巡天火眼 測地金睛 軍事偵察與預警衛(wèi)星

鹿鳴

? ?一枚“宇宙神”V 401運載火箭正在發(fā)射一顆天基紅外導彈預警衛(wèi)星。

2017年4月7日，敘利亞當?shù)貢r間凌晨4點40分，美軍向敘利亞霍姆斯附近機場發(fā)射了導彈。59枚“戰(zhàn)斧”導彈從地中海的兩艘美國軍艦起飛，打擊目標為敘利亞政府軍控制的空軍基地，打擊重點為機場內的飛機和機場跑道。事后不久，某些媒體聲稱這59枚導彈中，只有23枚命中了目標。然而，1天后，以色列公布的衛(wèi)星照片則較為清晰地指出，有58枚導彈命中作戰(zhàn)計劃中選定的44個目標。

流言終結者

現(xiàn)代軍用衛(wèi)星在軍事偵察、導彈預警和導彈作戰(zhàn)效能分析方面的應用已經極其廣泛。而在美軍用“戰(zhàn)斧”巡航導彈打擊敘利亞基地的作戰(zhàn)行動過后，當即出現(xiàn)的媒體文章則劍指“戰(zhàn)斧”導彈的作戰(zhàn)效能。當很多人還在議論59枚導彈僅僅命中23枚，其效能是如此低下，開始質疑該款導彈的設計與使用情況時，幾張衛(wèi)星照片瞬間給美軍找回了顏面：59枚導彈，命中58枚。姑且不去討論之前所說的59枚僅命中23枚是否是輿論宣傳戰(zhàn)的一部分，僅僅從處于事件核心部分，能夠充當關鍵證據(jù)的那幾張衛(wèi)星照片來看，現(xiàn)代軍用衛(wèi)星的大規(guī)模應用的時代已經悄然來臨。此次行動中，以色列的軍用衛(wèi)星其反應速度之快、拍攝之清晰、判讀之詳盡，是值得注意的。

再聯(lián)系之前的新聞事件：美國東部夏令時2017年1月20日晚19點42分，美國空軍的“天基紅外系統(tǒng)”03星GEO-3在佛羅里達州的卡納維拉爾角發(fā)射升空。一枚“宇宙神”V 401運載火箭將這顆衛(wèi)星送入了地球同步軌道。至此，隸屬于美國天基紅外導彈預警系統(tǒng)的這顆衛(wèi)星與分別于2011年和2013年發(fā)射的GEO-1和GEO-2衛(wèi)星一起，使美國空軍的天基紅外系統(tǒng)的高軌星座的衛(wèi)星數(shù)量擴充為3顆。

可見，美國新一代導彈預警和軍事偵察衛(wèi)星星座已經開始了進一步的升級和擴充。那么，導彈預警與軍事偵察衛(wèi)星是怎樣發(fā)端的？軍事偵察衛(wèi)星的照片現(xiàn)在多有經媒體流出的版本，那么傳說中充滿神秘色彩的預警衛(wèi)星則是怎樣的設計的呢？它們工作在怎樣的頻段，對地面的覆蓋情況又如何呢？未來的軍用導彈預警衛(wèi)星又會向什么方向發(fā)展呢？

巡天之火眼

自上世紀60年代開始，美國空軍就產生了使用衛(wèi)星來監(jiān)視地球表面的導彈發(fā)射活動的想法。從天上看地面的衛(wèi)星，擁有一個天然的優(yōu)勢：一旦數(shù)量足夠，就不必受到地球曲率的影響。而在地面架設的超遠程導彈預警雷達則難以避開地球是圓的這個事實，只能當遠處的導彈飛到一定高度的時候才能發(fā)現(xiàn)目標。（具體來說，遠程預警雷達對于洲際彈道導彈的預警確認時刻發(fā)生在導彈距離地面200千米以上的高度，此時留給攔截導彈的預警時間約為15分鐘。）

而在太空中運行的衛(wèi)星則有著居高臨下的優(yōu)勢。如果導彈處于其視場范圍內的話，理論上，導彈一發(fā)射就會被衛(wèi)星偵測到。（實際上還是需要一些時間的，這個在下文討論。）

