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天基激光反衛(wèi)星系統(tǒng)研究進展

2019-10-14 06:47:55冀巍呂一雷
西部論叢 2019年33期

冀巍 呂一雷

摘 要:隨著空間技術的快速發(fā)展,空間攻防技術由于其可直接或間接地提升軍事作戰(zhàn)效能而日益被各國所重視。作為空間反衛(wèi)星技術的重要分支,天基激光反衛(wèi)星技術也因此得到了長足的發(fā)展。本文首先對天基激光反衛(wèi)星系統(tǒng)的基本情況進行了概述,隨后綜述了國外在天基激光反衛(wèi)星系統(tǒng)方面的發(fā)展概況,并歸納了技術特點。最后,給出了我國天基激光反衛(wèi)星技術的發(fā)展設想。

關鍵詞:反衛(wèi)星技術;天基;激光武器

1 前言

隨著空間技術的發(fā)展和太空戰(zhàn)略地位的提高,太空已經(jīng)成為各航天大國競爭的焦點。美、俄兩國關于反衛(wèi)星系統(tǒng)方面的研究工作開展最早,且體系相對完備。在冷戰(zhàn)時期,兩個超級大國更是為了打贏太空戰(zhàn),研究了各種類型的反衛(wèi)星武器。由于激光技術具有射擊精度高,無后坐力,反應速度快,特別是對高速移動目標(如衛(wèi)星)射擊效率很高,能量密度可調(diào),太空中的射擊距離遠等優(yōu)點,使得天基激光反衛(wèi)星武器更是得到了廣泛的研究和應用。

2 天基激光反衛(wèi)星技術概述

2.1 反衛(wèi)星技術概述

目前,美、俄兩國的反衛(wèi)星技術方式主要包括“軟”、“硬”兩類。“軟”方式是通過破壞敵方衛(wèi)星的傳感器、通信設備、通信鏈路、太陽能電池板來毀傷目標,使衛(wèi)星暫時失效、工作性能降低或者徹底癱瘓,主要依靠電子干擾設備干擾衛(wèi)星的通信鏈路、激光束能武器干擾衛(wèi)星光學系統(tǒng)等。“硬”方式是通過攻擊性武器的實體直接撞擊從而達到摧毀衛(wèi)星的目的,硬毀傷通常是不可逆的。研究表明,目前美、俄主要的反衛(wèi)星技術有以下三種[1]:

(1)定向能武器

定向能武器是利用激光束、粒子束、微波束、等離子束、聲波束的能量,產(chǎn)生高溫、電離、輻射等綜合效應,采用束的形式發(fā)射,用以摧毀或損傷航天電子對抗設備的武器系統(tǒng)。同其它武器相比,定向能武器對電子設備有著更加獨特的殺傷優(yōu)勢:它具有強大的“聚能”功能,可將能量聚集成強束流,并利用電磁能代替爆炸能,擊中目標后,可瞬間將目標內(nèi)部的電子器件摧毀。

(2)動能武器

動能武器是指用于摧毀衛(wèi)星及其它航天器的反衛(wèi)星導彈。通常,導彈由地面或者飛機發(fā)射,尋的攔截器與發(fā)動機分離后,通過長波紅外探測器可探測到幾百千米外衛(wèi)星發(fā)出的紅外輻射,經(jīng)計算處理后由周圍的小型火箭發(fā)動機控制其飛行彈道,自動跟蹤并導向目標,最后以十幾千米每秒的相對速度與目標碰撞,將目標擊毀。

(3)反衛(wèi)星衛(wèi)星

反衛(wèi)星衛(wèi)星包括共軌式反衛(wèi)星衛(wèi)星和靈巧伴星衛(wèi)星。共軌式反衛(wèi)星武器是將殺傷衛(wèi)星發(fā)射到與目標衛(wèi)星幾乎相同的軌道上,在接近目標后根據(jù)地面指令引爆戰(zhàn)斗部,將目標衛(wèi)星摧毀。靈巧伴星反衛(wèi)星武器系統(tǒng)由寄生星、母星及運載器、地面測控指揮系統(tǒng)三大部分組成。寄生星平時寄附在敵方衛(wèi)星上,戰(zhàn)時才啟動發(fā)揮作用。

