天基激光對GEO 衛(wèi)星的毀傷效能分析與啟示

劉 坤，劉百麟，鄒恒光

（中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，天氣監(jiān)測、交通運輸、通信導(dǎo)航、科學(xué)探索等日?；顒右约败娛滦袆訉πl(wèi)星的依賴日益增加，太空已成為維護國家安全和利益的戰(zhàn)略制高點。鑒于衛(wèi)星具有重大的軍事價值，國外從20 世紀(jì)50 年代就開始了反衛(wèi)星技術(shù)的研究，目前已發(fā)展出反衛(wèi)星核導(dǎo)彈、動能武器、定向能武器、電子干擾、化學(xué)噴灑及空間操控等多種技術(shù)手段，其中以高能激光為代表的定向能反衛(wèi)星武器因具有攻擊速度快、機動性和抗干擾性強、殺傷效率和效費比高、無后坐力、不產(chǎn)生大量空間垃圾等特點，倍受各航天強國的青睞。1975 年和1981 年，蘇聯(lián)的反衛(wèi)星激光武器2 次照射飛越其上空的美國預(yù)警衛(wèi)星使其“失明”；1997 年10 月，美國利用功率2.2 MW 的氟化氘激光器和運行在412 km 高度軌道上的MSTI-3 衛(wèi)星進行了激光反衛(wèi)星試驗并獲得成功。地基激光能對衛(wèi)星造成硬殺傷的距離為500～2000 km，需要采用MW 級的激光器和光束控制與發(fā)射系統(tǒng)，并持續(xù)照射上百s。

近年來隨著固體激光器技術(shù)的發(fā)展進步，尤其是電光效率高（35%～40%）、散熱特性好、光束質(zhì)量高（可接近衍射極限）、適應(yīng)性強（無復(fù)雜的折軸光學(xué)系統(tǒng)，對環(huán)境溫度、振動、沖擊不敏感）的光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，美國、俄羅斯、德國、英國、法國、以色列等國相繼投入巨額資金、組織龐大隊伍進行戰(zhàn)術(shù)激光武器的開發(fā)，并投入軍事應(yīng)用。以美國為例，2003 年將安裝在“悍馬”車上的“宙斯”激光彈藥銷毀系統(tǒng)（功率1 kW）部署到阿富汗，使該系統(tǒng)成為世界上首種投入實戰(zhàn)部署的戰(zhàn)術(shù)激光武器；2012 年對功率10 kW 級的“高能激光機動演示系統(tǒng)”（HELMD）和“可移動陸基區(qū)域防護反彈藥系統(tǒng)”（ADAM）進行了測試；2015 年研制出基于30 kW 級光纖激光器的“先進測試高能武器系統(tǒng)”（ATHENA）；2017 年完成60 kW 級功率激光武器系統(tǒng)的研制并集成于“高能激光移動測試車”（HELMTT）；計劃2022 年完成300 kW 級陸軍激光武器的研制，并將60 kW 級激光武器裝備到AC-130J 炮艇機上。

1 天基激光器

激光在真空中傳播不受大氣衰減、大氣湍流和非線性光學(xué)效應(yīng)等因素影響，到達衛(wèi)星的能量和光斑大小主要取決于激光器的發(fā)射功率、光束質(zhì)量、發(fā)射器口徑和傳輸距離。垂直入射時對于高斯光束有：

式(1)～式(3)中：為到達衛(wèi)星的功率密度，W/m；為激光器發(fā)射功率，W；為激光器發(fā)射器口徑，m；()為時刻激光器與目標(biāo)之間的距離，m；為衍射因子，=1～3，在近衍射極限條件下=1，在衍射極限條件下=1.22；為照射到衛(wèi)星上的激光光斑半徑，m；為光束遠場發(fā)散角，rad；為實際光束的遠場束散角與理想光束的遠場束散角之比；為激光波長，m。

式(1)中系數(shù)0.84 代表產(chǎn)生主要破壞作用的中央亮斑（Airy 斑）的能量占總發(fā)射能量的84%。由式(1)～式(3)不難看出，激光器發(fā)射功率越大、發(fā)射器口徑越大、波長越短、光束質(zhì)量越高、距離越近，則到達目標(biāo)的激光功率密度越大。

