通過太空艙的窗口看地球 楊利偉 攝于神舟5號
神舟五號的成功發(fā)射與勝利返航使全中國人民歡欣鼓舞，而我國第一位宇航員楊利偉在太空拍攝的我們美麗的地球的圖片使攝影愛好者不禁提出許多有關太空攝影的問題：為什么太空攝影會引起全世界的關注？太空攝影對照相機有什么特殊要求？宇航員使用什么攝影器材？發(fā)達國家是如何拍攝太空圖片的？我們國家應當如何利用太空攝影收集更多的有關地球信息？本文將結合一些發(fā)達國家的經驗，部分地回答以上問題。
太空攝影為何會引起全世界的關注
在美國軍方教科書上開宗明義地寫到：空間攝影的目的是“收集不同形式的政府級物體”。當然，為了滿足科研需要和一般人員探索太空的興趣，也可以為科學實驗和用于公眾事業(yè)提供有用的圖像資料。航天飛機和國際航天站上的宇航員不停地拍攝有關地球的照片，在航天飛機上拍攝的照片85%是有關地球外貌的。而宇航員手持的照相機則主要用來拍攝地理圖像、海洋、氣象現象，如云團、臺風等物體。
蘇聯在“禮炮”飛船計劃中使用了由東德制造的MKF6多波段照相機進行了地球表面特點的地形攝影。美國的第一個載人飛船“水星計劃”從1958年開始就進行了一系列空間實驗活動，如對零重力、航天醫(yī)學、太空輻射等研究，當然也開始了太空攝影的活動。在以后進行的“雙子星座計劃”中（1961年起）又將20名宇航員送入太空，并且首次實現了太空對接。其中取得的重大科學實驗成果包括氣象研究和地球攝影?！鞍⒉_計劃”首次將人類送上月球，使全世界的人們從阿波羅傳回的圖片親眼看到了人類登上月球這一世間壯舉。而美國的空間站“太空實驗室”(Skylab)和航天飛機更是發(fā)回了大量的有關地球的珍貴圖片及在距離地面430千米的軌道上從太空實驗室中拍攝的地球的表面形貌和多波段的圖像。
這些圖片不但滿足了人們從太空觀測地球的夢想，又提供了大量有關大氣、海洋、環(huán)境污染和礦產資源的信息。
太空攝影對照相機有什么特殊要求
首先，太空中的照相機必須能夠在真空和零重力條件下工作。其次，太空船都是嚴格密封的，使用的儀器不能產生有害氣體，甚至火花。另外，由于宇航員身著厚厚的宇航服和手套，照相器材必須在戴著手套的情況下也易于操作。因為在太空中由于沒有大氣層的保護，太陽的輻射以及陽光在相機上的反射比在地球上強得多。另外由于太空艙的空間和荷重都非常寶貴，不可能提供備份相機來防止意外的損壞，因此，照相機的可靠性是另一個重要的因素。
為了滿足這些苛刻的條件，必須對上天的照相器材加以重新設計和改進。比如，所有機身中皮制的部分必須使用金屬、外殼必須鍍成不反光的黑色、塑料部件必須符合真空操作需要，而所有電子器件的焊點均要符合航天的特殊要求。如：經過特殊設計的電池艙要能夠防止電解液泄漏，甚至膠片的厚度也需要減薄。而且對于快門速度的準確性也提出了更高的要求。
照相機的操作部分要適應宇航員的需要，如要加大卷片手柄和倒片鈕，加大計數器的數字和窗口，可更換鏡頭的接口必須更加方便、適用。而我們通常使用的聚焦環(huán)必須加上“耳朵”，以方便宇航員戴手套聚焦。
太空人使用何種攝影器材
美國最早用于水星計劃中的哈蘇相機
早期的太空航行中使用的照相機一般是市場中的優(yōu)秀相機，如美國早期太空計劃中的“水星計劃”所使用的是哈蘇照相機（Hasselblad）。
這種哈蘇照相機還被帶到了月球上。這種相機一般配有60mm廣角鏡頭、80mm標準鏡頭、105mm、250mm和500mm高分辨率長焦距鏡頭，此機是半自動采用密封Ni－Cd電池的馬達驅動。讀者也許在關于太空遨游的圖片中看到過，宇航員將哈蘇照相機掛在宇航服的胸口部分，隨時可以拿起相機拍照。在早期的工作中，人們在底片的焦點平面上安置reseau網格，可以提供光學校正的標準數據。在登月過程中，哈蘇相機被用來拍攝微弱光線、來自地球的光線和紫外線攝影。應該說，在人類征服太空的征程中，哈蘇相機功不可沒。
