推遲升空的美國(guó)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

□□2011年3月1日，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4（TacSat-4）由空軍C-17運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送至阿拉斯加南部的科迪亞克島，而后由卡車運(yùn)送至發(fā)射場(chǎng)。3月14日，海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）相關(guān)人員基本完成了對(duì)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4發(fā)射前的最后準(zhǔn)備，原計(jì)劃于2011年6月用軌道科學(xué)公司的人牛怪-4火箭發(fā)射到大橢圓軌道，但據(jù)最新報(bào)道，它已被推遲到今年10月才發(fā)射。

1 背景

“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”是美國(guó)國(guó)防部在“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空”（ORS）計(jì)劃下發(fā)展的快速響應(yīng)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，目的是利用小衛(wèi)星開展一系列技術(shù)演示驗(yàn)證，循序漸進(jìn)地發(fā)展快速響應(yīng)衛(wèi)星技術(shù)，為未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)開發(fā)提供技術(shù)支持。目前，“戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”項(xiàng)目共發(fā)展了4個(gè)衛(wèi)星型號(hào)，其中戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-1和4衛(wèi)星均由海軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制，而戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4是這一系列中唯一一顆“全通信”有效載荷的試驗(yàn)衛(wèi)星。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的總投資超過(guò)1.4億美元，其中海軍研究辦公室（ONR）共計(jì)投入0.5億美元，主要負(fù)責(zé)有效載荷研制、項(xiàng)目管理及衛(wèi)星第1年在軌運(yùn)行。國(guó)防研究與工程主任辦公室（DDR&E）負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星平臺(tái)的研制，共計(jì)投入0.45億美元。作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空辦公室和空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）負(fù)責(zé)衛(wèi)星的發(fā)射，共計(jì)投入0.43億美元。整個(gè)項(xiàng)目由海軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)抓總。該衛(wèi)星可滿足海軍在“動(dòng)中通”（COTM）和海上態(tài)勢(shì)感知等領(lǐng)域的需求。準(zhǔn)化衛(wèi)星平臺(tái)的研制，共計(jì)投入0.45億美元。作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空辦公室和空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心（SMC）負(fù)責(zé)衛(wèi)星的發(fā)射，共計(jì)投入0.43億美元。整個(gè)項(xiàng)目由海軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)抓總。該衛(wèi)星可滿足海軍在“動(dòng)中通”（COTM）和海上態(tài)勢(shì)感知等領(lǐng)域的需求。

2 衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4整星質(zhì)量約450kg，其中衛(wèi)星平臺(tái)270kg，有效載荷180kg，太陽(yáng)電池翼功率1000W，設(shè)計(jì)壽命1年。戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4計(jì)劃部署在近地點(diǎn)700km、遠(yuǎn)地點(diǎn)12050km、傾角63.4°的軌道上，可提供包括高緯度地區(qū)在內(nèi)的近似全球的、非連續(xù)的覆蓋；軌道周期4h，每天繞地球6周，可以保證對(duì)1個(gè)戰(zhàn)區(qū)（3.7km2范圍內(nèi)）有2h以上的連續(xù)覆蓋，同時(shí)每天可對(duì)多個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行覆蓋。由于衛(wèi)星要穿越輻射帶，因此對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行了相應(yīng)的抗輻射加固。

作為一顆新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4在多個(gè)領(lǐng)域取得了進(jìn)步。首先，開發(fā)和驗(yàn)證了快速響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星的原型平臺(tái)，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)時(shí)間駐留軌道，平臺(tái)采用了先進(jìn)的熱控技術(shù)；其次，開發(fā)了3.67m口徑的可展開天線，配備了緊湊的10信道轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)備，這樣既降低了成本，又可動(dòng)態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配，支持網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4衛(wèi)星外形圖

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4衛(wèi)星主要參數(shù)

