空间对抗战略起源于二战时期的美苏争霸。那时空间对抗更熟悉的说法是太空威慑,太空威慑与核威慑一道成为冷战时期军备竞赛的核心。冷战结束后,美国在太空领域出现一国独大的局面,尤其是1991年的海湾战争展现出太空系统在常规战争中的独有能力和优势,从而推动了后冷战时代美国威慑战略理论的变化,并催生太空威慑理论的独立发展。
空间攻防,就是指外层空间中进行的军事对抗,主要包括空间态势感知、空间进攻和空间防御三个主要方面。空间的攻防的作战对象涵盖弹道导弹、临近空间飞行器、各类型航天器、地面以及海上高价值之军事目标(天对地打击形式)等。美国为了维护空间优势和增强空间控制能力,制定了明确的空间政策和战略,建设了大量的空间设施,而作为空间的核心能力,空间攻防对抗力量是在空间战场环境中进行空间力量运用的基本保障。
目前美国已经形成了相对完备的空间攻防对抗组织、领导机构、理论体系、兵力编制、武器系统以及相关培训基地,有规模庞大的航天工业和雄厚的人才储备、其规模远远超过其他世界各国的共和,下面我们通过系统总结美国空间攻防的发展历程、根据其装备体系化发展的思路、分析现有以及未来美军空间攻防领域的能力。
空间态势感知是对影响太空活动的所有因素的认知和分析,是太空攻防对抗活动的基础 , 是太空信息化战争的主要支撑力量,各军事大国都将大量的资源投入到太空态势感知研究和开发中。从广义上讲,太空态势感知是对所有发生在空间的事件、威胁、活动和状态进行感知,能使指挥决策和操作人员获取并维持空间优势。美国已经意识到空间态势感知能力是空间攻防对抗的基础,对空间攻防对抗具有重要的支撑作用,通过空间态势感知可以更好的了解和掌握空间环境、分析和评估空间卫星、认识和预测空间军事行动,从而提高空间攻防对抗指挥和控制的效果。
美国认为,太空态势感知能力既是美国太空安全政策的基石,又是美国实现太空军事化的前提,已将太空态势感知能力视为“所有太空活动的基础、太空控制的关键前提和不可或缺的作战力量”。自特朗普上任以来,制定了更加清晰的太空政策战略,从美国利益优先和称霸全球的目的出发,强调优先发展太空态势感知能力。因此美国将空间态势感知置于优先发展的地位。
指挥机构为联合太空作战中心,联合太空指挥中心代表联合部队太空指挥官行使相关指挥职能,联合太空指挥中心在美国战略司令部的统一领导下,对太空部队和太空资产下达作战指令,确保联合作战人员可使用太空能力。空间态势感知依赖于一体化的太空监视、信息收集与处理、环境监测,己方卫星系统以及敌方航天的状态,评估敌方的能力和意图,识别出潜在威胁、并能够及时制定和采取对策。
美国认为,通过空间态势感知可以更好的了解和掌握空间战场环境,分析和评估空间威胁,认识和预测空间军事行动,从而提高空间攻防对抗指挥和控制的效率。
美国的空间感知系统采用天地一体化的方式,由地基和天基系统组成。其中地基系统以雷达和光学为主、天基系统以光学为主。自20世纪60年代开始,在经过50多年的发展后,美军的地基空间态势感知装备在体系完整性、技术成熟度、投资规模等方面已经具备了一定优势,形成了“天地一体、全球覆盖、高低轨兼顾”的空间态势感知能力。美国的空间态势感知系统除了对航天器进行监测外,还负责对轨道碎片和自然天体的运行情况进行掌握,分析目标信息、进行目标编目、以掌握空间态势,向民用、军用航天器活动提供空间目标信息态势保障,编目在册的目标已达到38549个。
美国最初发展了以地基为主的太空态势感知系统,目前美国用于空间目标探测的感知系统已经遍布全球,并且能够在特定区域内实现对空间目标的连续探测和监视。地基系统已经完成了全球25个站址的部署,拥有30余台套探测设备,建立了两个专用的空间目标监视指控中心。当前美国的地基系统与反导系统是一体化建设的,探测的手段包括光学和雷达。这些装备包括专用型、兼用型和协助型三种,专用型的监视装备任务是执行空间目标监视,由战略司令部负责运行,包括部署于美国本土艾格林空军基地的ANFPS-85相控阵雷达、部署于阿森松岛的AN FPQ-15、-19机械雷达、部署于挪威的Globus-II机械雷达,部署于澳大利亚机械雷达、以及3套位于迪戈加西亚、毛伊岛和索科罗的地基光电深空监视系统。兼用型的装备主要任务是进行弹道导弹预警、发射靶场支援等,同时提供一定的空间目标监视能力,主要由战略司令部负责运行,主要包括部署与世界各地各类型的相控阵雷达ANFPS-120 -123 -126 -115 丹麦眼镜蛇等。协助型的监视装备是由其他机构运行,在战略司令部提出请求是,根据相关协议和合同协助进行空间目标监视,主要包括4套位于夸贾林环礁的机械雷达:包括Tradex目标分辨与辨别试验设备、Alcor C频段观测雷达、AlTAIR远程跟踪与测量雷达、MMW毫米波测量雷达,4套位于维斯托夫的机械雷达,包括干草堆超宽带成像雷达、辅助雷达,2部磨山石雷达,以及位于夏威夷毛伊岛的地基光电毛伊空间监视系统。