尼康F3大相機
尼康F3小相機
尼康照相機是最早被美國航空航天局（NASA）認定的日本照相機。早在1971年尼康F相機即被送入太空參加了阿波羅15計劃。與民用尼康F型照相機相比，空間攝影對尼康相機提出了更高的可靠性和可操作性的要求。為了滿足NASA的需要，尼康研發(fā)了一款用馬達驅動的尼康F3“小相機（small camera）”。然而這款相機只不過是相對于它的大兄弟尼康F3“大相機（big camera）”而言。
在尼康F3大相機上裝有特制的薄型膠片，以適應這種空間觀測照相機對大卷底片的需求。除了以上型號以外，尼康還為NASA提供了特制的Nikon Photomic FT和Nikon Photomic FTN。在NASA的航天計劃中，應該說，尼康占有了35毫米照相機的主要位置。
美國航天飛機使用的太空大型照相機
特別值得一提的是在航天飛機上使用的大型照相機（Large Format Camera）。它被固定在飛機的貨艙上，膠片盒是預裝的2400張9英寸×18英寸的五種膠片（彩色/紅外、普通彩色，黑白、黑白/紅外線等）。這種大型照相機重約1500公斤，由美國航空航天局地面控制中心操縱，提供非常高分辨率的光學圖片。我們在報刊上看到很多關于地球的精美照片多是來自這樣的大型照相機。
除了拍攝固定的照片以外，16mm數據攝影機、電視攝像機、大范圍覆蓋相機(mapping camera system)、全景相機(panoramic camera)也被帶入太空。16mm的Maurer攝影機可以自動每秒鐘拍攝24幀畫面，或者由地面控制室或宇航員操控每秒鐘拍攝1、6或12幀畫面，從而在底片上記錄時間基準標記。這樣的攝影機可以由宇航員攜帶或者固定在飛船的窗口。由美國RCA公司制造的電視攝像機，在人類登月過程中記錄了歷史性的時刻。而美國西屋（Westinghouse）公司的彩色攝像機也參與了登月，它可提供每秒30幀彩色圖像，每幀525線的優(yōu)質圖像。宇航員可以手持攝像機，通過5cm的黑白監(jiān)視器聚焦和取景。由美國仙童公司出品的大范圍覆蓋相機是76mm格式，使用5英寸的膠片。這種相機用在月球表面的高精度形貌成像。另外一種特殊照相機是全景照相機。這種相機類似于拍攝大型團體合影用的搖頭相機，利用底片前的狹縫寬窄和相機轉動速度來決定曝光時間。全景相機采用折疊式的600mm鏡頭f/3.5，視角10.77度，在100千米高空觀測范圍是20千米。在拍攝過程中，鏡頭繞軸心旋轉，而狹縫（根據需要在0.38-7.6mm之間）保持打開。這種方式拍攝的照片覆蓋角度達108度，提供的信息量很大。
發(fā)達國家是如何拍攝太空圖片的
美國的載人空間攝影開始于1960年左右，由雙子星（Gemini）計劃、阿波羅（Apollo）計劃，航天飛機（Shuttle）、空間實驗室（Skylab）和國際空間站（International Space Station）拍攝的地球上的地貌、海洋和大氣照片深深地影響了一代又一代人。早期的空間攝影為黑白、彩色、彩色/紅外膠片，而現代的攝影技術高速發(fā)展，存貯介質已經轉移到數字存儲（磁盤）或者實施傳遞（將拍攝信號實時傳送到地面控制中心）。除了特殊高分辨率圖像的需求以外，許多太空攝影工作可以用現代的數字相機代替了。
如前所述，照相機所使用的底片主要是70mm和35mm兩種格式，成像為黑白、彩色和彩色/紅外膠片等。
