美加緊研制第三代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星

文/ 龐之浩

▲ “國(guó)防支援計(jì)劃”衛(wèi)星飛行示意圖

近期，美國(guó)頻頻公布有關(guān)導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星的新信息：5月18日，美國(guó)諾·格公司獲得1份價(jià)值23.7億美元的合同，用于開(kāi)發(fā)2顆部署在極地軌道的下一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“過(guò)頂持續(xù)紅外”；5月21日，美國(guó)“過(guò)頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)的2顆地球靜止軌道衛(wèi)星載荷通過(guò)初始設(shè)計(jì)評(píng)審；6月26日，美國(guó)航天和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心授予諾格公司一份價(jià)值2.225億美元的合同，用于“國(guó)防支持計(jì)劃”星座的技術(shù)升級(jí)。

“國(guó)防支援計(jì)劃”升級(jí)延壽

目前，美國(guó)正在維護(hù)第一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“國(guó)防支援計(jì)劃”星座，發(fā)展第二代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“天基紅外系統(tǒng)”，研發(fā)第三代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“過(guò)頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)。

美軍在用的導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星體系共有13顆衛(wèi)星：7顆地球靜止軌道衛(wèi)星、3顆大橢圓軌道衛(wèi)星、3顆低地球軌道衛(wèi)星，涵蓋了可見(jiàn)光、短波紅外、中波紅外和長(zhǎng)波紅外等譜段，采用掃描與凝視結(jié)合手段，具備戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈發(fā)射早期預(yù)警實(shí)戰(zhàn)能力，驗(yàn)證了中段跟蹤與識(shí)別技術(shù)，可對(duì)全球重點(diǎn)海區(qū)和地區(qū)發(fā)射的彈道導(dǎo)彈和洲際導(dǎo)彈分別提供15分鐘和30分鐘的預(yù)警時(shí)間。

自1970年11月6日美國(guó)發(fā)射第一顆“國(guó)防支持計(jì)劃”導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星以來(lái)，至今共發(fā)射了23顆。衛(wèi)星通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射主動(dòng)段羽焰的紅外輻射等探測(cè)成像，將紅外輻射圖像信號(hào)變換為數(shù)字化電信號(hào)傳輸，經(jīng)處理識(shí)別后提供敵方導(dǎo)彈襲擊的預(yù)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)彈主動(dòng)段早期預(yù)警的目的。

“國(guó)防支援計(jì)劃”發(fā)展了3代，最后一顆“國(guó)防支持計(jì)劃”是2007年發(fā)射的。最先進(jìn)的第三代“國(guó)防支援計(jì)劃”裝有多種探測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射的儀器，如紅外探測(cè)器、高分辨率可見(jiàn)光電視攝像機(jī)等。其中的紅外探測(cè)器裝有6000個(gè)硫化鉛和碲化汞鎘紅外探測(cè)元，所以靈敏度較高，可有效識(shí)別各種導(dǎo)彈發(fā)射。

“國(guó)防支援計(jì)劃”的致命弱點(diǎn)是衛(wèi)星上只裝有1臺(tái)掃描型探測(cè)儀器，且掃描速度不高，每分鐘僅自旋6圈，每10秒鐘才能將其監(jiān)視區(qū)域掃描一遍，通常需掃描4～5次（40～50秒時(shí)間）方能確認(rèn)一枚導(dǎo)彈的發(fā)射并判定它飛向何處。

今年6月26日，美國(guó)航天和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心宣布，將“國(guó)防支持計(jì)劃”星座的使用壽命再延長(zhǎng)10年，并授予諾格公司一份價(jià)值2.225億美元的合同，用于“國(guó)防支持計(jì)劃”星座的技術(shù)升級(jí)，使該星座運(yùn)行至2030年。

由于“國(guó)防支持計(jì)劃”是冷戰(zhàn)時(shí)期的產(chǎn)物，本身是為戰(zhàn)略導(dǎo)彈的預(yù)警而設(shè)計(jì)的，因而軌道單一、探測(cè)手段單一、數(shù)據(jù)處理手段單一，對(duì)于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的發(fā)射存在預(yù)警時(shí)間短、虛警率高、漏報(bào)多的問(wèn)題。為此，美國(guó)從2006年開(kāi)始發(fā)射可同時(shí)預(yù)警戰(zhàn)略導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的第2代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“天基紅外系統(tǒng)”，它可監(jiān)視和預(yù)警全球?qū)棸l(fā)射，包括發(fā)射時(shí)間、地點(diǎn)、彈頭軌跡以及著落地點(diǎn)估計(jì)等；為“戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”和“國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”指引目標(biāo)，提供技術(shù)情報(bào)；偵察世界上導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)，收集有關(guān)對(duì)方導(dǎo)彈技術(shù)情報(bào)；偵察戰(zhàn)場(chǎng)情況，為美軍及同盟軍提供情報(bào)支持；偵察全球核爆炸。

