美国天基动能武器发展现状

美国天基动能武器发展现状

第二,空间对抗能力自1960年以来，人类逐渐进入了航空航天时代。空间以其独特的资源与战略优势,在国家的政治、经济、军事和文化领域起着举足轻重的作用,由此引发的空间竞争愈演愈烈。美国明确提出空间控制和力量应用的发展思路,其所谓空间控制是指保护美国及其盟友的空间设施,攻击敌人的空间设施,阻止敌方设施进入空间。力量应用则包括弹道导弹防御和攻击敌方空中或地面目标。俄罗斯和其他航天大国也积极采取应对措施。空间对抗技术逐渐成为各国空间技术的研究重点。各国都积极研究与发展空间态势感知能力、防御性空间对抗技术与主动性空间对抗技术。属于空间对抗范畴的天基定向能武器与天基动能武器更是研究的重中之重。冷战时期,美、苏两国在包括空间在内的各个重要领域展开激烈竞赛。冷战结束后,受冷战思维影响,美国在较长时间内依然在空间对抗问题上采取主动出击策略,在2003—2004年该态势发展到了顶点。2005年开始,美国对空间对抗战略做出了调整,但仍在继续发展进攻性空间对抗能力。本文主要介绍了美俄天基动能武器研究进展及天基动能武器作战方案。1美国提出了积极发展的背景20世纪50年代,美国提出了天基动能武器概念,接着提出了轨道轰炸系统计划。20世纪60年代,美国提出弹道导弹助推段拦截(BAMBI)计划,详细研究了天基非核弹道导弹拦截器。后由于实用性等问题及反导条约制约,放弃了弹道导弹防御计划。20世纪80年代,美国提出战略倡议防御(SDI)计划,重新开始研究天基防御系统,包括拦截器、定向能武器等。智能卵石天基动能武器计划在这一时期诞生。20世纪90年代,美国提出采用天基激光器、拦截器等导弹防御方案,还特别提出用于对付地面目标的天基动能武器。2003年以来,美国持续加速天基武器装备发展与建设,提出了未来10～20年天基武器装备发展计划,计划发展反卫星武器、空天飞机等43个系统,使天基作战力量从作战支援向空间作战甚至空间向地面投入战略力量方向全面迈进。美国天基动能武器发展历程中有很多关键而重要的研究计划,这些研究计划基本可以概括美国天基动能武器的发展现状。1.1bp计划的研究该计划由美国导弹防御局(MDA)负责,目的是研究助推段弹道防御技术与天基拦截器技术。该系统拟包括约1000个天基拦截器,部署在450km高的轨道,以实现对同一地点发射的1～2枚导弹进行有效拦截。BP卫星实质就是一种具备攻击性的小卫星,兼具反导弹和反卫星的作战能力。BP长1m,直径为0.3m,总质量为45kg。BP卫星装有能探测数千千米外弹道导弹的高分辨率光学设备,能自动控制火箭发动机启动并引导拦截器自动迎击目标的高功能计算机。该武器可实施自主式独立作战,并可投放多个诱饵,又能部署于不同的轨道及进行弹体抗核加固或激光防护等,生存能力较强。从发出点火指令到推力器达到最大机动能力的响应时间已达毫秒级,机动速度达600m/s以上,满足碰撞卫星和来袭导弹要求。为保证制导精度达到足以使拦截器直接碰撞目标,BP设有伞型杀伤增强装置。BP计划的研究在取得了很多技术突破同时也暴露出一个严重问题:天基拦截器的质量与部署数量过大。该问题成为制约天基导弹防御系统发展的主要技术因素。需要继续研究轻质天基拦截器及多弹头拦截器等技术,以大大减少拦截器部署数量,使天基拦截器实战化成为可能。1988年8月由美国劳伦斯·利弗莫尔国家试验室开始拦截器的研制,1990年首次进行了亚轨道拦截空间飞行目标试验。随着冷战结束,美国结束推行SDI计划,放弃在空间部署反导弹武器,美国弹道导弹防御研究重点从战略防御系统转到战区防御系统。1993年,美国政府结束了BP计划。1.2天基拦截器该计划由MDA负责,目的是研究从天基平台发射小型轻质拦截器拦截弹道导弹的作战方案以及进行拦截器部件的前期研制与测试。该计划的最初阶段是在太空部署2～3个拦截器(见图1),它们可以击落搭载核生化弹头的弹道导弹。2005财年,在得到美国国会支持后,天基拦截器计划继BP计划后第一次正式启动。MDA把天基拦截器技术隐含在微卫星计划中秘密进行(微卫星推进试验MPX),计划在2008—2009财年进行第一次天基试验,并计划在2012年研制3～6个天基拦截器,且在2015年前后决定是否建立一个由50～100个天基平台组成的天基动能拦截系统星座。