推遲升空的美國戰術衛星-4

朱貴偉（北京空間科技信息研究所）

□□2011年3月1日，戰術衛星-4（TacSat-4）由空軍C-17運輸機運送至阿拉斯加南部的科迪亞克島，而后由卡車運送至發射場。3月14日，海軍研究實驗室（NRL）相關人員基本完成了對戰術衛星-4發射前的最后準備，原計劃于2011年6月用軌道科學公司的人牛怪-4火箭發射到大橢圓軌道，但據最新報道，它已被推遲到今年10月才發射。

1 背景

“戰術衛星”是美國國防部在“作戰快速響應太空”（ORS）計劃下發展的快速響應技術試驗衛星系列，目的是利用小衛星開展一系列技術演示驗證，循序漸進地發展快速響應衛星技術，為未來作戰系統開發提供技術支持。目前，“戰術衛星”項目共發展了4個衛星型號，其中戰術衛星-1和4衛星均由海軍研究實驗室負責研制，而戰術衛星-4是這一系列中唯一一顆“全通信”有效載荷的試驗衛星。

戰術衛星-4的總投資超過1.4億美元，其中海軍研究辦公室（ONR）共計投入0.5億美元，主要負責有效載荷研制、項目管理及衛星第1年在軌運行。國防研究與工程主任辦公室（DDR&E）負責標準化衛星平臺的研制，共計投入0.45億美元。作戰快速響應太空辦公室和空軍航天與導彈系統中心（SMC）負責衛星的發射，共計投入0.43億美元。整個項目由海軍研究實驗室負責抓總。該衛星可滿足海軍在“動中通”（COTM）和海上態勢感知等領域的需求。準化衛星平臺的研制，共計投入0.45億美元。作戰快速響應太空辦公室和空軍航天與導彈系統中心（SMC）負責衛星的發射，共計投入0.43億美元。整個項目由海軍研究實驗室負責抓總。該衛星可滿足海軍在“動中通”（COTM）和海上態勢感知等領域的需求。

2 衛星設計與制造

戰術衛星-4整星質量約450kg，其中衛星平臺270kg，有效載荷180kg，太陽電池翼功率1000W，設計壽命1年。戰術衛星-4計劃部署在近地點700km、遠地點12050km、傾角63.4°的軌道上，可提供包括高緯度地區在內的近似全球的、非連續的覆蓋；軌道周期4h，每天繞地球6周，可以保證對1個戰區（3.7km2范圍內）有2h以上的連續覆蓋，同時每天可對多個戰場進行覆蓋。由于衛星要穿越輻射帶，因此對衛星進行了相應的抗輻射加固。

作為一顆新技術試驗衛星，戰術衛星-4在多個領域取得了進步。首先，開發和驗證了快速響應標準化衛星的原型平臺，設計了長時間駐留軌道，平臺采用了先進的熱控技術；其次，開發了3.67m口徑的可展開天線，配備了緊湊的10信道轉發器設備，這樣既降低了成本，又可動態進行任務分配，支持網絡中心戰。

戰術衛星-4衛星外形圖

戰術衛星-4衛星主要參數

戰術衛星-4有效載荷主要為通信試驗（COMMx）載荷，提供動中通、數據滲漏和藍軍跟蹤系統等業務。其中，動中通是通過特高頻（UHF）頻段提供衛星移動通信，支持美國“特高頻后繼星”（UFO）衛星和“移動用戶目標系統”衛星的通信終端；藍軍跟蹤支持目前美軍藍軍跟蹤系統服務水平較差的區域，收集UHF頻段設備的跟蹤數據；數據滲漏主要用于采集海軍浮標收集的數據，并傳送回處理站。

戰術衛星-4主要采用彎管式轉發，10路UHF信道直接支持傳統終端，例如PRC-117、PSC-5、PRC-152和PRC-148 MBITR等終端，此外還有1個備份UHF信道，可提供類似“移動用戶目標系統”衛星的信號（但是無法提供“移動用戶目標系統”一樣的能力），作為早期驗證試驗。同時，星上先進的通信有效載荷支持不同信道之間的橋接，可將UHF話音通信連接至地面保密IP路由網（SIPRNET）。在特殊的數據滲漏場景中，可采集海上浮標等傳感器的信息，并傳回海軍艦船上的IP網絡，增強海上態勢感知能力。

戰術衛星-4的衛星平臺與天線載荷

戰術衛星-4設備布局圖

通信實驗有效載荷與平臺連接的主結構為八棱柱體，高0.93m，其上方是UHF天線。有效載荷主結構采用輕量化設計，在滿足高于50Hz剛性的同時，整個有效載荷質量低于180kg。為保證通信實驗平均功率達到200W設計要求，不得不放棄了原計劃的商用器件，而采用了專用的高效射頻電子設備。