现在美国新一代的空间篱笆系统已经部署完成,新一代的地基核心光学转变SST部署完成后,美国空间态势感知新一代地基系统基本成型。
截至目前,美军运行着近30个地基空间态势感知系统,它们广泛分布在美国本土、英国、挪威、大西洋、印度洋、太平洋等地。根据工作方式和工作平台的不同,地基空间态势感知装备主要可分为地基雷达系统和地基光电系统。其中地基雷达系统又可以进一步分为机械雷达和相控阵雷达。
机械雷达可以非常精确地观测近地天体轨迹,但其缺点是一次只能追踪一个物体,不能非常有效地“搜索”目标。为提升搜索能力,有一些机械雷达改进了其雷达波束的扫描模式。目前,美军主要的机械雷达及其部署位置如表1所示。上述表格中的C波段空间目标监视雷达,其探测距离达11000km,每天可准确跟踪约200个目标,还可鉴别卫星及其轨道的潜在异常。作为美军在南半球部署的首个空间目标监视系统,该雷达可提供非常准确的卫星位置数据和特征描述数据,能够更早探测到飞经覆盖区域上空的空间目标,更准确地跟踪空间碎片和亚太地区空间发射活动,大幅提升了美军对亚太地区空间目标的探测跟踪与识别能力。
C波段空间目标监视雷达是美国专用于空间目标监视的AN/FPS-14型单脉冲蝶形机械跟踪雷达,工作频段为5.4~5.9GHz。2014年,美国开始将原本部署在加勒比海安提瓜岛的C频段雷达逐步迁移至澳大利亚西部哈罗德霍尔特海军通信站。2017年3月,美空军在澳大利亚部署的地基C波段空间目标监视雷达具备全面运行能力。
相控阵雷达通常有数千个小型发射/接收(T / R)天线,可以同时形成多个波束来跟踪多个目标,分别执行搜索、跟踪、识别、制导等功能。同时,相控阵雷达对复杂目标环境的适应能力强,抗干扰性能好。但相控阵雷达也存在建设成本高、维护复杂等缺点。目前,美军部署的主要相控阵雷达如表所示。其中,空间篱笆(Space Fence)于2020年3月内实现初始运行。
新一代“空间篱笆”(Space Fence)是美军空间态势感知能力重大升级中的主要系统,旨在提高美军的太空目标探测与跟踪能力,尤其是环太平洋太空活动感知能力。升级完成后,新一代“空间篱笆”(Space Fence)将使空间监视网的目标跟踪能力提高10倍,地球同步轨道目标的跟踪量级达10cm,低地球轨道目标的跟踪量级将达到1cm。
该项目包括四个阶段。2005~2008年为概念研究阶段;2009~2013年,完成项目可行性研究,项目设计和初始设计评审;2014年,进入研发阶段,空军选出洛马公司作为“太空篱笆”主承包商,建造“空间篱笆”雷达样机,并在马绍尔群岛夸贾林环礁建造全尺寸雷达。预计该项目于2020年初获得初始运行能力,2022年具备全面运行能力,从而显著提升美军空间态势感知能力。新一代“空间篱笆”系统是世界上最大的S波段单基地相控阵雷达,采用调频脉冲信号,频率为2~4GHz,可对中、低轨道高度目标进行探测,最佳状态可跟踪低地球轨道上1cm大小的空间目标。该系统每天可探测150万次,探测目标数量为20万个。部署于低纬度地区,可实现对全部轨道倾角的低轨目标的跟踪与编目。按最初计划,“空间篱笆”系统拟通过全球分布的3个S波段相控阵电扫描雷达,对近地轨道和中地球轨道目标进行监视,并对优先级高的目标进行跟踪测量。3个布站地点分别位于:太平洋夸贾林环礁、澳大利亚西部哈罗德•霍尔特海军基地,以及南大西洋英属阿森松岛。其中,夸贾林环礁场站部署的首部“空间篱笆”雷达安装工作于2017年4月由美空军启动,2018年底完成了雷达站安装及“空间篱笆”美国空间操作中心的整合测试。后续雷达站的选址和部署将根据夸贾林站探测效果等因素最终确定。
