太空望远镜是怎么应对镜片划伤的？
所以，太空望远镜的设计者们，在地面上的时候就已经把“防划”这件事看得比啥都重，并且也考虑到了万一真出了点意外，该怎么补救。
首先，咱们得从“预防”说起，这才是最关键的。
1. 防护罩和外壳的“层层保护”
你想想，太空里可不是风平浪静的。虽然没有我们地球上的风沙雨雪，但那里有太多“意想不到”的威胁。
微陨石和太空垃圾： 太空里漂浮着无数细小的尘埃、岩石颗粒，还有人类活动产生的太空垃圾。这些东西速度极快，就算是很小的，一旦撞击到镜片，也可能造成微小的划痕。所以，太空望远镜通常都有一个坚固的外壳保护，就像给它穿上一层厚厚的铠甲。更关键的是，主镜或者其他关键光学元件外面，都会有一层可活动的“防护罩”或者“遮阳罩”。
遮阳罩（Sunshield）： 像哈勃望远镜（Hubble Space Telescope）和詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）这样的望远镜，它们都会面对耀眼的太阳光，同时也要在极端低温下工作。遮阳罩不仅是为了屏蔽太阳光和地球的红外辐射，保持望远镜低温，它本身的设计也起到了阻挡一些较大颗粒物的作用。有些设计还考虑到了可展开和收拢，在发射过程中或者地面测试时，可以完全关闭，提供最高级别的保护。
光学元件的保护盖： 在发射之前，光学元件，特别是主镜和次镜，都会有专门设计的保护盖，就像给相机镜头盖上一层严实的盖子。这些盖子通常是多层结构，材质也会非常讲究，确保在剧烈的发射过程中不会对镜片造成任何损伤。
发射过程中的保护： 发射火箭会产生巨大的振动和噪音，即使在密闭的空间里，也可能有一些细小的颗粒物被卷入。所以在火箭内部的设计中，光学部分的保护是重中之重。会有额外的缓冲材料和固定的结构，确保镜片不会在发射过程中因为剧烈晃动而发生碰撞或被外部颗粒击中。
2. 精密的制造和清洁工艺
在地面上制造太空望远镜镜片，那可是“洁癖”级别的要求。
超高纯度材料： 镜片材料的选择就非常严格，要保证材料本身的纯净度，减少内部缺陷。
无尘环境生产： 整个镜片的打磨、抛光、镀膜过程，都在极其严格的洁净室里进行。所谓的洁净室，就是空气中悬浮颗粒物数量被控制到极低的程度，人员进入需要穿戴特殊的防护服，连呼吸都要经过过滤。这就像在无菌手术室里操作一样。
特殊镀膜： 镜片表面会有特殊的增透膜或反射膜，这些镀膜非常薄且精密，但同时也很脆弱。在设计时，会考虑镀膜的硬度，尽量使其能抵抗一些轻微的刮擦。但即使这样，一旦被划伤，影响还是很大的。
最后的清洁： 在所有组装工作完成，准备封装之前，会对镜片进行最后的、极其轻柔的清洁。使用的清洁剂和工具也是特别的，比如专门的镜头清洁液和非常非常柔软的无绒布，操作手法也极其讲究，都是经验丰富的老技师来完成。目标是万无一失，不留下一丝灰尘或指纹。
那么，如果真的不幸，在太空中镜片还是出现了划伤呢？
老实说，通常情况下，太空望远镜的镜片一旦出现比较严重的划伤，是没有办法直接修复的。 我们无法派遣一个宇航员去太空中，拿着砂纸或者抛光膏去给望远镜的镜片“磨平”划痕。太空环境太恶劣了，而且望远镜本身的设计和结构非常复杂，冒然去触碰，很可能造成更严重的损坏。
但是，工程师们会通过以下几种方式来应对：
1. 数据处理和算法的“软件修复”
这是最常用也最有效的方法。
图像识别和去除算法： 当图像数据传回地球后，科学家们会进行详细的分析。如果发现划痕导致了特定的图像畸变或者杂光，他们会开发专门的算法来“消除”这些影响。
卷积核和滤波： 通过分析划痕对光线散射的模式，可以模拟出划痕在图像上产生的“痕迹”。然后，在图像处理阶段，利用各种滤波器（例如中值滤波、高斯滤波）来平滑或者去除这些痕迹。这有点像我们用PhotoShop给照片去瑕疵，只不过这里的瑕疵是物理存在的，而且要求更精确。
盲去卷积（Blind Deconvolution）： 对于一些更复杂的划痕导致的模糊，可以尝试使用盲去卷积技术。这种技术试图同时估计原始清晰图像和引起模糊的“点扩散函数”（PSF），从而还原出更清晰的图像。划痕就像一个特殊的PSF。
机器学习的应用： 随着技术发展，机器学习也被用来分析和修复划痕造成的图像损伤。通过训练模型，让它识别划痕的模式并进行自动校正。