“天基紅外系統(tǒng)”的利器

“天基紅外系統(tǒng)”是美國(guó)現(xiàn)役導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的主力軍，用于對(duì)彈道導(dǎo)彈的主動(dòng)段、飛行中段和再入段進(jìn)行全程探測(cè)。與“國(guó)防支持計(jì)劃”相比，“天基紅外系統(tǒng)”能完成更多的任務(wù)，增強(qiáng)美國(guó)的導(dǎo)彈預(yù)警能力，同時(shí)對(duì)導(dǎo)彈防御、技術(shù)情報(bào)和戰(zhàn)場(chǎng)空間感知等任務(wù)領(lǐng)域有所促進(jìn)。

“天基紅外系統(tǒng)”原定由高軌衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星組成，高軌衛(wèi)星用于對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈主動(dòng)段的偵察與監(jiān)視，為美國(guó)最高指揮當(dāng)局和作戰(zhàn)部門提供全球范圍內(nèi)與戰(zhàn)區(qū)有關(guān)的戰(zhàn)略、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈或其他在發(fā)射、助推飛行和下落階段的紅外數(shù)據(jù)；低軌衛(wèi)星主要用于搜索和跟蹤導(dǎo)彈目標(biāo)中段飛行時(shí)的發(fā)熱彈體和冷再入彈頭，對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈持續(xù)跟蹤和識(shí)別，并引導(dǎo)地基攔截器攔截來(lái)襲彈頭。所以，它們可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射的助推段、中段飛行階段、再入階段的全程探測(cè)與跟蹤，并達(dá)到對(duì)目標(biāo)的全球覆蓋。

“天基紅外系統(tǒng)”高軌衛(wèi)星用于接替“國(guó)防支援計(jì)劃”衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈發(fā)射和助推段飛行目標(biāo)的探測(cè)任務(wù)，目前包括4顆地球靜止軌道衛(wèi)星和4顆大橢圓軌道衛(wèi)星，前者主要用于探測(cè)和發(fā)現(xiàn)處于助推段的彈道導(dǎo)彈，后者將該系統(tǒng)的導(dǎo)彈預(yù)警覆蓋范圍擴(kuò)展到北極。

“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星采用洛·馬公司的A2100軍用衛(wèi)星平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命12年，電源功率約2800瓦，重約4500千克。其最大的改進(jìn)是采用雙探測(cè)器設(shè)計(jì)：高速寬視場(chǎng)掃描型短波紅外捕獲探測(cè)器，利用掃描折射望遠(yuǎn)鏡和短波紅外焦面陣列掃描南北半球，提供全球?qū)棸l(fā)射和自然現(xiàn)象的廣域監(jiān)視，可全天候、全天時(shí)提供整片區(qū)域的大體圖像，觀察導(dǎo)彈上升階段噴出的明亮羽流，進(jìn)行初始探測(cè)。如果獲取目標(biāo)，就自動(dòng)轉(zhuǎn)交給另一個(gè)探測(cè)器——窄視場(chǎng)高分辨率凝視型多譜段跟蹤探測(cè)器，它使用一個(gè)“敏捷”的正方形或長(zhǎng)方形焦平面陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn)行凝視跟蹤，通過(guò)更為精細(xì)的凝視平面陣把導(dǎo)彈的發(fā)射畫面拉近放大，緊盯可疑目標(biāo)，以超強(qiáng)靈敏度觀察較小片熱點(diǎn)區(qū)域，跟蹤沿彈道中段和末段飛行的彈頭，獲取詳細(xì)的目標(biāo)信息，為美國(guó)國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)提供高精度的目標(biāo)瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射的全過(guò)程跟蹤。這兩種探測(cè)器90%以上的部件可通用，其掃描速度和靈敏度比“國(guó)防支援計(jì)劃”提高了10倍以上，探測(cè)波段覆蓋近紅外、中紅外和地面可見(jiàn)光。

這種雙探測(cè)器的工作方式可有效地增強(qiáng)衛(wèi)星探測(cè)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的能力，能夠在導(dǎo)彈剛一點(diǎn)火時(shí)就探測(cè)到其發(fā)射，在導(dǎo)彈發(fā)射后10～20秒內(nèi)將警報(bào)信息傳送給地面部隊(duì)。同時(shí)，衛(wèi)星上的處理系統(tǒng)還能預(yù)測(cè)出導(dǎo)彈彈道以及彈頭的落點(diǎn)。

