國外隱身衛星技術研究

康開華（北京航天長征科技信息研究所）

國外隱身衛星技術研究

康開華（北京航天長征科技信息研究所）

隨著遙感技術的迅速發展，空間對抗進程的不斷推進，衛星及載人航天器的生存能力受到越來越嚴重的威脅。因此，積極快速發展航天隱身技術已是世界航天技術先進國家的一項長期有效的根本戰略措施，也是改進和提高航天飛行器生存能力的一項重要手段。20世紀80年代，隱身技術便與星球大戰計劃（SDI）和核計劃并列為美國國防部三大高技術之一，并且美國在基礎理論研究、隱身材料技術、隱身綜合技術研究以及雷達散射截面（RCS）預測和測試技術等方面居于世界領先地位。蘇聯/俄羅斯隱身技術也被列為國防高技術，歐洲、日本等國家或地區的航天隱身技術也各有自己的長處和特點。

美國Misty隱身衛星

1 隱身衛星概述

衛星隱身技術是指為降低衛星的微波、紅外線、可見光等可探測信息特性所采用的綜合技術，目的在于最大限度地降低敵方探測系統的截獲概率或使其探測距離大為縮短，從而提高衛星的生存能力。隱身衛星是一種重要的偵查工具和空間武器，具有在軌隱蔽、偵查以及伺機攻擊敵人的能力。未來的戰爭中，它在空間攻防方面將發揮重要作用。

特征抑制罩操作設想圖

俄羅斯也在加緊發展自己的隱身衛星。據俄羅斯《科學信息》雜志報道，俄羅斯航天設計制造科研所正在研制體積比奶粉桶稍大、質量5kg的“最低配置技術”納米衛星，并有望在未來幾年飛赴太空。與其他類型的衛星相比，納米衛星的優點在于體積小、質量輕、不易被偵查發現。其質量一般在1～10kg，設計相對簡單且制造周期短，便于在太空部署。此外，世界其他航天強國也都在抓緊步入隱身衛星的研制行列中。

2 特征抑制罩

特征抑制罩用于隱藏衛星所處的位置，使得地基和空基的跟蹤與探測系統無法發現隱身衛星。特征抑制罩能夠抑制衛星的激光、雷達、可見光和紅外特征，使敵方武器很難或不可能損傷或摧毀在軌飛行的衛星。衛星特征抑制罩首選圓錐體外形，從地基主動跟蹤系統發射出的輻射束撞擊到抑制罩上，輻射束與特征抑制罩上的涂層相互作用，在對特征抑制罩不造成任何損傷的情況下彈入太空，因為輻射并未反射或散射回地球，因此特征抑制罩能為衛星提供保護。

特征抑制罩制成可膨脹的氣球結構，氣球罩封裝在衛星底部可移動壁板中，密封壁板形成一個金屬容器，圓錐體頭部從底部壁板擠壓而出。衛星入軌后，底部壁板收起，露出未膨脹的氣球材料。可使用機械收起方式，如電螺線管。可移動門利用彈簧承載，這樣該門最初運動可通過螺線管來完成，隨后通過彈簧裝置釋放該門。氣球安裝在彈簧上，并由它將氣球彈出容器進入空間。可移動門的操作由地面操作，也可由衛星上的定時器控制或根據衛星上的傳感器自動啟動，還可由計算機程序自動啟動，觸發啟動操作取決于被保護衛星的類型或衛星所遭受的攻擊類型。

使用材料

氣球的材料首選超輕合成高分子薄膜，如杜邦公司制造的聚酰亞胺（Kapton）或聚酯薄膜（杜邦公司制造的聚對笨二甲酸乙）。蒙皮內部的圓錐材料厚約1mm，圓錐材料包括可膨脹的加強肋以提供最初的剛度和抑制罩外形。聚酰亞胺或聚酯薄膜蒙皮外涂層是一種極薄的輻射反射材料，首選0.05μm厚度的黃金涂層。涂層和氣球蒙皮厚度可進行調整，以適應特定衛星或可能遭受攻擊的武器類型。

圓錐體頂角

圓錐體頂角的選擇取決于多種因素，如軌道高度、特征抑制罩的質量等。對于低軌道，圓錐體頂角最大選擇40°，此時圓錐體頂端指向地球天底點。對于地球靜止軌道衛星而言，圓錐體頂角最大可選160°。圓錐體頂角越大，所需要的圓錐面積越小，因此降低了圓錐體的質量。然而，如果在低軌道選擇圓錐體的頂角過大，圓錐體表面將與主動跟蹤輻射束形成直角面，導致輻射束發射到地基傳感器上，所以必須避免出現該直角面，以有效地隱藏衛星。