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4有效載荷主要為通信試驗(yàn)（COMMx）載荷，提供動(dòng)中通、數(shù)據(jù)滲漏和藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)等業(yè)務(wù)。其中，動(dòng)中通是通過(guò)特高頻（UHF）頻段提供衛(wèi)星移動(dòng)通信，支持美國(guó)“特高頻后繼星”（UFO）衛(wèi)星和“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的通信終端；藍(lán)軍跟蹤支持目前美軍藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)服務(wù)水平較差的區(qū)域，收集UHF頻段設(shè)備的跟蹤數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)滲漏主要用于采集海軍浮標(biāo)收集的數(shù)據(jù)，并傳送回處理站。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4主要采用彎管式轉(zhuǎn)發(fā)，10路UHF信道直接支持傳統(tǒng)終端，例如PRC-117、PSC-5、PRC-152和PRC-148 MBITR等終端，此外還有1個(gè)備份UHF信道，可提供類似“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的信號(hào)（但是無(wú)法提供“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”一樣的能力），作為早期驗(yàn)證試驗(yàn)。同時(shí)，星上先進(jìn)的通信有效載荷支持不同信道之間的橋接，可將UHF話音通信連接至地面保密IP路由網(wǎng)（SIPRNET）。在特殊的數(shù)據(jù)滲漏場(chǎng)景中，可采集海上浮標(biāo)等傳感器的信息，并傳回海軍艦船上的IP網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)海上態(tài)勢(shì)感知能力。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的衛(wèi)星平臺(tái)與天線載荷

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4設(shè)備布局圖

通信實(shí)驗(yàn)有效載荷與平臺(tái)連接的主結(jié)構(gòu)為八棱柱體，高0.93m，其上方是UHF天線。有效載荷主結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計(jì)，在滿足高于50Hz剛性的同時(shí)，整個(gè)有效載荷質(zhì)量低于180kg。為保證通信實(shí)驗(yàn)平均功率達(dá)到200W設(shè)計(jì)要求，不得不放棄了原計(jì)劃的商用器件，而采用了專用的高效射頻電子設(shè)備。

UHF天線為采用可展開反射器結(jié)構(gòu)，口徑3.67m，面形精度為6.35mm（均方根），中心為1.85m長(zhǎng)的圓柱體結(jié)構(gòu)，頂端安裝有UHF頻段天線饋源。天線工作頻率為240～420MHz，可同時(shí)收發(fā)多個(gè)頻率的信號(hào)。反射面通過(guò)20根相同的彈簧肋條展開。反射面采用多個(gè)三角型條帶拼接而成，每個(gè)三角型條帶采用專利技術(shù)的卡普頓-銅柔性電路復(fù)合材料，即外層卡普頓、中間軟銅網(wǎng)格的夾層結(jié)構(gòu)。三角型條帶的拼接利用非金屬扣件，反射器徑向肋條使整條接縫保持均勻的預(yù)緊力，從而避免了金屬接頭，降低了無(wú)源互調(diào)。

由于戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的軌道要穿越輻射帶，因此星上還帶有1臺(tái)用于探測(cè)空間環(huán)境的“緊湊型環(huán)境異常探測(cè)器試驗(yàn)”（CEASE）劑量?jī)x。CEASE尺寸約10cm×10cm×8.2cm，質(zhì)量約1kg，功耗1.5W，采用RS-422或1553B接口，可提供表面充電、深層電介質(zhì)充電、單粒子翻轉(zhuǎn)、輻射劑量效應(yīng)等空間環(huán)境危害的預(yù)警信息，收集高于1.2MeV電子和高于25MeV質(zhì)子的數(shù)據(jù)。但是UHF天線未作屏蔽措施，所以必須承受100Mrad的離子帶輻射。此外，由于高地球軌道的特殊性，天線還需承受-150～+150℃的巨大溫差。

根據(jù)未來(lái)“作戰(zhàn)快速響應(yīng)太空系統(tǒng)”的潛在要求，例如，平臺(tái)和有效載荷需分開研制，然后在發(fā)射場(chǎng)總裝，并可能安裝不同類型的有效載荷等，還要求平臺(tái)和有效載荷進(jìn)行熱控分離和熱隔離，因此通信實(shí)驗(yàn)要獨(dú)立進(jìn)行熱控。由于通信實(shí)驗(yàn)載荷約1m3體積的熱流達(dá)600～700W，并且在飛行過(guò)程中衛(wèi)星姿態(tài)不斷變化，所以給熱控設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)。最終，通信實(shí)驗(yàn)采用了中央熱平臺(tái)（CTB）和環(huán)路熱管（LHP）設(shè)計(jì)。中央熱平臺(tái)的概念最先由海軍研究實(shí)驗(yàn)室空間技術(shù)中心于1994年提出，它是將所有散熱設(shè)備集中布置，集中熱控，這樣可以節(jié)省質(zhì)量和體積，便于安裝集成、布局優(yōu)化和熱屏蔽。同時(shí)在載荷主結(jié)構(gòu)外部8個(gè)面板上均布置了熱輻射器。

