DARPA在航天各領(lǐng)域發(fā)展新動(dòng)向

▲ 波音公司的“試驗(yàn)性航天飛機(jī)-1號(hào)”帶翼飛機(jī)方案圖

在回顧近年美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）航天項(xiàng)目發(fā)展重點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過分析2019財(cái)年預(yù)算，可以看出，DARPA在進(jìn)入空間、利用空間、空間態(tài)勢感知、空間對抗4個(gè)領(lǐng)域均出現(xiàn)了新的發(fā)展動(dòng)向，或是采用新舉措，或是多手段并舉，或是關(guān)注重心轉(zhuǎn)變，或是延續(xù)研發(fā)思路，推動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)展與技術(shù)研發(fā)。

\\進(jìn)入空間領(lǐng)域\\

持續(xù)研發(fā)快速、低成本進(jìn)入空間技術(shù)

DARPA從2011財(cái)年起陸續(xù)推出“空中發(fā)射輔助進(jìn)入太空”和“試驗(yàn)性航天飛機(jī)-1號(hào)”項(xiàng)目，旨在實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器的快速、機(jī)動(dòng)、低成本進(jìn)入空間，提高現(xiàn)有航天力量的戰(zhàn)時(shí)響應(yīng)性，這是美軍自21世紀(jì)以來運(yùn)載器技術(shù)研發(fā)思路的延續(xù)。同時(shí)，在當(dāng)前微小衛(wèi)星軍事應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，但部署和星座組網(wǎng)受大中型運(yùn)載火箭及發(fā)射方式限制的情況下，DARPA在2019財(cái)年適時(shí)地設(shè)立“太空彈性快速響應(yīng)發(fā)射”新項(xiàng)目，以推動(dòng)微小衛(wèi)星專用小型運(yùn)載火箭發(fā)展，滿足彈性空間力量部署和快速響應(yīng)發(fā)射需求。

“空中發(fā)射輔助進(jìn)入太空”項(xiàng)目計(jì)劃利用改進(jìn)的F-15戰(zhàn)斗機(jī)在7620米高空發(fā)射新型火箭，專門服務(wù)微小衛(wèi)星等小型載荷發(fā)射，每次發(fā)射成本不超100萬美元，任務(wù)時(shí)間不超24小時(shí)，擺脫固定發(fā)射場地域與方向約束，實(shí)現(xiàn)12小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)場再次發(fā)射。該項(xiàng)目2015年開展了2次新型火箭推進(jìn)劑實(shí)驗(yàn)，均發(fā)生爆炸，DARPA遂取消了技術(shù)樣機(jī)的研制和原定于2016年的空射試驗(yàn)。該項(xiàng)目雖已中止，但相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和階段成果為后續(xù)項(xiàng)目的設(shè)立與開展提供了思路和技術(shù)基礎(chǔ)。

“試驗(yàn)性航天飛機(jī)-1號(hào)”項(xiàng)目計(jì)劃設(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)證馬赫數(shù)10的帶翼飛機(jī)，飛機(jī)將一次性上面級(jí)投放至亞軌道后水平著陸返回，由上面級(jí)將有效載荷送入軌道。項(xiàng)目旨在對發(fā)射成本降至十分之一、10天內(nèi)10次飛行、每隔24小時(shí)快速響應(yīng)發(fā)射進(jìn)行飛行驗(yàn)證，提供一種快速、低成本進(jìn)入空間的方式，進(jìn)而提升戰(zhàn)時(shí)響應(yīng)性，鞏固國家安全。DARPA已授予波音公司該項(xiàng)目第2和第3階段合同，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)批復(fù)額較2018財(cái)年申請額有所增加。2018和2019年波音公司將重點(diǎn)開展對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行集成，并在10天地面測試中完成 10次發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車工作。