2.2 天基激光反衛(wèi)星武器系統(tǒng)概述

天基激光反衛(wèi)星武器,是把激光器與跟蹤瞄準系統(tǒng)集成到衛(wèi)星平臺上而構成的一種部署在空間的定向能武器,作戰(zhàn)目標為軍用衛(wèi)星平臺等。天基激光反衛(wèi)星武器系統(tǒng)是一個復雜的大系統(tǒng),它是以宇航技術、激光技術、高精度驅(qū)動與伺服控制技術以及光機電熱一體化技術等為基礎,以軍事理論為指導,眾多新領域、新技術相交匯與融合的產(chǎn)物。其主要包括以下三個子系統(tǒng):

(1)預警子系統(tǒng)

由各種偵察預警設備組成,其作用是通過各種偵察手段,不間斷地覆蓋空域,組成一個“天網(wǎng)”,對敵方各種衛(wèi)星進行不間斷的識別、觀測,為反衛(wèi)星武器系統(tǒng)提供空間目標的預警和情報。

(2)指揮子系統(tǒng)

由相關指揮人員和指揮系統(tǒng)組成,主要用來收集、處理預警子系統(tǒng)獲得的情報信息,對敵方衛(wèi)星進行編存目標參數(shù),發(fā)出指揮、控制指令,組織、控制各種反衛(wèi)星武器適時、準確、無誤、迅速地摧毀或致盲敵方衛(wèi)星。

(3)打擊子系統(tǒng)

主要由天基激光反衛(wèi)星武器組成,根據(jù)指揮子系統(tǒng)的作戰(zhàn)指令,依靠激光定向能手段,對敵方衛(wèi)星實施攻擊,以達到摧毀或致盲敵方衛(wèi)星的目的。打擊子系統(tǒng)中的激光武器分高能和低能器兩種。高能激光器是應用波長1.06~10.6μm(以2.7μm和3.8μm為主)、連續(xù)功率1~10MW的激光輻射能束來摧毀目標或使之失效的一種定向能硬殺傷武器。低能激光器一般設計用衛(wèi)星探測器通過波段的激光輻射(在相同的波段)欺騙或干擾衛(wèi)星的電子-光學探測器,從而暫時使衛(wèi)星的探測器致盲。

2.3 激光反衛(wèi)星技術作用機理概述

激光反衛(wèi)星技術,從其作用機理上,可以分成摧毀衛(wèi)星平臺、損傷光電探測設備、對探測器進行飽和干擾等三個方面[2]。

(1)摧毀衛(wèi)星平臺

摧毀衛(wèi)星平臺是指用百萬瓦級激光器與光束控制和發(fā)射系統(tǒng)組成地基反衛(wèi)星激光武器,摧毀衛(wèi)星平臺、太陽能電池等硬件。當激光武器的能量密度達到1000W/cm2時,能對衛(wèi)星造成更迅速的破壞,導致衛(wèi)星中高壓容器破裂、太陽能電池板摧毀、表面熱控材料破壞、衛(wèi)星天線損毀等。采用3MW的地基激光器打擊衛(wèi)星時,對軌道高度為300km的衛(wèi)星產(chǎn)生了大約250W/cm2的能量密度,幾乎可以直接融化衛(wèi)星上的光學玻璃;對軌道高度為400km的衛(wèi)星所產(chǎn)生的能量密度就降為150W/cm2了;到軌道高度為1000km的衛(wèi)星時,能量密度就降到了25W/cm2左右,仍然可以破壞光學探測器的性能。上面的分析并沒有考慮大氣影響的情況,此外,摧毀衛(wèi)星平臺所需要的能力通常很大,一般較適用于地基激光反衛(wèi)星武器,對于天基激光反衛(wèi)星武器,要摧毀衛(wèi)星平臺則具有較大的難度。