目前空間太陽電池陣的輸出功率已可達20 kW以上，考慮天基激光器只在發(fā)動攻擊時有大功率用電和散熱需求，采用太陽電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電可進一步提升供電能力。假定天基激光武器對衛(wèi)星采用一對一的攻擊模式，綜合考慮激光武器平臺的體積、重量、功耗、散熱等因素，激光器功率取10 kW（10 kW 單模光纖激光器已廣泛工業(yè)應(yīng)用），電-光轉(zhuǎn)換效率為40%，發(fā)射器口徑為0.6 m（公開報道的戰(zhàn)術(shù)激光器的發(fā)射器口徑多在0.6～1.5 m，考慮天基應(yīng)用取其下限），激光波長為1.064 μm，衍射因子=1.22，光束遠場發(fā)散角=0.01 mrad 時，到達目標(biāo)的激光功率密度與作用距離之間的關(guān)系曲線如圖1 所示，表1 提取了其中幾個典型距離上的激光功率密度數(shù)據(jù)。

圖1 激光到達功率密度與作用距離之間的關(guān)系Fig. 1 The arrived power density of laser vs action distance

表1 典型作用距離上的激光功率密度Table 1 Power density of laser at typical action distances

2 毀傷效能分析

2.1 非熱控材料的激光毀傷閾值

激光對目標(biāo)的硬毀傷主要有燒蝕和熱應(yīng)力2 種方式：燒蝕指使用足夠的輻射能量熔化或汽化材料；熱應(yīng)力指使材料溫度上升形成熱應(yīng)力場造成材料性能下降或結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)等損傷。后者所需激光功率密度小于前者所需的。根據(jù)已公開的地面試驗或仿真數(shù)據(jù)，表2給出GEO 衛(wèi)星的星外設(shè)備常用器件與材料的激光毀傷閾值。其中試驗數(shù)據(jù)為大氣環(huán)境測量數(shù)據(jù)，真空環(huán)境中無對流散熱，毀傷閾值會略低。

表2 GEO 衛(wèi)星星表非熱控器件/材料的激光毀傷閾值Table 2 Laser damage threshold for materials and parts on GEO surface (not for thermal control purpose)

對照表1 和表2 可以看出，輸出功率10 kW、發(fā)射口徑0.6 m 的激光武器，垂直入射時在約18 km外可對采用三結(jié)砷化鎵電池片的太陽電池陣造成硬毀傷，在約5 km 外可對星表碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成硬毀傷，對星表鋁合金部組件造成硬毀傷需逼近到2 km 左右。激光對以CCD、CMOS 傳感器為敏感器件的光學(xué)設(shè)備的毀傷效能與入射角度、光學(xué)鏡頭的接收增益等因素有關(guān)，當(dāng)鏡頭的接收增益為10量級時，在16 km 外垂直入射的激光可對光學(xué)敏感器造成硬毀傷。

2.2 星表熱控材料的激光毀傷閾值

多層隔熱組件（MLI）、光學(xué)太陽反射器（OSR，也稱光學(xué)二次表面鏡）等星表熱控材料的激光毀傷閾值尚無公開報道。本文采用熱分析方法，根據(jù)星表材料的許用溫度限制進行評估，計算結(jié)果略保守（計算的激光毀傷閾值低于導(dǎo)致材料熱應(yīng)力損傷所需功率密度），但對于指導(dǎo)衛(wèi)星的防護設(shè)計仍具有積極意義。

倦怠和抑郁有密切關(guān)聯(lián)，所以2018年醫(yī)景網(wǎng)特別調(diào)查了抑郁狀況，調(diào)查結(jié)果說明抑郁會使美國醫(yī)生減少工作投入，對患者和同事更加缺乏耐心，甚至導(dǎo)致醫(yī)療差錯。長期倦怠會造成抑郁，抑郁會帶來更加嚴(yán)重的后果，倦怠作為抑郁的前兆，應(yīng)作為醫(yī)生健康的重要指針常態(tài)化觀測，防患于未然。

多層隔熱組件由反射屏和隔熱層組成（見圖2），用于減少星上儀器設(shè)備的熱量損失，同時隔離星外熱源對衛(wèi)星的影響。多層隔熱組件的面膜與OSR片均屬于二次表面鏡，由基材（聚酰亞胺薄膜、摻鈰玻璃）和反射層（鋁、銀鍍層）組成（見圖3）。

圖2 多層隔熱組件組成Fig. 2 Architecture of MLI

圖3 二次表面鏡結(jié)構(gòu)與工作原理示意Fig. 3 Structure of second surface mirror and its working principle