地基光电望远镜依靠被跟踪物体反射的光波来形成图像,因此需要被跟踪物体处在阳光下且具有反射属性。目前,美军部署的主要光电望远镜如表3所示。其中,空间监视望远镜(SST)预计将于2020年实现初始运行。空间监视望远镜着重提升美军地基中高轨探测监视能力。该望远镜具备地球同步轨道上10cm的目标分辨率,一晚能对整个地球同步轨道带进行多次观测,并可一次性观测到一万多个太空目标。
2002年,美国高级研究计划局(DARPA)启动了空间监视望远镜立项工作。2008年,空间监视望远镜在新墨西哥州白沙导弹靶场动工建设。2013年,美国空军在白沙导弹靶场对空间监视望远镜进行了试验鉴定。2016年,美国麻省理工学院林肯实验室和空军等机构联合对空间监视望远镜进行了技术升级,该望远镜初步形成作战能力并完成对1000余万个空间目标的探测。2016年10月,美国正式启动转移工作,将原本部署在新墨西哥州白沙靶场的空间监视望远镜转移至澳大利亚西部哈罗德霍尔特海军通信站,并在转移前完成了对望远镜相机、微弱目标监测算法及搜索速度的升级工作,预计该望远镜将在2020年完成重新组装、校准工作,届时将实现初始运行。空间监视望远镜使用世界最快的望远镜相机快门,采用电机驱动,可快速稳定探测高轨道目标,具有广域空间探测与识别能力,是目前世界上探测最快和最敏捷的大型望远镜。一旦部署在澳大利亚,该望远镜可有效改善美军对地球同步轨道区域目标的观测能力(为什么部署在澳大利亚),增强美军对南半球及西太平洋上方广域搜索、探测跟踪空间暗弱目标及快速探测小型目标的能力,提升近实时态势感知能力。
当前美国的地基系统与反导系统是一体化建设的,地基目标监视系统作用距离达到4万公里,可探测轨道高度低于6400公里,直径大于1cm的目标,可精密跟踪、定轨该轨道高度10cm直接以上的目标,可探测同步轨道直径大于10cm的目标,可以精密跟踪、定位该轨道高度直径30cm以上的目标。根据19年的数据,美国能够编目38000以上多个空间目标,能够对直径大于10cm的18000个空间目标进行探测跟踪分类,能够对直径大于30cm的空间目标进行精确探测和跟踪,并能实时感知深空微小目标。对低轨道目标24小时预报精度100m,对中高轨目标24小时预报精度达到1km以内,能够对空间目标的变轨做出准实时响应。到2020年,估计美国能够实现20万个目标的编目数量,对于低轨1cm目标实现10m的定位精度,中高轨10cm以上目标实现100m的定位精度。到2030年,探测范围将覆盖各种轨道空间,能过探测识别5厘米以上低轨目标、10厘米以上中高轨目标。
但是随着空间攻防项目的不断演进,美国发现地基系统并不能适应新形势下空间攻防的需求,主要由以下几个原因:地基系统布站固定,只能在空间目标过顶的时候进行探测,并且监视的连续性难以保持;受功率孔径限制,地基雷达作用距离有限,主要用于低轨道空间目标监测;地基光学可以观测到中高轨道目标,但是受到到光学系统探测机理的影响,无法在弱光或者无光条件下使用,无法保证全天候、全天时的观测能力;地基系探测距离近、频次低、因此对空间目标的定位精度也不够,不足以保证空间攻防精度的需求。为了有效弥补地基系统的固有缺点,美国进一步发发展了天基系统。
从1996年开始,美国即开始大力发展天基态势感知系统,为后续空间攻防进行充分的技术以及装备储备,在天基态势感知系统中,美国采用低轨、高轨、和感知攻防两用系统3条交互发展路线。
在低轨系统中,最为核心的是STARE 微纳卫星星座和SBSS星座;在高轨系统中,最为核心的是GSSAP系统 和GEO目标监视纳卫星星座,在感知/攻防两用系统中,最为核心的是低轨XSS-10/11和高轨ANGELS卫星。
(1)STARE(Space-based Telescopes for the Actionable Refinement of Ephemeris)-“星历可精调天基望远镜”:)系统采 用3U 架 构 的 纳 卫 星,搭 载宽视场光学遥 感 器。单 颗 卫 星 视 场 为2°×2°;18颗卫星组成星座,可监视轨道高度200~1000km范围内10cm 以上目标,定位精度为100(相比现在提升2个数量 级)。2012-2016年 已 发 射3颗 卫 星,计划2020年 前 完 成 其 余15颗卫星的发射并完成组网。
