的比賽開始了。這時，5厘米的金屬球飛旋而出，“頓河-2N”超視距雷達站立刻分辨出棒球大小的金屬球，并立刻測算出它們在太空的運動軌跡。

“發現”號航天飛機發射金屬球

當俄羅斯科學家彈冠相慶的時候，美國科學家垂頭喪氣，一副無可奈何的樣子。這時，美國國防部部長和幕僚們卻捂著嘴笑了。其實，美國“眼鏡蛇”超視距雷達站也看見了5厘米的金屬球，只是裝傻，當做沒看見。美國國防部希望蒙騙俄羅斯，放松對美國的警惕。通過這次競賽，美國知道了俄羅斯“頓河-2N”雷達的秘密——最大探測距離和精度。

為了驗證“眼鏡蛇”的最佳視力，美國國防部又進行了一次極端試驗。1995年2月3日，美國“發現”號航天飛機執行“STS-63”航班，宇航員悄悄在貨艙發射了6顆“金球-3”雷達校準衛星：一個15厘米金屬球，一個10厘米金屬球，一個5厘米金屬球；2條13.3厘米金屬條，一條4.4厘米金屬條。它們進入近地點250千米，遠地點258千米，軌道傾角98.3°，軌道周期89.6分鐘的太陽同步軌道。美國空軍立即進行太空物體編號：23467號。

同時，“眼鏡蛇”超視距雷達站傳來喜訊：“報告，金屬球全看見！”當拋出13.3厘米金屬條、4.4厘米金屬條后：“報告，大的金屬條模模糊糊看見！小的看不見！”

這次“發現”號航天飛機創造了發射最小衛星的世界航天紀錄。“眼鏡蛇”超視距雷達站也創造了太空觀測最小物體的世界航天紀錄。美國國防部咧開了大嘴：哈哈哈，讓“頓河-2N”雷達臭美吧！讓俄羅斯人哭鼻子吧！

摘下滿天星

托馬斯·莫爾，羅馬天主教徒、律師、哲學家、作家、政治家；文藝復興時期人文主義者；《烏托邦》的作者；空想社會主義的創始人。1515年～1516年間，莫爾完成了不朽之作——《烏托邦》。《烏托邦》虛構了一個航海家航行到一個奇異的島國——烏托邦的旅行見聞。“烏托邦”一詞來自希臘文，意即“烏有之鄉”。莫爾第一次用“烏托邦”來指代一個幸福的、理想的國家。

但因不服從國王，莫爾被關進了倫敦塔。他寧死不屈，被判為叛國罪，從輕刑改為斬刑。他說：“我可以死，但我是國王的好仆人，上帝的第一個好仆人。”最終，偉大的空想社會主義者莫爾的頭顱，被懸掛在倫敦橋上示眾。

盡管不是一位正統的天主教信徒，莫爾非常罕見地獲得了推崇：有人發現了他的共產主義理想，有人發現了他對天主教的忠誠。托馬斯·莫爾是空想社會主義的創始人。他為后來的馬列主義、社會主義和共產主義指明了方向。1935年，教宗庇護十一世將莫爾封為圣徒。2000年，教皇約翰·保羅二世宣布：莫爾是天堂守護神。托馬斯·莫爾，受到人們的尊重。

我們要講的故事發生在美國弗吉尼亞州阿靈頓市，一座以托馬斯·莫爾命名的圣·托馬斯·莫爾教堂學校。這是一座擁有學前班、幼兒園、小學1～8年級的學校，共有400名學生。圣·托馬斯·莫爾教堂學校的座右銘是：什么都可以學會！

2012年，圣·托馬斯·莫爾教堂學校組織學生，前往史密森航空航天博物館參觀航天飛機等模型。在操場，學校集合學生們列隊，排列出航天飛機的形狀。校長愛莉諾·麥科馬克說：“如果我們這樣做，也許宇航員可以從太空上看到我們。”學生們都高興壞了！這令人驚嘆的視覺形象，激勵了整個學校。有學生提出：我們能不能摘下天上的星星？

