神秘的“天基殺傷評估”系統

文 / 郭彥江 吳勤

殺傷評估在反導作戰中至關重要，是反導系統實戰化的重要支撐。美國高度重視“天基殺傷評估”系統，該項目的具體細節長期處于保密狀態，從未正式宣布其發射時間和部署情況。按照美國《國防授權法案》要求的2019年底實現在軌運行，綜合《導彈防御內情》披露的消息、美國康奈爾大學和平與沖突研究所專家喬治· 路易斯個人博客以及約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室《技術文摘》刊登的《天基殺傷評估技術發展》論文等信息，結合近期美國商業衛星發射入軌情況，基本可以判斷“天基殺傷評估”系統從2017年開始搭載在第二代“銥星”上陸續發射，截至2019年1月，已經完成全部22個有效載荷的部署。

2019年2月，據防務內情網站報道，美國導彈防御局“天基殺傷評估”系統將于2019年3月進行最后一系列演示驗證試驗后很快投入使用。美國在2019年1月發布的新版《導彈防御評估》報告中指出，“美國防部正在投資和部署‘天基殺傷評估’系統，旨在確認美國導彈防御系統是否成功攔截并摧毀了彈頭。”

“天基殺傷評估”系統是美國導彈防御系統的重要組成部分，但多年來美國防部、美國導彈防御局卻鮮少披露相關研發部署的進展情況，為“天基殺傷評估”系統增添了幾分神秘色彩。

▲第二代“銥星”在軌飛行示意圖

研發背景

相關研究表明，美國導彈防御局地基中段防御系統中海基X波段雷達和殺傷器上的紅外傳感器，當前僅可識別與真實彈頭尺寸、重量有較大差別的氣球等簡單誘餌，對于類似彈頭形狀的重型誘餌幾乎不具備識別能力，且這些傳感器不具備攔截后的殺傷評估能力，無法確定是否摧毀了來襲目標。此外，在地基中段防御系統進行的幾次攔截試驗中，如2001年IFT-06、2006年FTG-02、2010年FTG-06等幾次飛行試驗中，出現了一些與殺傷評估相關的問題。因此，美國迫切需要研制一種殺傷評估系統，以提高導彈防御系統的攔截效率，降低攔截成本。

在2014財年《國防授權法案》中，美國國會要求美國導彈防御局應為地基中段防御系統提供改進的殺傷評估系統，盡快開發并控制采辦風險，最晚在2019年12月31日前使系統具備初始運行能力。

▲導彈攔截瞬間圖像

2014年4月，美國導彈防御局啟動了“天基殺傷評估”項目，項目資金來源于2013年取消的“精確跟蹤空間系統”，項目資金為651.5萬美元。在2015財年～2017財年《國防授權法案》中，美國國會通過“彈道導彈防御系統空間項目”（編號0603895C）為“天基殺傷評估”項目分別批復2329萬美元、2069萬美元、2069萬美元。2018財年《國防授權法案》中，美國國會將“彈道導彈防御系統空間項目”編號改為1206895C（增加了新的研究項目），為“天基殺傷評估”項目撥款3099萬美元。2019財年為項目撥款1648萬美元，截止到目前，總研發經費達到了近1.2億美元。按照2019財年預算申請文件中的說法，“天基殺傷評估”系統計劃2019財年實現在軌運行。

系統概述

“天基殺傷評估”系統由22顆“天基殺傷評估”傳感器載荷組成，傳感器載荷寄宿在商業衛星上。單個傳感器載荷重約10千克，由1個高速光譜傳感器、1個高速偏振成像傳感器和1個高速偏振非成像傳感器組成。光譜傳感器用于對攔截中的輻射、熱和光譜等信息進行成像，偏振傳感器用于確定攔截時產生物質（碎片、顆粒、等離子體、氣體等）的粒度分布，確定彈頭的類型。

“天基殺傷評估”系統主要用于解決以下幾個方面的問題：確定是否攔截目標；確定攔截目標的類型（常規彈頭、核彈頭、生化彈頭還是誘餌）；確定是否是正面撞擊；確定目標是否被摧毀。