可見光無法穿透反射層；波長1.064 μm 的激光照射到反射層時穿透深度為16.9 nm，也無法穿透反射層（厚0.09 μm 左右）。

GEO 可忽略地球紅外輻射、地球反照等熱源，則忽略星上部件遮擋時，深冷空間中被輻照面溫度與吸收熱流之間的關(guān)系可簡化為

式中：為受輻照面吸收的熱流，W；為受輻照表面的紅外發(fā)射率；為斯忒藩-玻耳茲曼常量（5.67×10W/(m·K)）；為受輻照面積，m；為受輻照面的溫度，K；為深冷空間溫度，K。

下面取GEO 的太陽常數(shù)值為1367 W/m，對多層隔熱組件和OSR 片在太陽光和激光共同輻照下的溫度進行分析。

GEO 衛(wèi)星的多層隔熱組件面膜一般為聚酰亞胺鍍鋁薄膜，其太陽吸收比和紅外發(fā)射率分別取壽命初、末期的平均值0.5 和0.67，假定間隔層為絕熱，則由式(4)可計算出陽光垂直輻照到多層隔熱組件外表面時平衡溫度為366.2 K；聚酰亞胺薄膜對于波長1.064 μm 激光的透過率為85%，鍍鋁層對激光的吸收率與溫度有關(guān)，遵循Hagen Rubens公式，即在低于熔點（鋁熔點為933 K）時鋁的吸收率與溫度之間的關(guān)系式為

由式(5)可以算出，366.2 K 時鋁的吸收率為6.48%。

假定激光垂直入射，忽略反射和ITO 膜的影響，聚酰亞胺鍍鋁薄膜的初始溫度為366.2 K，則根據(jù)式(1)～式(3)可分別得出聚酰亞胺基材、鍍鋁反射層的溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 聚酰亞胺鍍鋁薄膜溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系Fig. 4 The temperature of MLI as a function of action distance of laser

由圖4 可以看出，當(dāng)激光器對衛(wèi)星的作用距離小于58 km 時，照射到多層隔熱組件上的能量可使聚酰亞胺薄膜溫度超過其安全使用溫度上限（250 ℃），造成其隔熱性能下降。

OSR 片由摻鈰玻璃鍍銀而成，表面涂ITO 膜，太陽吸收比取平均值0.12，半球發(fā)射率取平均值0.78。GEO 衛(wèi)星在軌工作期間，太陽光線與南、北板外表面（OSR 散熱面）的夾角在±23.5°之間變化；冬至或夏至?xí)r太陽光線與南、北板外表面的夾角達到最大值23.5°，衛(wèi)星艙外溫度達到最高。由GEO衛(wèi)星在軌遙測溫度數(shù)據(jù)可知，壽命期內(nèi)衛(wèi)星南、北板OSR 片平均溫度不低于30 ℃（約303.1 K）。測試表明：單層高反銀膜在1.0～1.4 μm 波長范圍的平均反射率為99.17%，在1.064 μm 處的反射率為99.10%；玻璃基材在0.4～1.1 μm 波長范圍內(nèi)的平均透過率大于92%。忽略表面反射和ITO 膜的影響，則波長1.064 μm 的激光垂直入射時，玻璃基材、銀反射層的溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 OSR 片溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系Fig. 5 The temperature of OSR as a function of action distance of laser

由圖5 可以看出，當(dāng)激光器對衛(wèi)星的作用距離小于36 km 時，投射到OSR 片上的能量可使玻璃基材溫度超過RTV 膠的許用溫度上限（260 ℃）。持續(xù)的激光照射則會造成黏膠軟化、OSR 片脫落，導(dǎo)致衛(wèi)星散熱能力下降，致使星內(nèi)設(shè)備的溫度超限（一般為60 ℃），存在高溫導(dǎo)致星上設(shè)備發(fā)生故障甚至損毀的風(fēng)險。

2.3 小結(jié)

綜合以上分析，10 kW 級天基戰(zhàn)術(shù)激光武器對GEO 衛(wèi)星的毀傷效能見表3。不難看出，輸出功率10 kW、發(fā)射器口徑0.6 m 的天基激光武器對GEO 衛(wèi)星的硬毀傷距離最遠可達58 km，星表熱控材料（包括MLI、OSR）最為薄弱，之后依次為太陽電池陣、碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及光學(xué)敏感器。

表3 10 kW 級戰(zhàn)術(shù)激光器對GEO 衛(wèi)星的毀傷效能Table 3 Damage effect of 10 kW tactical laser weapon to GEO satellite