(2)損傷光電探測設備

損傷光電探測設備主要包括兩個方面,一是損傷或破壞光電探測器;二是損傷或破壞光學系統(tǒng)。對衛(wèi)星而言,光電傳感器主要為0.5μm~0.8μm可見光/近紅外CCD相機、2.5μm~3.3μm短波紅外相機、3.5μm~4.5μm中波紅外相機。其光電探測器破壞閾值為輻照度1W/cm2~10W/cm2量級。對于光學系統(tǒng)而言,當光學玻璃表面在瞬間接受到大量激光能量時,就可能發(fā)生龜裂效應,并最后出現(xiàn)磨砂效應,致使玻璃變得不透明。當激光強度達到或超過300W/cm2時,光學玻璃表面就開始熔化,光學系統(tǒng)立即失效。損傷光電探測設備所需要的激光能量要遠小于摧毀衛(wèi)星平臺所需要的能量,因此,較為適宜天基激光反衛(wèi)星武器采用。

(3)對探測器進行飽和干擾

和損傷光電探測設備的要求不同,對探測器的干擾只要求使其不能正常工作。凡是光電探測器件,都存在最大負載值,當照射激光超過最大負載值時,將發(fā)生強光飽和現(xiàn)象。對不同的光電傳感器,強光飽和閾值也不同。以CCD圖像傳感器為例,當激光照射時,被光照射的區(qū)域達到了飽和,未被光照射的區(qū)域還有信號輸出,但當光足夠強時,整個探測器都處于飽和狀態(tài),對1.06μm激光,強光飽和閾值僅為100±10mW/cm2。此外,由于衛(wèi)星上的紅外探測器具有很高的靈敏度,因而對其干擾的功率要求也較低。

3 國外天基激光反衛(wèi)星武器發(fā)展情況概述

反衛(wèi)星(Anti-satellite, ATST)技術幾乎是隨衛(wèi)星技術本身同步發(fā)展起來的。美蘇在冷戰(zhàn)期間就開始了反衛(wèi)星技術的研究和應用工作,且在天基激光武器方面也進行了相當深入的研究[3-7]。

3.1 俄羅斯天基激光反衛(wèi)星武器發(fā)展情況概述

前蘇聯(lián)既是最早把人造衛(wèi)星發(fā)射到太空的國家,也是最早發(fā)展反衛(wèi)星技術的國家。早在20世紀60年代,蘇聯(lián)就開始著手發(fā)展反衛(wèi)星激光武器,部署的平臺有地基、空基(機載)和天基[8]。前蘇聯(lián)在反衛(wèi)星激光武器的開發(fā)上投人了大量資金,總開支達100多億美元,是同期美國投人資金的9倍多。80年代美國增加了資金投入,但蘇聯(lián)投人的經(jīng)費仍然是美國的3~4倍。

1981年,蘇聯(lián)在“宇宙”系列衛(wèi)星、飛船和“禮炮”號空間站上進行了8次激光武器試驗均獲成功。1981年3月,蘇聯(lián)利用一顆衛(wèi)星上的小型高能激光器照射一顆美國衛(wèi)星,使其光學、紅外電子設備完全失靈。80年代后期,蘇聯(lián)還在聯(lián)盟號載人飛船上試驗了氟化氫反衛(wèi)星激光武器。從80年代末到年90代初,蘇俄共進行了18次反衛(wèi)星激光武器試驗,11次獲得成功。據(jù)報導,在太空軌道上俄羅斯有6個反衛(wèi)星高能激光器在運行。蘇聯(lián)在反衛(wèi)星激光武器的開發(fā)上投人了大量資金,總開支達100多億美元,是同期美國投人資金的9倍多。80年代美國增加了資金投入,但蘇聯(lián)投入的經(jīng)費仍然是美國的3~4倍。

前蘇聯(lián)解體后,俄羅斯使用激光實施空間對抗的能力受到很大削弱。1999年科索沃戰(zhàn)爭以后,普京總統(tǒng)正式批準了《2001-2005年俄羅斯武裝力量建設計劃》和《2001-2010年國家發(fā)展武器裝備和特種技術綱要》。其中引人注目的是:俄準備將軍事航天部隊和空間導彈防御部隊從戰(zhàn)略火箭軍中分離出來,由總參謀部直接指揮,它主要擔負航天發(fā)射、衛(wèi)星測控、衛(wèi)星攻擊、導彈防御等任務。隨著俄羅斯經(jīng)濟實力的不斷提高,以及在反衛(wèi)星技術方面雄厚的基礎,它在發(fā)展天基激光反衛(wèi)星技術上的能力也是不容忽視的。

