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可监视高超声速武器,24颗卫星可以对美国导弹防御发挥什么作用

2019年4月7日 - 军事资讯
可监视高超声速武器,24颗卫星可以对美国导弹防御发挥什么作用

  出品:科普中国

图片 1美国“天基红外系统”(SBIRS)全球监视星座已经完成组建,具备监视全球弹道导弹发射的能力。

  作者:岳江锋

  今年1月19日,美国空军成功发射第四颗红外导弹预警卫星。按计划,美国还将于2020年和2021年发射第五颗和第六颗红外导弹预警卫星。美国空军主管这个项目的官员在发射成功后向外界称,这颗导弹预警卫星的成功发射是美国政府与国防工业多年共同努力的结晶,它将初期的“天基红外系统”(SBIRS)星座发展到一个高峰,并使美国及其盟国在未来若干年拥有强大的全球监视能力。

  策划:宋雅娟

  导弹预警卫星兴起于冷战时期,是美苏激烈博弈的重要技术支撑。这种卫星可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息,是美军弹道导弹防御系统的重要组成部分。

  监制:光明网科普事业部

  “天基红外系统”是美国国家导弹防御系统的核心组成之一,也是美国争取军事上绝对优势的技术装备。虽然美国目前拥有世界上首屈一指的天基预警体系,但并不满足,还正在研制新一代导弹预警卫星,实现监视高超声速武器的目标。

  日前,美国战略与国际研究中心专家托马斯.G.罗伯兹发表了一篇题为“24颗卫星可以对美国导弹防御发挥什么作用?”的文章,批驳导弹防御支持人士长期持有的一种错误观点:即“天基拦截导弹系统可以以合理的成本提供有效的助推段导弹防御”。这让天基助推段防御再度成为人们关注的焦点。

  美国拥有世界第一的预警卫星系统

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  导弹预警卫星之所以具备预警能力,是因为携带了能够探测导弹发射时火焰红外辐射的红外探测器。其最大的特点是监视区域大,预警卫星采用高轨道运行,如果沿着赤道120°间隔部署3颗地球同步轨道卫星,那么地球绝大部分区域都在其监视之下。

  天基助推段卫星概念图(图片来自网络)

  在海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争中,美国都调动了预警卫星支援作战行动。以海外战争为例,美国至少动用了4颗导弹预警卫星,用于监视伊拉克“飞毛腿”系列弹道导弹的发射,能够给防空留下2分钟左右的预警时间,提升“爱国者”导弹的拦截概率。

  天基拦截弹真的能以“合成成本”实现助推段反导吗?

  从上世纪50年代中期起,美国先后研制了四代导弹预警卫星。目前现役的导弹预警卫星体系由第三代的“国防支援计划”DSP和第四代的“天基红外系统”SBIRS组成。

  2011年,美国国防分析研究所(IDA)曾经就天基反导问题撰写了一份秘密报告。今年初,忧思科学家联合会揭秘并阐述了其主要观点,即24颗卫星的星座只够用于中段反导,而助推段反导则需要数百甚至上千枚拦截器,且耗资达2820亿美元。目前,世界各国发射在轨的卫星总数1459颗卫星,而美国拥有的卫星数量多达593颗,占总数的40.64%,遥遥领先于他国。如果美国发展助推段天基拦截计划,则需要再部署数百乃至上千枚拦截器,远远超出了其现有的卫星总量,而其消耗的成本2820亿美元也要超过美几十年来发展导弹防御系统的总经费。这绝不是支持人士所称的“以合理成本提供有效助推段导弹拦截系统”的范畴。

  长期研究天基预警体系的中国航天科工二院高级工程师张宝庆告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),目前美国天基导弹预警系统主要包括:4颗“国防支援计划”(DSP)卫星、“天基红外系统”(SBIRS)的4颗地球同步轨道卫星(4个大椭圆轨道卫星载荷)和2颗低轨“空间跟踪与监视系统”(STSS)验证卫星。

  24颗卫星星座为什么不能满足助推段SBI层的需求?