“太空彈性快速響應(yīng)發(fā)射”項(xiàng)目又名“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”，為2019財(cái)年DARPA新增項(xiàng)目，經(jīng)費(fèi)預(yù)算500萬美元。參賽者在無法提前預(yù)知載荷配置、目標(biāo)軌道、發(fā)射場地等信息的情況下，利用自研小型運(yùn)載火箭在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)2次將有效載荷發(fā)射入軌。DARPA將選出可滿足快速響應(yīng)未知載荷發(fā)射任務(wù)需求的小型運(yùn)載火箭，同時(shí)向獲勝參賽者提供美國政府載荷發(fā)射合同。DARPA采用挑戰(zhàn)賽的創(chuàng)新形式，既可充分借助新興商業(yè)航天運(yùn)輸企業(yè)力量促進(jìn)小型火箭技術(shù)發(fā)展，又可帶動(dòng)微小衛(wèi)星大規(guī)模應(yīng)用，以滿足軍方未來發(fā)射需求。

▲ “空中發(fā)射輔助進(jìn)入太空”項(xiàng)目想像圖

▲ “太空彈性快速響應(yīng)發(fā)射”項(xiàng)目挑戰(zhàn)賽規(guī)則

\\空間領(lǐng)域\\

提升對地通信監(jiān)視能力，嘗試新型光學(xué)成像系統(tǒng)技術(shù)方案

近年來，DARPA為確保作戰(zhàn)中持久監(jiān)視與信息覆蓋，一直在探索構(gòu)建低成本微小衛(wèi)星星座技術(shù)，提升對地通信與監(jiān)視能力，為此在“太空增強(qiáng)作戰(zhàn)效能”項(xiàng)目基礎(chǔ)上，采取了兩種技術(shù)手段：一是發(fā)展適用于微小衛(wèi)星的通信與遙感載荷，例如2016財(cái)年設(shè)立的“雷達(dá)網(wǎng)”和“小衛(wèi)星傳感器”項(xiàng)目；二是探索利用先進(jìn)的商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，例如2018財(cái)年設(shè)立的“黑杰克”項(xiàng)目，以縮短技術(shù)研發(fā)周期，降低有效載荷與發(fā)射成本，適應(yīng)技術(shù)更新速度。此外，DARPA于2015與2019財(cái)年陸續(xù)設(shè)立“太空光學(xué)孔徑設(shè)備自組裝”和“平面成像儀”項(xiàng)目，積極嘗試新型光學(xué)成像系統(tǒng)技術(shù)方案。

DARPA曾于2011財(cái)年設(shè)立“太空增強(qiáng)作戰(zhàn)效能”項(xiàng)目，旨在構(gòu)建微小衛(wèi)星星座，按照與作戰(zhàn)節(jié)奏相配合的時(shí)間表實(shí)現(xiàn)低成本快速發(fā)射入軌，直接向作戰(zhàn)人員提供即要即得的衛(wèi)星圖像信息。但或因蓬勃發(fā)展的商業(yè)微小衛(wèi)星同樣具備完成類似任務(wù)的潛力，DARPA取消了該項(xiàng)目。2016財(cái)年設(shè)立的“雷達(dá)網(wǎng)”項(xiàng)目著重研究輕質(zhì)空間可展開天線結(jié)構(gòu)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)無線電通信和遙感載荷的小型化、低功率化和大帶寬化，將于2019年對演示系統(tǒng)進(jìn)行集成和測試。同在2016財(cái)年設(shè)立的“小衛(wèi)星傳感器”項(xiàng)目將開發(fā)驗(yàn)證包括光電/紅外傳感器和星間通信器件在內(nèi)的微小衛(wèi)星載荷技術(shù)，2019年計(jì)劃發(fā)射一顆試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證。

“黑杰克”項(xiàng)目的設(shè)立則體現(xiàn)了DARPA利用先進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)研發(fā)低成本微小衛(wèi)星星座的思路。該項(xiàng)目2018與2019財(cái)年預(yù)算分別為1000萬與1500萬美元，旨在研發(fā)具有較低“尺寸、重量、功耗及成本”特征的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，能夠利用現(xiàn)代化商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)可承受性。2018年4月，DARPA已發(fā)布“黑杰克”項(xiàng)目跨部門公告，該項(xiàng)目2019年將進(jìn)入低成本、可更換有效載荷與商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)的研發(fā)階段。

