世界之大却容不下United States的雷达——看美军天

2019-10-16 14:15 来源:未知

  其实,美国现役的“天基红外系统”计划曾规划了低轨道卫星星座和高轨道卫星的模式,系统计划由24颗运行在1600千米轨道高度的卫星组成,目标是构建具有对弹道导弹全程跟踪和探测能力的卫星星座。但由于经费的限制,发射的两颗试验卫星后来移交给导弹防御局,未被列为美国空军的正式采办项目。

   “这些探测器将按从地平线以下到地平线以上的顺序工作,捕获和跟踪目标导弹的尾焰及其发热弹体、助推级之后的尾焰和弹体以及最后的冷再入弹头,实现对导弹发射全过程的跟踪。”兰顺正指出,“其探测距离可达1万千米左右,分辨率为几十甚至几米。通过对导弹和弹头弹道的跟踪,可以获得导弹弹头的空间位置、飞行速度、加速度,从而根据数据库数据进行识别判断真假目标和导弹碎片,卫星上的处理系统将预测出最终的导弹弹道以及弹头的落点,并及时通知地面雷达系统和反导系统,使其防御区域扩大、能力增强。”

  着急上马的OPIR

  新预警系统或能监视高超声速武器

  对此,兰顺正表示:“有关‘前哨’系列卫星目前公开的资料极少,不过据推测其性能应该与美国国防支援计划卫星相似,不及美国天基红外系统。可以肯定,未来随着我国反导系统的发展,天基红外导弹预警卫星将迎来比较大的发展。”(张强)致富彩官方网站 1

  根据美军最初设想,SBIRS将使美国战区导弹防御(TMD)系统和国家导弹防御(NMD)系统的防御区域扩大,能力增强。但是由于技术和资金问题,整个系统部署的比较缓慢,到2018年1月美国新一代SBIRS系统总共有10枚卫星在轨运行(原计划整套系统共包含31颗卫星)。

  廖孟豪解释说,这是因为助推-滑翔高超声速武器使用现役的火箭或弹道导进行运载即可,就相当于一个助推器,研制的精力可集中在滑翔式飞行器,难度比吸气式高超声速武器相对较小。

   将有助于提升应对洲际导弹能力

  监制:光明网科普事业部

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  兰顺正介绍,SBIRS采用双探测器体制,每颗星上装有扫描型和凝视型两台探测器。高轨卫星主要用于探测助推段导弹,扫描速度和灵敏度比DSP卫星高10倍以上。它的扫描型探测器在导弹点火时就能探测到喷出的尾焰,然后在导弹发射后10—20秒内将警报信息传送给凝视型探测器,由凝视型探测器将目标画面拉近放大,获取详细信息。这种工作方式能有效增强探测战术弹道导弹的能力。低轨卫星主要用于跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头,引导拦截弹拦截目标,与现有系统相比可将防区范围扩大2—4倍。通过扫描和凝视两种方式的观测,对陆地、海上和空间导弹的发射、类型、诱饵的撒布都有一定的观测和识别能力。

  据美国战略司令部司令约翰·海腾8月7日在亚拉巴马州亨茨维尔举行的太空与导弹防御研讨会上说,在俄罗斯和中国的“导弹威胁”以及来自朝鲜和伊朗等国家的“新兴和潜在威胁”面前,保卫美国本土的关键在太空。约翰·海腾表示:“导弹防御界最重要的事情是确保你能够看到并描述这种威胁。我们必须能够看到这种威胁。”按照海腾的看法,拦截导弹实际上是“球手的接球手套”。要通过“主动抑制发射”战术来实现助推段拦截或成功摧毁导弹,美国需要一个有效的传感器层来及早发现威胁——但不能在地球上制造。他说:“世界上没有足够多的岛屿来部署雷达,以发现所有的威胁并确定威胁的特征。我们必须进入太空。”(巧合的是,就在海滕发出这一呼吁的几天前,中国成功测试了星空2乘波体高超音速飞行器)