升華劑

操作中的特征抑制罩

特征抑制罩膨脹的不同階段

對于圓錐體的膨脹，可選用1種升華劑，但最好使用2種升華劑。升華劑首選粉狀固體升華劑，因為它能夠提供均勻的膨脹。當這些升華劑受到太陽輻射熱時，就會從粉狀固體轉化成氣體，升華過程可能僅花費幾秒鐘到幾分鐘。如果膨脹操作的過程過快可能導致氣球破裂，因此必須在升華粉末的劑量、氣球體積和氣球達到剛度要求的時間之間建立一個平衡，以便使氣球達到一個適度的膨脹并消除所有褶皺。

在操作期間，衛星特征抑制罩將承受微流星體的撞擊，氣球蒙皮壁面上導致多個微穿刺，而且部分氣體會通過氣球蒙皮壁面溢出。為了解決這個問題，特征抑制罩還需要另一種升華劑。第二種升華劑的升華速度比第一種慢，因此提供了額外的氣源以彌補那部分泄漏的氣體，使抑制罩中的壓力在較長時間內保持不變。在外層空間的溫度和壓力下，一種比較合適的升華材料為氯酸醋，它在61～63℃時發生升華反應。升華劑的選擇需要將多種因素和現有技術水平進行綜合考慮，衛星發出的熱量也可用作升華的熱源，或圓錐體內提供一個獨立的熱源。

壯族師公舞與祭祀有關，古代的壯民對天災人禍很無奈，總是受到自然災害的威脅，而他們對大自然又沒有科學的理解，無法征服，只能祈求于神，每逢民間的重大節日一定會請來師公主持儀式。師公舞必戴面具，手里也離不開法器。戴著面具才有神秘感，手持法器這樣才能斬妖除魔，消除病痛和災害。舞蹈的寓意也使得先民們江山太平、丁口平安、五谷豐登。

特征抑制罩硬化

蒙皮內部涂有硬化材料，首選紫外線硬化材料，將其噴涂在氣球蒙皮內表面。紫外線硬化材料可采用戴馬士（Dymax）公司制造的紫外線固化粘合劑。當該材料暴露于紫外線輻射時，會硬化并保持長久的剛度，從而形成一個類似于鏡面的薄膜結構。盡管硬化的殼體能夠阻止一些流星體的穿透，但是仍可能發生穿透事件。硬化劑的另一個目的是無需供應增壓氣體，從而降低了衛星和抑制罩的質量。

在圓錐體底部內的一個小型紫外線輻射源作用于硬化材料，當氣球完成膨脹操作后，執行硬化操作，整個硬化操作耗時幾秒到幾分鐘。紫外線燈和硬化材料在波長方面相匹配，例如戴馬士公司制造的紫外線燈與固化粘接劑產品的波長就相當匹配。

干燥

圓錐體氣球底部內側安裝一個活性炭吸收劑，如有氣體從膨脹的氣球中泄漏并流往衛星，活性炭吸收這些氣體，并阻止它們泄漏和干擾衛星上的傳感器。圓錐體還包含有一種干燥劑材料以吸收水分，這種干燥劑首選硅膠，它可阻止水蒸氣對衛星傳感器的干擾。干燥劑或活性炭最好安裝于圓錐體底部的小盒內。在氣球完全硬化后，該小盒打開（遙控或自動），活性炭或干燥劑暴露于氣球內部。與膨脹和硬化過程相比，吸收過程相對較短。

隱身特性

圓錐體外形避免了出現尖銳和帶有明顯邊緣的拐角，以阻止雷達或駐波反射導致尖峰信號。圓形的底部包含有吸波材料，用于吸收和降低駐波可能出現的波幅增長。圓錐體就像一面鏡子，激光和微波雷達能量通過抑制罩反射到外層空間中。由于蒙皮上的金屬涂層輻射導致雷達再輻射，因而抑制罩對激光輻射的效果要略好于雷達輻射。

對于應用抑制罩的衛星，激光信號降低約90dB，雷達信號降低約15～30dB。抑制罩還能降低可見光輻射的探測能力。光線通過抑制罩反射到外層空間，幾乎沒有光線返回地球。由于反射罩表面特性，因而其從太陽吸收的能量少，降低了反射罩自身的紅外特征。同時衛星自身從太陽吸收紅外能量，防護罩位于衛星和探測傳感器之間，對傳感器屏蔽衛星發出的紅外輻射。

操作方案

抑制罩安裝在動臂上，這樣相對于衛星來說，抑制罩可以運動。在這種方式下，圓錐體可以指向衛星速度向量的雙向方向，以免受地基武器攻擊。可利用遙控或自動控制的發動機裝置驅動罩臂，如電動機。基于地面遙控指令，或是對衛星傳感器（此時顯示威脅正在逼近）做出自動響應，罩臂運動。僅在攻擊逼近時，抑制罩才運動。當衛星未遭受威脅時，抑制罩旋轉到某一點，該點不影響衛星執行其主要任務。當衛星遭到威脅時，圓錐體調整位置并指向威脅以抑制衛星特征。通常衛星持續10～15min，隨后圓錐體旋轉回到原位置。圓錐體使用時可能會影響到衛星的主要任務。動臂設計允許衛星保持運行在一個穩定的軌道上。

