美國空間攻防裝備發展現狀及水平研究

郝雅楠 朱華橋

美國空間攻防裝備發展現狀及水平研究

郝雅楠 朱華橋

近年來，世界航天產業蓬勃發展，空間在國家安全、經濟發展、科技進步和政治影響力等方面的戰略地位日益提升。在日益擁擠、競爭、多極化、全球化的空間態勢下，主要航天國家大力發展空間攻防裝備，發展階段從探索逐步走向成熟，并朝著體系化發展階段邁進。其中，美國空間攻防裝備發展水平最高，在體系完整性、技術成熟度、投資規模等方面具有明顯優勢，對我國空間攻防裝備發展具有較大的借鑒意義。

美國空間攻防裝備總體概況

美國的空間攻防裝備由龐大的、功能相對完善的天地一體化空間目標監視系統、軟硬殺傷結合的反衛星裝備以及主被動結合的空間防護裝備組成。

空間態勢感知裝備方面，美國建立了世界上最強大的空間態勢感知裝備體系，擁有對大部分空間目標進行監視和編目管理的能力，編目管理空間目標達22000多個；低軌和地球同步軌道空間目標探測精度分別為5cm、30cm；低軌和地球同步軌道空間目標定位精度分別為1km、10km；監視能力實現從低軌到高軌空間目標全覆蓋。

進攻性空間攻防裝備發展具有明顯的階段特征。第一階段是裝有核彈頭，不能精確制導但可以反衛星；第二階段集中于動能打擊技術開發，主要由飛機發射攻擊導彈；第三階段是同時發展動能和定向能武器，強調運用軟殺傷技術；第四階段是發展空間機動與操作裝備，增強空間控制能力。從技術發展水平來看，核反衛星武器、動能反衛星武器發展較為成熟，具備較強實戰能力；定向能反衛星武器中，微波反衛星武器具備初步實戰能力，激光反衛星武器處于關鍵技術驗證階段，粒子束反衛星武器處于實驗室可行性驗證階段；空間機動與操作裝備已開展大量試驗，具備一定實戰能力。

防御性空間攻防裝備方面，美國在重視發展威脅探測與告警、鏈路防護、抗輻射加固等技術的同時，發展了以分散式空間系統、快速發射為代表的先進防護技術，有效提升了空間系統的生存能力。

空間態勢感知裝備發展現狀及水平

空間態勢感知裝備體系

美國空間態勢感知裝備體系包括地基空間目標監視系統和天基空間目標監視系統。其中，地基空間目標監視系統主要包括雷達系統、光學望遠鏡、無源射頻信號探測器。天基空間目標監視系統以“地球同步軌道空間態勢感知計劃”衛星、“局部空間自主導航與制導試驗”衛星和“天基空間監視”衛星為核心，以空間監視小衛星項目——“星歷可精調天基望遠鏡”為重要補充。其結構如圖1所示。

典型空間態勢感知裝備

空間籬笆系統：是美國提高空間態勢感知能力的關鍵項目，于2004年從美國海軍移交至空軍，正在進行系統升級。2015年9月，“空間籬笆”項目通過美空軍關鍵設計評審,從設計階段正式轉入建造階段。新一代“空間籬笆”S波段地基雷達將重點對中低軌道上尺寸大于5cm的目標進行跟蹤，預計2017年具備作戰能力，可跟蹤空間碎片數量將由2萬多個增加到20萬個。

圖1 空間監視望遠鏡

空間監視望遠鏡：是近年來發展的重點項目，于2002年由美國空軍與美國國防高級研究計劃局聯合啟動?？臻g監視望遠鏡采用直徑約3.5m的大口徑設計，有效擴大了視場角；采用非球面鏡與曲面CCD焦平面陣列技術，使系統更加緊湊、輕便；利用可移動支架，可以更靈活快速地監視空間目標，拓展觀察深空目標的視野。目前，空間監視望遠鏡已從美國本土轉移到了西澳大利亞，用于為美國空間監視網絡搜集軌道數據，大大加強了美軍對南半球天空的監視能力。與現有地基空間望遠鏡相比，空間監視望遠鏡不但減少了體積和重量，而且探測靈敏度和搜索覆蓋率也提高了約一個數量級；此外，它收集數據的速度也更快，幾個晚上收集的監視數據量相當于現有望遠鏡數周或數月的數據量。