  “国防支援计划”卫星(DSP)是美国部署的第一种具有实战水平的导弹预警卫星。但由于这个卫星系统研制较早,存在无法跟踪中段飞行的弹道导弹、扫描速度慢、虚警现象等问题,在性能上难以满足弹道导弹防御需求,未来将全部被“天基红外系统”取代。

  根据美国物理学会、兰德空军项目、CSIS空天项目的分析,24卫星星座不足以用于助推段导弹防御。如将星座位置设定对朝鲜提供最佳覆盖范围时,24颗卫星将有75%的时间不能完全覆盖朝鲜半岛。此外,这些卫星过顶的轨道也是可见的并且可预测的,对手会确切知道这套星座何时没有覆盖,并据此制定攻击计划。因此,任何不能提供持续覆盖的星座都不会对体系庞大的美国弹道导弹防御系统(BMDS)做出有意义的贡献。

图片 3美国航天飞机释放DSP预警卫星瞬间,可见该卫星配备了大口径红外探测器。

  24颗卫星可在一定程度上满足中段SBI层的需求

  根据相关资料,为探测发现弹道导弹,“天基红外系统”的地球同步轨道卫星采用两种探测器,一台是高速扫描型探测器,另外一台是高分辨率凝视型探测器。扫描型探测器用于快速扫描,通过探测导弹发射时喷出的尾焰对发射情况进行监视;凝视型探测器用于将导弹的发射画面拉近放大,并紧盯可疑目标,获取详细的目标信息。

  24颗卫星构成的SBI层可能在开展有限的中段导弹防御方面奏效。由于中段占据了导弹飞行的大部分时间(如洲际弹道导弹将超过10分钟),拦截器到达目标可用的时间比导弹助推段(可能只有2-3分钟)要长得多。如前所述,同一轨道上的24颗卫星星座将为北纬60°以下的导弹飞行轨迹提供持续的中段反导覆盖,其中涵盖了朝鲜对关岛和美国本土西海岸(包括西雅图和洛杉矶)可能发动的导弹袭击。然而,从俄罗斯、中国或伊朗射向美国的导弹将在地球的北极上空飞行,不会被这个特定的SBI星座完全覆盖。

  张宝庆介绍说,“天基红外系统”扫描速度和灵敏度相比“国防支援计划”系统提高了10倍以上,覆盖范围扩大了2~4倍,能在导弹发射10~20秒内将预警信息发送至地面运行控制系统,而“国防支援计划”卫星系统需要60~90秒,大幅延长了预警时间,为反导系统预留了更充分的作战准备时间,从而提高了拦截成功率。

  24颗卫星足以构成有效的全球性天基传感器层

  “虽然‘天基红外系统’性能先进,但造价也非常高昂,平均每颗卫星耗资达17亿美元,远超美军预期。”张宝庆指出。

  尽管由24颗卫星构成的星座只能提供有限的中段反导拦截持续覆盖,且不能满足助推段反导拦截持续覆盖,但相同数量的卫星却可以出色地提供探测范围可覆盖全球的传感器层。现已部署的“天基红外系统”(SBIRS)卫星利用红外传感器对火箭发动机产生的热红外特征进行助推段跟踪。它们不是设计用来跟踪中段飞行的导弹,因为此阶段必须从极冷的空间背景中发现较冷的目标。在导弹发动机关机后,热红外特征变弱,使用红外系统无法对其实现有效跟踪。

图片 4DSP预警卫星将在未来几年陆续退役。

  然而,低地球轨道上的SBS层却可以使用雷达或光学传感器来监测飞行中段的导弹,识别其产生的弹头、诱饵或其他碎片。目前,用于中段跟踪及识别的SBS层是“空间跟踪监视系统”(STSS),现有两颗2006年发射的演示卫星(STSS
1和STSS
2)。尽管STSS最初提议建成包括20至30颗卫星的星座,但目前还没有成形的具体计划,另外,现有的两颗演示卫星也没有集成到整个BMDS架构中。假设由24颗卫星构成的SBS系统均被发射到与两颗STSS演示卫星相同的轨道高度和倾角,该星座将提供全地球覆盖,对从地球任何位置发射的导弹进行中段探测跟踪。

  积极谋划下一代导弹预警卫星系统

  据美国太空新闻网此前报道,美国将在2020年和2021年发射第五、第六颗“天基红外系统”卫星,以替最早发射的两颗卫星。在推进现有系统全面运行和任务拓展的同时,为了保持与竞争对手在空间作战上的优势,美国空军于2017年底发布“天基红外系统后继”(SBIRS-Follow
on)系统信息征询书,积极谋划开发抗毁性更强的下一代天基预警卫星系统和新型地面控制系统。

  该计划确立了一个较为激进的目标,即提前了当前采购流程4年,支持开发商以相应速度研发新能力。美国空军部长希瑟威尔逊称,在开发新导弹预警系统时,速度是很重要的。下一代导弹预警卫星将是领跑者。

  美空军已正式表示现有“天基红外系统”不再有后续发展计划,并表示将取消“天基红外系统”第七、第八颗卫星。当前,美空军正在加速构建“天基红外系统后继”(SBIRS-Follow
on)系统,美空军希望在“天基红外系统后继”系统体系架构设计中纳入分散式体系结构理念,即利用“结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道部署、多作战域部署”的方式,实现弹性与分散式空间系统体系结构。

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