▲海基X波段雷達是美國彈道導彈防御系統的組成部分，能夠探測2000公里以外的目標

迄今為止，美國國防部和導彈防御局未公布“天基殺傷評估”系統具體寄宿在哪種衛星上，結合美國2017財年導彈防御局預算申請文件以及第二代“銥星”發射計劃，推測“天基殺傷評估”系統的載荷部署在第二代“銥星”通信衛星星座中的22顆衛星上，于2017年1月開始隨第二代“銥星”衛星發射入軌。

第二代“銥星”衛星由66顆衛星組成，位于高780公里、傾角86.4°的近地軌道，在6個軌道平面上，每個軌道有11顆衛星。第二代“銥星”系統為寄宿載荷專門分配了空間，可寄宿重50千克、體積30×40×70厘米、平均功率50瓦（峰值功率200瓦）內的載荷。每顆衛星可被寄宿多個載荷，載荷可向下或向衛星運行速度矢量方向安裝。

2019年1月，隨著“銥星”星座最后一批衛星由SpaceX公司的獵鷹9火箭成功發射入軌，“銥星”星座正式組網運行。2019年2月，據防務內情網站報道，“天基殺傷評估”系統擬于2019年3月完成最后一系列試驗后正式投入使用。

“天基殺傷評估”系統由約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研發，該實驗室最初還負責系統初期的運行和維護工作。

工作過程

“天基殺傷評估”系統使用被動輻射制冷的單像素光電二級管傳感器，本身幾乎不具備導彈跟蹤能力，需要依賴導彈防御指揮控制系統獲取關于攔截位置的信息，提前定位傳感器，觀察導彈攔截時產生的撞擊“云”擴散的速率、強度以及光譜隨時間的變化，將結果與之前試驗測試結果進行比對，進行殺傷效果評估，隨后將殺傷評估信息傳送到地面指揮控制系統，確定是否需要發射攔截彈進行二次攔截。

▲成像傳感器和偏振傳感器

工作原理

導彈攔截是一個復雜的物理過程，攔截彈和彈道導彈的相對速度大多在每秒1～10公里，有時甚至達10公里以上，撞擊產生的動能在100兆焦～2吉焦，慢速撞擊時主要產生碎片，高速撞擊時會產生較多汽化材料。導彈攔截過程中具體可觀察的物質包括碎片、顆粒、等離子體、氣體等，通常撞擊產生的光強度在1毫秒或更短時間內達到峰值，在10～50毫秒內達到第二峰值。

“天基殺傷評估”系統的研發重點包括基于物理的攔截事件模型、可以以時間為橫坐標記錄攔截信息的高速傳感器、用于傳輸殺傷信息的基于導彈防御系統架構的傳感器、新型殺傷評估傳感器技術、殺傷評估算法等。約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室首先對基于物理的目標攔截特征進行建模，通過基于桑迪亞國家實驗室開發的耦合熱力學和流體力學激波物理代碼和自己研發的材料碎裂特征模型，研發了一種“再入飛行器攔截特征殺傷評估”模型。

▲天基殺傷評估載荷效果圖

約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研發了高速光譜傳感器、高速偏振成像傳感器和高速偏振非成像傳感器。高速光譜傳感器由一個工作在1.5～1.7微米的短波紅外成像器和一個3.3～4.9微米的中波紅外成像器組成，光柵平均像素間距約為0.77納米，瞬時視場僅40微弧度，分辨率約為3～4納米，對于彈道導彈的跟蹤范圍大于1000公里，仰角小于3°。偏振傳感器由工作在近紅外光、短波紅外和中波紅外的3個偏光計組成，偏光計利用太陽光作為輻射源，通過測量偏振度來判斷碎片的位置信息。