校准和畸变补偿： 即使有划痕，望远镜的指向性、焦距等参数也会通过定期的校准来维持。通过精确测量望远镜的指向和光学系统的整体响应，可以对数据进行校准，部分抵消划痕带来的不规则效应。
2. 利用冗余系统或备用元件（如果设计允许）
一些高级的望远镜设计可能会考虑到一定程度的冗余。
备用成像设备： 少数非常关键的科学仪器可能会有备用的成像传感器或者光学路径。如果主镜的某个区域因为划伤严重影响了成像，但其他区域完好，并且有备用设备可以覆盖一部分视场，那么就可以切换到备用设备来继续工作。但这通常不是针对镜片划伤的直接解决方案，而是更侧重于仪器本身的可靠性。
可调节的反射镜或补偿光学： 极少数情况下，如果望远镜设计得非常先进，可能包含一些可以微调的光学元件，用来补偿某些已知的光学缺陷。理论上，如果划痕的特性被精确测量，也许可以通过调整其他元件来部分补偿。但这非常困难，且成本极高，在实际应用中非常罕见。
3. 接受影响并调整观测策略
有时候，最好的办法就是承认现实。
避开划痕影响的区域： 如果划痕集中在镜片的某个特定区域，并且这个区域对应的天空视角不那么关键，那么科学家就会调整观测计划，尽量避免将重要的观测目标对准被划伤的区域。
降低科学要求： 对于一些非关键性的观测任务，或者对图像质量要求不那么苛刻的科学研究，望远镜即使有轻微划伤，也可能继续工作，只是对数据进行一些额外的处理。
调整观测曝光时间： 有时候，划痕会引入额外的散射光，使图像变亮或者出现噪点。可能需要调整观测的曝光时间，以在不牺牲信号的情况下，尽可能降低划痕的影响。
4. 更换光学组件（极其罕见，几乎不可能）
对于像哈勃这样的大型望远镜，是可以进行在轨维修的。宇航员曾经为哈勃更换过主镜（虽然最初更换主镜是为了纠正制造缺陷，但理论上，如果主镜有无法修复的严重划伤，更换是最终的解决方案）。但请注意：
极高的成本和风险： 在轨维修是一项极其复杂、昂贵且风险极高的任务。需要专门的航天器和训练有素的宇航员。
对望远镜结构要求极高： 望远镜的设计必须预见到未来可能需要更换某些组件的可能性，并在结构上做出相应的安排。不是所有的太空望远镜都支持这种级别的维修。
主镜的更换更是难上加难： 主镜是整个望远镜的核心部件，非常庞大且精密。更换它需要非常精确的对接和安装，难度系数非常非常高。
总结一下：
太空望远镜镜片划伤的应对，核心在于“预防为主，软件补救”。由于无法在太空中进行物理修复，大部分工作都集中在地面上的精细制造、发射前的保护，以及回传数据后的高级图像处理和算法优化上。即使是最先进的望远镜，一旦出现严重的划痕，也会对其性能造成不可逆的影响，但科学家们会尽一切可能，通过各种“软件技巧”来最大化地挽救观测效果。而更换主镜这种物理修复，虽然在某些特定情况下（比如哈勃）有过先例，但对于绝大多数太空望远镜来说，都是一个几乎不可能完成的任务。
网友意见
我们先说说哈勃吧。这张图片是0.5mm的微流星体（也称为微陨星、微流星或流星尘）撞在哈勃望远镜的太阳能电池板阵列上造成的直径4mm的弹坑。
再远一点看，这样的撞击不止一处。
撞击很频繁还是很少见？
微流星体和轨道碎片，在NASA内部称为MMOD（Micro-Meteoroid and Orbital Debris），它们对人造卫星等设备的撞击已经不是什么新鲜事儿了。每次对航天飞机等轨道飞行器进行飞行后检查时，都能在外壳上观察到微小的陨坑。甚至在空间站的扶手上都会留下小而锋利的坑。航天飞机STS-135任务时带回来一条服役了8.7年的只有短短34.8厘米长的扶手上，就发现有六个撞击坑。扶手是一个特别敏感的地方。别看这个坑很小，凸起的锋利金属边缘只有0.3毫米左右，NASA研究表明0.25mm的唇边足以钩住和撕裂太空服手套的防弹材料制成的外层，从而引发宇航服气体泄露失压的极大危险。例如，宇航员里克·马斯特拉基奥（Rick Mastracchio）在STS-118期间就遇到过这样的危险从而匆忙结束了他的EVA行走。
