軍用衛星：大、小誰主導？

文/ 李加祥 劉夢詩

近期，新美國安全中心發布《新興太空環境下的小衛星》報告，分析了美國軍用（含情報界）衛星架構和商用衛星架構的現狀與發展趨勢，探討了小衛星對美國軍用衛星架構的影響。報告認為，小衛星的發展近期還不足以使大衛星主導的美國軍用衛星架構出現重大轉向，建議美軍和情報界適度加強小衛星能力發展與應用。

▲ “黑杰克”項目想像圖

大衛星、小星座近期仍為主導

衛星按照發射質量大致分為小衛星、中衛星和大衛星。美國軍用衛星主要執行偵察、通信、導航、電子情報收集、氣象預報、彈道導彈預警和技術開發等任務。當前和未來幾年，美國軍用衛星架構仍將以大衛星、小星座為主導。

報告稱，目前美國現役軍用衛星共約150顆，其中120顆執行作戰任務。但能公開獲得相關數據的只有104顆，其中小衛星12顆、中衛星47顆、大衛星45顆，平均質量達4300千克，大衛星的總數和總質量分別占美國在軌軍用衛星總數的44%和總質量的72%。同時，美軍還租用商用衛星來滿足多達80%的軍用衛星通信需求，雖然每年花費10億美元，但在美軍太空領域投資中占比很小。美軍和情報界還利用商用衛星搭載專用的國防通信與傳感器載荷，但目前只是有限應用。此外，美軍并沒有忽視小衛星的能力。美空軍已部署多顆相對便宜的小衛星。國防高級研究計劃局（DARPA）已啟動“黑杰克”項目，研究利用低軌小衛星星座替代專用軍用衛星執行監視與通信等任務的潛力。

報告認為，從采辦項目和經費投入看，未來幾年美軍和情報界的太空項目仍然集中于發展和部署復雜、昂貴的大衛星。比如，“先進極高頻”衛星，重量6200千克，單顆采辦成本26億美元，目前已發射了5顆。“天基紅外系統”衛星，重量4800千克，單顆采辦成本32億美元，目前有4顆在軌，計劃2021年和2022年再部署2顆。

美商用小衛星數量顯著增多

報告稱，在美國現役的800顆商用衛星中，可獲得其中711顆衛星的質量數據。在這711顆衛星中，小衛星、中衛星和大衛星的數量分別為383顆、167顆和161顆，分別占衛星總數的54%、23.4%和22.6%，占衛星總質量的5%、35%和60%。

報告認為，從現役的各類商用衛星總質量看，目前美國的商用衛星架構同樣以復雜、昂貴的大衛星、小星座為主導。但報告指出，小衛星已大量進入商業市場，從2012年到2017年，進入軌道的小衛星數量從70顆增至380顆，近兩年更是數量猛增，這些衛星大多為納米級（3～22千克）甚至更小。其大量進入商業市場，不僅反映了小衛星現在可能具有更大能力，而且為部署更大規模的星座（幾十顆或上百顆衛星）提供了機會。

報告指出，推動美國商用小衛星發展的主要因素：

一是衛星小型化。星載計算機、電子裝置、機械系統、電池和傳感器的小型化，不僅降低了衛星成本，而且推動了小衛星能力的發展。

二是衛星發射成本下降。相比于中型/重型運載火箭，當前美國小型運載火箭的效率很低，這使發射成本成為小衛星發展面臨的主要挑戰。在載荷能力充分利用的情況下，中型/重型運載火箭的發射成本為每千克0.5萬～1.8萬美元，小型運載火箭的發射成本則為每千克3萬～10萬美元。為降低小衛星發射成本，目前只有少數小衛星利用小型運載火箭發射，多數小衛星要么作為中型/重型運載火箭的次要載荷發射，要么利用中型/重型運載火箭一次發射多顆。目前，太空探索技術公司正在發展“獵鷹”系列運載火箭，DARPA則在發展XS-1航天飛機，未來衛星發射成本有望大幅降低到每千克4000美元。

加強小衛星的發展與應用

以目前小衛星的發展狀況來看，未來小衛星將會為美國軍用衛星架構帶來如下好處：

一是顯著提高效費比。相比于大衛星，小衛星發射成本在全壽命周期成本中占比高。未來衛星發射成本大幅下降后，小衛星、大星座的軍用衛星架構具有更好的成本效益。

二是戰時具有更好的生存力。報告認為，許多國家已經擁有并且正在發展反衛星能力，包括陸海空天基動能殺傷、激光/微波/電磁脈沖非動能攻擊、電子干擾/欺騙攻擊、網絡攻擊等，對美國衛星能力構成嚴重威脅。而利用小衛星構成大星座，增加反衛星一方必須應對的衛星數量，將使得攻擊衛星的任務更加復雜，有助于應對反衛星威脅，提高衛星系統的生存力。

三是具有最為經濟有效的戰時補充能力。大衛星成本高昂，難以大量采購作為戰時儲備，其發射設施戰時生存能力較弱。采購小衛星作為戰時儲備，有成本和發射等方面的優勢，具有更好的星座重構能力。

報告認為，設計衛星星座是一個極其復雜的過程，從理論上講，小衛星星座與大衛星星座這兩種方式各有強弱點，需要權衡各種能力、成本、數量、復雜性等諸多因素。目前尚不清楚為有效應對各種反衛星威脅，小衛星星座需達到的最佳星座規模，另外衛星數量增多并不能改善衛星地面站的生存能力，也無法提升衛星的抗干擾或應對網絡攻擊的能力。

▲ 整流罩內的“先進極高頻”衛星

因此，報告建議美軍和情報界現階段適當增加投資，發展小衛星能力：一是開發、部署一個或多個小衛星星座，增加經驗；二是改善戰時小衛星儲備補充能力；三是更加重視航天發射能力，尤其是小型運載火箭。

▲ “天基紅外系統”衛星

▲ 美國宇航局的手機衛星PhoneSat項目