地球同步軌道空間態勢感知計劃衛星：使用光電傳感器對衛星、碎片及潛在威脅進行跟蹤監視，具有地球同步軌道巡視探測和抵近詳查能力。繼2014年7月成功發射2顆GSSAP衛星后，美國空軍于2016年8月又發射了2顆GSSAP衛星。這些衛星日常運行在地球同步軌道附近，利用與地球同步軌道的相對漂移進行軌道掃描，對目標進行探測、編目和精確偵察，必要時能通過軌道機動抵近地球同步軌道進行偵察，獲取目標高清圖像。2015年，2顆GSSAP衛星退出測試模式，根據用戶要求觀測地球同步軌道上的特定物體并提供了高度符合要求的觀測圖像。

局部空間自主導航與制導試驗衛星：是能夠自主伴飛在己方高軌衛星周圍的護衛小衛星，具備實時連續威脅告警、攻擊防御和受損評估等功能。美空軍于2014年7月和2016年8月分別發射了第1顆和第2顆ANGELS衛星。這些衛星進入預定地球同步軌道后，從“德爾塔”-4火箭上面級上釋放，并以上面級為目標進行逼近、繞飛、懸停等操作，測試星上導航系統和態勢感知載荷性能，評估衛星自主探測、跟蹤、監視空間目標并掌握目標特性和活動意圖的能力。

天基空間監視衛星：擁有較強的軌道觀測能力，具有重復觀測周期短、全天候觀測等特點，能夠大幅提升美國對深空物體的探測能力。美空軍于2010年9月成功發射首顆SBSS衛星，并計劃在2021年前以3顆小衛星組成的星座替換目前在軌運行的SBSS衛星，但在2016財年預算申請中計劃加快SBSS后繼衛星星座交付時間，以縮短首顆SBSS衛星2017年壽命結束后深空物體探測能力的空檔期。

“星歷可精調天基望遠鏡”：全面運行后將極大提升深空微小目標探測能力和定位精度。目前，美國已發射3顆驗證星，最終將構建由18顆太陽同步軌道“立方體”納衛星組成的星座。系統全面運行后，將搜索整個空間、及時探測深空微小目標，低軌目標定位精度有望從目前的1000m提高到100m，最大限度縮小低軌與深空盲區。

進攻性空間對抗裝備發展現狀及水平

進攻性空間對抗裝備體系

美國進攻性空間對抗裝備體系主要有核反衛星武器、動能反衛星武器、定向能反衛星武器和空間機動與操作裝備。

典型進攻性空間對抗裝備

核反衛星武器：發展最早且具備實戰能力，但由于會產生大量空間碎片未進一步發展。美國于20世紀60年代末至70年代發展了核反衛星導彈，利用“奈其-宙斯”反彈道導彈和“雷神”中程彈道導彈進行了反衛星試驗，驗證了其作戰能力。由于核反衛星武器在摧毀敵方衛星的同時也會威脅本國衛星的生存及工作環境，美國在成功驗證核反衛星效果后停止發展該類武器，于70年代末轉向研制常規動能反衛星武器。

動能反衛星武器：已具備全平臺實戰能力，發展重點轉向軟殺傷技術應用。美國于20世紀70年代至90年代發展了動能反衛星武器，在機載、地基、天基等平臺都成功進行了試驗。2004年，美國通過“應用空間對抗技術計劃”，正式啟動基于動能殺傷飛行器的軟殺傷技術研究，開啟了非摧毀性甚至可逆的反衛星階段。

定向能反衛星武器：主要包括微波反衛星武器、激光反衛星武器和粒子束反衛星武器，其中微波反衛星武器、激光反衛星武器技術成熟度較高，粒子束反衛星武器尚處于實驗室可行性驗證階段。

微波反衛星武器已實戰部署。近年來，美國通過空間控制技術專項計劃和空間對抗系統專項計劃研制了先進的衛星通信鏈路電子干擾武器——“反衛星通信系統”，自2004年開始至少已部署7套CCS系統，具備一定作戰能力。