另外，海軍研究實(shí)驗(yàn)室還專門研制了無(wú)源互調(diào)地面測(cè)試設(shè)備，它可以在UHF頻段上以很寬的帶寬對(duì)載荷進(jìn)行高靈敏度無(wú)源互調(diào)測(cè)試。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的指揮和控制由位于馬里蘭州的海軍布羅索姆地面站負(fù)責(zé)，同時(shí)負(fù)責(zé)任務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)管，利用其靈活的公共地面基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)快速切換，并支持網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。在布羅索姆地面站控制范圍之外，由空軍衛(wèi)星控制網(wǎng)（AFSCN）提供測(cè)控支持。戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的有效載荷利用虛擬任務(wù)操作中心（VMOC）通過(guò)安全因特網(wǎng)協(xié)議路由器網(wǎng)絡(luò)（SIPRNET）進(jìn)行控制。

3 任務(wù)目標(biāo)與意義

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的長(zhǎng)期目標(biāo)包括增強(qiáng)和提升當(dāng)前UHF頻段衛(wèi)星通信能力，提供快速響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星平臺(tái)，推動(dòng)快速響應(yīng)太空系統(tǒng)發(fā)展等。具體來(lái)說(shuō)，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：

●采用橢圓軌道驗(yàn)證快速響應(yīng)衛(wèi)星，提供長(zhǎng)駐留時(shí)間服務(wù)的能力；

●評(píng)估快速響應(yīng)衛(wèi)星平臺(tái)在發(fā)射、在軌操作和空間環(huán)境中的性能；

●提供類似美國(guó)“特高頻后繼星”衛(wèi)星和“移動(dòng)用戶目標(biāo)系統(tǒng)”衛(wèi)星的UHF頻段移動(dòng)通信服務(wù)，測(cè)試采用軟件無(wú)線電技術(shù)的聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)系統(tǒng)（JTRS）；

●為美軍服務(wù)水平較差的區(qū)域提供UHF頻段藍(lán)軍跟蹤數(shù)據(jù)收集；

●收集海軍浮標(biāo)/傳感器的數(shù)據(jù)，并傳送回處理站。

戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4可增強(qiáng)UHF頻段衛(wèi)星通信的作戰(zhàn)效能。“動(dòng)中通”需求迫切的地區(qū)可通過(guò)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的發(fā)射得到緩解，同時(shí)還可為無(wú)網(wǎng)絡(luò)地區(qū)和用戶提供藍(lán)軍跟蹤和數(shù)據(jù)采集等功能。

通過(guò)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的發(fā)射可試驗(yàn)部分先進(jìn)技術(shù)能力和體系，以便應(yīng)用于未來(lái)的空間通信計(jì)劃。尤其是它可提高“動(dòng)中通”的能力，用戶無(wú)需對(duì)準(zhǔn)天線即可進(jìn)行通信，這對(duì)衛(wèi)星通信裝備而言是一大提升。此外，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4還可提供靈活的上行、下行信道分配，增強(qiáng)衛(wèi)星在射頻（RF）干擾地區(qū)工作的能力。動(dòng)態(tài)任務(wù)系統(tǒng)和虛擬任務(wù)操作中心使得戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4具備靈活調(diào)整能力，及時(shí)響應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)變化。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4的成功研制和發(fā)射還可以推動(dòng)快速響應(yīng)太空計(jì)劃的長(zhǎng)期發(fā)展，在衛(wèi)星平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)期駐留軌道設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)任務(wù)下達(dá)和網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)等技術(shù)方面取得了進(jìn)步。未來(lái)，戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-4成功應(yīng)用以后，既可以作為常規(guī)衛(wèi)星繼續(xù)工作，也可以繼續(xù)發(fā)射相同的衛(wèi)星，與其組網(wǎng)運(yùn)行。■

UHF天線收攏（左）及展開結(jié)構(gòu)（右）