DARPA為推動(dòng)高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)展，積極嘗試多種新型光學(xué)成像系統(tǒng)技術(shù)方案。例如，曾于2015財(cái)年設(shè)立了“太空光學(xué)孔徑設(shè)備自組裝”項(xiàng)目，旨在演示驗(yàn)證利用多次發(fā)射的多個(gè)小型模塊化載荷部件組裝大口徑（大于5米）光學(xué)系統(tǒng)的可行性。這是DARPA繼2010年提出發(fā)展薄膜衍射成像系統(tǒng)的“莫爾紋”項(xiàng)目后，為實(shí)現(xiàn)超大口徑光學(xué)系統(tǒng)的又一次探索。2019財(cái)年新設(shè)立的“平面成像儀”項(xiàng)目，則探索利用光子集成電路與計(jì)算干涉技術(shù)，構(gòu)建一種新型光學(xué)成像系統(tǒng)，代替由光學(xué)單元線性排列而成、采用傳統(tǒng)光學(xué)折反射原理的成像系統(tǒng)。該項(xiàng)目可將傳統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，計(jì)劃于2019年完成探測器與光子集成電路集成工作。

▲ “小衛(wèi)星傳感器”項(xiàng)目想像圖

▲ “黑杰克”項(xiàng)目想像圖

\空間態(tài)勢感知領(lǐng)域\

重視數(shù)據(jù)應(yīng)用與作戰(zhàn)能力建設(shè)

為解決美軍空間態(tài)勢感知系統(tǒng)存在的低軌與高軌探測盲區(qū)，DARPA于2004財(cái)年設(shè)立“太空監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，旨在構(gòu)建無盲區(qū)、精確識(shí)別與定位深空微小目標(biāo)的空間態(tài)勢感知系統(tǒng)。此后于2011財(cái)年設(shè)立的“太空領(lǐng)域感知”項(xiàng)目則希望通過對分布式空間目標(biāo)態(tài)勢感知數(shù)據(jù)的收集、處理、融合，進(jìn)一步強(qiáng)化美軍空間態(tài)勢感知能力。在完成“太空監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目轉(zhuǎn)移和“太空領(lǐng)域感知”項(xiàng)目演示驗(yàn)證后，DARPA于2016財(cái)年設(shè)立“標(biāo)記”項(xiàng)目，瞄準(zhǔn)太空作戰(zhàn)管理與指控平臺(tái)建設(shè)，開始研發(fā)空間態(tài)勢感知工具。

“太空監(jiān)視望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目已正式移交給空軍，基站向澳大利亞遷移。該項(xiàng)目研制的先進(jìn)地基光學(xué)系統(tǒng)探測靈敏度和覆蓋率提高1個(gè)數(shù)量級(jí)，數(shù)據(jù)采集速度提高了10倍以上，并減小了美軍空間監(jiān)視網(wǎng)在南半球和東半球的覆蓋盲區(qū)?！疤疹I(lǐng)域感知”項(xiàng)目采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、關(guān)聯(lián)未知目標(biāo)的先進(jìn)算法以及雷達(dá)、光學(xué)、射頻等探測手段，對包括商業(yè)太空態(tài)勢感知渠道在內(nèi)的分布式傳感器協(xié)作網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了初始能力演示，可探測1000公里高度、直徑10厘米的目標(biāo)，10分鐘內(nèi)可對任一目標(biāo)進(jìn)行3次以上獨(dú)立探測，能精確測定軌道參數(shù)，彌補(bǔ)了美軍現(xiàn)有低地軌道態(tài)勢感知覆蓋缺口并提高了隨機(jī)跟蹤能力。