  美国军方认为,俄罗斯等国高超声速武器的发展给美国导弹防御系统构成挑战,应升级包括导弹预警系统在内的整个反导体系,提高对抗这种武器的能力。据美国《C4ISR与网络》今年4月12日报道,美国导弹防御局局长在参议院国防拨款分委会发表证词,希望国防部对现有传感器进行改进,以应对不断发展的高超声速武器。长期以来,导弹防御局一直主张在太空建立一个新的监视系统,以填补当前传感器的能力空白。

   “弹道导弹发射时,火箭发动机会喷出数千度的火焰喷流,在飞行轨迹上留下长数公里、直径数百米、温度几十到数百度的高温尾气。由于弹道导弹会一直向上飞出大气层,所以这条高温尾迹会一直延伸到大气层顶端,使用红外探测器更易于发现目标。”兰顺正说。

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  在助推器工作飞行阶段,高超声速武器与弹道导弹区别很小,现有的导弹预警卫星仍然能发现和跟踪,但是滑翔式飞行器与助推器分离后,如果飞行器机动能力很强,卫星就很难对其继续监视。因此,美国军事专家认为,应改进现有的导弹预警卫星体系,尤其是下一代预警卫星的研制必须将监视高超声速纳入考虑范围。

   实际上,除了美国之外,俄罗斯在导弹预警卫星方面的研究也比较深入。

  出品:科普中国

  “虽然‘天基红外系统’性能先进,但造价也非常高昂,平均每颗卫星耗资达17亿美元,远超美军预期。”张宝庆指出。

   红外导弹预警卫星或已呈现三足鼎立

  冷战遗产DSP

  “国防支援计划”卫星(DSP)是美国部署的第一种具有实战水平的导弹预警卫星。但由于这个卫星系统研制较早,存在无法跟踪中段飞行的弹道导弹、扫描速度慢、虚警现象等问题,在性能上难以满足弹道导弹防御需求,未来将全部被“天基红外系统”取代。

   “随着美国天基红外侦察星座的不断发展,其应对洲际弹道导弹袭击的能力必然会相应提高。”兰顺正说。

  作者:兰顺正

  一位航天研究机构的卫星研究人员告诉澎湃新闻,“天基红外系统”的第五、第六颗采用了性能更好的改进型卫星平台,预计下一代导弹预警卫星会采用新的卫星平台,以满足提高可靠性和抗毁性的要求。

  资料显示,最初人们选择用雷达对来袭弹道导弹发布预警信息。由于地球是圆的,因此雷达只能发现高空目标。再者,雷达不能连续开机,而天基红外导弹预警系统以被动方式工作,则不用考虑这方面的因素,也因此被称为不疲惫的“哨兵”。位于太空的预警卫星不受地球曲率的限制,居高临下,覆盖范围广,能尽早发现弹道导弹或其它飞行器。从导弹发射到发动机关机,红外预警卫星都可以进行持续跟踪。

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  张宝庆介绍说,“天基红外系统”扫描速度和灵敏度相比“国防支援计划”系统提高了10倍以上,覆盖范围扩大了2~4倍,能在导弹发射10~20秒内将预警信息发送至地面运行控制系统,而“国防支援计划”卫星系统需要60~90秒,大幅延长了预警时间,为反导系统预留了更充分的作战准备时间,从而提高了拦截成功率。

  天基红外系统主要任务是为美军提供全球范围内的战略和战术弹道导弹预警,对弹道导弹从助推段开始进行可靠稳定的跟踪,为反导系统提供关键的目标指示功能,主要用于为美国政府与军方提供导弹预警、导弹防御、技术情报侦察与作战空间特征描述。

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  据俄罗斯卫星网6月8日报道,普京在接受媒体采访时表示,“先锋”高超声速武器已开始批量生产,2019年将装备俄军部队。他强调,“先锋”是先进的“杀手锏”武器,其速度高达20多马赫,并且在未来几年内其他国家也不太可能研发出这样的武器。