“如果你們認真學習衛星知識，就可能摘下天上的星星。”老師說：“如果你們建造一顆衛星，就能親自登上太空！”“建造衛星的零部件就在五金店、電器商店里，就看腦子靈不靈，就看動手能力強不強。有沒有信心！”“有，一定有！”學生們開始尋求建造一顆小型衛星——被稱為“圣·托馬斯·莫爾”號的立方體地球觀測衛星。學生們發誓：讓世界各地的學生都看見這顆衛星。

什么都可以學會！在美國宇航局“納米衛星教育”計劃下，美國宇航局曾邀請學校的老師到戈達德太空飛行中心進行實地考察。老師們先實地考察，然后再接受培訓。漸漸地，衛星計劃已經初具雛形。為了讓學生們真正理解太空和太空探索，老師帶著學生一起通讀了一本書——《登月團隊：40萬人怎么讓‘阿波羅-11’號登陸月球》。學生們在這一過程中學習了復雜的太空項目背后的相互合作和重要價值。

什么都可以學會！這顆衛星的目的是讓孩子們能夠親自動手，參與到太空項目中來。如果一切按計劃進行，這顆小衛星將會從國際空間站，通過噴射的方式發射出去，并進入軌道。它將會對地球進行長達9個月的拍攝。

什么都可以學會！未來3年內，圣·托馬斯·莫爾教堂學校所有400多名一年級到八年級學生，都將參與設計、研制與檢測他們的小衛星。學前班、幼兒園的學生也積極聽課，開動腦筋，提出許多嘀笑皆非的疑問和建議。學生們動腦、動手，進行探究和學習活動，進行實際設計和操作。3年之后，世界上第一顆小學生制造的衛星——“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星誕生了。

“圣·托馬斯·莫爾”號是一顆1U立方體衛星。它重量1千克，尺寸為10×10×10厘米，設計壽命9個月，衛星成本5萬美元。它裝載了一架照相機、電力系統、電腦、天線、溫度計和通信系統。這顆衛星將每隔30秒拍照和傳送回地面，以437.800兆赫接收和傳輸信號。

位于梵蒂岡的天主教教皇方濟各祝福小學生們的衛星！他送來了一枚黃金十字架。學生們將這枚黃金十字架鑲嵌在衛星上面。另外，值得一提的是，衛星上還嵌入了一塊蝕刻了小學所有學生、老師、工作人員和項目支持者名字的銘牌。

“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星

在衛星發射之前兩天，校長愛莉諾·麥科馬克接受采訪時表示：“上帝的意志——天氣控制和完成發射，‘圣·托馬斯·莫爾’號立方體衛星將成為世界上第一顆小學生成功建造、測試和發射的衛星，當然我們也得到了許多來自社區的無私幫助。”當地社區和公司積極捐款捐贈，確保資金來源。一家公司免費租借了衛星升空測試用的氦氣氣球。

小學生怎么能建造衛星呢？他們是怎樣建造的呢？首先，美國宇航局戈達德太空飛行中心派遣科學家，指導學生的衛星總裝、集成、測試和發射。學生們穿上防靜電服裝，學會了如何焊錫，以及安裝構造脆弱的電子元器件。

衛星建成后，圣·托馬斯·莫爾學校將它送到麻省理工學院、密歇根大學和約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室進行了各種測試，結論是：“吆呵，這玩意還真能飛起來！”在太空飛行之前，圣·托馬斯·莫爾學校還進行了2次高空氣球飛行，測試衛星和硬件。在衛星通信地面站，小學生們學會了如何操作無線電，如何與衛星建立通信。

一開始，家長們都瞇起眼睛，搖搖頭，不相信孩子們能造出衛星。小學生們說：“我們老師講解衛星原理、衛星組成、衛星構造、衛星功能、衛星系統、衛星零部件、衛星飛行原理、飛行軌道、設計原理、設計程序、設計技巧、程序編輯、軟件編輯等等。”

