大型低軌星座為何打動軍方？

文/遲惑

近幾年，大型低軌星座熱度頗高，多個大型低軌星座已經(jīng)或即將投入建設(shè)：星鏈星座部署如火如荼，一網(wǎng)星座急起直追，柯伊伯星座蓄勢待發(fā)……為什么會一下子涌出這么多的低軌星座？這種星座有什么優(yōu)勢？在軍事上又有什么用處呢？

利用商業(yè)現(xiàn)貨

軍事衛(wèi)星的研發(fā)周期往往比較長，因為很多技術(shù)都要從頭開發(fā)。美國軍方其實非常希望能直接采購商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品，并且進(jìn)行了大量的嘗試。但是在以往，能夠參與衛(wèi)星研制和運營的機構(gòu)很少，所以采購的選擇面非常狹窄。然而，小衛(wèi)星的出現(xiàn)，讓大量機構(gòu)進(jìn)入了衛(wèi)星時代。軍方在商業(yè)現(xiàn)貨市場上的選擇一下子豐富了起來。

根據(jù)美國研究機構(gòu)統(tǒng)計，2011 年，只有不到100 顆重量小于600 千克的衛(wèi)星被發(fā)射到地球軌道。而到2020 年，發(fā)射了1200 多顆此類衛(wèi)星，其中絕大多數(shù)是商業(yè)企業(yè)的資產(chǎn)。按照各國政府已經(jīng)頒發(fā)的許可證，每年再發(fā)射數(shù)千顆也不是問題。

由于技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵部件的持續(xù)小型化，小衛(wèi)星現(xiàn)在可以提供很多高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和服務(wù)，包括通信、導(dǎo)航增強，有些小衛(wèi)星甚至可以用來驗證在軌交會和接近操作。對軍方來說，這當(dāng)然是良好的采購對象，可以采購衛(wèi)星本身，也可以采購衛(wèi)星服務(wù)。

▲ 美空軍維護(hù)人員正在把衛(wèi)星通信天線安裝到飛機頂部，這是一部機械跟蹤式天線

更短的開發(fā)時間

與攜帶大量復(fù)雜傳感器或有效載荷的大衛(wèi)星不同，小衛(wèi)星通常專注于某一種或者少數(shù)幾種有效載荷技術(shù)或應(yīng)用。因為體積小、復(fù)雜性低，所以小衛(wèi)星的快速開發(fā)是可以做到的。一般來說，大型衛(wèi)星的設(shè)計制造要消耗幾年時間。商業(yè)通信衛(wèi)星算是比較成熟的產(chǎn)品，但是大型衛(wèi)星也要兩年半左右的時間才能制造出來。可是小衛(wèi)星往往可以在一年之內(nèi)就具備發(fā)射條件，半年的開發(fā)周期是比較常見的。在極端情況下，用成熟的平臺和元器件，用幾天時間就可以組合出一顆小衛(wèi)星。這種很短的開發(fā)時間對軍方有著很重要的意義，可以快速更新在軌衛(wèi)星，以滿足戰(zhàn)時或戰(zhàn)備所需。

快速迭代和技術(shù)升級

小衛(wèi)星的研制周期短，意味著每一顆小衛(wèi)星在研發(fā)的時候，都可以引入新出現(xiàn)的技術(shù)，從而讓整個星座處在不間斷的技術(shù)更新當(dāng)中。傳統(tǒng)大型衛(wèi)星的壽命往往在10 年以上，一般可以達(dá)到15 年，這一方面要求研制單位在可靠性設(shè)計上下很大功夫，另一方面也導(dǎo)致了尷尬的局面：衛(wèi)星上天幾年之后，就感覺性能無法滿足新形勢、新要求了。這個問題在通信衛(wèi)星上表現(xiàn)得尤其突出。但小衛(wèi)星的設(shè)計壽命一般只有1～3 年，當(dāng)舊的衛(wèi)星報廢、需要制造新衛(wèi)星來替代它的時候，就可以直接采用新技術(shù)了。

▲ 美國天軍司令雷德曼簽署合同，大規(guī)模采購商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)

▲ 美軍寬帶全球系統(tǒng)的衛(wèi)星終端，這是一種專用的軍用系統(tǒng)終端，澳大利亞也購買了使用權(quán)

