神秘的“天基殺傷評估”系統(tǒng)

文 / 郭彥江 吳勤

殺傷評估在反導(dǎo)作戰(zhàn)中至關(guān)重要，是反導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化的重要支撐。美國高度重視“天基殺傷評估”系統(tǒng)，該項(xiàng)目的具體細(xì)節(jié)長期處于保密狀態(tài)，從未正式宣布其發(fā)射時(shí)間和部署情況。按照美國《國防授權(quán)法案》要求的2019年底實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行，綜合《導(dǎo)彈防御內(nèi)情》披露的消息、美國康奈爾大學(xué)和平與沖突研究所專家喬治· 路易斯個(gè)人博客以及約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室《技術(shù)文摘》刊登的《天基殺傷評估技術(shù)發(fā)展》論文等信息，結(jié)合近期美國商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射入軌情況，基本可以判斷“天基殺傷評估”系統(tǒng)從2017年開始搭載在第二代“銥星”上陸續(xù)發(fā)射，截至2019年1月，已經(jīng)完成全部22個(gè)有效載荷的部署。

2019年2月，據(jù)防務(wù)內(nèi)情網(wǎng)站報(bào)道，美國導(dǎo)彈防御局“天基殺傷評估”系統(tǒng)將于2019年3月進(jìn)行最后一系列演示驗(yàn)證試驗(yàn)后很快投入使用。美國在2019年1月發(fā)布的新版《導(dǎo)彈防御評估》報(bào)告中指出，“美國防部正在投資和部署‘天基殺傷評估’系統(tǒng)，旨在確認(rèn)美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是否成功攔截并摧毀了彈頭。”

“天基殺傷評估”系統(tǒng)是美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，但多年來美國防部、美國導(dǎo)彈防御局卻鮮少披露相關(guān)研發(fā)部署的進(jìn)展情況，為“天基殺傷評估”系統(tǒng)增添了幾分神秘色彩。

▲第二代“銥星”在軌飛行示意圖

研發(fā)背景

相關(guān)研究表明，美國導(dǎo)彈防御局地基中段防御系統(tǒng)中海基X波段雷達(dá)和殺傷器上的紅外傳感器，當(dāng)前僅可識別與真實(shí)彈頭尺寸、重量有較大差別的氣球等簡單誘餌，對于類似彈頭形狀的重型誘餌幾乎不具備識別能力，且這些傳感器不具備攔截后的殺傷評估能力，無法確定是否摧毀了來襲目標(biāo)。此外，在地基中段防御系統(tǒng)進(jìn)行的幾次攔截試驗(yàn)中，如2001年IFT-06、2006年FTG-02、2010年FTG-06等幾次飛行試驗(yàn)中，出現(xiàn)了一些與殺傷評估相關(guān)的問題。因此，美國迫切需要研制一種殺傷評估系統(tǒng)，以提高導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的攔截效率，降低攔截成本。

在2014財(cái)年《國防授權(quán)法案》中，美國國會(huì)要求美國導(dǎo)彈防御局應(yīng)為地基中段防御系統(tǒng)提供改進(jìn)的殺傷評估系統(tǒng)，盡快開發(fā)并控制采辦風(fēng)險(xiǎn)，最晚在2019年12月31日前使系統(tǒng)具備初始運(yùn)行能力。

▲導(dǎo)彈攔截瞬間圖像

2014年4月，美國導(dǎo)彈防御局啟動(dòng)了“天基殺傷評估”項(xiàng)目，項(xiàng)目資金來源于2013年取消的“精確跟蹤空間系統(tǒng)”，項(xiàng)目資金為651.5萬美元。在2015財(cái)年～2017財(cái)年《國防授權(quán)法案》中，美國國會(huì)通過“彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)空間項(xiàng)目”（編號0603895C）為“天基殺傷評估”項(xiàng)目分別批復(fù)2329萬美元、2069萬美元、2069萬美元。2018財(cái)年《國防授權(quán)法案》中，美國國會(huì)將“彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)空間項(xiàng)目”編號改為1206895C（增加了新的研究項(xiàng)目），為“天基殺傷評估”項(xiàng)目撥款3099萬美元。2019財(cái)年為項(xiàng)目撥款1648萬美元，截止到目前，總研發(fā)經(jīng)費(fèi)達(dá)到了近1.2億美元。按照2019財(cái)年預(yù)算申請文件中的說法，“天基殺傷評估”系統(tǒng)計(jì)劃2019財(cái)年實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行。