SBSS(Space Based Space Surveillance)是美国目前主力的天基空间态势 感知系统,是 由3颗 卫 星 组 成 的 星 座 。卫 星 采 用 高 度630km 的太阳同步轨道,搭载宽视场光学遥感器和窄视场光学望远镜,基于“恒星跟踪”机理观测目标。其主要任务是对低轨和中高轨空间目标进行高频次观测,平均每天观测目标数可达12000个。另外,在GEO 目标探测方面,3星星座可提供平均3次/天的观测能 力。美 国 在2010年 完 成 了SBSS-1卫 星 的发射,计划在2020年完成星座部署。SBSS对空间态势感知能力的主要贡献为进一步拓展空间目标的监测 数 量,大 幅 提 升 监 测 频 次。
“天基空间监视系统”(SBSS),主要目的是建立一个低地球轨道光学遥感卫星星座。SBSS拥有较强的轨道观测能力,重复观测周期短,并可全天候观测,可大幅度提高美国深空物体的探测能力。据报道,SBSS系统使美国对地球静止轨道卫星的跟踪能力提高了50%,同时使美国太空目标编目信息的更新周期由现在的 5天左右缩短到 2 天。
天基空间目标监视系统与对地侦察卫星的功能有很多相似之处,都是侦察卫星对感兴趣的目标进行观测。不同的是,天基空间目标监视系统所观测的目标的特殊性,给天基系统的构建带来更多的挑战。地面目标与对地观测卫星的相对几何关系比较稳定,相对速度也较小。而天基空间目标监视卫星相对于空间目标的几何关系变化较大,相对速度也较大,最大可以达到15公里/秒。怎样在这样的高速条件下对目标进行观测和跟踪,是未来空间目标监视系统发展中需要解决的关键技术问题。
SBSS系统拥有较强的轨道观测能力,重复观测周期短,并可全天候观测,可大幅度提高美国深空物体的探测能力。而 GSSAP卫星则部署在GEO 轨道之上和之下的漂移轨道中,具备较强的机动变轨能力,能够在地球同步轨道带内机动飞行,按需抵近地球同步轨道目标实施抵近侦察,以最佳视角获取目标图像。
GSSAP -Geosynchronous Space Situational Awareness Program -GSSAP系统采用4颗卫星均布的星座组网方式,单星质 量1000kg左 右,装 有 光 学 载 荷,运 行于 GEO 上方或下方1000km 的轨道高度上。美国在2014年完成了GSSAP-1/2卫星的发射,2016年完成GSSAP-3/4卫星的发射,目前4颗卫星在轨,部署 完 毕。GSSAP系 统 的 任 务 是 加 强 对GEO 卫星巡视观测能力,可抵近伴飞获取重点目标的高清视图,同时兼顾空间攻击能力。它是目前美军针对高轨目标日常巡视的主力系统,4颗卫星组网可 实现对高轨目 标 每 周 巡 视 一 次 的 能 力。图 为 美 国GSSAP星座对高轨目标观测示意。GSSAP卫星具备较强的机动变轨能力,能够在地球同步轨道带内机动飞行,按需抵近地球同步轨道目标实施抵近侦察,能以最佳视角获取目标图像。
GSSAP卫星曾多次秘密靠近俄罗斯和中国的军用和民用航天器,并对其进行检查。
GSSAP卫星上搭载的宽视场观测相机、窄视场观测相机、红外相机、电子信号侦收设备,能够在地球同步轨道附近大范围机动,对高轨道目标进行抵近详查,截取电子信号,能够为美军空间作战提供目标技术侦查和行动意图判断。
除了 GSSAP系统,美国还计划发展用于高轨目标监视的 GEO目标监视纳卫星星座。该星座轨道距 GEO约500km,采用3U 立方体方案,搭载光学侦察系统,可选方案为9颗卫星、18颗 卫 星 或27颗卫星组网。27颗卫星组网时,最短重复巡访周期为2天。GEO目标监视纳卫星星座的主要任务是对 GEO 目 标 进 行 环 绕 监 视,单 星 环 绕 周 期 60天,探测大于5cm 的目标。图为 GEO目标监视纳卫星星座构想及工作示意。
XSS-10/11均采用微小卫星,轨道高度520~910km,主要任务是对低轨目标进行在轨检查、交会对接,以及围绕低轨目标近距离机动飞行。目 前,XSS-10/11在低轨均成功完成了抵近观测和自主交会技术。
高轨ANGELS星(局部空间自主导航与制导试验),局部空间自主导航与制导试验卫星:是能够自主伴飞在己方高轨卫星周围的护卫小卫星,具备实时连续威胁告警、攻击防御和受损评估等功能。美空军于2014年7月和2016年8月分别发射了第1颗和第2颗ANGELS卫星。质量100kg,设计寿命1年,采用光学设 备,主 要 任 务 是 对 GEO 目 标 进 行逼近、绕飞、悬停等操作,对卫星实施探测、跟踪、监视及评估,掌握其特性和活动意图。美国在2014年7月完成了高轨ANGELS卫星的在轨验证,目前卫星已经退役。成功完成了抵近观测、跟踪及悬停绕飞等关键任务。图 为 高 轨 ANGELS卫 星 工 作示意。