于是，從1960年2月份到1966年10月份，美國嘗試著發(fā)射了12顆早期導彈紅外預警衛(wèi)星。這12顆衛(wèi)星比后來的DSP衛(wèi)星還要早，它們是真正的紅外預警衛(wèi)星的發(fā)端。（這一點，大部分文獻并沒有詳細說明，讓人誤以為DSP衛(wèi)星是預警衛(wèi)星的發(fā)軔者。）

再后來，就到了DSP衛(wèi)星的時代了。DSP在這里，并不是DSP芯片的意思，而是Defense Support Program（國防支援計劃）的縮寫。從1970年11月到2007年11月，共有23顆衛(wèi)星發(fā)射入軌。這些衛(wèi)星成為了冷戰(zhàn)時期甚至是21世紀前10年的美國導彈預警衛(wèi)星的主力，見證了那個劍拔弩張的冷戰(zhàn)時代，同時也在海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭中做到了嚴陣以待。DSP衛(wèi)星運行在地球同步軌道上，攜帶了使用施密特攝星儀的廣角紅外輻射傳感器，衛(wèi)星會對著地球南北極方向旋轉，每6分鐘就會對地球表面進行一次掃描。

1970年11月6日，首顆DSP星被送入太空。該衛(wèi)星重900千克。4張?zhí)柲芊搴托l(wèi)星周身的太陽能電池能夠為衛(wèi)星提供400瓦的電功率。在衛(wèi)星頂端的施密特鏡組里面，是2 000個紅外傳感器。

DSP天基紅外導彈預警衛(wèi)星的02、03和04星接連發(fā)射。與01星一起，這4顆星構成了美國空軍第一代DSP預警衛(wèi)星星座。從DSP 05星開始，DSP衛(wèi)星進入第2代。而到了DSP衛(wèi)星的13號星，該系列衛(wèi)星已經發(fā)展到了第4代，其太陽能帆板變?yōu)榱穗A梯形，面積顯著增大。從DSP衛(wèi)星的14號星開始，DSP衛(wèi)星發(fā)展到了第5代。

發(fā)射場的規(guī)模和火箭的運載能力是預警衛(wèi)星星座建設的重要保障。

本文不去描述每一代DSP衛(wèi)星的具體沿革。只給出從第1代到第5代的明顯變化：首先是個頭兒越來越大，衛(wèi)星越來越重，第1代的DSP衛(wèi)星重900千克，而到了第5代，衛(wèi)星重量達到了2 381千克;

其次是功率越來越大，從第1代的400瓦躍升到了第5代的1 275瓦;

最后是傳感器數(shù)量顯著增加，從第1代的2 000個變?yōu)榈?代的6 000個。

這些DSP衛(wèi)星大多由美國空軍的火箭發(fā)射升空。不過，其中也有被航天飛機送上去的。雖然航天飛機一直以來給公眾的印象是和平地進行太空探索，比如哈勃太空望遠鏡、國際空間站等大項目都與航天飛機有著千絲萬縷的聯(lián)系，而且，美國軍方對幾乎所有的發(fā)射活動都采取了相當?shù)驼{的態(tài)度，但是，在航天飛機第44次任務的6位宇航員的合影照片的左上角，一顆DSP衛(wèi)星赫然在目。這就佐證了航天飛機參與過DSP軍用衛(wèi)星項目的傳聞。1991年11月24日，亞特蘭蒂斯號航天飛機執(zhí)行了一次為期6天22小時50分鐘44秒的任務，把一顆DSP天基紅外導彈預警衛(wèi)星送入了軌道。

至此，我們對導彈預警衛(wèi)星的發(fā)射時間和沿革情況有了大致的了解。那么問題來了，天基導彈預警衛(wèi)星最核心的技術，也就是其傳感器應當如何設計呢？如果你是設計師的話，該如何選擇呢？

我覺得，至少應該從4個方面來考慮：

第一：應該選用火箭、導彈發(fā)射過程中對外輻射非常明顯的波段;

第二：從太空中的衛(wèi)星到發(fā)射上升中的火箭、導彈之間，隔著一層大氣層，要充分考慮大氣層的影響;

第三：要盡量避開地面上除導彈火箭之外的其他輻射源，減少報虛警的情況;