系統(tǒng)概述

“天基殺傷評估”系統(tǒng)由22顆“天基殺傷評估”傳感器載荷組成，傳感器載荷寄宿在商業(yè)衛(wèi)星上。單個(gè)傳感器載荷重約10千克，由1個(gè)高速光譜傳感器、1個(gè)高速偏振成像傳感器和1個(gè)高速偏振非成像傳感器組成。光譜傳感器用于對攔截中的輻射、熱和光譜等信息進(jìn)行成像，偏振傳感器用于確定攔截時(shí)產(chǎn)生物質(zhì)（碎片、顆粒、等離子體、氣體等）的粒度分布，確定彈頭的類型。

“天基殺傷評估”系統(tǒng)主要用于解決以下幾個(gè)方面的問題：確定是否攔截目標(biāo)；確定攔截目標(biāo)的類型（常規(guī)彈頭、核彈頭、生化彈頭還是誘餌）；確定是否是正面撞擊；確定目標(biāo)是否被摧毀。

▲海基X波段雷達(dá)是美國彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的組成部分，能夠探測2000公里以外的目標(biāo)

迄今為止，美國國防部和導(dǎo)彈防御局未公布“天基殺傷評估”系統(tǒng)具體寄宿在哪種衛(wèi)星上，結(jié)合美國2017財(cái)年導(dǎo)彈防御局預(yù)算申請文件以及第二代“銥星”發(fā)射計(jì)劃，推測“天基殺傷評估”系統(tǒng)的載荷部署在第二代“銥星”通信衛(wèi)星星座中的22顆衛(wèi)星上，于2017年1月開始隨第二代“銥星”衛(wèi)星發(fā)射入軌。

第二代“銥星”衛(wèi)星由66顆衛(wèi)星組成，位于高780公里、傾角86.4°的近地軌道，在6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道有11顆衛(wèi)星。第二代“銥星”系統(tǒng)為寄宿載荷專門分配了空間，可寄宿重50千克、體積30×40×70厘米、平均功率50瓦（峰值功率200瓦）內(nèi)的載荷。每顆衛(wèi)星可被寄宿多個(gè)載荷，載荷可向下或向衛(wèi)星運(yùn)行速度矢量方向安裝。

2019年1月，隨著“銥星”星座最后一批衛(wèi)星由SpaceX公司的獵鷹9火箭成功發(fā)射入軌，“銥星”星座正式組網(wǎng)運(yùn)行。2019年2月，據(jù)防務(wù)內(nèi)情網(wǎng)站報(bào)道，“天基殺傷評估”系統(tǒng)擬于2019年3月完成最后一系列試驗(yàn)后正式投入使用。

“天基殺傷評估”系統(tǒng)由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā)，該實(shí)驗(yàn)室最初還負(fù)責(zé)系統(tǒng)初期的運(yùn)行和維護(hù)工作。

工作過程

“天基殺傷評估”系統(tǒng)使用被動(dòng)輻射制冷的單像素光電二級管傳感器，本身幾乎不具備導(dǎo)彈跟蹤能力，需要依賴導(dǎo)彈防御指揮控制系統(tǒng)獲取關(guān)于攔截位置的信息，提前定位傳感器，觀察導(dǎo)彈攔截時(shí)產(chǎn)生的撞擊“云”擴(kuò)散的速率、強(qiáng)度以及光譜隨時(shí)間的變化，將結(jié)果與之前試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行比對，進(jìn)行殺傷效果評估，隨后將殺傷評估信息傳送到地面指揮控制系統(tǒng)，確定是否需要發(fā)射攔截彈進(jìn)行二次攔截。