甚至，還可以把一部分不算成熟的新技術(shù)應(yīng)用在少數(shù)小衛(wèi)星上，發(fā)射到軌道上進(jìn)行測試，即使這幾顆衛(wèi)星出了問題，也不會影響整個星座的運行，反而可以把故障中獲得的知識和經(jīng)驗融入未來的設(shè)計中。要知道，如今服務(wù)于小衛(wèi)星的新技術(shù)日新月異，從結(jié)構(gòu)、電池、天線到推力器，經(jīng)常有創(chuàng)業(yè)公司推出全新的產(chǎn)品。而不斷引入新技術(shù)，對軍事應(yīng)用來說，當(dāng)然有非常重大的意義。

增加培訓(xùn)機會和改進(jìn)流程

小型衛(wèi)星相對較短的開發(fā)周期，為用戶單位培訓(xùn)創(chuàng)造了良好的條件。部隊的軍人是有服役年限的，普通士兵在部隊里只能待幾年；即使是軍官，也面臨著不斷調(diào)整職務(wù)和崗位的問題。如果一種軍用衛(wèi)星的研制也需要好幾年甚至10 年以上，入軌之后又要使用10 多年，那么整個衛(wèi)星團(tuán)隊就處在不停的換人當(dāng)中。一個航天部隊的軍人，可能連走完一次衛(wèi)星全壽命的機會都沒有。軍隊的工程師或項目經(jīng)理在其職業(yè)生涯中，可能只會看到少數(shù)衛(wèi)星項目從設(shè)計到運行，這限制了從一個項目學(xué)習(xí)和應(yīng)用經(jīng)驗教訓(xùn)的機會。

小型衛(wèi)星的短開發(fā)周期消除了這一障礙，使軍事航天專業(yè)人員能夠多次體驗完整的設(shè)計、開發(fā)和運營周期，獲取經(jīng)驗教訓(xùn)，并實施改進(jìn)。這對于軍事航天部隊的人力資源建設(shè)是非常有好處的。

▲ 衛(wèi)星通信軍、民都不可或缺

更低的花費

小型衛(wèi)星相對簡單，開發(fā)時間也比較短，自然帶來了更低的成本。大型衛(wèi)星通常要花費數(shù)億甚至數(shù)十億美元來開發(fā)，而小型衛(wèi)星的建造成本要小得多。這種情況不僅僅存在于軍事衛(wèi)星上，在商業(yè)衛(wèi)星上也是如此。例如，麥克薩爾公司的世界觀察-4 衛(wèi)星，重量為 2500 千克，從研制到發(fā)射一共用了8.5 億美元。而行星實驗室公司的“鴿群”衛(wèi)星重量只有5 千克，單星成本不到 100 萬美元。雖然這兩種衛(wèi)星的分辨率差別很大，但在很多時候，“鴿群”衛(wèi)星的兩米分辨率已經(jīng)夠用了。而且，單星低成本，才能為大星座的建造提供可能。要是用8.5 億美元一顆的衛(wèi)星來構(gòu)建全球星座，無論什么機構(gòu)都承受不起。

▲ 美軍通信女兵正在訓(xùn)練使用機動式終端，這種終端可以靈活選擇和軍用或商業(yè)衛(wèi)星通信

▲ 美軍女兵正在戰(zhàn)艦甲板上用甚高頻天線連接電臺，與后方通信

大規(guī)模制造

為了建造大規(guī)模星座，小衛(wèi)星的生產(chǎn)模式與傳統(tǒng)大衛(wèi)星是完全不同的。傳統(tǒng)衛(wèi)星一般采用單件制造法，整個工藝都是圍繞一顆衛(wèi)星展開的。具備一定的批量之后，衛(wèi)星就可以采用所謂的脈動式工作法。但小衛(wèi)星卻不一樣，即使是一網(wǎng)星座那種幾百顆規(guī)模的產(chǎn)量，也可以考慮流水線生產(chǎn)。而且，因為小衛(wèi)星壽命短、更新快，所以流水線可以長期持續(xù)運行。2019 年，空中客車公司和一網(wǎng)公司合資在美國建立了衛(wèi)星工廠，產(chǎn)量可以達(dá)到每天兩顆。這對于衛(wèi)星制造來說，已經(jīng)是個前所未有的高速了。星鏈衛(wèi)星的制造速度更快，但太空探索技術(shù)公司并沒有透露過流水線細(xì)節(jié)。