“聽得懂嗎？”“有的聽得懂，有的聽不懂。”“聽不懂，怎么辦？”“沒關系！我只負責其中的一部分，一個系統懂了就干一個系統的事情。”“衛星上的零件怎么造呢？”“根據設計原理，我們到各個商店采購原材料，再加工一下，就組裝成衛星。”“造衛星如同玩拼圖游戲，也如同疊積木。”

“我們的衛星要給地球拍照，并傳輸圖像。”“衛星拍了照片怎么送到地球上呢？”“我們學校有一個主地面站，在全國各地的學校有遠程地面站。我們只要接收到衛星的信號就行了。”“能接收到信號嗎？”“我們衛星上有一個學校的徽章，上面有一個十字架。上帝會保佑我們的！”家長們都摟著自己的孩子親吻：“我的孩子真聰明！”

一名學生與“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星合影。

2015年12月6日，“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星、科羅拉多大學博爾德分校和密歇根大學等的21顆衛星和立方體衛星，搭乘“天鵝座-4”貨運飛船發射升空，前往國際空間站。家長與孩子們一起觀看衛星發射的電視轉播。當發射成功，孩子們都蹦跳起來：我們成功了！

5月16日，國際空間站上的立方體衛星噴射系統開始一個接一個地噴射部署衛星。這是一個緊張而激動的時刻！美國宇航局局長博爾登來到圣·托馬斯·莫爾教會學校，與學生們一起分享衛星噴射成功的圖像。

只見，立方體衛星發射系統內部彈簧釋放，將立方體衛星噴射部署在距地球約400千米高度。30分鐘后，“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星的內部計時器和計算機開機，并開始傳輸信號。圣·托馬斯·莫爾教會學校衛星團隊利用地面站，傾聽來自衛星的信標，以確定衛星的功能和操作狀態。

“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星在太空中部署成功！世界上第一顆小學生立方體衛星部署到了太空！世界各地超過1萬名小學生參加遠程操作中心，當衛星飛過他們的學校，小學生們接收下傳的地球圖像和太空溫度。“圣·托馬斯·莫爾”號立方體衛星載入世界航天史冊！圣·托馬斯·莫爾教堂學校也載入世界航天史冊！

這是世界上第一顆小學生立方體衛星，也是美國宇航局部署的第一顆小學生立方體衛星。并且，“圣·托馬斯·莫爾-2”號立方體衛星也即將升空。家長們驚嘆道：真的！什么都可以學會！

超級分辨率：厘米

人類將望遠鏡送入地球軌道是太空時代最早、最成功的目標之一。“哈勃”、“開普勒”太空望遠鏡已經徹底改變了天文學。即將發射的“詹姆斯·韋伯”太空望遠鏡將極有可能獲得突破性的天文發現。太空望遠鏡已經從觀測太空和宇宙，發展到觀察地球、氣象預報和軍事偵察。

太空望遠鏡在很大程度上基于玻璃透鏡和望遠鏡。由于玻璃透鏡的局限性，太空望遠鏡卓越的工作效率為90%。玻璃非常沉重。在地球上，由于望遠鏡反射鏡的重量和大小限制，它們在自身的重量下開始變形。在太空中，它甚至更糟。光學太空望遠鏡衛星的重量迅速達到了頂點。

于是，美國環球航天技術公司的科學家們設想：是否可以建造一架可折疊塑料透鏡的太空望遠鏡。這種太空望遠鏡，以輕量級聚合物薄膜取代傳統光學玻璃，又輕又結實，可以非常巨大，分辨率極高。玻璃透光效率為90%，薄膜透光效率為30～55%。薄膜比玻璃的效率低，但它的大小可以彌補這一缺點。

因為薄膜望遠鏡可以很大，但重量很輕，并且可以折疊起來。據估計，這種薄膜望遠鏡的重量大約只有玻璃望遠鏡的七分之一。科學家們很有信心：有朝一日，這種可折疊塑料透鏡的太空望遠鏡可能會取代傳統光學玻璃太空望遠鏡。