▲成像傳感器和偏振傳感器

工作原理

導(dǎo)彈攔截是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，攔截彈和彈道導(dǎo)彈的相對速度大多在每秒1～10公里，有時(shí)甚至達(dá)10公里以上，撞擊產(chǎn)生的動(dòng)能在100兆焦～2吉焦，慢速撞擊時(shí)主要產(chǎn)生碎片，高速撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多汽化材料。導(dǎo)彈攔截過程中具體可觀察的物質(zhì)包括碎片、顆粒、等離子體、氣體等，通常撞擊產(chǎn)生的光強(qiáng)度在1毫秒或更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，在10～50毫秒內(nèi)達(dá)到第二峰值。

“天基殺傷評估”系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)包括基于物理的攔截事件模型、可以以時(shí)間為橫坐標(biāo)記錄攔截信息的高速傳感器、用于傳輸殺傷信息的基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)架構(gòu)的傳感器、新型殺傷評估傳感器技術(shù)、殺傷評估算法等。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室首先對基于物理的目標(biāo)攔截特征進(jìn)行建模，通過基于桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的耦合熱力學(xué)和流體力學(xué)激波物理代碼和自己研發(fā)的材料碎裂特征模型，研發(fā)了一種“再入飛行器攔截特征殺傷評估”模型。

▲天基殺傷評估載荷效果圖

約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了高速光譜傳感器、高速偏振成像傳感器和高速偏振非成像傳感器。高速光譜傳感器由一個(gè)工作在1.5～1.7微米的短波紅外成像器和一個(gè)3.3～4.9微米的中波紅外成像器組成，光柵平均像素間距約為0.77納米，瞬時(shí)視場僅40微弧度，分辨率約為3～4納米，對于彈道導(dǎo)彈的跟蹤范圍大于1000公里，仰角小于3°。偏振傳感器由工作在近紅外光、短波紅外和中波紅外的3個(gè)偏光計(jì)組成，偏光計(jì)利用太陽光作為輻射源，通過測量偏振度來判斷碎片的位置信息。

為了收集攔截頻譜，對攔截目標(biāo)載荷進(jìn)行識別和分類，建立攔截殺傷評估信息數(shù)據(jù)庫，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室使用哈雷·阿卡拉天文臺(tái)上口徑達(dá)1.6米的望遠(yuǎn)鏡對攔截過程進(jìn)行跟蹤觀測。哈雷·阿卡拉天文臺(tái)位于美國夏威夷群島所屬毛伊島哈雷阿卡拉山頂，海拔達(dá)3000米以上，不受云層遮擋。在導(dǎo)彈防御局進(jìn)行的幾次攔截試驗(yàn)期間，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室搜集了“愛國者”“薩德”“宙斯盾”“地基中段防御系統(tǒng)”的多次攔截試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

幾點(diǎn)結(jié)論

1.“天基殺傷評估”系統(tǒng)有助于降低導(dǎo)彈防御成本，提高導(dǎo)彈防御效率

“天基殺傷評估”系統(tǒng)項(xiàng)目保密性較強(qiáng)，美國國防部、導(dǎo)彈防御局較少披露項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)度，美國一眾媒體也鮮少報(bào)道相關(guān)信息。對于“天基殺傷評估”系統(tǒng)寄宿衛(wèi)星平臺(tái)、以及系統(tǒng)能力相關(guān)信息更是從未主動(dòng)公布，一定程度上凸顯了“天基殺傷評估”系統(tǒng)的重要性。“天基殺傷評估”系統(tǒng)雖不具備攔截前識別真假彈頭的能力，但可用于確定導(dǎo)彈防御系統(tǒng)是否攔截了真正的彈頭，幫助美軍作戰(zhàn)指揮官判斷是否需要進(jìn)行二次攔截或?qū)嵤?zhàn)略反擊，對于降低導(dǎo)彈防御成本、提高導(dǎo)彈防御效率具有重要意義。