空间攻击主要是指对卫星实施攻击,以实现破坏卫星功能、甚至物理摧毁卫星为目标。空间攻击主要分为软杀伤和硬杀伤两种,其中:软杀伤主要是电磁干扰、网络攻击,不造成对卫星的实际物理伤害,只是使其在一定时间内丧失功能;硬杀伤是主要以天基平台为主的近距离攻击手段,以卫星功能永久丧失为目标,对卫星的破坏力极大,甚至导致作战体系的直接瘫痪。由于硬杀伤的优势显著,近年来美国逐步加大了基于天基平台的硬杀伤攻击技术研究。
空间硬杀伤手段主要包括:①动能武器攻击,碰撞杀伤;②天基在轨操作,机械臂或对接抓捕、破坏;③天基激光武器,强激光束照射,受热融化或燃烧毁伤;④天基微波武器,破坏卫星电子设备。下面分别论述美国在这4个方面的发展情况。
美国的动能武器包括陆基、海基、空基及天基方式。在陆海基及空基动能武器方面,美国采取了反导反卫一体化发展的思路,通过升级改进,将反导武器应用于反卫领域,解决防区内低轨打击问题( 标准3系列导弹);在天基动能武器方面,其实际部署情况及相关报道均很少,从技术形态上分析,很有可能是天基动能武器的关键技术及试验都掩盖在感知/攻击两用系统中(主要是近距详查系统)。表是美国用于空间攻击的重点动能武器项目及进展。
核反卫星武器:发展最早且具备实战能力,但由于会产生大量空间碎片未进一步发展。美国于20世纪60年代末至70年代发展了核反卫星导弹,利用“奈其-宙斯”反弹道导弹和“雷神”中程弹道导弹进行了反卫星试验,验证了其作战能力。由于核反卫星武器在摧毁敌方卫星的同时也会威胁本国卫星的生存及工作环境,美国在成功验证核反卫星效果后停止发展该类武器,于70年代末转向研制常规动能反卫星武器。
动能反卫星已具备全平台实战能力,发展重点转向软杀伤技术应用。美国于20世纪70年代至90年代发展了动能反卫星武器,在机载、地基、天基等平台都成功进行了试验。2004年,美国通过“应用空间对抗技术计划”,正式启动基于动能杀伤飞行器的软杀伤技术研究,开启了非摧毁性甚至可逆的反卫星阶段。在对空间目标的动能武器攻击方面,美国相应的关键技术均已突破,已具备实战能力,可对低轨目标实行有效的空间打击。
近年来,美国以民掩军发展了可重复使用轨道机动飞行器、自主接近交会小卫星、自主在轨维护装备等空间机动与操作装备。这些装备平时可用于清除空间碎片、在轨燃料加注和在轨维修,战时可用作空间攻防装备,通过射频、激光、电子干扰等手段对空间合作与非合作目标实施软杀伤,通过碰撞、捕获等手段实现硬杀伤。
天基在轨操作包括在轨服务、空间碎片清理,在轨维修、抓捕等相关技术,主要目的是延长航天器寿命、解决航天器在轨故障、移除空间碎片、清理废弃卫星等。近年来,美国开展了一系列在轨操作项目研发,其中起到奠基作用的是2002-2007年研发并在轨 测 试 的 轨 道 快 车 (OrbitExpress)项 目。在OrbitExpress项目中,美国在轨操作的关键技术均得到了充分验证。在此基础上,美国规划并重点发展了一系列在 轨 操 作 项 目,以 应 对 不 同 轨道的卫星,并逐渐形成在轨补充维护(偏商用)和组装/维修/重 构 (军 民 两 用)2 条 发 展 路 线。OrbitExpress、在轨卫星燃料加注系统(Restore-L)及 地球静止轨道卫星机器人服务(RSGS)项 目,是 美 国在轨操作路线中程碑式的3个项目。
以“实验卫星系统”和“微卫星技术试验”卫星为代表的自主接近交会小卫星成功验证了轨道机动技术,可识别、跟踪、接近并摧毁目标卫星。以“凤凰”计划为代表的自主在轨维护装备再升级,“蜻蜓”项目、“机器人燃料加注任务”“蜘蛛制造”空间制造系统等项目相继启动。“凤凰”计划由DARPA于2011年启动,继承了“轨道快车”等在轨服务技术试验成果,同时又有重大创新。它将在轨服务技术从低轨道扩展到高轨道、从合作目标扩展到非合作目标、从单机械臂扩展到多机械臂、从简单捕获扩展到精细操作、从单项技术演示扩展到系统集成。“蜻蜓”项目于2015年8月由DARPA授出,是对“凤凰”计划的进一步延伸和拓展,将大幅提升卫星通信能力和机械臂在轨操作技术,具有潜在的地球同步轨道卫星硬杀伤能力。“机器人燃料加注任务”(RRM)用于验证在轨低温燃料补给技术与卫星内部监测技术。“蜘蛛制造”系统将改变以往航天器各部件建造和装配均在地面进行的模式,实现航天器各部件在轨建造和装配,预计未来十年将能够在轨建造大型天线、太阳能电池帆板等。