借助1993年的SM-1任务和2002年的SM-3B任务，哈勃团队从哈勃望远镜拆回了一部分太阳能电池板返回地球以供研究。SM-1的太阳电池共有162处从3μm到3800μm（即3.8mm）大小的撞击坑，其中有61处确认是由微流星体产生的。而SM-3B的111处损坏中，有45处确认是由微流星体产生的。另外有大约25％的损坏特征无法分辨来源（微流星体或空间碎片）[1]
1999年12月的STS-103任务期间，宇航员借助电子静止照相机（ESC）拍摄了哈勃外壳的所有可见区域。斯科特·凯利（Scott Kelly）共拍了99张照片（200毫米镜头拍了50张，400毫米镜头49张）。NASA约翰逊航天中心的图像科学和分析小组后来发布了编号为JSC-29539的关于MMOD对哈勃望远镜的影响的调查评估报告。该报告对拍摄的哈勃照片进行了仔细分析，识别出明显的高速撞击特征共571处（200 mm镜头照片中为398处，400 mm镜头照片中为173处）。在200 mm镜头拍下的照片中看到最普遍的孔径为2-3 mm，但是更高分辨率的400 mm镜头下，呈现了更多的孔径在1-2 mm撞击坑。
确定撞击粒子通量的最重要指标之一就是撞击的密度（每平方米的数量）。在哈勃望远镜上发现的平均冲击密度约为每平方米45处，相当于每一个iPad那么大面积上就有1.35个坑（如果我没算错的话）。这只是从90年发射到99年末的十年间的累积撞击量。
有了撞击密度还不够，在评估流MMOD撞击风险时，最终还得看是否有结构损坏。由于MMOD的撞击速度通常高达每秒10-20公里（相比之下，子弹也就每秒几百米），因此可以轻易刺穿压力容器，从而导致整个系统甚至整个航天器/设备遭到破坏。[2]
这么多MMOD都来自哪里？主要来自行星际空间、各大国反卫星试验以及后来的2009年的铱33撞击事件等。产生的碎片间会经常碰撞，每次碰撞又都会产生新的碎片，然后触发更多碎片碰撞。碎片将越来越多。这种状况被称为：凯斯勒现象（Kessler Syndrome）。
由此可见，MMOD的撞击，并不是罕见的，而且会越来频繁。
哈勃的镜片划伤怎么办
当年为了减轻发射重量，需要每一处都能轻则轻。镜片也不例外，哈勃使用的是超低膨胀玻璃，为了把重量降至最低，镜片实际上采用的是蜂窝格结构，只有表面和底面各一英寸是厚实的玻璃。但发射上天后才发现，图像相当的模糊，那一年，哈勃成了全球天文界的笑柄。
对图样缺陷的分析显示，问题的根源在主镜的形状被磨错了。镜面边缘太平了一些，与需要的位置差了约2.2微米，但这个差别造成的是灾难性的、严重的球面像差。来自镜面边缘的反射光，不能聚集在与中央的反射光相同的焦点上。
2.2微米，对于精密的哈勃望远镜来说，已经是个很大的数量级了。而MMOD所能造成的危害远比这个要严重的多。
那哈勃望远镜的镜片岂不是也全是划痕？
很多人一想到望远镜的镜片，脑海中应该是这样的：
但实际上，哈勃是一种卡塞格林望远镜。它的表面是没有镜片的。
简单粗暴的说，卡塞格林望远镜就是一个很深的空桶，在桶底有一面抛物面镜做成的主镜，主镜将入射光线反射到主镜中心的双曲线面凸面镜中，再次反射到主镜中央的一个小洞里，起到将像射入目镜（哈勃用的是数字成像元件组）的作用。
看下图中蓝色部分，描述的就是哈勃远望镜的光线的路径。
这种只有多次反射没有折射的光学设计，即避免了佳能索尼尼康拍出来的那种有色散紫边等的折射现象，还能有效的紧缩镜筒的长度，让重量足够轻。封闭的镜筒设计虽然会造成集光量的损失，但镜筒可以更加干净，主镜也能得到保护，免受MMOD的直接侵害。
那如果有小型的MMOD闯入镜桶中乱反弹--虽然概率很低--那不也会伤害到主镜镜片么？哪怕最后不损伤镜片而是落在主镜片上，总不能派个宇航员去一边哈气一边擦玻璃吧。。。
不过事实上还好，由于主镜是一个凹面镜，灰尘和微粒只会降低成像处的光强，但不影响成像（具体就不展开写了）。如果遇上流星雨，那就直接调转身体，把屁股朝向入射的方向。再不行，哈勃镜桶前还有一个盖子，还可以把眼睛遮起来嘛，就像这样。
哦，不是这样，重来：
所以，哈勃的镜片划伤而影响成象是极小概率事件。
JWST怎么办？
詹姆斯韦伯望远镜，简称JWST，采用的是和哈勃不一样的形态。