2.借助商業(yè)航天技術(shù)可有效降低軍工項(xiàng)目研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本，加快研發(fā)進(jìn)度

美國導(dǎo)彈防御局借助商業(yè)航天技術(shù)，通過寄宿商業(yè)衛(wèi)星、借助商業(yè)發(fā)射的方式，一方面提高了項(xiàng)目采辦效率，加快了研發(fā)進(jìn)度；另一方面分擔(dān)了研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低了整個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)成本。整個(gè)“天基殺傷評估”系統(tǒng)僅花費(fèi)4年多的時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了在軌運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)費(fèi)也僅為1.2億美元。據(jù)相關(guān)分析，美國導(dǎo)彈防御局正在進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)的“空間傳感器層”項(xiàng)目，旨在對高超聲速武器進(jìn)行“從生到死”的跟蹤，也將采用寄宿商業(yè)衛(wèi)星的方式進(jìn)行部署，預(yù)計(jì)2019年開始進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，2025年前后即可實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行。

▲位于美國夏威夷群島的哈雷·阿卡拉天文臺(tái)

3.美國將大力推動(dòng)天基導(dǎo)彈防御傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和相關(guān)技術(shù)研發(fā)

近年來，隨著復(fù)雜彈道導(dǎo)彈和臨近空間威脅的發(fā)展，美國高度重視天基導(dǎo)彈防御傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在2018財(cái)年《國防授權(quán)法案》中專門增加1350萬美元用于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)傳感器替代方案天基傳感器架構(gòu)研究。在2019財(cái)年《國防授權(quán)法案》中又增加7300萬美元用于研究天基傳感器架構(gòu)。2019年1月發(fā)布的《導(dǎo)彈防御評估》報(bào)告中將重視天基導(dǎo)彈防御層級列為導(dǎo)彈防御戰(zhàn)略要素之一，多次強(qiáng)調(diào)了發(fā)展空間傳感器的重要性和緊迫性。

未來架構(gòu)

美國未來天基導(dǎo)彈防御傳感器架構(gòu)逐步浮出水面。按照美國導(dǎo)彈防御局發(fā)布的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)空間傳感器愿景圖，美國未來天基傳感器將主要由下一代“過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)、“空間傳感器層”系統(tǒng)、“精確火力控制跟蹤”系統(tǒng)和“天基殺傷評估”系統(tǒng)組成。下一代“過頂持續(xù)紅外”系統(tǒng)部署在地球同步軌道和高軌道，主要負(fù)責(zé)彈道導(dǎo)彈助推段預(yù)警；“空間傳感器層”部署在低軌道，主要負(fù)責(zé)對高超聲速武器進(jìn)行“從生到死”的跟蹤；“天基殺傷評估”系統(tǒng)部署在低軌道，主要進(jìn)行攔截殺傷效果評估；“精確火力控制跟蹤”系統(tǒng)當(dāng)前半點(diǎn)資料都沒有，只能根據(jù)圖來推測部署在低軌道，軌道高度高于“空間傳感器層”，預(yù)計(jì)在1500～2000公里，主要用于彈道導(dǎo)彈中段跟蹤。

當(dāng)前有分析指出，“天基殺傷評估”系統(tǒng)可以區(qū)分?jǐn)r截的是真彈頭還是輕型誘餌，對于重型誘餌和側(cè)面撞擊的情況，由于缺乏相應(yīng)試驗(yàn)，殺傷評估能力尚有待驗(yàn)證。“天基殺傷評估”系統(tǒng)至今已進(jìn)行超過1000次試驗(yàn)，隨著美國導(dǎo)彈防御局后續(xù)攔截試驗(yàn)次數(shù)的增多，“天基殺傷評估”系統(tǒng)將逐漸融入美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，降低導(dǎo)彈攔截成本，提高攔截效率。

▲哈雷·阿卡拉天文臺(tái)內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