轨道快车项目:轨道快车项目目的在于开发研究未来空间在轨补给和修复与重构技术,并且通过在轨飞行演示和验证达到发展该技术的目的。“轨道快车”计划需要研制2颗卫星,1颗称为“自主空间运输和机器人轨道器”(ASTRO),也就是交会对接追踪星;另1颗称为目标星(NEXTSat),它是1颗接受追踪星提供服务、模拟需要维修或补给的卫星。在轨飞行演示具体的要求包括:
①研制和验证非专用卫星在轨服务接口技术的要求与指标;
②研制和验证自主交会对接的制导、导航与控制(GNC)系统,以及追踪星(服务星)和目标星技术;
③在轨飞行验证自主交会、靠近操作技术,以及捕获与对接方式;
④在轨飞行验证燃料输送(从追踪星到目标星);⑤在轨飞行验证轨道更换单元(ORU)输送。
定向能反卫星武器:主要包括微波反卫星和激光反卫星和粒子束反卫星武器,其中微波反卫星武器、激光反卫星武器技术成熟度较高,粒子束反卫星武器尚处于实验室可行性验证阶段。
微波反卫星武器已实战部署。近年来,美国通过空间控制技术专项计划和空间对抗系统专项计划研制了先进的卫星通信链路电子干扰武器——“反卫星通信系统”,自2004年开始至少已部署7套CCS系统,具备一定作战能力。(今年太空部队接收新的CCS系统)美太空部队在3月13日宣布一种用于阻止敌方卫星传输的新型地面通信***已准备好用于战斗行动,该系统称为Counter Communications System Block 10.2 ,及通信卫星对抗系统 10.2(CCS)。太空与导弹系统中心的特殊计划局(SMC)在对该系统进行为期一年的测试后,在3月12日将其移交给了位于科罗拉多州彼得森空军基地的第4太空控制中队。(对空间系统的电子对抗系统,通信卫星对抗、导航卫星对抗、雷达成像卫星对抗,光学卫星对抗。)
微波武器是利用定向发射的高频电磁脉冲对目标产生电效应、热效应或生物效应,从而进行干扰、杀伤或摧毁。美国关于天基微波武器的发展及规划详细公布于《美国空军2025年战略规划》规划中表示:美国未来天基微波武器将采用低轨多星组网的布站方式,部署在500~916km 的轨道高度上;攻击频率为1~100GHz,峰值功率为100MW~100GW。近年来,美国在天基微波武器方面的公开报道很少,但天基微波 系 统 探 测、干 扰 及 攻 击 一 体 化 是 一 个 重 要趋势。
激光反卫星武器按照载体不同可分为地基、空基、天基激光反卫星武器,总体仍处于关键技术攻关与技术验证阶段,但地基激光反卫星武器已具备实战能力。地基激光反卫星武器方面,美国于20世纪90年代初启动研究,目前已研制出兆瓦级的化学氧碘激光器和氟化氘化学激光器,并建成了2台带自适应光学系统的武器级反射镜,口径分别为3.5米和3.67米,具有相当的地基激光反卫星作战能力,可对1500km高度以下中低轨道卫星造成一定程度的损伤。空基激光反卫星武器方面,美国发展的“机载激光器”系统主要用于对助推段导弹进行拦截,但同时也具备反卫星潜力。2010年,ABL首次对处于助推段的液体燃料弹道靶弹进行了成功拦截,验证了其反应速度、精度和拦截能力,目前该项目已中止。天基激光反卫星武器方面,美国于1999年出台了天基激光器演示综合飞行试验(SBL-IFX)计划,但由于技术难度大且需求不紧迫,该计划于2002年10月终止并定位于技术发展阶段。此外,为了扩大激光反卫星武器的攻击范围、减少大气影响和对地面设施的依赖,美国还研制了激光中继镜,并与机载、地基高能激光器配合使用,目前已成功进行多次试验。
美国对未来天基激光武器的一种典型构想是, 在800~1000km 的轨道高度上采用24颗40°倾角卫星进行星座组网;单颗卫星质量为3.5t,功 率 为8MW,主反射镜直径为8m;可 对4000km 轨 道 高度的卫星进行攻击。天基激光武器的部分关键技术已得到演示验证,美国从20世纪80年代起,持续开展了对天基激光武器的研制,2013年后鲜有公开报道。根据2016年“国际空间站”利用激光消除空间碎片计划的相关报道初步估计:在解决供电/质 量/散热的前提 下,2020年前后天基激光武器威力可达到200km。