為了收集攔截頻譜，對攔截目標載荷進行識別和分類，建立攔截殺傷評估信息數據庫，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室使用哈雷·阿卡拉天文臺上口徑達1.6米的望遠鏡對攔截過程進行跟蹤觀測。哈雷·阿卡拉天文臺位于美國夏威夷群島所屬毛伊島哈雷阿卡拉山頂，海拔達3000米以上，不受云層遮擋。在導彈防御局進行的幾次攔截試驗期間，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室搜集了“愛國者”“薩德”“宙斯盾”“地基中段防御系統”的多次攔截試驗數據。

幾點結論

1.“天基殺傷評估”系統有助于降低導彈防御成本，提高導彈防御效率

“天基殺傷評估”系統項目保密性較強，美國國防部、導彈防御局較少披露項目研發進度，美國一眾媒體也鮮少報道相關信息。對于“天基殺傷評估”系統寄宿衛星平臺、以及系統能力相關信息更是從未主動公布，一定程度上凸顯了“天基殺傷評估”系統的重要性。“天基殺傷評估”系統雖不具備攔截前識別真假彈頭的能力，但可用于確定導彈防御系統是否攔截了真正的彈頭，幫助美軍作戰指揮官判斷是否需要進行二次攔截或實施戰略反擊，對于降低導彈防御成本、提高導彈防御效率具有重要意義。

2.借助商業航天技術可有效降低軍工項目研發風險和成本，加快研發進度

美國導彈防御局借助商業航天技術，通過寄宿商業衛星、借助商業發射的方式，一方面提高了項目采辦效率，加快了研發進度；另一方面分擔了研發風險，降低了整個項目的研發成本。整個“天基殺傷評估”系統僅花費4年多的時間就實現了在軌運行，整個系統研發經費也僅為1.2億美元。據相關分析，美國導彈防御局正在進行架構設計的“空間傳感器層”項目，旨在對高超聲速武器進行“從生到死”的跟蹤，也將采用寄宿商業衛星的方式進行部署，預計2019年開始進行原型設計，2025年前后即可實現在軌運行。

▲位于美國夏威夷群島的哈雷·阿卡拉天文臺

3.美國將大力推動天基導彈防御傳感器網絡建設和相關技術研發

近年來，隨著復雜彈道導彈和臨近空間威脅的發展，美國高度重視天基導彈防御傳感器網絡建設，在2018財年《國防授權法案》中專門增加1350萬美元用于彈道導彈防御系統傳感器替代方案天基傳感器架構研究。在2019財年《國防授權法案》中又增加7300萬美元用于研究天基傳感器架構。2019年1月發布的《導彈防御評估》報告中將重視天基導彈防御層級列為導彈防御戰略要素之一，多次強調了發展空間傳感器的重要性和緊迫性。

未來架構

美國未來天基導彈防御傳感器架構逐步浮出水面。按照美國導彈防御局發布的導彈防御系統空間傳感器愿景圖，美國未來天基傳感器將主要由下一代“過頂持續紅外”系統、“空間傳感器層”系統、“精確火力控制跟蹤”系統和“天基殺傷評估”系統組成。下一代“過頂持續紅外”系統部署在地球同步軌道和高軌道，主要負責彈道導彈助推段預警；“空間傳感器層”部署在低軌道，主要負責對高超聲速武器進行“從生到死”的跟蹤；“天基殺傷評估”系統部署在低軌道，主要進行攔截殺傷效果評估；“精確火力控制跟蹤”系統當前半點資料都沒有，只能根據圖來推測部署在低軌道，軌道高度高于“空間傳感器層”，預計在1500～2000公里，主要用于彈道導彈中段跟蹤。

當前有分析指出，“天基殺傷評估”系統可以區分攔截的是真彈頭還是輕型誘餌，對于重型誘餌和側面撞擊的情況，由于缺乏相應試驗，殺傷評估能力尚有待驗證。“天基殺傷評估”系統至今已進行超過1000次試驗，隨著美國導彈防御局后續攔截試驗次數的增多，“天基殺傷評估”系統將逐漸融入美國導彈防御系統，降低導彈攔截成本，提高攔截效率。

▲哈雷·阿卡拉天文臺內的望遠鏡