敌为我用的在轨卫星捕获技术

敌为我用的在轨卫星捕获技术

2012年7月20日,我国使用“一箭三星”将“创新三号”、“试验七号”以及“实践十五号”送入轨道。

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2012年7月20日,我国使用“一箭三星”将三颗卫星送入预定轨道,这三颗科学实验卫星分别为“创新三号”、“试验七号”以及“实践十五号”,由位于太原的卫星发射中心发射升空,长四丙运载火箭执行本次发射,三颗卫星进入轨道后,将开展一项涉及太空机械臂操作的科学实验,太空专家认为“试验七号”上装有用于测试的机械臂,主要验证在轨道上通过机械臂捕捉另一个航天器的技术,美官方推测认为其相比较于2007年的反卫星实验,使用机械臂方式捕捉敌方在轨飞行器显得比较“文明”,至少不会产生大量的碎片,由此一种以卫星平台捕获另一个卫星平台的技术浮出水面。

敌为我用的在轨卫星捕获技术

航天飞机是比较著名的在轨卫星捕获平台

反卫星是一个古老的话题,简单地说就是就是阻止敌方通过卫星发现不该让他们知道的东西,古老的反卫星措施相当原始,由于侦察卫星轨道高度高,传统的防空导弹打不着,那玩意儿又老是在头顶上转悠,要想避免重要军事设施被发现,那么就只能通过其躲卫星,侦察卫星过境时把装备遮盖起来,这个方法为光学成像的卫星可能比较管用,后来侦察卫星发展了红外技术,那些遮遮掩掩的方法就不管用了,比如发动机红外辐射在红外成像中非常明显,那些车辆、战斗机只要过境前一段时间有动过而还没完全冷却下来的,都逃不过卫星上的“红外之眼”。

显然随着卫星技术的不断发展,侦察手段也越来越高超,美苏两个超级大国都在研究如何把对方的卫星搞瞎后死不承认,传统意义上的反卫星途径依然有两种,很简单,一种是来“硬”的,另一种是来“软”的,“硬”杀伤主要是通过摧毁敌方卫星平台上的某一设备来达到使其失效的后果,比如传感器、电池板等,“软”杀伤很容易让人想到电子干扰,事实上电子干扰可以阻断卫星的通信链路,还有比较前卫的使用了激光反卫星,比较典型的为1997年白导弹试验场进行的陆基反卫星激光实验,使得MSTI-3卫星光学传感器出现饱和,这也是美军反卫星平台发展的一个重要里程碑。

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天基激光反卫星武器拦截高度依然在1500公里左右

可以认为美苏在反卫星领域有着很深的背景,苏联主要测试激光反卫星途径,通过激光技术将敌方卫星损伤,这个技术比较“流氓”,干完坏事还可以死不承认,传统的陆基激光反卫星平台可以对1500公里高度的中低轨道卫星有着良好的杀手作用,其特点在于速度快,光速攻击,功率给足、目标对准,然后就可以秒杀,其次是精度高,激光照射只要不算歪,基本是一打一个准,作战方式上也比较灵活,藏在哪里偷偷给你一下,所以效费比也比较高,苏联方面十分喜欢这种反卫星作战方式,基本上从准备到照射大约控制在1小时内,设备依然是咱们比较熟悉的氟化氘高能激光,一般是破坏卫星的光学传感器和姿控设备。美国人就比较特别,比较喜欢用动能拦截器反卫星,这种方式更加“流氓”,苏联好歹躲着偷偷照两下,让你的卫星出点小毛病,不太好使一些,美国人在反卫星上就比较“伊万”,1985年那次反卫星实验,把500公里高度的卫星打爆,美军的KE-ASAT动能反卫星平台具备一定的低轨道卫星拦截能力。