1.3nfire系统该计划同样是由MDA负责。与SBITB计划同属于MDA的弹道导弹防御系统天基项目。目的是研究小型天基遥感平台,对助推段火箭进行高分辨率与低分辨成像,并提高对喷射羽流现象的了解,区分弹道导弹火焰羽流与导弹本身,以解决助推段导弹防御的难点。NFIRE系统由NFIRE低轨卫星和2个地基作战任务中心组成。2007年4月24日,NFIRE卫星从弗吉尼亚瓦罗普斯岛成功发射,并进入预定轨道。该次发射被认为是美国迈向外层空间武器化的一个步骤。NFIRE卫星质量为248kg(不含推进剂),设计寿命2年。此次任务没有搭载杀伤拦截器,而是装载了跟踪探测器载荷(TSP)和德国TESAT公司的激光通信终端(LCT)。将来在NFIRE卫星上搭载杀伤拦截器,该系统将具备反弹道导弹的能力。计划在2011—2012年部署天基拦截器试验平台。1.4xss-11系统XSS是美国空军研究实验室、空军航天与导弹系统中心、海军研究实验室等机构联合开展的一项研究项目。该计划开始于1997年12月启动,是曾被取消的Clementine2计划的延续,其目的是研究一种全自主控制的微小卫星,验证自主逼近操作技术。这种卫星具有在轨检查、交会对接以及围绕轨道物体近距离机动的能力。XSS-10系列是XSS系列计划中的第一个系统。XSS-10卫星于2003年1月29日在卡纳维拉尔角由Delta2火箭发射。卫星质量约31kg,装备了可见光相机、星敏感器、GPS接收装置和小型SGLS系统(见图2)。该卫星以Delta2火箭第二级为RSO,绕飞RSO并拍摄了照片且通过报文方式实时传回了地面。XSS-10系统的整个任务时间持续了24h,达到了预期的目的。因硬件精度与经费制约,XSS-10卫星没有在轨飞行数据存储单元和独立的相对导航性能评价系统。XSS-11系统是XSS系列计划中的第二个系统。该系统主要目标是:检查飞行物体状态;协助地面操作人员对在轨卫星进行综合诊断,为未来维修在轨飞行系统奠定基础;实现自主共轨飞行能力;实现太空飞行器燃料补给操作。2005年4月11日XSS-11卫星由人牛怪火箭从美国范登堡空军基地成功发射入轨,卫星质量约100kg,盒形结构,采用三轴稳定控制(见图3)。2005年11月XSS-11与人牛怪火箭的上面级在0.5km～1.5km距离先后进行3次交会。该系统任务一直持续到2006年12月5日。在XSS-11在轨操作期间,共完成了50次交会,绕飞RSO超过300次,固定位置保持20多次。相对于XSS-10系统而言,XSS-11系统任务主要关注操作任务自主性、机动性和复杂性。XSS-12是在XSS-11基础上用于验证交会对接技术、基于交会对接的在轨服务技术以及用于非对接卫星维修的精确绕飞技术。XSS-12系统由2颗小卫星(XSS-12A和XSS-12B)以及一个小型空间平台组成。XSS-12A用于演示对平台的先进交会对接和在轨服务技术,验证先进对接传感器、算法以及对接机械装置功能。XSS-12B用于演示对平台或失效卫星的非对接、超近距离的在轨服务技术,验证超近距离精确绕飞监测技术以及再补给技术。1.5dart计划该计划的目标是在没有任何地面控制及宇航员帮助下,对试验航天器接近其它航天器进行复杂机动时的传感器、推进系统及软件进行试验。该计划对深空探测及控制军事卫星意义重大。DART卫星为长约1.8m,宽1m的圆柱形航天器。包括肼和氮燃料在内,总质量360kg。DART卫星于2005年4月15日由飞马座火箭发射,并成功与已废弃的轨道高760km的目标卫星进行交会。由于与目标发生了意外碰撞,使目标轨道升高。该计划还验证了以动能将目标卫星撞到无用轨道的可能性。1.6与卫星测试工具的区别该计划的目标是对低轨道、GEO以及更远轨道上的微卫星进行应用研究。具体包括:光学空间监视、态势感知传感器、轻型动力系统、化学和电力推进系统、先进的轻型结构、有源射频传感器、大推力太阳能推进系统、卫星通信系统等。2006年6月21日在卡纳维拉尔角发射了2颗微卫星技术试验(MiTex)卫星。该卫星的上面级与普通卫星的上面级差别很大,普通卫星上面级寿命一般为几小时,而该卫星上面级寿命可持续几周,且MiTex卫星能够在地球同步轨道进行大规模轨道机动,甚至可以围绕其它卫星执行逼近操作。