為應(yīng)對日益復(fù)雜的太空行動(dòng)，并滿足太空軍事行動(dòng)實(shí)時(shí)決策的需求，美軍急需提升太空作戰(zhàn)指揮控制技術(shù)與能力，以確保美軍未來戰(zhàn)場上的技術(shù)和戰(zhàn)略優(yōu)勢?！皹?biāo)記”項(xiàng)目將研發(fā)一款空間態(tài)勢感知平臺(tái)與工具，一是可幫助美軍指揮官感知太空環(huán)境和潛在威脅，對太空軍事行動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃和評估；二是集成并分析從太空、陸地、空中、海洋和網(wǎng)絡(luò)空間采集的數(shù)據(jù)，同步太空和地面任務(wù)，遂行“多域”作戰(zhàn)；三是集成具有太空指控功能的工具，并對各類新型太空指控技術(shù)進(jìn)行快速評估。該項(xiàng)目將分三階段實(shí)施，目前第一階段的研發(fā)重點(diǎn)為搭建軟件測試平臺(tái)架構(gòu)，以及初步集成具有太空指控功能的首批工具。

\\空間對抗領(lǐng)域\\

借力靜止軌道衛(wèi)星，獲取空間攻防對抗實(shí)戰(zhàn)能力

美軍在軌操作技術(shù)發(fā)展已歷時(shí)多年，在逐步掌握低軌和高軌合作或非合作目標(biāo)的自主逼近、交會(huì)、對接、捕獲以及繞飛和伴飛等關(guān)鍵技術(shù)后，DARPA于2006財(cái)年設(shè)立系統(tǒng)F6項(xiàng)目，研究并演示驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)分布式航天器體系結(jié)構(gòu)的使能技術(shù)。此后，DARPA于2011財(cái)年設(shè)立“鳳凰”項(xiàng)目，旨在重新利用靜止軌道已退役或失效衛(wèi)星上的有價(jià)值部件。自此，DARPA在空間對抗領(lǐng)域，確立了以靜止軌道衛(wèi)星各類在軌服務(wù)能力形成為核心的發(fā)展思路，以滿足未來控制空間的作戰(zhàn)需要。“鳳凰”“大型天線在軌制造”和“靜止軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”等項(xiàng)目的設(shè)立均沿襲這一思路。

“鳳凰”項(xiàng)目旨在演示驗(yàn)證從靜止軌道失效或報(bào)廢衛(wèi)星上搶救、再利用零部件的技術(shù)，例如從退役衛(wèi)星上“剝離”大型天線，并在周圍構(gòu)造其他衛(wèi)星功能。該項(xiàng)目通過發(fā)射創(chuàng)新、部署方式突破、探索新型在軌服務(wù)模式，建立起一個(gè)面向重復(fù)利用的在軌服務(wù)支援體系。“有效載荷軌道交付系統(tǒng)”與“軌道守護(hù)器”等創(chuàng)新概念的提出，也為后續(xù)衍生項(xiàng)目明確技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)提供了借鑒。

作為“鳳凰”項(xiàng)目的衍生產(chǎn)物，“靜止軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”項(xiàng)目將與現(xiàn)有的衛(wèi)星運(yùn)營商合作，發(fā)展地球靜止軌道機(jī)器人服務(wù)能力，并攜帶充足的燃料開展為期數(shù)年的高軌服務(wù)驗(yàn)證，執(zhí)行多種可能任務(wù)。項(xiàng)目的在軌服務(wù)任務(wù)類型包括：處理機(jī)械故障（諸如太陽能陣列部署）；提供輔助推進(jìn)，增強(qiáng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星編隊(duì)的靈活性；利用攝像機(jī)系統(tǒng)實(shí)施非常詳細(xì)的檢測，查找衛(wèi)星問題；提高對靜止軌道運(yùn)行情況的感知等。該項(xiàng)目研發(fā)的一系列技術(shù)，如服務(wù)星的遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)技術(shù)、與非合作目標(biāo)的交會(huì)與逼近技術(shù)、衛(wèi)星識(shí)別技術(shù)、機(jī)械手捕獲衛(wèi)星技術(shù)、在軌切割衛(wèi)星天線和擰取部件的操作技術(shù)等，均可用于偵察監(jiān)視和攻擊在軌衛(wèi)星。DARPA已為該項(xiàng)目申請了超過1億美元的預(yù)算，2019年將對包括機(jī)械臂、工具改變器、試驗(yàn)臺(tái)、工具架、傳感器、有效載荷結(jié)構(gòu)和飛行軟件等在內(nèi)的各類部件進(jìn)行制造與集成，并啟動(dòng)入軌演示驗(yàn)證準(zhǔn)備工作。