3.2 美國天基激光反衛(wèi)星武器發(fā)展情況概述

美國是世界上發(fā)展激光武器最先進的國家之一,其通過地基、空基、天基以及車載、艦載等多種平臺,對激光武器進行了廣泛的研究和試驗[9,10]。

自1960年美國制造出世界上第一臺紅寶石激光器后,許多部門紛紛研制各種激光反衛(wèi)星武器[11]。19世紀70年代末,美國國防高級研究計劃局就開始實施一系列有關天基激光武器的計劃:“三位一體”的“阿爾法”(Alpha)計劃,成功驗證了百萬瓦特級-柱型氟化氫化學激光器軌道飛行的技術可行性。“大型光學演示實驗”(LODE)計劃,成功驗證了利用與自適應光學系統(tǒng)相耦合的輸出波檢測技術控制與瞄準激光束。“大型先進反射鏡計劃”(LAMP),成功驗證適于在空間使用的4m直徑多面組合輕質(zhì)主反射鏡的可行性。“金爪”(Talon Gold)計劃,旨在驗證捕獲、跟蹤與瞄準技術。1983年,美國開始實施包含天基激光武器的“戰(zhàn)略防御倡議”(SDI)計劃。1989年,天基激光器進行首次出光試驗,輸出功率百萬瓦級,到1994年,此項試驗已進行十多次,期間并行演示了激光器的近武器級的連續(xù)光波發(fā)射試驗。天基星載激光反衛(wèi)星武器是美“國防部高功率激光計劃指南”的重點發(fā)展計劃,總費用20億美元。美軍提出的最優(yōu)方案是:在高度為1300km,傾角為40°,不同圓軌道上部署24個激光平臺,每個平臺能摧毀以其為中心、半徑為4000km范圍內(nèi)的導彈和衛(wèi)星。每個天基激光平臺需由發(fā)射功率為30MW的激光器和直徑10m的主反射鏡組成。根據(jù)目標距離不同,天基激光系統(tǒng)可在大約2~5秒鐘內(nèi)摧毀飛行中的導彈。與反導相比,反衛(wèi)星只需0.2MW的激光器和2.8m主反射鏡,5個激光平臺就可覆蓋全球。

蘇聯(lián)解體后,美國為了保持軍事上的優(yōu)勢,美國加快了在太空激光武器方面的發(fā)展腳步。1997年2月在試驗場成功地進行了關鍵的AIPha激光器大型反射鏡綜合試驗(ALI),表明天基激光武器地面綜合試驗獲得成功。1998年底,簽訂價值為10~20億美元合同,制造演示驗證用高能激光器。2000年2月,美國彈道導彈防御局授予洛馬-波音-TRW聯(lián)合集團價值1.27億美元的初始合同,進行天基激光器綜合飛行試驗,以確定在太空部署能摧毀衛(wèi)星和處于發(fā)射段或助推段導彈的技術可行性。2001年1月22-23日,美國空軍在科羅拉多州舉行了代號為“施里弗-2001”的首次太空戰(zhàn)演習。IFX驗證實驗成功完成后,天基激光武器計劃轉(zhuǎn)向?qū)崙?zhàn)系統(tǒng)的研制工作。2004年公布的“空軍飛行轉(zhuǎn)型計劃”表明,空軍轉(zhuǎn)型的重點是發(fā)展太空武器[12]。在布什政府向國會提交的2007年國防預算中,有26億美元用于太空武器。它們包括天基攔截彈試驗臺、近場紅外實驗、實驗性航天器系統(tǒng)(XSS)、微衛(wèi)星以及包括完全補償向低軌衛(wèi)星的激光傳輸在內(nèi)的定向能研究[13]。在2006年5月初舉行的國會聽證會上,提交的空軍預算文件中包括了正在進行的“先進光學和空間激光技術”計劃。在美國空軍航天司令部公布的2006年及以后的戰(zhàn)略主規(guī)劃(SMP)中,也把天基空間監(jiān)視系統(tǒng)列入空間態(tài)勢感知轉(zhuǎn)型創(chuàng)新的重點發(fā)展項目。