第四：選用的波段應該易于工程化，可以生產出符合該波段工作條件的傳感器。

無論是運載火箭還是彈道導彈的發(fā)射，都會伴隨著明亮的尾焰和拖拽出長長的尾煙。無論使用怎樣的配方，其產物中基本上都會有大量的水蒸氣和二氧化碳氣體。分子中，任何一個復雜振動都能夠被看作是不同頻率的振動的疊加。定義簡正振動：分子中所有原子都在其平衡位置附近作簡諧振動，其振動頻率和位相都相同，只是振幅可能不同。也就是說，每個原子都在同一瞬間通過其平衡位置，且同時到達其最大位移值， 每一個簡正振動都有一定的頻率，稱為基頻。（簡正振動：最簡單、最基本的振動。）水分子和二氧化碳分子的振動模態(tài)，基本上包含了鍵的伸縮振動與彎曲振動兩大類。好了，第一個要素就已經得到了確認：要選取水蒸氣和二氧化碳對應的波段。

了解量子力學的人應該比較熟悉，并不是所有的分子振動形式都能夠產生紅外吸收。實際上，需要紅外輻射恰好能滿足能級躍遷所需的能量，即物質的分子中某個基團的振動頻率正好等于該紅外光的頻率。（對于氧氣、氫氣這樣的雙原子分子，還需要偶極矩的變化。）

決定導彈預警衛(wèi)星的敏感器工作頻段的第二個因素是大氣層的影響。大氣層是很挑食的。它并不會吃掉所有的波段，而是針對某些比較愛吃的波段，多多地吸收，而一些特定波段則被大氣層放過。于是，氧氣分子、水分子和二氧化碳分子在大氣中的透過率曲線就形成了有山峰有峽谷的樣子。紅外預警衛(wèi)星就是借助大氣層的這個特性，把稠密大氣下面的火災、煙花爆竹等紅外輻射源過濾掉（使用大氣層比較愛吃的波段，如透過率接近于0的2.6-3.3μm和5.5-7.4μm波段）。

當然，想想那些所謂霧霾能夠抵抗預警衛(wèi)星的說法，還是有些弱爆了。畢竟，天基紅外衛(wèi)星是要等到導彈飛到1.5萬米高空以上再去觀測，以便充分利用大氣層濾除干擾因素。除非霧霾能夠影響到1.5萬米以上的高空，否則對于天基紅外預警衛(wèi)星來說，是不會受到影響的。

綜合考慮以上因素，天基紅外預警衛(wèi)星的工作波段可以選擇針對二氧化碳分子的2.7μm和4.3μm波段，同時結合水分子的2.7μm和6.3μm波段。從廣闊的電磁波頻譜中，只選取這么3小條，是不是有一種弱水三千只取一瓢飲的感覺呢？

從工程實際的角度來說，硫化鉛光敏感探測器的敏感波段為1μm至3μm，剛好把水分子和二氧化碳分子的2.7μm特征波段包含在內。而通過精確調配碲化鎘和碲化汞比例，可以制成敏感波段為3μm至5μm的光敏感探測器，剛好把二氧化碳分子的4.3μm波段包含在內。這樣敏感器的生產問題也算是解決了。

測地之金睛

從DSP衛(wèi)星星座的設計伊始，美國空軍就考慮到了全球覆蓋的問題。實際上，在地球同步軌道上運行的DSP衛(wèi)星對俄羅斯和中國等國家可以實現(xiàn)全天時全天候監(jiān)測。更具體來說，那個在冷戰(zhàn)時期直到21世紀第一個十年內，一直在美國導彈預警系統(tǒng)中占舉足輕重地位的DSP衛(wèi)星在很長一段時期內，保持著5顆衛(wèi)星在軌的狀態(tài)（早期發(fā)射的衛(wèi)星會到壽命而被后來發(fā)射的預警衛(wèi)星自然更替）。

這5顆衛(wèi)星，有2顆處于休眠狀態(tài)，為在軌備份星，另外3顆則分別定點于東經69°上空、西經70°上空和西經134°上空。在東經69°的DSP衛(wèi)星，位于印度洋上空，覆蓋俄羅斯部分、哈薩克斯坦全境、中國西北、中部大部分地區(qū)和印度、巴基斯坦全境，用于監(jiān)視陸基洲際彈道導彈;西經70°的DSP衛(wèi)星，位于巴西大西洋之畔上空，用于監(jiān)視從大西洋向美國東海岸發(fā)射的潛射彈道導彈;西經134°的DSP衛(wèi)星，位于太平洋上空，用于監(jiān)視從太平洋向美國西海岸發(fā)射的潛射彈道導彈。