粒子束反卫星武器仍处于实验室可行性验证阶段。美国于20世纪70年代制订了开发粒子束武器的“跷板”计划,并于1981年设立“定向能技术局”以推进开发粒子束武器和激光武器,但限于发射能量等技术难题,粒子束武器尚处于实验室可行性验证阶段。
通 过 对 上 述 美 国 空 间 攻 击 的 重 点 装 备 分 析 可知,美军的空间动能武器攻击与在轨操作技术、通信卫星对抗技术、地基激光武器等已具备作战能力。天基激光武器与微波武器的关键技术已在地面和机载条件下取得突破;在空间平台上的研制也已制定出详细规划,即在2020-2025年具作战能力。值得注意和借鉴的是空间攻击方面,美国研制探测、维护、攻击一体化的集成载荷,在获得最佳收益的同时,能合理利用探测/维护属性掩护其真实攻击身份,有效避免国际舆论与争端。
在空间防御方面,美国认为对空间系统的防护不可能完全抵御所有的攻击,尤其是对卫星物理结构摧毁性的硬杀伤攻击,而应采取有限防护的原则,即防护的目的在于提高空间系统在受到攻击后的生存概率及恢复或重建速度,并增加敌方攻击的技术难度和经济成本。
2016年1月27日,新美国安全中心发布一 份题为《从庇护所到战场:美国太空防御与威慑战略框架》的报告。报告中详细指出了提升美国空间防御的手段,主要包括:部署额外的专用系统,以提高卫星的主动和被动防御;采取先发制人的策略,优先发展空间攻击能力;改变空间系统构成,采用分布式小卫星可重构 架 构,以 提 高 卫 星 弹 性;进 一 步 发 展 空基、地基装备,降低对空间资产的依赖性;制定具有强约束性能的国际空间法律条令,增加反卫攻击的政治成本;提出“有限太空战略”,制定规则,限制其他国家空间攻击的发展。美国防御性空间对抗装备体系主要包括采用空间威胁探测技术、数据链路防护技术和本体防护技术的航天器。快速发射飞行器也是防御性空间对抗装备的重要力量,将有效提升航天器的生存能力。
空间威胁探测装备:主要发展了对核爆、定向能攻击的探测装备及技术。如“全球定位系统”卫星装有核爆探测器、X射线探测器、放射量测定仪、电磁脉冲探测器、γ射线探测器等。此外,美空军于2012年部署了“快速攻击识别探测报告系统”。RAIDRS是一个由地基与天基传感器、信息处理系统、报告体系组成的全球网络,在空间系统受到攻击时可以向美国军方决策者提供关于攻击性质和来源的近实时动态信息,进行攻击告警和威胁识别,并快速评估攻击活动对空间系统任务的影响。。Raidrs设计用于防御性太空对抗,或通过提醒运行人员注意C波段、Ku波段、X波段和UHF波段的信号异常,来保护卫星通信链。
数据链路防护:数据链路防护的重点是防信息攻击和抗干扰。防信息攻击主要采用加密、使用专用数字接口等技术。加密是指通过某种算法伪装数据以隐藏其内容。美国军事卫星目前使用基于专用集成电路的卫星遥测、跟踪与控制用加密、解密设备。专用数字接口技术就是在地面站与每颗卫星之间使用专用的数字接口来保护遥测、跟踪与控制链路,使侵入单颗卫星的攻击方难以控制整个卫星编队。抗干扰主要包括限幅、扩频、抗干扰天线、星上处理、干扰信号消除等技术措施。比如,美国“军事星”采用窄带、宽带的扩频、跳频以及多重扩频技术;美国国防卫星通信系统的多波束天线含19个发射波束和61个接收波束,能够根据敏感器探测到干扰源位置并使天线在干扰方向的增益为零。近年来,DARPA发布“卫星间通信链路”项目以研发有效的“立方体”卫星通信方式,解决链路的稳健性、链路在面临干扰或敌方拒止时的潜在易损性等问题,提供低延迟、可长期生存和抗干扰的通信服务,使高性能通信卫星系统具备抗毁、抗干扰、抗截获能力,满足战术应用中对于近实时数据的需求。
航天器本体防护:航天器本体防护主要包括高轨部署、分散布置与在轨备份、抗辐射加固、激光防护膜加装、“分散式体系结构”等。其中,“分散式体系结构”理念近年来得到快速发展。2015年4月,美空军表示“分散式体系结构”只是空间防护的手段之一,仍属于被动防护,必须发展更为多样化的手段。多样化的空间防护更强调发展主动防护能力,保障空间系统在任何时候均可以应用。目前,“先进极高频”通信卫星系统与“后继型气象卫星”系统已被要求采用“分散式体系结构”,下一代预警卫星和侦察卫星正开展分散式概念论证。同时,多种主动防护能力建设重新获得关注,如要求所有重要卫星具备轨道机动能力、推进卫星通信干扰源探测技术研发等。
