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美国空间攻防对抗体系浅析

时间:10-09 00:00 阅读:5008次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源:高端装备产业研究中心,作者:太阳谷

【导读】随着国际竞争日益激烈,各国已经不再满足陆海空三个领域的角力,转而将目光聚集到尚显宽裕的太空领域,新一轮空间对抗由此展开。空间对抗即为争夺空间控制权、保证空间优势而采取的作战行动。空间对抗系统由空间态势感知系统、进攻性空间对抗系统、防御性空间系统三部分组成。作为部署最早、发展最快、体系最完善的空间力量,美国的空间攻防体系值得我们借鉴和学习。

战略理论

空间对抗战略起源于二战时期的美苏争霸。那时空间对抗更熟悉的说法是太空威慑,太空威慑与核威慑一道成为冷战时期军备竞赛的核心。冷战结束后,美国在太空领域出现一国独大的局面,尤其是1991年的海湾战争展现出太空系统在常规战争中的独有能力和优势,从而推动了后冷战时代美国威慑战略理论的变化,并催生太空威慑理论的独立发展。近两年内,空间对抗日益激烈,美国相继出台多部文件,梳理如下:

2017年10月3日,美国战略与国际研究中心(CSIS)发布《第二个太空时代的态势升级与威慑》报告,认为应激升级是当前太空威慑的主要模式,太空威慑升级行动选择要考虑追溯攻击源、可逆性、弹性、临界条件和不对称性等因素。

2017年12月,美国发布新版《国家安全战略》,明确空间是国家安全的优先域,任何干扰或攻击美国空间资产并对其利益造成威胁的行为将遭到报复,并指出将综合利用各种力量,促进创新和空间商业化,增进美国空间体系结构的弹性,确保美国空间领导地位。

2018年1月19日,美国防部发布2018年版《国防战略》,明确要求优先发展“弹性、重建和作战能力以确保美军空间能力”。

白宫于2018年3月23日称美国政府已完成《国家航天战略》的制定,新版战略继续秉承特朗普政府“美国优先”原则,提出转变太空体系架构、增强威慑和作战选择能力、提升太空行动效能基础能力,创造有利国内和国际环境等四大战略举措。

2018财年《国防授权法案》对空军的军事航天职能做出重大调整,包括将军事航天投资监管职能收归国防部,扩大航天司令部职能,责令空军开展军事航天采办综合评审,要求国防部组织第三方开展创建天军可行性的独立评估等。

美国总统特朗普于2018年6月18日签署行政命令,指示美国国防部创建美军第六军种——天军(太空部队),通过集中美国空军、海军和其他军事单位各自拥有的太空功能,进而从根本上改变美军的军种结构,“在太空领域保持对中俄等战略竞争对手的优势,而非仅仅存在。

空间对抗构想图

战略体系

美国空间攻防对抗体系由三部分构成:空间态势感知系统、空间攻击系统和空间防御系统。美国空间态势感知系统采用天地一体化方式,由地基系统和天基系统组成。其中:地基系统以雷达和光学为主;天基系统以光学遥感器为主。美国空间态势感知系统在航天器发射、返回及在轨运行等方面均发挥着巨大的作用;除了对航天器进行监测外,还负责对轨道碎片和自然天体的运行情况进行观测,分析目标信息,并进行编目,以掌握空间态势,向民用和军用航天活动提供空间目标信息态势保障。

目前,美国用于空间目标探测的地基系统已经遍布全球,并且能够在特定的探测区域内实现对空间目标的连续探测和监视。地基系统已完成全球25站址的部署,拥有30余台探测设备,并建立了2个专门的空间目标监视指控中心。重点发展项目是新型空间篱笆与新太空望远镜项目。

新型空间篱笆项目指的是由多个地基相控阵雷达站构成的大型太空探测系统,旨在探测低地球轨道的小卫星和碎片,是美国提高太空态势感知能力的一个关键项目。新系统包括一个大孔径、S波段、有源电子扫描阵列雷达,增加了探测更多、更小物体的能力,能跟踪空间中的意外事件,例如威胁性的卫星机动、火箭解体及产生的轨道碎片。目前,“空间篱笆”项目已通过美空军的关键设计评审,S波段雷达设计与相关基础设施建设方案均满足美空军的需求,标志着该项目设计阶段结束,进入生产制造阶段,系统将于2018年底前具备初始作战能力,可跟踪的空间碎片数量将由2万个增加至20万个。