美國新一代天基導彈預警衛(wèi)星則覆蓋著不同的區(qū)域。值得注意的是，美國率先發(fā)射的2顆高軌衛(wèi)星對俄羅斯傳統(tǒng)的發(fā)射井分布區(qū)域和中國的西北地區(qū)構成了重疊覆蓋，將會產生類似于“雙目視覺”的監(jiān)測效果。

美國導彈預警衛(wèi)星對洲際彈道導彈、中遠程彈道導彈和戰(zhàn)術彈道導彈各自有多長的預警時間呢？預警時間基本上與導彈的飛行速度、彈道高度和彈道長度有關。綜合計算后，其結果如下：對陸基戰(zhàn)術彈道導彈的預警時間為4分鐘至5分鐘;對潛射彈道導彈的預警時間為14.5分鐘至15分鐘;對陸基洲際彈道導彈的預警時間為24.5至26分鐘。

海灣戰(zhàn)爭期間，“愛國者”導彈攔截“飛毛腿”彈道導彈的戰(zhàn)例如今可以說是婦孺皆知了。這些攔截的背后，是DSP衛(wèi)星良好的實戰(zhàn)表現(xiàn)。“愛國者”反導導彈所需要的幾乎所有的早期預警都是由DSP衛(wèi)星星座提供的?？梢哉f，無論是“掃描式”還是“凝視式”的天基紅外導彈預警衛(wèi)星都經歷了實戰(zhàn)或者類似實戰(zhàn)的考驗。至于新一代紅外預警衛(wèi)星的表現(xiàn)如何，以及攻防雙方的博弈策略是怎樣的，則是后話了。

早期的DSP天基紅外預警衛(wèi)星由美國空軍的“大力神”、“宇宙神”運載火箭發(fā)射而新一代的天基紅外預警衛(wèi)星則基本上由“宇宙神”V型運載火箭來發(fā)射。值得注意的是，這款火箭使用的是俄制RD-180液體火箭發(fā)動機。美國空軍也是夠調皮的了，用俄羅斯的火箭發(fā)動機來發(fā)射用于監(jiān)視俄羅斯洲際彈道導彈發(fā)射情況的美國預警衛(wèi)星。不知當初答應賣發(fā)動機給美國人的俄羅斯人有沒有感到些許后悔呢。

當前的美國天基導彈預警衛(wèi)星對陸基戰(zhàn)術彈道導彈的預警時間為4分鐘至5分鐘;對潛射彈道導彈的預警時間為14.5分鐘至15分鐘;對陸基洲際彈道導彈的預警時間為24.5至26分鐘。

預警衛(wèi)星之未來

目前，美國的天基預警衛(wèi)星由美國空軍太空司令部管理。這個傳統(tǒng)從上世紀70年代就確立了。實際上，所有的GPS導航衛(wèi)星也都歸這個部門管。天基紅外預警系統(tǒng)的重要地面站設立在伯克利空軍基地。

未來，這種管理體制上或許不會有太大變化。不過，從技術層面上來說，今后的天基導彈預警系統(tǒng)將突破現(xiàn)有的紅外體系，向更豐富的波段拓展。比如，天基紫外導彈預警衛(wèi)星就是一個比較好的發(fā)展方向。大部分導彈在2.7μm和4.3μm這兩個波段都有強烈的特征峰，同時大氣層對這兩個波段恰好有強烈的吸收，有助于濾除相關的干擾信號，因此這兩個紅外波段是目前天基預警衛(wèi)星最重視的。但是，未來的洲際彈道導彈必然會在配方、發(fā)射機制等方面做足功夫，力圖降低這兩個波段的輻射特征。

實際上，目前某些國家已經啟動了低可探測的固體火箭發(fā)動機配方的研制計劃。能夠盡量避免生成水蒸氣和二氧化碳的固體火箭推進劑會成為新時代的隱身武器的有力支撐。但是，這樣的固體火箭推進劑或多或少地都會添加鋁粉等顆粒物來增加比沖。鋁粉的氧化物在高溫條件下，有著紫外波段的典型輻射特征。按照類似設計天基紅外預警衛(wèi)星波段的方法，可以推斷，未來的天基紫外預警衛(wèi)星將對0.24μm到0.29μm波段的紫外線產生依賴。今后的天基預警衛(wèi)星會采用多種波段融合的體系。

責任編輯：邢強