相比较于激光反卫星、动能反卫星,极早期的反卫星途径显得比较野蛮,用核弹来反卫星,一颗核弹能打一大片卫星,摧毁途径很明显是是电磁脉冲和核辐射,但是这样的方式不仅不科学,也会殃及池鱼,自己的卫星也会遭殃,于是就有了号称第三代反卫星激光和动能拦截途径,2000年之后,反卫星进入了更加文明的阶段,攻击方式更加隐蔽,那就是把激光武器放到航天器上,把反卫星平台放入轨道,这就有了天基激光反卫星武器。苏联依然是天基反卫星平台的早期鼻祖之一,1963年就可以立项通过共轨拦截途径发展反卫星拦截技术,拦截过程中使用了多次变轨技术、空间交会对接技术,这也是为什么我国要重点发展空间对接技术的原因之一。空间交会对接技术在和平时期可以用于航天器对接、空间站建设等,用于军事途径就是反卫星,早期的苏联天基反卫星平台通过SS-9洲际弹道导弹入轨,攻击高度可覆盖200至1000公里的轨道高度,配备了早期的主/姿控发动机等,战斗部为高能破片杀伤,拦截过程依然是通过变轨机动使拦截卫星进入被拦截卫星的轨道面,苏联在1970年代的天基反卫星可以打掉中低轨道的卫星,但是对中高轨道的卫星依然没有有效的摧毁途径,毕竟那些卫星在3万公里以上的轨道,不是不想打,而是实在够不着。苏联装备了当时世界仅有的实战型天基反卫星武器,作战特点是变轨机动拦截速度快,从开始变轨到进入被拦截卫星的轨道面只要1个小时,这与早期的激光反卫星平台从准备到照射的时间差不多,拦截高度依然为1500公里的轨道。

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F-15携带的ASM-135A反卫星导弹

天基反卫星平台的经典案例莫过于1980年代至1990年代联盟飞船进行了天基激光反卫星实验,平台还是氟化氘高能激光,苏联当时甚至计划在礼炮号空间站上安装一个天基激光武器作战系统,不仅可以对接空间站,还可以单独分离进行空间编队飞行,对目标进行攻击。天基激光武器的建立需要庞大的情报系统内支持,至少需要相对应数量的陆基雷达和遥测站,可以对低轨道大型目标进行跟踪,对高轨道的目标进行探测和识别,相比较苏联而言,美军在与苏联接壤的阿拉斯加、东至欧洲部分部署可UHF频段的早期预警雷达,作为天基目标侦察和监视系统的主要跟踪对象,低轨道的目标必然收入眼中,对于高轨道目标而已,深空监视计划可以把目标跟踪高度提高到同步轨道的高度,比较经典的有SBSS天基空间监视系统组成的星座,工作波段覆盖的频谱宽,超长红外波段也可以覆盖。

事实上,天基反卫星平台攻击手段较多,激光算是其中的一份子,还有动能武器、粒子束这类的科幻级武器,美军的目标是在未来数年内拥有天基小型动能拦截器,从攻击命令下达到摧毁敌方卫星只要12个小时,攻击范围覆盖整个近地轨道,其中就包括特有的反卫星拦截器打击位于中高轨道的全球定位卫星系统。我国在7月20日长四丙运载火箭发射的在轨反卫星实验中则突出了基于卫星捕获技术的反卫星概念,相比较于陆基中段反卫星实验而言,天基反卫星平台的建设显得更加重要,其建立在成熟的空间交会对接、天基目标测量技术之上。传统的陆基中段导弹防御系统末速控制在每秒7公里左右,攻击高度在数千公里,对于1500公里至2000公里高度的卫星而言是绰绰有余,但是其意图明显,摧毁卫星会导致大量的轨道碎片,反观在轨卫星捕捉,后者明显比较隐蔽。

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STS-37亚特兰蒂斯号航天飞机任务中通过机械臂部署康普顿伽玛射线天文台