今年4月16日，美國(guó)開(kāi)始對(duì)第5顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止衛(wèi)星進(jìn)行熱真空測(cè)試，計(jì)劃2021年發(fā)射。此外，美國(guó)還要建造第6顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星價(jià)值18.6億美元，用于取代第1、2顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星，也是該星座的最后兩顆衛(wèi)星，可進(jìn)一步提高整個(gè)“天基紅外系統(tǒng)”的性能。

▲ “天基紅外系統(tǒng)”高軌道衛(wèi)星進(jìn)行熱真空試驗(yàn)

大橢圓軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星

“天基紅外系統(tǒng)”的大橢圓軌道衛(wèi)星的探測(cè)范圍可覆蓋地球靜止軌道衛(wèi)星盲區(qū)，即覆蓋地球的兩極，軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)位于北半球，主要任務(wù)是對(duì)位于北半球高緯度地區(qū)的俄羅斯本土和周邊區(qū)域進(jìn)行戰(zhàn)略和戰(zhàn)區(qū)監(jiān)視，大幅擴(kuò)大了“天基紅外系統(tǒng)”的偵察范圍。

每顆大橢圓軌道衛(wèi)星都裝有掃描型紅外探測(cè)器，能觀察北極地區(qū)時(shí)間不小于12小時(shí)，通過(guò)2顆大橢圓軌道衛(wèi)星的交替工作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)北半球高緯度地區(qū)的全天24小時(shí)持續(xù)監(jiān)視，能夠在俄羅斯等北歐國(guó)家導(dǎo)彈發(fā)射的第一時(shí)間內(nèi)探測(cè)到威脅目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈預(yù)警的全球覆蓋。

▲ 技術(shù)人員正在檢查“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星的通信子系統(tǒng)

▲ “空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”在軌飛行示意圖

“天基紅外系統(tǒng)”低軌衛(wèi)星系統(tǒng)原計(jì)劃由20多顆小衛(wèi)星組成，部署在1600公里高的3～4個(gè)大傾角低地球軌道面上。除具備高軌道衛(wèi)星特點(diǎn)外，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)還能跟蹤發(fā)熱的彈體、助推級(jí)之后的尾焰以及最后的再入彈頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射的全過(guò)程跟蹤。所以，可以用于收集、處理和發(fā)送所有級(jí)別（從機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈到洲際彈道導(dǎo)彈和潛射彈道導(dǎo)彈）的彈道導(dǎo)彈發(fā)射的情報(bào)，對(duì)導(dǎo)彈襲擊進(jìn)行早期預(yù)警、跟蹤和實(shí)時(shí)向國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中指揮攔截彈道導(dǎo)彈的指揮系統(tǒng)傳送彈道導(dǎo)彈在彈道全程上的飛行數(shù)據(jù)。但由于技術(shù)難度過(guò)大、部署成本過(guò)高，2002年美國(guó)國(guó)防部將低軌衛(wèi)星系統(tǒng)從“天基紅外系統(tǒng)”項(xiàng)目中分離出來(lái)，作為在軌技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，交由當(dāng)時(shí)新成立的導(dǎo)彈防御局發(fā)展，并更名為“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”。目前該系統(tǒng)僅有兩顆在軌演示驗(yàn)證樣星：2009年5月發(fā)射的“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)降低”衛(wèi)星，用于測(cè)試新型遙感器及其跟蹤彈道導(dǎo)彈的能力，所演示驗(yàn)證的技術(shù)用于“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”；同年9月25日發(fā)射的“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”試驗(yàn)演示衛(wèi)星，用于演示對(duì)各個(gè)飛行階段的彈道導(dǎo)彈的跟蹤能力，證明“空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”星座具有每天24小時(shí)覆蓋全球、每周7天監(jiān)視彈道導(dǎo)彈事態(tài)變化，以及全程跟蹤彈道導(dǎo)彈及其再入彈頭的能力。

總之，“天基紅外系統(tǒng)”星座能在導(dǎo)彈發(fā)射10～20秒內(nèi)將預(yù)警信息快速傳送至地面控制系統(tǒng)，并對(duì)助推段導(dǎo)彈進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的跟蹤，為后續(xù)反導(dǎo)傳感器提供關(guān)鍵的目標(biāo)指示；由于在設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮了對(duì)洲際導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和中近程戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的探測(cè)跟蹤能力，所以“天基紅外系統(tǒng)”對(duì)陸基洲際導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間達(dá)26分鐘，對(duì)潛射導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為15分鐘，對(duì)陸基戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間為4～5分鐘；能夠偵察地球表面的連續(xù)視圖，每10秒鐘拍攝一次，同時(shí)搜索指示熱特征的紅外活動(dòng)，比任何其他系統(tǒng)更快地探測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射，并能夠識(shí)別導(dǎo)彈的類型、燃盡速度、軌跡和撞擊點(diǎn)。