太空攝影并非只是那些震撼人心的淡藍色地球的圖像，更多是搜集科學和軍事的信息。我們常說的攝影實際上屬于被動探測(passive remote sensing)，收集的是來自太陽照射地球的自然光，而更有軍事用途的是主動探測(active remote sensing)，即探測人工發(fā)射的光源，如雷達、激光所照射的物體反射的光線。對攝影師來說，記錄的只是地球反射太陽光發(fā)出的紫外線、可見光、近紅外光譜中的可見光部分（波長400-700nm）。而地球表面由于人類活動和各種工業(yè)設施，發(fā)射其他波段的輻射，如中紅外線、熱紅外線、微波輻射等。探測這些輻射的分布在軍事上有特殊用途。比如，對熱紅外線成像可以準確地判斷局部發(fā)熱的設施，如工廠、電站等。在紅外線成像的照片上也會發(fā)現有趣的現象，如綠樹在紅外照片中顯現出紅色或者粉色。
載人飛船攝影提供了在地球上所無法得到的重要信息，比如：1.可以在與太陽成特殊角度時對地球成像，即從低于地平線直到垂直于太陽光成像。這些獨特的光線條件是一般遙感技術所無法達到的。2.當飛船拍攝垂直于地球表面的圖像時，在不同的角度采用序列攝影可以形成所謂立體攝影效果（由于人的雙眼觀測物體有一個夾角，因此可以判斷物體的遠近），更加便于識別地面的物體。3.更加充分了解在熱帶地區(qū)，如靠近赤道的區(qū)域是一般技術難以探測的，而正是這些地區(qū)由于人類的影響而造成環(huán)境的迅速破壞。
從上面簡單的介紹可以看到，人類在太空的攝影內容極其豐富，已經遠遠超過地球上的攝影愛好者所能涉及的范圍了。
我國應如何利用太空攝影收集更多的地球信息
隨著現代高技術的發(fā)展，宇航員的攝影工作被大量自動裝置所代替，安裝在飛船外部和內部的攝像機可以按照地面控制中心的要求定時拍攝有關的地區(qū)。然而，作為人類探險的重要組成部分，宇航員可以隨時根據需要手工調控照相機角度，拍攝特殊的角度和對重點區(qū)域進行照相觀測。因此，這就對非專業(yè)訓練的宇航員提出了更高的要求。根據美蘇早期經驗，宇航員的攝影工作會受到很多限制，比如由于他們忙于其他空間實驗，會錯過最好的角度；或者他們在睡夢中漏過太陽照射地球的第一縷光線，或者由于云霧遮掩，不能拍攝特定的地區(qū)。當然，沒有經過專業(yè)訓練的人員會不可避免地犯些技術上的錯誤。從楊利偉拍攝的那幅地球照片中可以清楚地看到太陽能電池的光帆遮住了地球很大區(qū)域，而圖片中清晰可見舷窗在照片中的強烈反光（見圖5）。這些問題如果訓練有素應該可以避免。但是我們相信，我國未來的宇航員將會得到更加深入的攝影和地球科學的系統訓練，以便充分利用空間遨游的寶貴機會，為我們提供更加精美的圖片。
毋庸諱言，發(fā)射飛船的目的之一是用于軍事偵察。美國、前蘇聯發(fā)射的各種航天器（衛(wèi)星、飛船、航天飛機等）在不同的軌道上收集地面的各種信息。中國發(fā)射的飛船也將對自行研制的空間攝影裝置進行測試，以改進中國軍隊太空偵察的質量。
現在我們可以自豪地說，我國載人航天器的順利發(fā)射已經開辟了中國人在太空直接觀測地球的新紀元。
本文刊發(fā)在2003年《中國攝影報》第88期6版
作者簡介
朱 星
早期攝影發(fā)燒友，曾經和弟弟在泰山頂上用國產120相機拍攝日出后，在山頂旅館蓋著棉被用瓷碗沖洗底片。
早期使用蘇聯佐爾基135相機，后成為尼康迷，現存有尼康單反相機、傻瓜相機多臺，后使用尼康995數碼等相機。喜愛自己沖洗底片、放大和后期制作。結合目前從事的納米光學研究，鉆研現代攝影技術在光學、微機械和納米科技的結合方面發(fā)展。
1986年獲得德國自然科學博士，現為北京大學物理學院教授，中國攝影報忠實讀者。
我要評論