在轨卫星捕捉涉及到空间交会对接,在变轨机动后抵达预定的轨道,并与目标卫星形成一个组合体,其涉及到全向自由度的控制技术,其中还有很强的动力学耦合。早期的空间对接典型任务就是双子座飞船,从双子座8号开始,验证了空间交会对接的技术。空间对接技术也是在轨卫星捕获的雏形,对接需要来那个看天气有着一样的接口构型,要相互匹配,另一种在轨捕获就是通过机械臂实现,这也是“试验七号”上可能搭载的机械臂装置,类似的任务还有航天飞机在轨捕捉,通过SRMS空间机械臂将在轨卫星抓住,两者形成轨道组合体,可以对卫星进行维修,比较典型的任务就是维修哈勃空间望远镜,国际空间站也有类似的机械臂,SPDM舱外机器人系统就是一个小型的机械臂。在机械臂捕获过程中,如果是熟悉的目标,那么问题不大,如果是敌方卫星,那么就存在一定的不可预知性,就是说不知道敌方卫星具体外形,在捕获过程中我方卫星和目标卫星之间可能出现较强的动力学耦合问题,这样在机械臂末端捕获时如何控制就是一个难题,直接导致的问题是抓住目标卫星后如何控制姿态,这就对机械臂末端的设计提出更高的要求。

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国际空间站也有类似的机械臂,SPDM舱外机器人系统就是一个小型的机械臂

一般而言,捕获装置设计特点是简单,降低机械臂结构上的复杂性,具有较强的柔性,也就是包络范围要大,这样才不至于捉不住目标或者造成赔了夫人又折兵的局面,在捕获过程中速度要快,捉住要稳。航天飞机和国际空间站上的机械臂捕获装置可以有人干预,而天基捕获卫星平台强调的是自主性强,不需要人工过度干预,捕获机构在缓冲有效载荷上效率要高,允许范围内的调整偏差灵活。如果在未来战争中需要捕获敌方卫星,那么快、准、稳是第一要务,侦察卫星普遍都使用了变轨发动机,即便是现在的同步轨道卫星都有远地点反推动力,因此敌方的侦察卫星都有着很强的变轨机动能力,可以逃脱在轨捕获。

在轨捕捉最常见的就是机械臂装置,但是还有诸如网状的捕捉技术,通过卫星平台向目标卫星方向发射出一张大型网,将整个目标卫星都包裹起来,这种方法没有机械臂强,无法长期进行在轨作战。一个典型的在轨捕获卫星使用6自由度的机械臂系统,同时也要配备实时的视频成像系统,在捕获过程中使用激光测距,远地点控制发动机。美国航天飞机使用的SRMS空间机械臂为6个自由度,质量为0.4吨左右,在失重环境下可以控制260吨左右的物体,所以此类机械臂控制卫星是绰绰有余的,整体结构由三个活动关节组成,还有两个臂杆系统,计算机系统可以即使将机械臂的状态告知宇航员。如果在反卫星平台上安装机械臂,显然要在视频监视等传感器控制的环境下将机械臂运动的方向、角度和速度及时反馈地面。

敌为我用的在轨卫星捕获技术

一个典型的在轨捕获卫星使用6自由度的机械臂系统,同时也要配备实时的视频成像系统,在捕获过程中使用激光测距,远地点控制发动机

“试验七号”等进行的卫星捕获实验中作为关键的在于天基目标测量,需要掌握两个航天器的相对姿态信息,这样才能从对目标航天器实施靠近作业,至少要能感知目标航天器的几何构型,哪个部位适合“下手”,综合判断目标航天器是否可以满足捕获条件,这直接关系到捕获的成败。在我国前几次的空间交互对接任务中,交会雷达是一个重要节点,目前主要使用了Ku波段、毫米波段还有激光雷达等措施,尤其是激光雷达,在测量精度和分辨率上都较好。反卫星平台上使用CCD光学测量技术也有重要的用途,可以提供在轨捕获时的图像数据,对两个航天器相对姿态的判断非常重要,其主要用于近距离的接触,作用范围也比激光雷达和微波雷达要小很多,大概在几百米的近距接触上有着非常好的效果。

敌为我用的在轨卫星捕获技术

宇航员对在轨卫星进行维修

综上,天基反卫星平台的打击手段呈现多样化,建立在空间交会对接基础之上的反卫星捕获技术有着其固有的特点,可以将配备机械臂的卫星部署在某个轨道上,需要时在1个小时内就可以展开对目标卫星的捕获作业,比传统的硬杀伤技术更加文明一些,在和平时期则可用于在轨航天器的维修作业。

文:文渊阁大学士

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