▲ “空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)”在軌飛行示意圖

▲ “天基紅外系統(tǒng)”指揮中心

“過(guò)頂持續(xù)紅外”即將亮相

2018年，美國(guó)空軍宣布取消發(fā)展第7、8顆“天基紅外系統(tǒng)”地球靜止軌道衛(wèi)星項(xiàng)目，轉(zhuǎn)而支持發(fā)展下一代導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星“過(guò)頂持續(xù)紅外”，主要認(rèn)為“天基紅外系統(tǒng)”生存性不高，應(yīng)該用更簡(jiǎn)單、更靈活的系統(tǒng)代替。

“過(guò)頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星和2顆極地衛(wèi)星組成。洛·馬公司負(fù)責(zé)建造地球靜止軌道衛(wèi)星，諾格公司負(fù)責(zé)建造極地衛(wèi)星。不過(guò)，在這之前美國(guó)將在2021年先發(fā)射“寬視場(chǎng)”衛(wèi)星，這是一顆可用于支持“過(guò)頂持續(xù)紅外”項(xiàng)目的試驗(yàn)衛(wèi)星，采用波音的子公司千年空間系統(tǒng)公司的“天鷹座”M8衛(wèi)星平臺(tái)，搭載一臺(tái)由L3哈里斯公司研制的重200千克的6度視場(chǎng)凝視型探測(cè)器，用來(lái)試驗(yàn)采集和報(bào)告導(dǎo)彈發(fā)射數(shù)據(jù)的不同途徑，為“過(guò)頂持續(xù)紅外”提供依據(jù)，用其數(shù)據(jù)來(lái)開(kāi)發(fā)地面處理算法，以應(yīng)對(duì)未來(lái)探測(cè)器預(yù)計(jì)將傳回的更多數(shù)據(jù)。

美國(guó)太空軍擬在2025年發(fā)射首顆“過(guò)頂持續(xù)紅外”。其中的地球靜止軌道衛(wèi)星采用LM2100增強(qiáng)型平臺(tái)，以增加使多個(gè)任務(wù)領(lǐng)域受益的功能，生存能力更強(qiáng)，具有靈活的軌道機(jī)動(dòng)性以及可以在軌補(bǔ)給燃料的能力，造價(jià)29億美元。覆蓋極地衛(wèi)星價(jià)值24億美元，2027年開(kāi)始發(fā)射，2029年將部署完畢全部5顆“過(guò)頂持續(xù)紅外”衛(wèi)星，從而替代在役的“天基紅外系統(tǒng)”。

▲ “過(guò)頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)示意圖

“過(guò)頂持續(xù)紅外”衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)是將搭載更強(qiáng)的傳感器及其他功能，從而不僅能探測(cè)跟蹤大型彈道導(dǎo)彈的發(fā)射和尾焰，還可探測(cè)和跟蹤小型的地空導(dǎo)彈甚至空空導(dǎo)彈的發(fā)射。即使對(duì)于導(dǎo)彈飛行中段的“冷”彈頭也能進(jìn)行跟蹤，而且具備更高的生存能力，很可能具有機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)以及添加燃料的能力。

但是發(fā)射“過(guò)頂持續(xù)紅外”目前遇到兩大難題：一是正在為該計(jì)劃研建的新地面系統(tǒng)可能無(wú)法在首星入軌時(shí)提供使用；二是探測(cè)器與衛(wèi)星平臺(tái)的總裝集成將比預(yù)想的復(fù)雜。為了保證首顆“過(guò)頂持續(xù)紅外”入軌后有地面系統(tǒng)可用，美國(guó)太空軍計(jì)劃把地球靜止軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)成能融入現(xiàn)有“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星的地面架構(gòu)。

由于探測(cè)和跟蹤高超聲速導(dǎo)彈需要不同軌道的衛(wèi)星，所以美軍還將構(gòu)建多軌道衛(wèi)星星座，首批導(dǎo)彈跟蹤星座由8顆衛(wèi)星組成，提供寬視場(chǎng)數(shù)據(jù)，更詳細(xì)的跟蹤數(shù)據(jù)將由中視場(chǎng)衛(wèi)星層提供。

美國(guó)航天發(fā)展局計(jì)劃在2022年前后部署大型低軌道衛(wèi)星星座，配備大約70顆寬視場(chǎng)和中視場(chǎng)衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的持續(xù)性覆蓋，用來(lái)探測(cè)和跟蹤這類導(dǎo)彈。到2025年，星座將擁有更多的衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)全球衛(wèi)星覆蓋，可用于探測(cè)和跟蹤高超聲速導(dǎo)彈。