原创 中国航天报 中国航天报
照片是航天科学活动最重要的探索成果和科研依据，让大多数没机会进入太空的人们可以看到宇宙里有什么。“祝融”号登陆火星时就第一时间为我们传回了火星照片。
那么，这些照片是用什么仪器拍摄的？如果把自家的普通相机送上太空，能不能用呢？其实答案并不单一。我们今天就来讨论两种不同用途的相机：一种是航天员带到太空使用的相机，另外一种是装在火星车上遥控使用的相机。
“祝融”号上的地形导航全景相机
耐高温曾是飞天门槛
早在阿波罗计划时期，美国宇航局的科学家们就在讨论一个问题，航天员登上月球表面之后，该用什么手段为人类带回月球上的景色呢？
众所周知，月球上的自然条件和地球上完全不同，航天员登月一般选在月昼期间，也就是太阳直射月球表面的那半个月，任何带到月球上的东西都需要考虑防高温这个问题。
在太阳直射的条件下，月球表面的温度可达到200多摄氏度，地球上没有任何一种普通的民用相机是为这种环境设计的。
另外，当时的相机一般都是使用胶卷来作为成像手段，真正起到影像记录作用的是焦点表面喷涂的那一层卤化银颗粒。上了年纪的摄影爱好者中，有不少人具有使用胶片摄影的经验。他们应该一定知道，在购买胶卷时，包装盒上都会用醒目的字体指出，“不要置于高温环境下”。
如今，胶片相机的时代过去了，相当多的胶卷厂已经停产。很多摄影老手为了更好地保存自己手里越用越少的胶卷，往往会把他们放在冰箱里，那么在阿波罗登月时代这些胶卷怎么承受得了极限温度呢？
阿波罗计划期间，美国宇航局选择了瑞士哈苏公司研制的哈苏500EL相机。虽然这种相机价值数万美元，但已经是哈苏公司最便宜的型号之一了。美国宇航局看中它并不是为了省钱，而是因为哈苏500 EL在航空摄影活动中表现出色、性能稳定。为此，美国宇航局还委托柯达公司，为哈苏500 EL相机配套研制了70毫米正片。
哈苏500EL相机
此外，美国宇航局还选用了徕卡相机。不过，这些相机统统被扔在了月球表面，因为返程需要携带大量月球岩石和土壤样品，没地方留给它们了。
上世纪60年代，日本相机企业开始崛起，并且积极参与美国宇航局的太空飞行活动。到1971年，日本尼康公司提供了一批F相机和特殊改造的镜头给美国宇航局，用于阿波罗15号任务。
1973年，一种改进型尼康F系列自动对焦相机登上了美国天空实验室空间站。有意思的是，因为研发费用太高，所以尼康公司向美国宇航局提供相机的合同是赔本的，而且损失惨重。但尼康公司通过宇宙相机的研制取得了大量科研成果，特别是大大提高了尼康产品的可靠性和操作性能，更为自己赢得了巨大声望，成为美国宇航局的长期合作伙伴。从这些方面看，尼康公司也算是“失之东隅收之桑榆”了。
数码时代带来的变局
进入数码时代之后，人们再也不用担心胶卷是否能耐高温了，只要相机里装的感光器件能够经受住火箭起飞和飞船返回的剧烈震动和冲击就可以。事实证明，主流单镜头反光照相机制造商为了野外摄影所设计的严格环境标准在太空也是管用的。
第一种进入国际空间站的单镜头反光照相机是尼康F4，它于1991年升空。1996年，柯达公司与尼康公司合作研制的柯达DCS 460 相机升空。到1999年12月，最后一种胶片相机尼康F5升空。这次飞行非比寻常，尼康F5被直接带到航天飞机之外的太空中，用来拍摄舱外行走的过程。
尼康F4
后来，美国宇航局完全放弃了柯达品牌，全面转向尼康数码相机。2013年～2016年间，美国宇航局购买了48 台尼康D4 相机和64 支镜头。2017年，美国宇航局再下大单，一下子购买了53台尼康D5。微单时代来临之后，喜欢尝试新技术的美国宇航局也没有放过，把一台索尼α7S II送上了国际空间站。
随着数码技术的发展，美国宇航局也一直在研究电子产品能不能直接上天。根据到目前为止的统计，已经有iPhone4、HTC Nexus One、iPad2 这三种数码产品被送上天并且还拍过照。
火星上的相机大不同
前文说的大多是普通民用相机，即使被称之为“专业照相器材”，也是大批量生产的商业型号。火星车上携带的相机就不可能直接采购商业相机了，连改造都行不通，堪称“私家订制”。
以正在火星上运行的毅力号火星车为例。它携带了大小不同的23台相机，其中最重要的被称为“主相机Z”。“主相机Z”由两台单独的相机组成，可以起到3D摄影的效果。按照美国宇航局的说法，“主相机Z”能够感知类似于人眼的红、绿、蓝颜色，以及超出人类颜色感知范围的紫外线和红外颜色成像。在最大的焦距时，“主相机Z”可以看到近处铅笔尖大小的东西，也可以看到一个足球场外杏仁般大的目标。
毅力号身上居然有23台相机
“主相机Z”的关键技术很多，其镜头变焦机构就是重中之重。按照美国宇航局专家的解释，它的光学设计与民用相机变焦镜头有相似之处，但机制是不同的。
普通相机的变焦镜头往往采用旋转变焦，在镜头内装有螺旋形的轨道。轨道上有润滑脂，转动变焦环就可以驱动镜筒运动，改变焦距。但随着时间的推移，润滑油脂会出现分解和变质，变焦机构的机械性能会退化，导致其难以移动，最终镜头会自己把自己锁死，必须拆开清理、重新加注润滑油才能使用，而这在火星上当然是行不通的。
为了解决这个问题，“主相机Z”沿用了“好奇号”主相机的基本设计，并且进行了一定的改进，镜头用电子箱、滤光片轮、变焦镜头和对焦机构组成系统，还自带遮光罩。镜头变焦范围从6.2～100.4毫米变为26～110毫米。同时，简化光学设计，降低对透镜元件位置变化的敏感性，并大大降低光学元件制造和装配过程中出现问题的风险。
“主相机Z”的变焦是一种全折射设计，由一个移动聚焦镜片组、两个移动变焦镜片组、三个固定镜片组和一个平面元件（滤光片）组成。光学元件和所有运动部件都密封在光机透镜外壳内，以防止灰尘污染。还有一个用电机驱动的齿轮机构，在不同的光照条件下换用不同的滤光片，能够形成11种不同色调的图像。
事实证明，“主相机Z”的设计是合理可行的，能够为人类提供这颗红色星球的宝贵图像。
随着技术的发展，人们用来记录影像的设备越来越多。今后还有什么东西能到太空中去拍照，我们有没有机会把自己的相机送进太空试一试？还真是一件值得期待的事情。
文/ 常飞
原标题：《从“高端民用”到“私家订制”——扒一扒那些太空相机》