“空间篱笆”地基雷达

新太空望远镜项目在2014年迁移至澳大利亚西部,并于2016年正式开始运行。作为新一代地基核心光学装备(望远镜),能重点提高地球静止轨道(GEO)目标宽视场跟踪能力;与现有望远镜比,其搜索速度和灵敏度可以提高1个数量级,且视野更宽,能实现对GEO小目标稳健跟踪。

空间态势感知系统的天基系统主要由低轨和高轨的若干卫星组成。在低轨系统中,最为核心的是STARE微纳卫星星座和SBSS星座;在高轨系统中,最为核心的是GSSAP系统和GEO目标监视纳卫星星座;在感知/攻防两用系统中,最为核心的是低轨XSS-10/11和高轨ANGELS卫星。其中GSSAP卫星具备较强的机动变轨能力,能够在地球同步轨道带内机动飞行,按需抵近地球同步轨道目标实施抵近侦察,能以最佳视角获取目标图像。“天基空间监视系统”(SBSS),主要目的是建立一个低地球轨道光学遥感卫星星座。SBSS拥有较强的轨道观测能力,重复观测周期短,并可全天候观测,可大幅度提高美国深空物体的探测能力。

SBSS空间观测目标示意图

空间攻击主要是指对卫星实施攻击,以实现破坏卫星功能、甚至物理摧毁卫星为目标。空间攻击主要分为软杀伤和硬杀伤两种,其中:软杀伤主要是电磁干扰、网络攻击,不造成对卫星的实际物理伤害,只是使其在一定时间内丧失功能;硬杀伤是主要以天基平台为主的近距离攻击手段,以卫星功能永久丧失为目标,对卫星的破坏力极大,甚至导致作战体系的直接瘫痪。主要硬杀伤攻击方式如下:

在空间防御方面,美国认为对空间系统的防护不可能完全抵御所有的攻击,尤其是对卫星物理结构摧毁性的硬杀伤攻击,而应采取有限防护的原则,即防护的目的在于提高空间系统在受到攻击后的生存概率及恢复或重建速度,并增加敌方攻击的技术难度和经济成本。例如:采用“即插即用”小卫星,可在数天甚至数小时内以低廉的成本完成发射入轨,将有效提高关键空间系统在未来战争中的快速补充和恢复、重建能力;应用“虚拟卫星”或“星簇”结构等技术,会明显加大对卫星硬杀伤的技术难度和成本。

关键项目

进攻性空间对抗技术要依托于在轨操作技术、在轨维护和检查技术、空间碎片清理技术等。美国在进攻性空间对抗技术研究开展较早,包括轨道快车项目、自主交会技术验证、“凤凰”计划、“蜻蜓”计划、“蜘蛛制造”项目、“建筑师”项目、“机器人装配模块化空间望远镜”项目、“地球同步轨道卫星机器人服务”项目、“轨道展望”项目等。

轨道快车项目目的在于开发研究未来空间在轨补给和修复与重构技术,并且通过在轨飞行演示和验证达到发展该技术的目的。“轨道快车”计划需要研制2颗卫星,1颗称为“自主空间运输和机器人轨道器”(ASTRO),也就是交会对接追踪星;另1颗称为目标星(NEXTSat),它是1颗接受追踪星提供服务、模拟需要维修或补给的卫星。在轨飞行演示具体的要求包括:①研制和验证非专利卫星在轨服务接口技术的要求与指标;②研制和验证自主交会对接的制导、导航与控制(GNC)系统,以及追踪星(服务星)和目标星技术;③在轨飞行验证自主交会、靠近操作技术,以及捕获与对接方式;④在轨飞行验证燃料输送(从追踪星到目标星);⑤在轨飞行验证轨道更换单元(ORU)输送。

追踪星和目标星对接外形结构

自主交会技术验证(DART)卫星是美国航宇局(NASA)研制的一种自主交会试验卫星,其研制目的是试验未来美国航天器接近其它航天器时执行复杂机动操作所需的传感器、推进系统及制导软件。DART卫星是一个长约1.8米、直径为1米的圆柱形卫星,其重量为360千克(包括肼和氮燃料)。DART任务的试验是在没有人干涉的情况下,自主发现和捕获目标,并通过自主引导,接近美国的“多路径超视距通信”(MUBLCOM)卫星,接近距离达几米。

