真正的玻璃心
“哈勃”望远镜最重要的莫过于2.4米的反射光学镜片。实际上早在1970年NASA就建立了两个委员会，一个负责规划太空望远镜项目的工程方面，另一个委员会确定任务的科学目标。早期的规划是建造3米的反射光学镜片，然而由于1974年-1976年的经费风波，镜片的尺寸整整打了八折，变成2.4米。之所以变成2.4米，是因为2.4米的镜片已经被用于军事侦察卫星了。
小有小的好处，望远镜硬件更加紧凑、整体配置更为有效。
1979年5月，在康涅狄格州丹柏立的Perkin-Elmer公司抛光中的哈勃主镜。出现在图中的是服务于珀金埃尔默的工程师马丁椰林博士。这张主镜是望远镜中最关键的部分。
一般的望远镜，镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一，但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线，所以需要比以前的望远镜高十倍的解析力，它的镜子在抛光后的精度要达到可见光波长的二十分之一，也就是大约头发丝直径的1/3000。照片摄于1979年PerkinElmer公司Wilton工厂
光学镜片前表面涂有三百万分之一英寸厚的铝反射膜，然后是百万分之一英寸厚的氟化镁保护层。镜片由熔融石英（二氧化硅）玻璃制成，具有极低的热膨胀系数，直径为2.4米，重约818公斤。中间的洞可以透过副镜反射的光。望远镜的主镜非常光滑，实际上如果镜片直径扩展到地球那么大，表面上最大的凸起只有15厘米高。
在28个月的研磨和抛光过程中，从镜片前部上磨掉了大约90公斤的材料，以使镜片表面具有合适的曲率。镜片中间圆孔由一块金属板覆盖，届时在太空中来自望远镜的副镜的光将通过该孔。
图片中的镜面加工设备是PerkinElmer专门定制的，搁今天看这些设备相当不起眼，甚至还有一些落后，然而PerkinElmer却开创了一个先河——数控加工！！！
为了磨制这样一枚直径达2.4米的主镜，PerkinElmer采用了计算机控制加工技术。
贪小便宜吃大亏
这让NASA吓了一大跳，你居然拿着政府的承包费搞创新，这还得了！？NASA立即联系镜面投标时另外两家公司，柯达和Itek，要求PerkinElmer一旦遇到问题要和柯达签订合同，改用传统的镜面抛光技术。
不过这也怨不得别人，谁让你NASA图省钱把这么个要命的东西承包给PerkinElmer呢？
陈列在博物馆的柯达产品，可以清晰看到内部的蜂窝状支撑结构。
后来，PerkinElmer磕磕巴巴地磨出了主镜，而柯达投标的2.4米主镜终究没有派上用场，被安置在国家航空航天博物馆永久展出；Itek投标的主镜则是老镜换新颜，被安装到Magdalena Ridge天文台使用。
望远镜光路由两个双曲面反射镜面组成：94英寸的凹面主镜和一个小得多的凸面副镜，副镜安装在主镜前约16英尺处。飞行了亿万光年的光子打在主镜上，接着被反射到副镜，再由副镜反射通过主镜的中心圆孔；图像在主镜圆孔后几英尺的地方聚焦。这就是Ritchey-Chretien卡塞格林光学系统。
反射成像的关键在于镜面距离和理论偏差不能太大，这个偏差有个极限值，多大呢？10纳米。坦白而言这个要求几乎不可能达到。太空中向阳面和背阴面温度相差数百摄氏度，温度涨落物体膨胀收缩就可能超过这个临界值。
为此PerkinElmer公司采用了熔融石英来制备镜面。上图为ESO超大地面望远镜副镜在德国美因茨退火，ESO超大地面望远镜是欧洲的旗舰级地面天文设备，曾在去年成功捕捉到行星形成画面，就是下面这幅图。这里有个小插曲，笔者写这篇文章时恰在黑洞照片公布的前一天，感觉下图与黑洞照片极为相像，于是潜心学习了一些天文知识，二者的渊源我们在后期文章中为大家介绍。
装备合适的光学设备后，“哈勃”太空望远镜能够在115纳米的远紫外端到100000纳米的远红外端感光。相比之下，地面望远镜感光范围只有300-1000纳米，这个光谱跨度就相当窄小了。
吃亏的事还没完，镜面抛光工作直到1981年5月才完成。此时已经接近“哈勃”升空的既定时间了。更为糟糕的是“哈勃”主镜制造严重超支。
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。很多事情想起来容易做起来难。