  在海湾战争美国“爱国者”反导系统大战伊拉克“飞毛腿”弹道导弹的战役中,美国的国防支援计划导弹预警卫星发挥了不可替代的作用。也因此,它的后继者SBIRS更是受到广泛关注。

  美国空军新一代反导监控卫星项目在8月14日签约。据美国《防务新闻》报道,美国空军与洛克希德·马丁公司签署了价值29亿美元的合约,后者将负责研制和生产3枚“下一代天顶持续红外项目”(OPIR)卫星,这种卫星将逐步取代现役部署在地球同步轨道和太阳同步轨道上的SBIRS卫星系统。据称,首枚卫星将在2023年发射,这比最初计划中这套卫星星座系统2029年成型提前了6年。而仔细梳理一下会发现,近期美国对于天基反导预警系统显得格外热心,那么这类系统究竟是何来历,又有何作用呢?

  该计划确立了一个较为激进的目标,即提前了当前采购流程4年,支持开发商以相应速度研发新能力。美国空军部长希瑟威尔逊称,在开发新导弹预警系统时,速度是很重要的。下一代导弹预警卫星将是领跑者。

  导弹预警卫星是反导系统最重要的组成之一,没有它,对弹道导弹拦截就无从谈起。近日,美国空军成功发射天基红外系统(SBIRS)的第四颗红外导弹预警卫星。美国空军强调,这颗侦察卫星的成功发射将初期的天基红外侦察星座发展到一个高峰,其发展与更新将大大强化美军应对洲际弹道导弹袭击的信心与能力。

  更上一层楼的SBIRS

致富彩官方网站 5DSP预警卫星将在未来几年陆续退役。

  兰顺正介绍,与美国相比,俄罗斯的导弹预警卫星计划起步稍晚。俄罗斯的导弹预警卫星主要由两个系列组成,分别是“眼睛”和“预报”系列,其中“眼睛”系列计划采用9颗卫星组网工作。20世纪90年代以来,由于俄新卫星的发射未能及时弥补旧卫星的退役,致使“眼睛”系列在轨工作的卫星数量大为减少,目前仅有2颗“眼睛”系列卫星在轨工作,都为2002年发射,已无法对北半球大部分国家和地区实施24小时不间断的覆盖,但仍然有一定的预警能力。

  为了弥补DSP的缺点,美国开始打造下一代天基预警系统——天基红外系统(SBIRS)。SBIRS采用双探测器体制,每颗星上装有“扫描”型 和“凝视”型两台探测器。SBIRS系统分为高轨道和低轨道两套卫星监控系统,高轨卫星主要用于探测助推段导弹,扫描速度和灵敏度比DSP卫星高10倍以上。它的扫描型探测器在导弹点火时就能探测到喷出的尾焰,然后在导弹发射后10s~20s内将警报信息传送给凝视型探测器,由凝视型探测器将目标画面拉近放大,获取详细信息。这种工作方式能有效增强探测战术弹道导弹的能力。低轨卫星主要用于跟踪在中段飞行的弹道导弹和弹头,引导拦截弹拦截目标,与现有系统相比可将防区范围扩大 2~4倍。它的宽视场扫描型短波红外探测器用于观察导弹发射时的红外辐射,发现战区战术导弹目标,以扩大搜索视场;窄视场凝视型多光谱跟踪探测器用于中段和再入段跟踪导弹,以提高目标信息获取速率。通过扫描和凝视两种方式的观测,对陆地、海上和空间导弹的发射、类型、诱饵的撒布都有一定的观测和识别能力。