下方那个银色的相当于网球场的大小的五层盾，非常的轻薄，每个遮阳膜层的厚度比头发还薄（面向太阳第1层厚度仅为0.05毫米，而其他四层为0.025毫米。硅涂层的厚度约为50纳米，而铝涂层的厚度约为100纳米），主要用来防晒从而保持主体的低温（and挡光），在JWST计划的10年任务中，它将受到大量的MMOD的攻击。更不要说连主镜片也是暴露在外。。 所以在设计之初，就要求它必须在400K至30K的极端温度下能长期抵御磨损，拉伸，撕裂和破裂。
位于阿拉巴马州的奥本大学超高速冲击试验场里，科研人员对这个硅涂层Kapton薄膜做了大量的MMOD冲击试验。最终确定下来的设计中，五层膜每一层的间距要非常精确，甚至还有特殊的接缝和加强条以减少MMOD的损坏。其中位于主镜下方的第五层的作用，就是为了尽量防止MMOD形成孔洞。
为了实现足够轻薄的同时又能拉到足够大的面积，Kapton膜材料是相当坚韧的，但如果一旦撕裂或出现小孔洞，这种韧性反而会让孔在很短的时间内变得更大。因此，在缝合时采用称为“热斑粘合（TSB）”的特殊工艺，让膜不是缝在一起而是融合在一起。此外，每隔大约6英尺，就会有一个加强条（类似金工中的加强筋）热粘合到母膜上，从而形成“防撕裂”的网格图案。大量的测试表明，这种方法可以有效的阻止撕裂，并防止其延伸到网格区域之外。因此，即使MMOD撞击膜材料后产生孔洞，其损坏的大小也将受到严苛的限制。堵不如疏，既然这些MMOD阻挡不了，那就让损坏范围足够小，小到可以接受的范围。
那镜片呢？刚才说了，凹面镜上的划痕不影响成像。其它镜片受到膜的保护也不会受多大影响。其它关于L2拉格朗日点的影响，其它答主也有提到，我就略了。
什么时候鸽王JWST发射了，我再更吧。
一更：我还是忍不住更新了。。。
有人问我说，太空望远镜到底有没有被MMOD严重伤过？
答案是：有的。
2009年夏天，NASA在对哈勃太空望远镜广角行星相机2（WFPC-2）散热器组件进行检查时在热喷涂层中发现了很明显的大面积撞击剥落特征，而在此之前WFPC-1散热器的检查中也发现了同样的撞击。
WFPC-2的外表面有一层100-150μm厚的原钛酸锌（Zn2TiO4）纳米晶薄膜涂层和一层YB-71导热涂层，它们共同让外表面呈现白色，而那些黑色的点点就是在MMOD撞击坑上为取样而人为钻的洞，这一片不大的散热器组件上共观察到677个冲击特征（小于300μm的不计）[3]。如果你在2010年左右去过华盛顿的史密森国家航空航天博物馆，你快去翻翻相机里是否拍到过这个展品（可惜我2016年去的时候已经撤展了）。
根据NASA和ESA的数据统计，哈勃太空望远镜的每块太阳能电池（面积为8平方厘米）在8.25年的太空暴露期内的平均受撞击次数达到12次。[4]但还好都没有伤到核心元件。如果要举伤到核心元件影响拍摄的话，那不得不提XMM-牛顿卫星（是ESA的多镜片X射线观测望远镜），它的电荷耦合器件（CCD）中的象素点至少有五次被MMOD永久撞毁了。[5]算是目前被MMOD伤的最深的望远镜了。
最近十年的各国实验室数据表明，0.1毫米大小的超高速MMOD颗粒就能损坏航天器的涂层、箔片或者太阳能电池，毫米大小的超高速粒子就有机率穿透坦克装甲那么厚的金属板[6]，大于1厘米的MMOD碰撞就可能会使正在运行的卫星设备失灵或破裂。而大于10厘米的碎片撞击就足以刺穿任何SiC保护层并产生大量碎屑云，这些碎屑云随后又会撞击内部结构，除了包辛格效应，还会造成大量的无序分布的微裂纹，并将产生更多的亚毫米大小的碎屑飘荡在望远镜内部，引起间接的干扰或损坏，比如产生碰撞电离等离子体或通过触发预充电表面产生静电放电等。我以前零星看过一些关于航天器的故障报告中，就有因为超高速撞击产生的静电放电(ESD)或电磁干扰/电磁脉冲[7]而导致的。
实际上，机械故障和等离子体导致的故障很多时候是共同存在的。超高速撞击会导致被撞击物质的表面变得粗糙，从而撞击坑周围形成许多微观不规则现象。这些微观上的不规则形状可能会显著增加局部的电场强度，然后由于隧道效应而导致电子释放，产生静电放电现象。[8]
如果在望远镜的设计之初没有充分考虑应对MMOD的保护，将会导致望远镜传感器和整体性能不可控的下降。外壳的保护层即使被刺穿很小的一个孔洞，也会由于等离子体、气体或者热量的渗透而导致更大的损坏。未来将有像JWST一样的更大型的望远镜被发射升空，它们有很多是直接裸露在太空中或仅被很薄的箔片保护，使得它们将不得不面对MMOD的频繁撞击。就像欧洲空间局的空间望远镜GAIA这样：