▲ 美國陸軍的野戰(zhàn)衛(wèi)星通信站，由天線車、設(shè)備車和發(fā)電機組成

大規(guī)模制造，是武器裝備的一項重點要求。如果發(fā)生戰(zhàn)爭，各種武器的需求量都會大幅度上漲，而且也要考慮大量損失。但衛(wèi)星一直很難做到大量生產(chǎn)。所以美國軍方多年來一直非常擔(dān)心，自己的關(guān)鍵性衛(wèi)星要是被擊毀了，可怎么辦？大量生產(chǎn)、大規(guī)模部署的小衛(wèi)星，終于解決了這個問題。

編隊飛行能力

由于成本低、開發(fā)時間短，開發(fā)多顆協(xié)同工作的小型衛(wèi)星是可行的。這在編隊飛行領(lǐng)域創(chuàng)造了新的機會。例如，可以設(shè)計攜帶不同傳感器的多顆衛(wèi)星同時飛越地球的同一區(qū)域，從而融合不同類型的數(shù)據(jù)。美國宇航局正在研制一種叫做A 列車的地球觀測衛(wèi)星系列，用攜帶不同傳感器的衛(wèi)星組成編隊，按照固定的間隔、精確的次序，實現(xiàn)對地球上某一點的高時間分辨率、高空間分辨率和多頻段反復(fù)觀測。用小衛(wèi)星編隊來實現(xiàn)類似理念，要便宜得多，也快速得多。

▲ 法國企業(yè)也提出了一個星座計劃，但規(guī)模比較小

“鴿群”星座就表現(xiàn)出了這樣的潛力。還有人提出了大小衛(wèi)星結(jié)合的概念：發(fā)射一顆大型合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，用來向地面發(fā)射雷達(dá)波；周圍環(huán)繞著一群配備接收器的小型衛(wèi)星，每個接收器能夠檢測雷達(dá)回波，并轉(zhuǎn)發(fā)給主衛(wèi)星。這樣就能等效出一個天線尺寸非常大的合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。

更短的重訪周期

巨型星座的時間分辨率可以得到大幅度提高。單顆衛(wèi)星在經(jīng)過地球的一個區(qū)域后，通常至少需要幾天時間才能再次經(jīng)過。但是巨型星座的存在，可以大大縮短這個周期。鴿群星座達(dá)到150 顆的規(guī)模后，每天可以對任何地點重訪5 次。如果星鏈系統(tǒng)當(dāng)中插入一部分對地觀測衛(wèi)星，重訪周期就更短。

這就給衛(wèi)星在戰(zhàn)術(shù)層次上的使用提供了可能性。2020 年，美國陸軍實施所謂的“融合計劃”，利用商業(yè)和政府衛(wèi)星拍攝戰(zhàn)場圖像，并使用包括商業(yè)星座在內(nèi)的通信衛(wèi)星快速傳輸目標(biāo)信息。結(jié)合數(shù)據(jù)融合和人工智能方面的新能力，陸軍報告稱，從傳感器到射手的時間大幅度縮減，已經(jīng)可以用于實時決策。

更強的回彈力

大型衛(wèi)星星座為軍事用戶提供了另一個特別感興趣的好處：回彈力。美國參謀長聯(lián)席會議前副主席海頓，曾經(jīng)把大型復(fù)雜的軍用衛(wèi)星稱為對手的“大而多汁的目標(biāo)”。相比之下，小衛(wèi)星組成的大型星座就不是那么好對付了。即使一顆衛(wèi)星損失掉了，星座也能繼續(xù)運作。通過這種方式，大型星座就成了一個難以摧毀的目標(biāo)，導(dǎo)致對手放棄攻擊。運營者還可以部署大量在軌熱備份衛(wèi)星，進(jìn)一步提高回彈力。

當(dāng)然，這種回彈力主要是對抗動能反衛(wèi)星武器的。如果采取其他手段，例如在太空中進(jìn)行核爆炸，會產(chǎn)生電磁脈沖和殘余輻射，不加選擇地摧毀大量衛(wèi)星。

空間態(tài)勢感知

小衛(wèi)星的體積小、特征不明顯，難以發(fā)現(xiàn)和跟蹤，因此更適合成為空間武器的基礎(chǔ)。如果在小衛(wèi)星上實現(xiàn)交會和近距離操作能力，就可以秘密接近對手的航天器，偵察對方的具體參數(shù)和功能。這樣的技術(shù)也能用來反衛(wèi)星，破壞或摧毀對手的衛(wèi)星。因為小衛(wèi)星很難被探測到，意味著它們有可能在不被發(fā)現(xiàn)的情況下執(zhí)行此類任務(wù)。即使對方有所察覺，也很容易找借口，比如正常變軌，或者是意外失控等等。