快速发射飞行器:近年来,DARPA正在开展以“试验性空天飞机”项目和“机载发射辅助空间进入”项目为代表的快速发射飞行器研制。XS-1项目旨在设计一种可重复使用的高超声速无人飞行器,携带并在低地球轨道部署质量为1300~2300kg的卫星,单次发射成本低于500万美元。XS-1将采用可重复使用的第一级,使其能以高超声速飞行至亚轨道高度,采用一个或多个一次性上面级,与第一级分离后将卫星部署到低地球轨道。ALASA项目旨在设计一种机载发射系统,使用低成本、一次性上面级从常规飞机上快速发射质量约为45kg 的微小卫星,单次发射成本小于100万美元。这些飞行器将实现72h内小型卫星补网发射,能够有效提升空间系统生存能力。
美国采取多种措施强化空间能力建设,空间攻防装备快速发展。其中,空间态势感知装备注重构建天地一体的空间态势感知体系,高轨监视能力不断增强,定位精度和探测精度持续优化。进攻性空间对抗装备依托空间在轨操作、空间机器人维修、空间碎片清除等隐蔽手段,多途径发展空间攻防对抗技术,实现软杀伤和硬摧毁手段同步发展。防御性空间对抗装备强调卫星主动防护与被动防护协调发展,以提升对抗环境下空间装备的体系抗毁与任务持续保障能力。
在空间攻防领域的发展与演变过程中,美军根据国际政治、经济、军事和外交等战略环境的变化,适时的不断调整并完善其空间安全战略。从20世 纪90年代开始,美军强大的天基系统使其获得了巨大的战略优势,卫星系统应用从战略支援层面逐步向作战和战术层面发展,并在几场战争中显示出了强大的威力。然而,天基系统的固有脆弱性以及空间攻击技术的扩散,使得美军意识到天基系统被破坏的可能性在不断增大。因此,近年来,美军不断加大这一领域的投入力度,以确保自身绝对的空间控制权;同时阻止敌方利用空间来损害美国国家安全利益。在上述战略思想指导下,美军正在实施以控制空间为主要目标,谋求空间绝对优势,实现控制全球、称霸世界的全球战略。
美国对空间攻防体系发展采取了稳步规划、重点先行的策略。空间态势感知是美军发展的重中之重,也是支撑空间攻击与防御的基石。在空间态势感知的发展历程中,美军由早期的地面系统建设逐步转变为天地并重的发展策略,通过天基系统弥补地基系统探测能力的不足,最终形成天地一体化的全空间实时态势感知系统;美军在提升地基空间监视能力的同时大力发展广域空间和局域空间的天基监视能力,实现对空间的的全面覆盖、提高深空小目标的探测、跟踪精度,提高空间态势感知的时效性,实现对特定空间目标或者局部空域进行目标特性识别和环境监视,在此基础上将现在对空间目标监视、编目、跟踪发展为面向空间对抗作战的一体化空间态势感知能力。
在空间攻击方面,采取感知/攻击一体化的发展思路,在实现最佳费效比的同时,合理地利用探测属性掩护其真实攻击身份,避免国际社会的舆论与道德压力。在提升硬摧毁空间作战能力的同时,考虑到硬摧毁对空间环境的危害以及可能导致的政治影响,美国将研究的重点专项软软杀伤和可逆杀伤成为研究重点。定向能武器和卫星通信对系统成为美国地基反卫的重点发展项目,通过激光或者电子对抗的方式对各种轨道高度的目标实施干扰,课提供成熟的发卫星作战能力。
还有一点是关于天对地打击武器,实际上,最近美国在不断弱化天对地作战的概念,在美国《太空作战条令》中对“空间力量”的运用任务没有做详细解释,可能采取“秘密发展”的方式。在武器装备方面采取分步走的发展策略,重视技术研发,通过发展临近空间高超声速飞行器,验证天对地打击的关键技术,以技术储备代替实际的武器部署。
在空间防御方面,全面推进可重组模块化及高弹性卫星载荷研制,确保在卫星受到攻击时,仍能保持部分或全部功能,同时大力发展在轨修复与操作技术,以实现受损卫星快速恢复能力。在天对天的作战方面,转向空间干扰和捕获,自主操作轨道平台是未来的发展趋势。实际上,美国早期提出得很多各种类型的天基武器都没有实质的发展,但是积极开展在其他平台开始激光、电磁轨道炮等关键武器验证。在轨道平台方面,美国将大力发展自主操作轨道飞行器,这种装备能够执行轨道机动、自主捕获、识别、跟踪目标,可实现对目标近距离信息干扰或者阻隔,也能够对目标飞行器进行局部喷涂污染,抓捕拖动等操作。这种作战效果不产生空间碎片,具有攻击的隐蔽性,这也许是为了空间对抗装备发展的重要趋势。
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