“凤凰”计划主要由“有效载荷轨道交付系统”(PODS)、“轨道服务器”(Tender)及“细胞星”(Satlets)三部分组成,计划演示验证从报废卫星上摘取并利用零部件(天线等)的技术,其方案是从一颗退役卫星上“剥离”大型天线,并将其与小卫星在轨组装成新的地球静止轨道卫星。

细胞星示意图

“蜻蜓”(Dragonfly)是“凤凰”计划在2015年的衍生项目之一,将在轨组装与重构大型固体射频反射器,演示自主天线在轨装配技术,改变现有卫星的装配模式。“蜻蜓”项目计划在2020年后完成在轨飞行演示验证。

“蜻蜓”在轨自主装配天线示意图

“蜘蛛制造”(SpiderFab)是2012年美国绳系无限公司提出并由美国国家航空航天局创新先进概念项目资助的一项概念研究项目,将研究空间在轨制造系统的概念,未来将实现利用3D打印等技术在轨自主制造超大型空间结构和多功能空间系统组件,同时利用“蜘蛛机器人”(SpiderFabBot)在轨集成大型空间结构,克服运载火箭的发射限制,改变航天器的研制与部署方式。“蜘蛛制造”计划在2022年完成在轨飞行演示试验,2024年实现在轨自主装配。

“蜘蛛机器人”在轨“织网”示意图

“建筑师”(Archinaut)项目是2015年美国国家航空航天局资助诺斯罗普•格鲁曼等商业公司开发的技术平台,又名“多功能空间机器人精密制造与装配系统”,可在轨自主制造并组装航天器系统。该项目也归属美国国家航空航天局“新兴空间能力转折点”系列专题,主要研究“国际空间站”外空间环境中的增材制造技术,演示预制组件的在轨组装技术。

“建筑师”在轨自主制造组装示意图

“机器人组装模块化空间望远镜”(RAMST)是2016年7月美国美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)、美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心(GSFC)和加州大学等联合在《天文望远镜仪器与系统》杂志中提出的超大型太空望远镜设计的新理念,即利用机器人在轨组装百米级空间望远镜,组合体将转移至日地拉格朗日2点进行编队飞行,执行天文观测任务,能为未来大型太空结构的在轨装配任务奠定基础。

望远镜分离部件编队飞行构型

“地球同步轨道卫星机器人服务”是“凤凰”计划在2015年的衍生项目,旨在为“凤凰”验证机械臂技术。2016年5月,美国国防高级研究计划局正式启动该项目,研制能够执行在轨检查、维修、重定位和升级等多项在轨服务任务的“自主服务航天器”(RSV)。“自主服务航天器”计划在2021年发射,完成6~9个月的在轨演示任务,随后为商业和政府客户卫星提供有偿的商业在轨服务。

“地球同步轨道卫星机器人服务”在轨维修示意图

“轨道展望”项目运用大数据技术完成7套太空态势感知网络实时数据集成,组建了全球最大的太空态势感知网络,大幅度缩短太空告警时间。该项目旨在将政府、军方、商业组织、高校的空间目标监视设施的观测数据和无线电遥测数据通过统一的平台集中起来,通过数据融合,弥补单一信息不完整、不精确或不确定所造成的缺陷,实现空间监视数据的全面、高效利用,改善目标探测跟踪精度和信息可信度,提升威胁研判的实时性和准确度,生成一致的空间态势视图。

“轨道展望”项目示意图

美国不断调整其空间安全战略,研发新型空间装备,布局先进空间系统项目,形成完善成熟的空间攻防对抗体系。美国空间系统与能力的提升,使我国面临日趋严峻的空间战略环境,已对我国空间利益拓展与和平利用空间提出严峻挑战。我国空间力量经过长期和持续的发展,特别是“神舟”系列飞船发射计划和报废卫星打击试验的顺利实施,有了长足进步,但是空间力量尚存差距。未来我国要加强空间战略规划、创新空间军事理论,同时坚持军民融合、统筹空间力量发展,持续瞄准技术突袭、培养空间军事人才,以此不断增强空间力量。

主要参考文献:

1.凤凰_计划关键技术及其启示_陈罗婧 

2.国外空间对抗装备与技术发展_张保庆

3.美国空间攻防体系发展与能力研究_李青

4.美国空间力量发展对我国空间安全的影响_赵海洋

5.国外在轨服务系统最新发展_王雪瑶

6.美国_轨道快车_计划中的自主空间交会对接技术_林来兴

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