二更 多来点儿照片
有人说图太少了。那我就不写字了，来点图吧。
1。太空史上最惨烈的镜片损伤：
2.一小片油漆渣的威力
3.
4。哈勃的碟形天线
5.洞见宇宙的黑暗
6.还是个洞
7. 太空活靶子：长时暴露装置（LDEF）
拉近一点看
8.沙漠中的太空残骸
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参考
- ^The chemical composition of micrometeoroids impacting upon the solar arrays of the Hubble Space Telescope. Author: A.T.KearsleyaG.A.GrahambJ.A.M.McDonnellcE.A.TaylorcG.DrolshagendR.J.ChatereD.McPhaileM.J.Burchellf https://doi.org/10.1016/j.asr.2006.05.011
- ^ Graham G.A., Sexton A., Grady M.M., Wright I.P. Further attempts to constrain the nature of the impact residues in the HST solar array panels. Adv. Space Res. 20, pp. 1461-1465, 1997.
- ^ Kearsley A.T., et al. Micrometeoroid Impacts on the Hubble Space Telescope Wide Field and Planetary Camera 2: Larger Particles. LPSC 45, #1722, 2014.
- ^ Ross D.K., et al. Micrometeoroid Impacts on the Hubble Space Telescope Wide Field and Planetary Camera 2: Smaller Particle Impacts. LPSC 45, #1514, 2014.
- ^ Anz-Meador, P. D., et al. “Sampling and Analysis of Impact Crater Residues Found on the Wide Field Planetary Camera-2 Radiator.” Ed. L. Ouwehand. Sixth European Conference on Space Debris, Proceedings of the Conference (22-25 April 2013, in Darmstadt, Germany). ESA SP-723, 2013.
- ^ Matney, M., P. Manis, P. Anz-Meador, D. Gates, J. Seago, A. Vavrin, and Y.-L. Xu. “The NASA Orbital Debris Engineering Model 3.1: Development, Verification, and Validation,” Paper presented at the 1st International Orbital Debris Conference, Sugar Land, TX, 9-12 December, 2019.
- ^ article by Garrett,Close，2013.
- ^ Analysis of WFPC-2 Core Samples for MMOD Discrimination P. Anz-Meador (1), L. Le (1), M. Ward (1), K. Thomas-Keprta (2), and D.K. Ross
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