▲ “雷達(dá)網(wǎng)”項(xiàng)目想像圖

▲ “標(biāo)記”項(xiàng)目研發(fā)的空間態(tài)勢感知平臺(tái)與工具概念圖

DARPA以保障美國國家安全、使美國在免遭技術(shù)突襲的同時(shí)謀求對敵技術(shù)優(yōu)勢為核心使命，并不遺余力地促進(jìn)前沿技術(shù)的創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化，項(xiàng)目設(shè)立和開展具有高度靈活性。DARPA在履行核心使命和持續(xù)推動(dòng)前沿技術(shù)儲(chǔ)備、研發(fā)和應(yīng)用上所做的努力，在2019財(cái)年DARPA航天預(yù)算上有所體現(xiàn)：

一是發(fā)力重點(diǎn)航天項(xiàng)目，與特朗普政府備戰(zhàn)太空新動(dòng)向相吻合。DARPA對“標(biāo)記”和“靜止軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”等項(xiàng)目的持續(xù)推動(dòng)與大力投入，表明美軍已將太空軍事行動(dòng)納入作戰(zhàn)領(lǐng)域，并將空間攻防對抗視為核心能力。這與近期美國大力推動(dòng)軍事航天改革與軍事航天力量重組，并在新版《太空作戰(zhàn)條令》中推動(dòng)太空作戰(zhàn)深度融入聯(lián)合作戰(zhàn)等各類舉措十分吻合，集中體現(xiàn)了特朗普政府備戰(zhàn)太空的新動(dòng)向。

二是采取挑戰(zhàn)賽與技術(shù)掃描等創(chuàng)新舉措加速航天創(chuàng)新技術(shù)成熟。2019財(cái)年新設(shè)立的“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”是DARPA在航天領(lǐng)域首次嘗試以挑戰(zhàn)賽形式推動(dòng)航天技術(shù)發(fā)展。DARPA可以通過借鑒此前在機(jī)器人、無人蜂群、通信、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域舉辦各類挑戰(zhàn)賽的成功經(jīng)驗(yàn)，加速推動(dòng)微納衛(wèi)星專用小火箭技術(shù)的成熟。2018財(cái)年設(shè)立的“先進(jìn)航天技術(shù)概念”項(xiàng)目，將對包括先進(jìn)/新型推進(jìn)系統(tǒng)、新型傳感器、先進(jìn)輕型結(jié)構(gòu)、先進(jìn)小型無線電頻率技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、航電設(shè)備、結(jié)構(gòu)、先進(jìn)通信和在軌軟件環(huán)境等在內(nèi)的各類新出現(xiàn)的航天技術(shù)和航天概念，以類似于地平線掃描的方式進(jìn)行審查和評價(jià)，拓展DARPA發(fā)展航天前沿技術(shù)的途徑。

三是順應(yīng)商業(yè)航天發(fā)展態(tài)勢并靈活推出與之相適的項(xiàng)目。在商業(yè)航天與微納衛(wèi)星技術(shù)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢下，DARPA及時(shí)順應(yīng)并借助這一熱潮，靈活推出相應(yīng)項(xiàng)目并予以推動(dòng)。例如“黑杰克”項(xiàng)目將利用先進(jìn)的商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，研發(fā)低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星；“雷達(dá)網(wǎng)”和“小衛(wèi)星傳感器”項(xiàng)目積極發(fā)展適用于微納衛(wèi)星的通信與遙感載荷，并借助工業(yè)部門投資，使軍方新的戰(zhàn)術(shù)能力可在小衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)等。