NASA为了省钱，不得不叫停了PE公司加工副镜的进度，并且将发射升空日期从1983年12月推迟到1984年10月，这是第一次推迟。
此时，NASA打死都不知道花了28个月千辛万苦磨出来的镜子居然是个残次品，这个问题直到“哈勃”升空运行后才暴露出来。
在“哈勃”于1990年发射后，美国宇航局发现主镜有一个称为“球面像差”的误差。镜子的曲率偏差不到百万分之一米—或仅仅是人类头发宽度的1/50。但这足以让哈勃的图像与应该得到的图像相比模糊了太多。为了弥补球面像差，NASA与Ball Aerospace合作开发了轴向置换光学矫正设备（COSTAR）。上面这幅图就是安装COSTAR前后“哈勃”传回的照片
木桶效应——吃亏吃到底
人们开始对Perkin-Elmer在这个重要项目上的能力表示怀疑，因为他们的预算和生产副镜的时间表还在延长。美国宇航局自然哑巴吃黄连，将望远镜的发射日期再次推迟到1985年4月，是为第二次推迟。
推迟半年？
半年哪够！！！
Perkin-Elmer加工进度加速“变慢”。美国宇航局被迫将发射日期推迟到1986年9月。这已经是第三次推迟了，到那时，项目总预算已加码到11.75亿美元。
玻璃心也有大作为
事情也不能全怪Perkin-Elmer，大口径反射镜片的加工是个世界性难题。
众所周知，根据瑞利定理，光学分辨率与波长呈现正比，而与镜片直径呈现反比。也就是波长越短，分辨率越高，相应镜片直径就要求越大。
对于可见光成像而言，波长确定了，因而分辨率的大小就完全取决于镜片直径。而大镜片加工难度主要还是集中在技术和材料上。事实上，这是困扰当今工程技术发展的两大主要障碍。
你可能想问了，“哈勃”能看清亿万光年以外的宇宙，分辨率这么高，那把“哈勃”转向地球，能不能看清地面上的人呢？
你别说，还真能！
为NASA制造“哈勃”空间望远镜的洛克希德公司，同时也在为美国军方制造当时最为先进的KH-11锁眼侦察卫星，KH-11的形状和主镜大小都与哈勃空间望远镜极为相似。然而KH-11的轨道比“哈勃”更低，所以对地面的分辨率也比“哈勃”望远镜更高，最小可以分辨大约15厘米的物体。关于KH-11侦察卫星实在是没有更好的照片了，只有上面这幅图，是不是很像“哈勃”？实际上，从成像到信息传输再到“易拉罐”式的航天器保护外壳，KH-11都和“哈勃”有着莫大的渊源
你可能以为洛克希德公司不务正业，事实上，造KH-11才是它的主业。洛克希德为美国国家侦察办公室（NRO）制造的KH-11更为先进，许多先进的技术、设备（比如数码相机、镜片还有最为关键的陀螺仪）都是最先用在质量13吨左右的KH-11上，相比之下“哈勃”才11吨。
上图为《全球高分光学星概述》一文中给出的KH-11侦察卫星示意图，RCS为16台反推力姿控发动机，DBS ANT为卫星通信天线。之所以长得和“哈勃”一样，是因为KH-11星载光学望远镜组件（OTA）采用与“哈勃”望远镜相似的反射镜二镜系统，有所不同的是相机副镜由6根石墨环氧树脂支柱支撑，每根支柱都装有伺服电机，通过控制电机来调节副镜，实现聚焦成像。可以说，除了副镜能动之外，KH-11最为核心的部分与“哈勃”一样
1976年12月19日，美国大力神34D火箭发射了历史上第一颗传输型侦察卫星——KH-11（一代星）。一代4颗星平均工作时间只有3-4年，1984年12月-1988年11月发射的3颗二代星达到了8-10年。
Titan（大力神）34D是锁眼系列侦察卫星的坐骑。不过这个坐骑脾气不太好，八十年代有过几次辉煌的失败，这些失败不仅打击了锁眼军事间谍卫星项目，而且还给了“哈勃”重重一击，导致了“哈勃”的升空时间再次推迟
KH-11与哈勃望远镜的太阳电池板均采用卷出方式展开，展开系统质量轻、复杂度低且展开异常几率小。这是网传的KH-11照片，我实在分辨不清“哈勃”和KH-11的区别，一来二者长得几乎一摸一样，二来关于KH-11的信息少之又少。关于卷出展开太阳能电池板可以看一下KH-12：
当时NASA决定将“哈勃”望远镜原计划的3米主镜更换为2.4米主镜也是因为2.4米主镜已经成熟运动到侦察卫星上了，直接借鉴过来省去了一大笔开销。
“哈勃”太空望远镜和同期开发的KH-11“锁眼”军事侦察卫星相似度之高，实在是令人咂舌。二者采用同一卫星平台（外观上“易拉罐”式容器），同一成像方式，同样的主镜，同样的照相机，同样的太阳能电池板结构，同样采用星际链路传输通信（这个后面讲）……