天基激光武器是美國天戰(zhàn)武器發(fā)展計劃中最重要的武器系統(tǒng)之一,具有“硬”殺傷或“軟”殺傷中低軌道及靜地軌道衛(wèi)星的能力。目前提出天基激光武器構成方案有兩種,一種是由約20個天基激光武器組成的系統(tǒng),另一種是由6各天基激光武器及千萬個中繼反射鏡組成的系統(tǒng)。根據(jù)美國空軍天基激光武器計劃人員估算,部署由6個天基激光武器及12個中繼反射鏡組成的天基激光武器系統(tǒng),所需費用為700億~800億美元。美國天基激光武器已經(jīng)進入“一體化飛行試驗”階段。目前開展了星載高功率激光束攔截彈道導彈和攻擊空間目標研究,計劃在2013年進行在軌演示。美國空軍認為,有可能在2018~2020年發(fā)射部署第一個實戰(zhàn)天基激光武器。

4 天基激光反衛(wèi)星技術的特點及發(fā)展方向

4.1 天基激光武器的技術優(yōu)點

激光武器主要有三個特點:一是反應時間短、照射速度快、命中精度高。激光武器的照射速度極快,可達每秒30萬公里,比普通槍彈快40萬倍,比導彈的速度快10萬倍,所以無需計算提前量,只要瞄準便可百發(fā)百中,命中率極高。二是輻射強度高,摧毀威力大。與常規(guī)武器不同,是激光武器靠強激光照射,通過燒蝕、氣化武器裝備的外殼來造成人員傷亡或電路故障。激光武器無后座力,只要有電源就能繼續(xù)發(fā)射。三是無污染,不易受電子干擾,屬于比較干凈的新殺傷機理武器[14]。

與地基或空基相比,天基激光武器的優(yōu)點是:

1、不需要大的泵浦能源,太陽能即能滿足供電;

2、不需要考慮激光在大氣傳輸中受湍流、折射、抖動及吸收、散射等因素的影響,不受自適應光學技術瓶頸的限制;

3、地面上成熟的激光武器技術可有效移植形成相對優(yōu)勢。

4.2 天基激光武器的技術難點

天基激光武器的發(fā)展也面臨著一系列的技術難點,比如天基對地、天基對空高能激光器體積大、質(zhì)量重、成本高等。天基激光武器不能像機載激光武器那樣攜帶很多化學燃料入軌;精確發(fā)射要求更堅固、質(zhì)量更輕的激光器;為擴大作用距離,需要面積更大、發(fā)射時可折疊的反射鏡;除了攜帶紅外搜索和跟蹤裝置外,還需要通過天基紅外系統(tǒng)、地基與機載傳感器獲取信息;為實現(xiàn)全球覆蓋,要在800km高的軌道上建立一個由30~40個激光器組成的星座。

但是,如果毀傷的目標不是彈道導彈或地面裝備而是衛(wèi)星,作用距離不是4000km,而是幾百千米,幾十千米,甚至只有幾千米,那么天基激光系統(tǒng)的指標就不必那么苛刻。此外,衛(wèi)星通常未設計有任何防護措施,且衛(wèi)星都有一些薄弱環(huán)節(jié),比如電纜、傳感器、太陽能電池板、以及通訊天線、相機等載荷設備等,激光對這些設備的照射將破壞衛(wèi)星的正常工作狀態(tài),甚至使衛(wèi)星失效。

4.3 天基激光武器的發(fā)展方向

2011年,美國在空間戰(zhàn)略報告中強調(diào)中國破壞性反衛(wèi)星系統(tǒng)的導致空間碎片增加,嚴重影響衛(wèi)星的軌道安全[15]。因此,我國有必要大力發(fā)展無破壞性碎片的反衛(wèi)星技術。綜上所述,我國還需要在以下幾個方面對天基激光反衛(wèi)星技術開展深入研究:

首先,需要發(fā)展天基空間目標監(jiān)測系統(tǒng)、跟蹤捕獲鎖定系統(tǒng)。發(fā)展天基空間目標監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對所有區(qū)域的感興趣軌道目標的探測、識別與定位,并給出目標信息來引導激光武器的精密跟蹤系統(tǒng),捕獲、鎖定目標,精確測量目標距離。由于外太空不同衛(wèi)星間相對運行速度較快,需要大力發(fā)展跟蹤捕獲鎖定系統(tǒng)的快速反應能力和準確性。

其次,需要發(fā)展輕型化、微型化和高效能激光武器。由于要考慮發(fā)射成本,天基激光系統(tǒng)需要在滿足一定效能的同時,盡量做到輕型化和微型化。不但便于衛(wèi)星的攜帶,也可便于衛(wèi)星進行快速變軌。

第三,需要發(fā)展衛(wèi)星快速變軌技術。在捕捉到目標后,為了有效對目標實施打擊,需要進行多次變軌進行目標跟蹤;在完成任務后還需要變軌逃離所在軌道。因此,衛(wèi)星的推力矢量變軌技術需要進一步提高,以便適應不同的需求。

第四,需要深入研究天基反衛(wèi)星的戰(zhàn)術戰(zhàn)法,以應對星座衛(wèi)星等的多目標打擊任務和區(qū)域覆蓋能力。空間系統(tǒng)一般都是由多顆衛(wèi)星組成的星座,其中一顆或兩顆衛(wèi)星失效,并不可能大幅度降低整個系統(tǒng)的性能,因此,需要選擇合適的反衛(wèi)星武器,探索能夠?qū)苟嘈堑姆葱l(wèi)星方案。

第五,研究在外太空惡劣環(huán)境下,整個天基激光武器系統(tǒng)的性能保障。天基激光反衛(wèi)星系統(tǒng)不像動能反衛(wèi)星武器隨用隨發(fā),它需要提前發(fā)射到制定軌道上運行、監(jiān)測。因此,需要研究如何在惡劣條件下衛(wèi)星仍能保持安全穩(wěn)定運行的策略。

第六,研究隱蔽性。天基激光反衛(wèi)星系統(tǒng)應該是在戰(zhàn)時的一個殺手锏,因此其平時在運行時應具有一定的隱蔽性。無論是特殊的在軌位置和方式,還是隱藏于其他衛(wèi)星中,也是我們需要考慮的一個問題。

第七,需要對天基激光武器的作戰(zhàn)效能進行研究。一方面,評估天基激光武器針對不同打擊目標的作戰(zhàn)效果;另一方面,針對不同的打擊目標,制定合適的打擊策略,在提升作戰(zhàn)能力的同時,提高效費比。

第八,開發(fā)新型反衛(wèi)星技術,降低成本,提高準確度。為適應國際形勢,我們還需要大力發(fā)展新型反衛(wèi)星技術,不但有威懾作用,還可能起到意想不到的效果。

第九,需要開展對天基激光系統(tǒng)的和平利用研究。在非戰(zhàn)狀態(tài),可以利用天基激光系統(tǒng)對一定規(guī)模的空間碎片進行清理,保證特定軌道的安全。

5 結(jié)束語

基于天基激光反衛(wèi)星武器的發(fā)展現(xiàn)狀,在相當長的時期內(nèi),其他國家無力與美國抗衡,為了保衛(wèi)國家安全,遏制大國控制空間的能力,越來越多的國家將開始加入天基激光反衛(wèi)星武器的研究。為了切實維護國家利益和國防安全,我國應當結(jié)合本國具體國情,對天基激光武器技術開展研究,積極發(fā)展和研制天基激光反衛(wèi)星武器,一來可以謀求有效的對抗手段,保護我國空間資產(chǎn)的安全;二來可以爭取早日具備有效的威懾與反擊能力,達到維護國家主權和安全,和平利用空間的目的。

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[15] National Security Space Strategy Unclassified Summary[R],2011

作者簡介:冀巍,男,1987年5月,本科,天津航天機電設備研究所,2010年入職,主要從事航天器機構、結(jié)構總裝工藝研究

呂一雷,男,1987年9月,本科,天津航天機電設備研究所,2010年入職,主要從事航天器機構、結(jié)構生產(chǎn)研制

基金項目:“十二五”裝備預研項目(51320030201)

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