世界之大却容不下美国的雷达【金沙4166官网登录】——看美军天基反导预警系统发展史

金沙4166官网登录 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。

  出品:科普中国

  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。

  作者:兰顺正

  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。

  美国空军新一代反导监控卫星项目在8月14日签约。据美国《防务新闻》报道,美国空军与洛克希德·马丁公司签署了价值29亿美元的合约,后者将负责研制和生产3枚“下一代天顶持续红外项目”(OPIR)卫星,这种卫星将逐步取代现役部署在地球同步轨道和太阳同步轨道上的SBIRS卫星系统。据称,首枚卫星将在2023年发射,这比最初计划中这套卫星星座系统2029年成型提前了6年。而仔细梳理一下会发现,近期美国对于天基反导预警系统显得格外热心,那么这类系统究竟是何来历,又有何作用呢?

  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。

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  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。

  冷战遗产DSP

  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。

  由于弹道导弹发射时,火箭发动机会喷出数千度的火焰喷流,在飞行轨迹上留下长数公里、直径数百米、温度几十到数百度的高温尾气。随着弹道导弹一直向上飞出大气层,这条高温尾迹会一直延伸到大气层顶端,使用红外探测器更易于发现目标。而位于太空的预警卫星不受地球曲率的限制,居高临下,覆盖范围广,能及早发现在空间运动的弹道导弹或其它飞行器,所以天基平台在反导预警方面具有天然的优势。天基反导预警早已被大国所重视,上世纪70年代冷战正酣之时,美国为防御苏联的导弹袭击就部署了DSP“国防支援项目”卫星。这种卫星载有中红外波长望远镜,碲汞镉探测器,双重辐射探测器,太空和大气爆炸报告系统等设备,能探测导弹发射时向地面喷流产生的热度。一旦捕捉到地面有新出现的热源,立刻根据热源的状况和移动情况,对其作出判断,辨别它是森林火灾、火山喷发,还是火箭发动机排出的喷焰。如果判定是导弹升空,立即根据其移动的速度、高度、方向等信息推算出导弹的种类、测算弹着点,并迅速通报有关部门。DSP卫星从1970年到2005年共计发射了23颗,目前在轨的都是大型的block14星。它们是1989年以后发射的9颗星,其中3颗是1991年前发射的。

  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。

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  “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。

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金沙4166官网登录 4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。

  更上一层楼的SBIRS

  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。

  早期国防支援计划卫星使用短红外和可见光探测,无法克服云层反光的虚警问题,后来虽然演进到双色红外波段,但6000单元一维线阵列的视场和分辨率都并不理想,虽然足以满足探测巨大尾焰的远程和洲际弹道导弹的需求,但对中短程战术弹道导弹则有些力有不逮。

  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。

  为了弥补DSP的缺点,美国开始打造下一代天基预警系统——天基红外系统(SBIRS)。SBIRS采用双探测器体制,每颗星上装有“扫描”型 和“凝视”型两台探测器。SBIRS系统分为高轨道和低轨道两套卫星监控系统,高轨卫星主要用于探测助推段导弹,扫描速度和灵敏度比DSP卫星高10倍以上。它的扫描型探测器在导弹点火时就能探测到喷出的尾焰,然后在导弹发射后10s~20s内将警报信息传送给凝视型探测器,由凝视型探测器将目标画面拉近放大,获取详细信息。这种工作方式能有效增强探测战术弹道导弹的能力。低轨卫星主要用于跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头,引导拦截弹拦截目标,与现有系统相比可将防区范围扩大 2~4倍。它的宽视场扫描型短波红外探测器用于观察导弹发射时的红外辐射,发现战区战术导弹目标,以扩大搜索视场;窄视场凝视型多光谱跟踪探测器用于中段和再入段跟踪导弹,以提高目标信息获取速率。通过扫描和凝视两种方式的观测,对陆地、海上和空间导弹的发射、类型、诱饵的撒布都有一定的观测和识别能力。

  “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。

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金沙4166官网登录 6DSP预警卫星将在未来几年陆续退役。

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  积极谋划下一代导弹预警卫星系统

  根据美军最初设想,SBIRS将使美国战区导弹防御(TMD)系统和国家导弹防御(NMD)系统的防御区域扩大,能力增强。但是由于技术和资金问题,整个系统部署的比较缓慢,到2018年1月美国新一代SBIRS系统总共有10枚卫星在轨运行(原计划整套系统共包含31颗卫星)。

  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。

  着急上马的OPIR

  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。

  据美国战略司令部司令约翰·海腾8月7日在亚拉巴马州亨茨维尔举行的太空与导弹防御研讨会上说,在俄罗斯和中国的“导弹威胁”以及来自朝鲜和伊朗等国家的“新兴和潜在威胁”面前,保卫美国本土的关键在太空。约翰·海腾表示:“导弹防御界最重要的事情是确保你能够看到并描述这种威胁。我们必须能够看到这种威胁。”按照海腾的看法,拦截导弹实际上是“球手的接球手套”。要通过“主动抑制发射”战术来实现助推段拦截或成功摧毁导弹,美国需要一个有效的传感器层来及早发现威胁——但不能在地球上制造。他说:“世界上没有足够多的岛屿来部署雷达,以发现所有的威胁并确定威胁的特征。我们必须进入太空。”(巧合的是,就在海滕发出这一呼吁的几天前,中国成功测试了星空2乘波体高超音速飞行器)

  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。

  可以看出,此次着急上马的OPIR与海腾的呼吁十分契合。对于此次的“下一代天顶持续红外项目”(OPIR)卫星,美军发表的声明表示,这项合同规定,洛克希德·马丁公司将获得29亿美元,负责设计、飞行硬件采购、早期制造与降低风险工作,到通过关键设计审查为止。洛克希德公司将提供3枚地球同步轨道卫星,用于组成OPIR卫星星座系统。空军表示,第一枚OPIR卫星将在2023年发射,这比原计划开始取代SBIRS系统卫星的时间,2025年提前了两年。据称,OPIR系统与SBIRS的高轨道系统相似,都分为极地轨道卫星(太阳同步轨道卫星)和地球同步轨道卫星两种。其中太阳同步轨道卫星负责监控北极上空,主要针对中俄,地球同步轨道卫星负责监控全球。但与现役的SBIRS卫星相比,OPIR卫星的特点是加强了探测能力,同时在面对反卫星武器威胁的时候有更高的生存力。

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