有理由相信,MiTex卫星试验的技术比XSS-11、DART试验的技术更有争议,甚至可能直接进行反卫星试验。上文对美国天基动能拦截技术研究的相关计划进行了介绍。前三个研究计划阐述了美国公开发展的进行弹道导弹助推段防御的天基动能拦截器技术。近年来,随着美国航天政策的调整,其空间对抗主要是发展空间态势感知能力和空间防御性对抗技术。实际上,美国一直没有停止天基拦截技术的研究。后三个计划显示,美国通过实施多项具有在轨机动能力的微卫星计划,在变相地发展其天基拦截技术。2部分轨道击穿系统20世纪50年代,苏联提出轨道轰炸系统计划,这是世界最早出现的天基对地打击武器概念,设想把弹道导弹的弹头发射入轨,需要时再令其再入大气层并摧毁地面目标。因当时常规弹头精度限制、国际法禁止在空间部署核弹头等原因,该计划终止。苏联接着又提出并开发了“部分轨道轰炸系统”。该系统平时贮存在地面,当下达作战指令时把导弹发射到空间。在导弹反推进入大气层之前,绕地球运行不足一圈。由于未完全入轨,故国际条约对其约束不大。部分轨道轰炸系统的典型代表是SS-9超重量级洲际弹道导弹。SS-9由反推火箭和轰炸系统平台组成,在1965—1966年间成型,1968年部署,1983年退役。苏联天基动能武器的发展历程中有两个关键而重要的研究计划,这两个研究计划基本可以概括俄罗斯天基动能武器的发展现状。2.1拦截试验阶段1958—背景1研究计划苏联积极研发拦截卫星技术,以尽快形成对美国的威慑力量,主要对一些先进的概念和技术进行研究,其中包括定向能武器、电磁轨道炮、新式反导导弹及适宜于这些武器应用的空间平台技术等。该计划经历了早期研制、拦截试验与实用试验3个阶段。在1963—1968年的早期研制阶段,主要研制共轨道拦截与非核杀伤的反卫星武器,期间通过宇宙号卫星与载人飞船进行机动变轨与交会对接技术的试验进行拦截卫星的初步设计。在1968—1977年的拦截试验阶段,主要研究反卫星系统的同轨道面拦截试验。拦截卫星质量为3t,其中燃料1.5t,作战空域拦截高度150km～1500km,轨道面倾角偏差调整能力为5°～10°。在1980—1983年的实用试验阶段,主要研究反卫星实战试验。在此阶段,随卫星技术、发射技术与制导技术的发展,具备了反卫星实战能力。拦截高度提高到2000km左右,1h可发射入轨,使苏联成为唯一拥有实战型反卫星武器国家。这些地基反卫星武器的研究为其天基动能拦截器技术奠定了非常坚实的基础。2.2太-天基作战站/武器/效果综合指挥中心迫于美国SDI计划压力,苏联在1983年开始背景2计划。该计划目的是促进背景1计划中研究技术过渡到工程开发研制试验阶段,以部署实际系统,并发展用以对抗美国SDI计划的其它相关技术。天基平台技术是该计划发展重点之一。苏联对其天基平台定位为适于从太空投射武器以打击地面目标,并成为作战航天器提供补给和支援的平台。能源公司1976年开始研制,具体计划研究太空战斗站系统、小型导弹拦截器及天基作战系统。太空战斗站系统由激光武器、自主寻的导弹两种战斗站组成。战斗站基于DOS-7K礼炮号太空站改装而成。导弹战斗站用来攻击近地轨道卫星,激光战斗站用来攻击高轨道和GEO目标。小型导弹拦截器的自主式装置通过直接碰撞拦截再入弹头,可部署在航天器或专用空间平台上,对敌方武器系统发起攻击。天基作战系统是基于DOS-7K礼炮号太空战基础舱的核心战斗舱上加装一个指挥舱和一个目标瞄准舱构成。该系统装备弹道导弹或惯性滑翔核炸弹,用以攻击地面要害目标。由于太空非军事化条约限制,该系统停留在设计研究阶段。俄罗斯目前的共轨式反卫星拦截器只能攻击地球低轨道卫星,对于美国大部分在地球同步轨道或大椭圆轨道上运行的国家防御战略体系中的反弹道导弹预警、侦察、通信、导航等军用卫星,构不成重大威胁。3武器系统设计本节针对典型天基动能武器,介绍其作战流程(见图4)及武器系统结构确定过程。天基对地打击武器(SGKW)由动能弹头、推进系统、导航制导系统、姿控系统、热控系统与电源系统组成。动能弹头采用钨、钛或铀等高密度金属制成的长金属杆作为战斗部,以减小空气阻力,从而降低到达地面时的动能损耗。为确保攻击