特征抑制罩操作方案

另一個備選方案是利用轉動整個衛星的推進器來轉動圓錐體。該推進器是一個低耗能裝置，由衛星提供動力。這種推進器已廣泛應用于航天領域。該設計使得抑制罩變得更加小巧、簡單，非常適用于軌道備用星。

雖然抑制罩蒙皮薄且質量輕，但它耐用且包含效果好。即使是運行在低軌道的衛星，也能保護其免遭敵方功能激光的攻擊。當使用黃金反射涂層時，能夠反射98%～99%的入射激光能量。如果高能激光攻擊抑制罩，那么激光必須利用大于10W/cm2的能量持續照射圓錐體超過2min才能摧毀黃金涂層，否則偶爾短時間照射將不會對其造成損傷。

衛星抑制罩的尺寸和厚度取決于多種因素，如軌道高度和將要保護的衛星尺寸。目前研究的底部直徑最大約為12.192m，但直徑也可以更大，并且抑制罩仍非常輕且有效。衛星入軌后，它可快速完成部署并具有較長的壽命。此外，還可基于特定的航天器和軌道進行定制。

3 可膨脹的衛星艙

可膨脹衛星艙能夠減弱或消除光學和雷達信號，其外殼具有雷達隱身能力，并且外殼涂上顏色使其更加難以被光學探測發現。

組成

可膨脹衛星艙的艙體并未限定為特定的尺寸或形狀，該艙體可作為一個平臺執行多種任務，或是作為一顆主衛星控制其他衛星的操作。可膨脹衛星艙包括1個核心部分和1個連接到核心部分的可膨脹外殼。

特征抑制罩操作備選方案

可膨脹衛星艙外形圖

核心部分由縱梁和隔離壁圍成，內安裝有效載荷。此外，1個姿控裝置和1個電源連接到核心部分，1個控制器連接到電源和姿控裝置，用于指揮姿控裝置。可膨脹衛星艙還擁有一個通信裝置用于接收地面站的指令，以便操作控制器。

可膨脹外殼為柔韌性外殼，包括1個氣囊、1個流星防護罩和1個約束層。氣囊大多數由非滲透性材料制成，可阻止飛行器內部氣體泄漏。氣囊首選材料為Cepac HD-200。約束層連接到隔離壁上，并將大部分載荷從氣囊轉移到隔離壁上。隔離壁采用金屬材質，如鋁。流星防護罩首選含多層的撞擊材料層，如利用襯隔材料層分隔的陶瓷纖維。分隔材料首選疏松的網狀泡沫，發射前可將其壓縮，衛星入軌后泡沫可再膨脹。撞擊材料的層數由已知的技術變量確定，如任務參數和運行時間要求。約束層的帶子由凱夫拉爾材料制造，約束層和氣囊均連接到隔離壁上。

內部布局

一組縱梁和橫梁連接到相對的隔離壁上。縱梁可由多種材料制成，這取決于任務參數，但首選復合材料，備選金屬材料。氣塞還可考慮作為維護人員的通道。頂部可用于安裝姿控裝置、通信設備、電源盒和一個由電源供電操作姿控裝置的控制器。

設備連接到縱梁和橫梁上。氣塞也可換為特定任務的設備，如雷達測圖和氣象設備等。熱控系統用于調節衛星溫度，多種熱控系統作為備選，專用系統根據任務有效載荷的規格參數選擇。

可膨脹衛星艙的橫截面視圖

外部設備

可膨脹衛星艙的外表面支持在其上安裝外部設備。通信裝置用于中繼轉播往返于地面站和飛行器之間的信息和指令，還用于其他衛星間和飛行器間的通信。太陽電池作為電源首選，也可采用燃料電池、核能或其他電力生成裝置。電源可只為艙體供電，也可依靠專用的任務設備。在姿控裝置的輔助下，飛行器一直對準地球。這種技術已經非常成熟，典型的這類裝置依靠噴管和推進劑提供直接力來校準姿態。

隱身特性

可膨脹衛星艙殼體使用雷達吸波材料，或者將殼體制造成在一些角度下能夠反射雷達波的幾何形狀，這樣它就能擁有雷達隱身能力，但這會使飛行器的研制變得非常困難。如果殼體擁有理想的無線電和微波特性，就可以使無線電或微波穿過殼體，從而被任務有效載荷直接接收。殼體還可噴涂顏色，使得圖像信號檢測設備難以檢測得到。殼體上可保留窗口，使飛行器內部的光學儀器（如相機）通過該窗口觀察外部情況。基于上述思想，可制造出多種構型的艙體。

4 結論

隨著美國加緊彈道導彈防御系統的研制和試驗，以及空間軍事化進程的推進，給其他國家的空間資產造成巨大安全威脅。目前，世界各軍事強國均加強衛星隱身基礎研究，落實關鍵技術研究途徑，加速衛星隱身工程化步伐。