致富彩官方网站 6美国航天飞机释放DSP预警卫星瞬间,可见该卫星配备了大口径红外探测器。

   2016年3月科技日报上刊登的一篇文章指出,我国有“尖兵”系列侦察卫星和“前哨”系列红外预警卫星两大类军用遥感卫星。据称这是我国首次公开证实预警卫星的存在。

  可以看出,此次着急上马的OPIR与海腾的呼吁十分契合。对于此次的“下一代天顶持续红外项目”(OPIR)卫星,美军发表的声明表示,这项合同规定,洛克希德·马丁公司将获得29亿美元,负责设计、飞行硬件采购、早期制造与降低风险工作,到通过关键设计审查为止。洛克希德公司将提供3枚地球同步轨道卫星,用于组成OPIR卫星星座系统。空军表示,第一枚OPIR卫星将在2023年发射,这比原计划开始取代SBIRS系统卫星的时间,2025年提前了两年。据称,OPIR系统与SBIRS的高轨道系统相似,都分为极地轨道卫星(太阳同步轨道卫星)和地球同步轨道卫星两种。其中太阳同步轨道卫星负责监控北极上空,主要针对中俄,地球同步轨道卫星负责监控全球。但与现役的SBIRS卫星相比,OPIR卫星的特点是加强了探测能力,同时在面对反卫星武器威胁的时候有更高的生存力。

  积极谋划下一代导弹预警卫星系统

   “早期DSP卫星使用短红外和可见光探测,无法克服云层反光的虚警问题,后来虽然演进到双色红外波段,但其视场和分辨率都并不理想,同时对中短程战术弹道导弹力不从心。”兰顺正介绍,“而天基红外系统卫星的红外平面阵列视场视野宽广,有利于发现中短程战区弹道导弹目标,大面积凝视阵进一步提高了对战术目标的探测跟踪能力。扫描平面阵红外探测器和凝视平面阵红外探测器的结合使用,使天基红外系统静止轨道卫星的探测跟踪能力比国防支援计划卫星有了巨大的提高。”

  早期国防支援计划卫星使用短红外和可见光探测,无法克服云层反光的虚警问题,后来虽然演进到双色红外波段,但6000单元一维线阵列的视场和分辨率都并不理想,虽然足以满足探测巨大尾焰的远程和洲际弹道导弹的需求,但对中短程战术弹道导弹则有些力有不逮。

  今年1月19日,美国空军成功发射第四颗红外导弹预警卫星。按计划,美国还将于2020年和2021年发射第五颗和第六颗红外导弹预警卫星。美国空军主管这个项目的官员在发射成功后向外界称,这颗导弹预警卫星的成功发射是美国政府与国防工业多年共同努力的结晶,它将初期的“天基红外系统”(SBIRS)星座发展到一个高峰,并使美国及其盟国在未来若干年拥有强大的全球监视能力。

   “SBIRS前三颗卫星GEO-1、GEO-2、GEO-3分别在2012年、2013年、2017年发射。GEO-5和GEO-6预计在2020年和2021年交付空军,发射日期预计为2021年和2022年。”兰顺正表示,“美空军还于2017年底发布了一份信息征询书,为GEO-6后的下一代SBIRS卫星征集方案。目前的计划是在2025—2029财年发射五颗下一代SBIRS卫星。”

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  在海湾战争、科索沃战争和伊拉克战争中,美国都调动了预警卫星支援作战行动。以海外战争为例,美国至少动用了4颗导弹预警卫星,用于监视伊拉克“飞毛腿”系列弹道导弹的发射,能够给防空留下2分钟左右的预警时间,提升“爱国者”导弹的拦截概率。

  随着隐身技术的发展,导弹和各类作战飞机平台的雷达反射截面积越来越小,增大了无线电探测的困难。然而,此类目标运动时与空气的摩擦和其发动机的尾焰均会产生强烈的红外辐射,有利于红外系统对目标的探测。不论是战术还是战略层次,红外预警系统都体现了无可替代的技术优势。