UHF天線為采用可展開反射器結構，口徑3.67m，面形精度為6.35mm（均方根），中心為1.85m長的圓柱體結構，頂端安裝有UHF頻段天線饋源。天線工作頻率為240～420MHz，可同時收發多個頻率的信號。反射面通過20根相同的彈簧肋條展開。反射面采用多個三角型條帶拼接而成，每個三角型條帶采用專利技術的卡普頓-銅柔性電路復合材料，即外層卡普頓、中間軟銅網格的夾層結構。三角型條帶的拼接利用非金屬扣件，反射器徑向肋條使整條接縫保持均勻的預緊力，從而避免了金屬接頭，降低了無源互調。

由于戰術衛星-4的軌道要穿越輻射帶，因此星上還帶有1臺用于探測空間環境的“緊湊型環境異常探測器試驗”（CEASE）劑量儀。CEASE尺寸約10cm×10cm×8.2cm，質量約1kg，功耗1.5W，采用RS-422或1553B接口，可提供表面充電、深層電介質充電、單粒子翻轉、輻射劑量效應等空間環境危害的預警信息，收集高于1.2MeV電子和高于25MeV質子的數據。但是UHF天線未作屏蔽措施，所以必須承受100Mrad的離子帶輻射。此外，由于高地球軌道的特殊性，天線還需承受-150～+150℃的巨大溫差。

根據未來“作戰快速響應太空系統”的潛在要求，例如，平臺和有效載荷需分開研制，然后在發射場總裝，并可能安裝不同類型的有效載荷等，還要求平臺和有效載荷進行熱控分離和熱隔離，因此通信實驗要獨立進行熱控。由于通信實驗載荷約1m3體積的熱流達600～700W，并且在飛行過程中衛星姿態不斷變化，所以給熱控設計帶來了非常大的挑戰。最終，通信實驗采用了中央熱平臺（CTB）和環路熱管（LHP）設計。中央熱平臺的概念最先由海軍研究實驗室空間技術中心于1994年提出，它是將所有散熱設備集中布置，集中熱控，這樣可以節省質量和體積，便于安裝集成、布局優化和熱屏蔽。同時在載荷主結構外部8個面板上均布置了熱輻射器。

另外，海軍研究實驗室還專門研制了無源互調地面測試設備，它可以在UHF頻段上以很寬的帶寬對載荷進行高靈敏度無源互調測試。

戰術衛星-4的指揮和控制由位于馬里蘭州的海軍布羅索姆地面站負責，同時負責任務系統的運管，利用其靈活的公共地面基礎設施實現快速切換，并支持網絡中心戰。在布羅索姆地面站控制范圍之外，由空軍衛星控制網（AFSCN）提供測控支持。戰術衛星-4的有效載荷利用虛擬任務操作中心（VMOC）通過安全因特網協議路由器網絡（SIPRNET）進行控制。

3 任務目標與意義

戰術衛星-4的長期目標包括增強和提升當前UHF頻段衛星通信能力，提供快速響應標準化衛星平臺，推動快速響應太空系統發展等。具體來說，戰術衛星-4設計目標包括：

●采用橢圓軌道驗證快速響應衛星，提供長駐留時間服務的能力；

●評估快速響應衛星平臺在發射、在軌操作和空間環境中的性能；

●提供類似美國“特高頻后繼星”衛星和“移動用戶目標系統”衛星的UHF頻段移動通信服務，測試采用軟件無線電技術的聯合戰術電臺系統（JTRS）；

●為美軍服務水平較差的區域提供UHF頻段藍軍跟蹤數據收集；

●收集海軍浮標/傳感器的數據，并傳送回處理站。

戰術衛星-4可增強UHF頻段衛星通信的作戰效能。“動中通”需求迫切的地區可通過戰術衛星-4的發射得到緩解，同時還可為無網絡地區和用戶提供藍軍跟蹤和數據采集等功能。

通過戰術衛星-4的發射可試驗部分先進技術能力和體系，以便應用于未來的空間通信計劃。尤其是它可提高“動中通”的能力，用戶無需對準天線即可進行通信，這對衛星通信裝備而言是一大提升。此外，戰術衛星-4還可提供靈活的上行、下行信道分配，增強衛星在射頻（RF）干擾地區工作的能力。動態任務系統和虛擬任務操作中心使得戰術衛星-4具備靈活調整能力，及時響應戰場變化。

從長遠來看，戰術衛星-4的成功研制和發射還可以推動快速響應太空計劃的長期發展，在衛星平臺標準、長期駐留軌道設計、動態任務下達和網絡中心戰等技術方面取得了進步。未來，戰術衛星-4成功應用以后，既可以作為常規衛星繼續工作，也可以繼續發射相同的衛星，與其組網運行。■

UHF天線收攏（左）及展開結構（右）