實際上由于GEO 的特殊性，攻擊航天器一般采用低于目標(biāo)幾十km 的軌道高度從其西側(cè)抵近，或者采用高于目標(biāo)幾十km 的軌道高度從其東側(cè)抵近；而OSR 通常位于GEO 衛(wèi)星南、北外表面，其表面與來襲激光束的方向平行或呈較大的鈍角，因此直接遭受激光攻擊的可能性極小；GEO 衛(wèi)星的外表面除散熱窗口粘貼OSR 外，其余一般采用MLI包覆，因此MLI 將是星體抵抗激光毀傷的第一道防線；此外，GEO 衛(wèi)星的太陽電池陣面積大、工作時對日定向，易于受到順光攻擊，且一旦能源受損將導(dǎo)致衛(wèi)星性能迅速降級甚至整星失效，因此太陽電池陣將會是天基激光武器打擊的重點目標(biāo)。

激光武器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)屬于軍事機密，雖然前述分析計算只是基于對武器參數(shù)的合理假定，并對模型進行了適當(dāng)簡化，但所得出的結(jié)果對于GEO衛(wèi)星的防護設(shè)計仍具有指導(dǎo)意義。根據(jù)公開報道，天基激光武器對目標(biāo)星的實際攻擊距離可能比本文計算的更近，因此即便采用較低的激光發(fā)射功率、較小的發(fā)射器口徑，仍能取得顯著的毀傷效果。據(jù)報道，美國“地球同步軌道太空態(tài)勢感知計劃”（GSSAP）衛(wèi)星曾多次秘密抵近俄羅斯等國的GEO 衛(wèi)星（見表4），最近距離達10 km。

表4 GSSAP 衛(wèi)星靠近GEO 衛(wèi)星情況Table 4 Records of GSSAP satellite approaching GEO satellites

3 幾點啟示

前文分析結(jié)果可以為GEO 衛(wèi)星的研制提供以下啟示：

1）天基激光武器對GEO 衛(wèi)星的威脅是現(xiàn)實的，高價值GEO 衛(wèi)星須采取相應(yīng)的激光防護措施。

2）衛(wèi)星激光防護應(yīng)重點圍繞薄弱環(huán)節(jié)開展，以獲取最佳防護效費比。星表多層隔熱組件和太陽電池陣最有可能成為激光武器的毀傷對象，可將研發(fā)高反射率多層隔熱組件面膜、提高電池片的抗激光毀傷能力作為被動激光防護的工作重點。

3）可從單機、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層面綜合采取防護措施，提高系統(tǒng)魯棒性。以光學(xué)敏感器的激光防護為例，單機層面可通過鏡頭鍍膜提升毀傷閾值、通過最小化光學(xué)視場降低被打擊概率；分系統(tǒng)層面可通過選取不同的光學(xué)敏感器、對不同敏感器的輸出姿態(tài)信息進行融合來提升抗激光打擊能力；系統(tǒng)層面可通過將敏感器布置于星體不同部位、指向天球不同區(qū)域來增加激光攻擊的難度。

4）可通過主動防護與被動防護相結(jié)合的措施提高綜合防護效能。被動防護雖能提高GEO 衛(wèi)星的抗激光毀傷能力，但防護效果隨攻擊距離、攻擊持續(xù)時間而異；為高價值GEO 衛(wèi)星配置激光告警裝置可提升對激光攻擊的感知能力，以便及時、主動采取規(guī)避和防護措施，提高衛(wèi)星生存概率。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)國外戰(zhàn)術(shù)激光武器的發(fā)展情況，對天基戰(zhàn)術(shù)激光武器攻擊GEO 衛(wèi)星的毀傷效能進行了分析計算，結(jié)果表明10 kW 級天基戰(zhàn)術(shù)激光武器對星表多層隔熱組件的硬毀傷距離最遠可達58 km，對太陽電池陣的硬毀傷距離最遠可達18 km，對碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的硬毀傷需抵近至5 km 以內(nèi)?？梢娞旎す馕淦鲗EO 衛(wèi)星的威脅是現(xiàn)實的，應(yīng)重點針對衛(wèi)星薄弱環(huán)節(jié)開展激光防護設(shè)計，從單機、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層面綜合采取防護措施，通過主動防護與被動防護相結(jié)合的措施提高綜合防護效能。本文分析結(jié)果可作為高價值GEO 衛(wèi)星激光防護設(shè)計的參考，也可為其他衛(wèi)星的生存能力提升提供借鑒。