  由于弹道导弹发射时,火箭发动机会喷出数千度的火焰喷流,在飞行轨迹上留下长数公里、直径数百米、温度几十到数百度的高温尾气。随着弹道导弹一直向上飞出大气层,这条高温尾迹会一直延伸到大气层顶端,使用红外探测器更易于发现目标。而位于太空的预警卫星不受地球曲率的限制,居高临下,覆盖范围广,能及早发现在空间运动的弹道导弹或其它飞行器,所以天基平台在反导预警方面具有天然的优势。天基反导预警早已被大国所重视,上世纪70年代冷战正酣之时,美国为防御苏联的导弹袭击就部署了DSP“国防支援项目”卫星。这种卫星载有中红外波长望远镜,碲汞镉探测器,双重辐射探测器,太空和大气爆炸报告系统等设备,能探测导弹发射时向地面喷流产生的热度。一旦捕捉到地面有新出现的热源,立刻根据热源的状况和移动情况,对其作出判断,辨别它是森林火灾、火山喷发,还是火箭发动机排出的喷焰。如果判定是导弹升空,立即根据其移动的速度、高度、方向等信息推算出导弹的种类、测算弹着点,并迅速通报有关部门。DSP卫星从1970年到2005年共计发射了23颗,目前在轨的都是大型的block14星。它们是1989年以后发射的9颗星,其中3颗是1991年前发射的。

  “天基红外系统”原先由低轨道(SBIRS-Low)和高轨道(SBIRS-High)组成,后来美国空军的正式采办项目移交给美国导弹防御局后,改名为“太空跟踪与监视系统”(STSS)。图为STSS卫星模拟参与反导作战示意图。

  红外导弹预警卫星就是利用卫星上的红外探测器探测导弹在飞出大气层后发动机尾焰的红外辐射,并配合使用电视摄像机跟踪导弹,及时准确判明导弹并发出警报。

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  目前,美国现役的导弹预警卫星主要用于弹道导弹发射的预警,研制之初没有考虑高超声速武器。而目前,高超声速武器正处于火热发展之中,有些型号即将投入使用。2018年3月,俄罗斯总统发表的2018年年度国情咨文中首次公开了“先锋”和“匕首”两种高超声速武器系统,引发外界的高度关注。

  军事研究员兰顺正介绍:“美国空军的天基红外系统提供了更为强大、可靠和灵活的弹道导弹预警信息,不仅可以更早地探测到远程和洲际弹道导弹的发射,增加了对飞行中段弹道导弹的探测跟踪能力,还在设计之初就考虑到对中短程战术弹道导弹的探测跟踪能力。”

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致富彩官方网站 8美国“天基红外系统”(SBIRS)全球监视星座已经完成组建,具备监视全球弹道导弹发射的能力。

  去年美军首次进行了洲际弹道导弹拦截测试。此次成功发射第四颗红外导弹预警卫星后,美国空军强调,天基红外侦察星座的发展与更新将大大强化美军应对洲际弹道导弹袭击的信心与能力。

  美国国际战略研究中心高级研究员Tom Karako认为,相对于陆地传感器,部署在太空的传感器在探测高超声速武器有更大的优势。五角大楼没有更多的时间研究如何建立立体的防御系统,因为威胁迫在眉睫,最好是调整2019财年预算,给监视高超声速武器更多的预算,而不是2020年才开始调整。

   红外技术在导弹预警上具有天然优势

世界之大却容不下United States的雷达——看美军天基限制反导弹导弹系统预先警告系统发展史致富彩官方网站。  美国军方认为,俄罗斯等国高超声速武器的发展给美国导弹防御系统构成挑战,现役的“天基红外系统”无法满足未来作战需求。

  国防承包商洛克希德·马丁公司在发射成功后表示,他们正在研制第五和第六颗红外导弹预警卫星,以不断提升美国天基红外侦察星座的能力。

  目前,正在研制的高超声速武器根据动力系统的不同可分为吸气式和助推-滑翔两种。“助推-滑翔高超声速武器是当下高超武器家族中发展最快,成熟度也最高,美俄等大国都有相应的在研型号。”长期跟踪研究国外高超声速武器技术发展的中国航空工业发展研究中心副研究员廖孟豪告诉澎湃新闻。

  天基红外系统是美国冷战时期国防支援计划(DSP)红外预警卫星系统的后继,是20世纪80年代计划用于取代DSP系统的先进预警系统、助推段情报与跟踪系统和稍后的早期预警系统等方案的自然延伸。