与其说可以把“哈勃”转向地球执行监测任务，不如说“哈勃”就是一颗将方向转向深空的侦察卫星。
在“哈勃”紧锣密鼓展开安装、调试时，KH-11的成像效果坚定了NASA和洛克希德公司的信心。
KH-11第一组星初试锋芒，上图1984年拍摄到的前苏联黑海尼古拉耶夫造船厂图片，造船厂的布局一清二楚，就连当时苏联秘密在建的基辅级航母5号舰都看得清清楚楚，美国海军分析师甚至预判出了基辅级航母即将在何时完工。
那么将“哈勃”对准地球能不能作为侦察卫星使用呢？事实上它已经对地球做过上千次观测了，当然其目的不是为了窥探什么地面目标，而是校正那些精密的探测器。只不过，对于哈勃来说，唯一不同的地方在于遥远的星系相对地球静止，而地球和“哈勃”则是高速旋转的（“哈勃”在轨速度达到28000 km/h），观测地面目标跑得太快。因而由“哈勃”技术“改装”而来的KH-11装了能够控制相机角度的星载计算机
这张照片就是控制相机角度是以斜角拍摄的基辅级航母。从这个角度能够看清造船厂和军舰的侧面大小和结构。由于“哈勃”的副镜是固定的，不能像KH-11那样调整角度，因而是拍不出这样角度的照片。向简氏防务周刊提供图片的美国海军图片判别工程师塞缪尔·莫里森（Samuel Morison）因此被判入狱16年（直到2001年克林顿卸任时得到赦免）。
还有一个问题，“哈勃”上的传感器是为拍摄黑色深空而设定的，而且往往需要长时间曝光。调准地球后“哈勃”会对不上焦，同时拍摄对象光线太强也会烧坏传感器。
当然，美国人也很惦记我们，上图是KH-11拍摄的我国轰炸机照片。据说对越自卫反击战时KH-11锁眼侦察卫星不但能够看清中国军人手里的步枪型号，还能看到军人的胡子。第二种说法可能有些夸大，但是观测兵力调动，炮阵地，步枪型号问题不大。
“哈勃”设计时奢望的3米镜片现今已经不是太大的技术问题，分辨率更高的光学侦察卫星KH-12就享用着直径3米的镜片。
对成像侦察卫星而言，主镜越大，就能够聚焦更多的光，分辨率也就越大。镜片的重要性不言而喻。人们经常错误地认为望远镜的力量在于放大物体。实际上望远镜是通过收集比人眼可以捕获的更多的光并将其一一区分开来发挥作用。因此望远镜的镜面做得越大，可以收集的光线越多，视野就越好。
光学镜片直径越大，质量会随之提高，制造难度也就越大，这是因为镜面微小的突起或者裂纹都会影响镜片的透光性能，进而降低卫星分辨率，从现在来看大直径光学镜片制造只有世界少数几个厂商能够掌握，这个领域国际上也是严格禁运。
欣赏一组超大镜片。
Steward Observatory实验室用了六年时间打磨成型的双面镜，将被安装到智利的LSST大型综合巡天望远镜上
赫歇尔太空望远镜主镜
军用废料变民用至宝
美国国家侦察办公室（NRO）还将两架空间望远镜（也就是侦察卫星啦）送给了NASA。这两台望远镜可能就是美国军方KH-11计划用剩下的“边角料”（建造于上世纪末的KH-11升级版CRYSTAL ）。
WFIST的光学系统与哈勃太空望远镜的光学系统类似。主镜直径约为2.4米，与哈勃望远镜大小相同，不同的是采用了更新更轻巧的镜面结构和材料，因而外观上也更为紧凑。这就使得两台望远镜拥有比“哈勃”更广阔的视野，能够以高分辨率在更大的天空区域成像（单次曝光成像区比哈勃大100倍）。
两架望远镜的所有权于2011年8月移交给NASA，但是直到2012年6月NASA才宣布接收捐赠，并计划将其中之一改造成广角红外巡天望远镜（Wide Field Infrared Survey Telescope）。
WFIST将用于研究暗物质、暗能量、宇宙膨胀。NRO将部分机密仪器移除，
不幸的是，它们还在仓库里呆着（保存条件非常苛刻，当然也非常烧钱），NASA目前也缺钱，所有开销都用在詹姆斯韦伯望远镜上了。发射它们要等到“韦伯”上天后的2020年。
不过，尽管NRO免费送了NASA两台空间望远镜，但上面的科学设备和发射及维护费用仍然需要NASA自掏腰包。所以，这两颗望远镜能否真的上天，还得看NASA有没有足够的经费。
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