基于這個思路，這家研究航天和國防的公司，構想了一種名為“云紋”的薄膜光學太空望遠鏡。幾個美國政府機構，包括美國國防高級項目研究局、美國宇航局，對這種可用于地球靜止軌道實時偵察的新技術非常感興趣。

2011年，美國國防高級項目研究局贊助1500萬美元，希望美國環球航天技術公司能夠將這種“云紋”薄膜太空望遠鏡做到直徑20米寬，或比美國宇航局的“詹姆斯·韋伯”太空望遠鏡大3倍以上。按照這樣的設計，當“云紋”薄膜偵察衛星運行在地球靜止軌道，將能夠覆蓋40%的地球表面。

“云紋”薄膜光學成像偵察衛星，又稱為薄膜太空望遠鏡。它采用塑料代替玻璃，衍射而不是反射或折射光線。許多個同心圓蝕刻進塑料薄膜，提供衍射，形成望遠鏡的效果。“云紋”是一種太空望遠鏡，也是一個衍射薄膜光學系統，厚度從4微米到幾百微米。

“云紋”薄膜成像偵察衛星與太空望遠鏡

“云紋”薄膜偵察衛星的原理

在太空展開后，衛星主體和圖像傳感器在上面，太空望遠鏡的薄膜鏡片在下面，三根長長的支撐結構架設起太空望遠鏡。當薄膜鏡片展開后，太空望遠鏡直徑達20米，上方的圖像傳感器聚焦圖像。它的分辨率為1米，每秒生成一幀視頻或圖像，覆蓋10×10千米。

“云紋”薄膜衛星將運行在距地球表面3.6千米的地球靜止軌道，提供7天×24小時的可見光圖像覆蓋，美國國家圖像可判讀等級（NIIRS）為3.5+，刷新頻率至少為1Hz，覆蓋面積超過155平方千米。它還可以運用激光通信技術，隨時與地球通信，傳遞偵察情報。

幾種望遠鏡的尺寸比較

“云紋”具有體積更大、成本更低、重量更輕；穩定性高、動力學性能好；移動目標快速探測、戰術地理定位精度高；圖像分辨率高、視頻圖像穩定；近實時傳輸、傳輸保密；向作戰人員提供持續、實時的戰術視頻；如有必要可增加光譜帶寬等特點。

目前，“云紋”薄膜衛星只是一個演示系統，成本預計每顆低于5億美元。美國國防高級項目研究局對“云紋”薄膜衛星十分著迷，并寄予厚望。“能不能將薄膜太空望遠鏡造得更大一些？”“能不能讓薄膜衛星看得更清楚一點？”“將來的薄膜衛星應當看到子彈在飛！”美國國防高級項目研究局要求美國環球航天技術公司將分辨率提升到幾厘米，如同眼前視覺一樣。

科技，掌控未來！

想象力，永遠比科技更重要！

當人們驚嘆于“云紋”衛星的強大功能和超級分辨率的時候，美國國防部笑了：能看見坦克、飛機和導彈的時代已經過去。現在是看清手槍、子彈、手機和筆記本電腦的時代了。如果高興的話，還可以看看情人那漂亮面孔上的美人痣。科技，正在日新月異，稍不注意就老母雞變鴨了。

薄膜，太空望遠鏡！分辨率,幾厘米!“云紋”薄膜衛星將有可能徹底顛覆傳統太空望遠鏡和偵察衛星的模式，非常新穎和擁有創造性，展示了無限美好的前景。這是一顆劃時代的衛星，具有里程碑意義。

當問美國環球航天技術公司的科學家們：你們怎么想出這么絕妙的方案的？科學家回答：那種靠抄襲、模仿和偷盜的方法，永遠不可能強大。這年頭，比的不僅僅是科技，更是智慧！想象力，永遠比科技更重要！