  长期研究天基预警体系的中国航天科工二院高级工程师张宝庆告诉澎湃新闻(www.thepaper.cn),目前美国天基导弹预警系统主要包括:4颗“国防支援计划”(DSP)卫星、“天基红外系统”(SBIRS)的4颗地球同步轨道卫星(4个大椭圆轨道卫星载荷)和2颗低轨“空间跟踪与监视系统”(STSS)验证卫星。

  美国拥有世界第一的预警卫星系统

  “下一代预警系统的主要目标是提高系统的可靠性、抗毁性与弹性。”张宝庆向澎湃新闻表示,“这是因为美国军方认为,随着潜在对手军力的发展,空间系统面临的威胁在加剧,需要提高可靠性和抗毁性。”

  从上世纪50年代中期起,美国先后研制了四代导弹预警卫星。目前现役的导弹预警卫星体系由第三代的“国防支援计划”DSP和第四代的“天基红外系统”SBIRS组成。

  按计划,“天基红外系统后继”系统将包括5颗地球同步轨道卫星和2颗极轨卫星,提供对所有类型弹道导弹发射助推段预警能力。后继系统将分阶段部署,第一阶段系统包括3颗地球同步轨道卫星和2颗极轨卫星,计划从2025年开始执行首次发射,2029年实现系统运行,满足各种非战略导弹预警需求;第二阶段系统包括两颗地球同步轨道卫星,计划于2020年启动竞标,2030年执行首次发射,最终完成“天基红外系统后继”系统星座组建。

致富彩官方网站 9“天基红外系统后继”系统可靠性和抗毁性更好。

  导弹预警卫星兴起于冷战时期,是美苏激烈博弈的重要技术支撑。这种卫星可为弹道导弹防御和实施反击提供及时预警信息,是美军弹道导弹防御系统的重要组成部分。

  据美国太空新闻网此前报道,美国将在2020年和2021年发射第五、第六颗“天基红外系统”卫星,以替最早发射的两颗卫星。在推进现有系统全面运行和任务拓展的同时,为了保持与竞争对手在空间作战上的优势,美国空军于2017年底发布“天基红外系统后继”(SBIRS-Follow on)系统信息征询书,积极谋划开发抗毁性更强的下一代天基预警卫星系统和新型地面控制系统。

  “建立由低轨道全球覆盖卫星星座和高轨道卫星组成的导弹预警体系,对高超声速武器具有很强的监视能力。” 航天研究机构的卫星研究人员认为。

  根据相关资料,为探测发现弹道导弹,“天基红外系统”的地球同步轨道卫星采用两种探测器,一台是高速扫描型探测器,另外一台是高分辨率凝视型探测器。扫描型探测器用于快速扫描,通过探测导弹发射时喷出的尾焰对发射情况进行监视;凝视型探测器用于将导弹的发射画面拉近放大,并紧盯可疑目标,获取详细的目标信息。

  导弹预警卫星之所以具备预警能力,是因为携带了能够探测导弹发射时火焰红外辐射的红外探测器。其最大的特点是监视区域大,预警卫星采用高轨道运行,如果沿着赤道120°间隔部署3颗地球同步轨道卫星,那么地球绝大部分区域都在其监视之下。

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  航天研究机构的卫星研究人员指出,随着低成本小卫星技术的发展,美国有可能建立由小卫星组成的低轨道导弹预警卫星系统,用于高超声速武器的监视,全方位增强美国的天基预警能力。

  美空军已正式表示现有“天基红外系统”不再有后续发展计划,并表示将取消“天基红外系统”第七、第八颗卫星。当前,美空军正在加速构建“天基红外系统后继”(SBIRS-Follow on)系统,美空军希望在“天基红外系统后继”系统体系架构设计中纳入分散式体系结构理念,即利用“结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道部署、多作战域部署”的方式,实现弹性与分散式空间系统体系结构。

  “天基红外系统”是美国国家导弹防御系统的核心组成之一,也是美国争取军事上绝对优势的技术装备。虽然美国目前拥有世界上首屈一指的天基预警体系,但并不满足,还正在研制新一代导弹预警卫星,实现监视高超声速武器的目标。

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