激光反衛星武器按照載體不同可分為地基、空基、天基激光反衛星武器，總體仍處于關鍵技術攻關與技術驗證階段，但地基激光反衛星武器已具備實戰能力。地基激光反衛星武器方面，美國于20世紀90年代初啟動研究，目前已研制出兆瓦級的化學氧碘激光器和氟化氘化學激光器，并建成了2臺帶自適應光學系統的武器級反射鏡，口徑分別為3.5米和3.67米，具有相當的地基激光反衛星作戰能力，可對1500km高度以下中低軌道衛星造成一定程度的損傷。空基激光反衛星武器方面，美國發展的“機載激光器”系統主要用于對助推段導彈進行攔截，但同時也具備反衛星潛力。2010年，ABL首次對處于助推段的液體燃料彈道靶彈進行了成功攔截，驗證了其反應速度、精度和攔截能力，目前該項目已中止。天基激光反衛星武器方面，美國于1999年出臺了天基激光器演示綜合飛行試驗（SBL-IFX）計劃，但由于技術難度大且需求不緊迫，該計劃于2002年10月終止并定位于技術發展階段。此外，為了擴大激光反衛星武器的攻擊范圍、減少大氣影響和對地面設施的依賴，美國還研制了激光中繼鏡，并與機載、地基高能激光器配合使用，目前已成功進行多次試驗。

粒子束反衛星武器仍處于實驗室可行性驗證階段。美國于20世紀70年代制訂了開發粒子束武器的“蹺板”計劃，并于1981年設立“定向能技術局”以推進開發粒子束武器和激光武器，但限于發射能量等技術難題，粒子束武器尚處于實驗室可行性驗證階段。

空間機動與操作裝備：近年來，美國以民掩軍發展了可重復使用軌道機動飛行器、自主接近交會小衛星、自主在軌維護裝備等空間機動與操作裝備。這些裝備平時可用于清除空間碎片、在軌燃料加注和在軌維修，戰時可用作空間攻防裝備，通過射頻、激光、電子干擾等手段對空間合作與非合作目標實施軟殺傷，通過碰撞、捕獲等手段實現硬殺傷。

X-37B是典型的可重復使用軌道機動飛行器，2010年4月以來已成功進行過3次在軌飛行試驗并具備反衛星能力。目前正在進行第4次在軌試驗，預計進行霍爾電推力器性能試驗和NASA領導的先進材料研究等兩項試驗。前3次飛行試驗主要用于平臺及有效載荷技術驗證，并對空間機動能力、空間操作能力與空間監視能力進行驗證。

以“實驗衛星系統”和“微衛星技術試驗”衛星為代表的自主接近交會小衛星成功驗證了軌道機動技術，可識別、跟蹤、接近并摧毀目標衛星。

以“鳳凰”計劃為代表的自主在軌維護裝備再升級，“蜻蜓”項目、“機器人燃料加注任務”“蜘蛛制造”空間制造系統等項目相繼啟動。“鳳凰”計劃由DARPA于2011年啟動，繼承了“軌道快車”等在軌服務技術試驗成果，同時又有重大創新。它將在軌服務技術從低軌道擴展到高軌道、從合作目標擴展到非合作目標、從單機械臂擴展到多機械臂、從簡單捕獲擴展到精細操作、從單項技術演示擴展到系統集成。

“蜻蜓”項目于2015年8月由DARPA授出，是對“鳳凰”計劃的進一步延伸和拓展，將大幅提升衛星通信能力和機械臂在軌操作技術，具有潛在的地球同步軌道衛星硬殺傷能力。“機器人燃料加注任務”（RRM）用于驗證在軌低溫燃料補給技術與衛星內部監測技術。“蜘蛛制造”系統將改變以往航天器各部件建造和裝配均在地面進行的模式，實現航天器各部件在軌建造和裝配，預計未來十年將能夠在軌建造大型天線、太陽能電池帆板等。

防御性空間攻防裝備發展現狀及水平

防御性空間攻防裝備體系

美國防御性空間對抗裝備體系主要包括采用空間威脅探測技術、數據鏈路防護技術和本體防護技術的航天器。快速發射飛行器也是防御性空間對抗裝備的重要力量，將有效提升航天器的生存能力。

典型防御性空間攻防裝備

空間威脅探測裝備：主要發展了對核爆、定向能攻擊的探測裝備及技術。如“全球定位系統”衛星裝有核爆探測器、X射線探測器、放射量測定儀、電磁脈沖探測器、γ射線探測器等。此外，美空軍于2012年部署了“快速攻擊識別探測報告系統”。RAIDRS是一個由地基與天基傳感器、信息處理系統、報告體系組成的全球網絡，在空間系統受到攻擊時可以向美國軍方決策者提供關于攻擊性質和來源的近實時動態信息，進行攻擊告警和威脅識別，并快速評估攻擊活動對空間系統任務的影響。

數據鏈路防護：數據鏈路防護的重點是防信息攻擊和抗干擾。防信息攻擊主要采用加密、使用專用數字接口等技術。加密是指通過某種算法偽裝數據以隱藏其內容。美國軍事衛星目前使用基于專用集成電路的衛星遙測、跟蹤與控制用加密、解密設備。專用數字接口技術就是在地面站與每顆衛星之間使用專用的數字接口來保護遙測、跟蹤與控制鏈路，使侵入單顆衛星的攻擊方難以控制整個衛星編隊。

抗干擾主要包括限幅、擴頻、抗干擾天線、星上處理、干擾信號消除等技術措施。比如，美國“軍事星”采用窄帶、寬帶的擴頻、跳頻以及多重擴頻技術；美國國防衛星通信系統的多波束天線含19個發射波束和61個接收波束，能夠根據敏感器探測到干擾源位置并使天線在干擾方向的增益為零。

近年來，DARPA發布“衛星間通信鏈路”項目以研發有效的“立方體”衛星通信方式，解決鏈路的穩健性、鏈路在面臨干擾或敵方拒止時的潛在易損性等問題，提供低延遲、可長期生存和抗干擾的通信服務，使高性能通信衛星系統具備抗毀、抗干擾、抗截獲能力，滿足戰術應用中對于近實時數據的需求。

航天器本體防護：航天器本體防護主要包括高軌部署、分散布置與在軌備份、抗輻射加固、激光防護膜加裝、“分散式體系結構”等。其中，“分散式體系結構”理念近年來得到快速發展。

2015年4月，美空軍表示“分散式體系結構”只是空間防護的手段之一，仍屬于被動防護，必須發展更為多樣化的手段。多樣化的空間防護更強調發展主動防護能力，保障空間系統在任何時候均可以應用。

目前，“先進極高頻”通信衛星系統與“后繼型氣象衛星”系統已被要求采用“分散式體系結構”，下一代預警衛星和偵察衛星正開展分散式概念論證。同時，多種主動防護能力建設重新獲得關注，如要求所有重要衛星具備軌道機動能力、推進衛星通信干擾源探測技術研發等。

快速發射飛行器：近年來，DARPA正在開展以“試驗性空天飛機”項目和“機載發射輔助空間進入”項目為代表的快速發射飛行器研制。XS-1項目旨在設計一種可重復使用的高超聲速無人飛行器，攜帶并在低地球軌道部署質量為1300～2300kg的衛星，單次發射成本低于500萬美元。XS-1將采用可重復使用的第一級，使其能以高超聲速飛行至亞軌道高度，采用一個或多個一次性上面級，與第一級分離后將衛星部署到低地球軌道。ALASA項目旨在設計一種機載發射系統，使用低成本、一次性上面級從常規飛機上快速發射質量約為45kg的微小衛星，單次發射成本小于100萬美元。這些飛行器將實現72h內小型衛星補網發射，能夠有效提升空間系統生存能力。

隨著世界各國航天事業的快速發展，空間爭奪日趨激烈。美國采取多種措施強化空間能力建設，空間攻防裝備快速發展。其中，空間態勢感知裝備注重構建天地一體的空間態勢感知體系，高軌監視能力不斷增強，定位精度和探測精度持續優化。進攻性空間對抗裝備依托空間在軌操作、空間機器人維修、空間碎片清除等隱蔽手段，多途徑發展空間攻防對抗技術，實現軟殺傷和硬摧毀手段同步發展。防御性空間對抗裝備強調衛星主動防護與被動防護協調發展，以提升對抗環境下空間裝備的體系抗毀與任務持續保障能力。

（作者單位：中國航天系統科學與工程研究院）