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世界之大却容不下美国的雷达365bet亚洲官方投注:——看美军天基反导预警系统发展史

  [文/观察者网 席亚洲]

  出品:科普中国

  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。

  本周,在美国空军战略司令部(SAC)司令官约翰·海登在“空间与导弹防御学会”会议上,大吹了一番“天基导弹追踪识别系统”。但有意思的是,不久前,美国参议院军委会刚刚在2019财年国防动员法案讨论中表示认为,天基反导系统没有意义,还是要加快LRDR反导雷达等系统的部署来增强美国本土的反导能力。话说,这空军和国会的嘴仗是怎么干起来的呢?美国未来的反导系统又要向何处去呢?

  作者:兰顺正

  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。

  美国反导何处去?

  监制:光明网科普事业部

  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。”

  本周,美国负责核武器和战略武器系统的空军“战略司令部”指挥官约翰·海登在一次华盛顿的会议上,积极鼓吹了一番“天基导弹追踪识别系统”。虽然这套系统国会方面似乎并不买账,但至少空军方面正在积极推进。事实上,美国洛克希德·马丁公司已经表示,他们已经应空军要求,首先自筹资金一亿多美元,开始研究未来的天基导弹预警、跟踪、识别系统究竟需要什么样的新技术。

  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?

   红外技术在导弹预警上具有天然优势

  事实上,天基导弹预警系统已经不是一个新概念,美国上世纪80年代就部署了DSP“国防支援项目”卫星,通过红外监控方式来监控弹道导弹发射。而进入90年代-21世纪,美国又发展了新的SBIRS系统。

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  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。

  到2018年1月,美国新一代SBIRS系统总共有10枚卫星在轨运行。SBIRS系统分为高轨道(SBIRS high)和低轨道两套(SBIRS low)卫星监控系统(SBIRS low后来改名为STSS)。它们主要通过红外传感器,探测地面和空中火箭发动机工作的情况,来监控全球的火箭发射,并对其中看起来可能有危险的火箭进行初步跟踪,以确定其是否可能威胁美国。

  图片来自网络

  
“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。

  SBIRS系统目前有两种卫星构成,一种GEO卫星,另一种HEO卫星。GEO卫星是一种地球静止轨道卫星,装有高速扫描红外探测器和高分辨率凝视型红外探测器,它们在静止轨道上负责“日常值班“工作。而HEO卫星则是太阳同步轨道卫星,主要负责监视地球两极,尤其是北半球高纬度地球,如俄罗斯本土和中国北部。每颗HEO卫星可观察 北极地区的时间不小于12小时,通过2颗高轨道卫星的交替工作,实现对北半球高纬度地区的24小时连续监视。

  冷战遗产DSP

  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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  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。

  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。

  STSS-D卫星

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  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。

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“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。”

  DSP卫星

  更上一层楼的SBIRS

   将有助于提升应对洲际导弹能力

  与80年代开始部署的DSP系统相比,SBIRS高轨道卫星系统的探测灵敏度和扫描速度提高10倍以上,同时具备穿透云层发现目标能力,能在导弹发射后10-20秒内将预警信息传送到地面控制系统。

  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。

  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。

  而在SBIRS系统当中,原本还有一个分支项目SBIRS-LOW低轨道卫星系统。这种卫星上也装载有宽视场扫描跟踪探测器和窄视场凝视探测器。其中宽视场扫描跟踪系统和高轨道卫星类似,也是用红外探测目标的尾焰,随后将信息发送到地面站和高轨道卫星,可以提高高轨道卫星发现目标的效率。同时,其窄视场探测器则包括了多光谱和可见光探测能力,能够对助推器燃尽后的母舱(MIRV
BUS)弹头(WARHEAD)等目标进行探测,从而实现在导弹飞行中段和再入段的跟踪监视。由于窄视场探测器采用光学跟踪,通过高分辨率的图像,以及对目标面积、温度等特征的分析,有效分辨出弹头、弹头母舱、轻重光学和雷达诱饵的能力。

  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。

  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。

  而且,与传统的天基红外预警卫星只能对导弹的相对于地面的投影位置进行探测不同,STSS卫星系统如果部署完整,那么全球任何地点升空的导弹会同时被4枚以上的卫星看到,然后就可以利用类似GPS定位的办法,推算出导弹的精确三维位置,再与SBIRS卫星配合,就可以达到对目标飞行过程全程监视。

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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。

  这套系统理论上非常厉害,一举可以解决陆基雷达和老式天基预警卫星的多种难题,例如识别真假目标、快速精确定位“地平线以下”目标,增加预警时间,提高探测精度……

  图片来自网络

  
“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。”

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  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)。

  
“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。

  SBIRS-HEO卫星

  着急上马的OPIR

   红外导弹预警卫星或已呈现三足鼎立

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  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)

  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。

  SBIRS-GEO卫星

  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。

  
“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。”

  但是,虽然这么厉害,但STSS卫星的部署……2009年,美国发射了2枚STSS-Demo试验卫星……然后就没有了。

   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。

  原因呢?没钱呗。

  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。

  据当年的预算报告,一枚STSS卫星的成本在3.5-5亿美元之间——当然由于这是2009年的价格。到今天的话,即使没有任何改动,仅考虑汇率变动和通货膨胀因素,STSS卫星的价格上升50%很正常,那就是大约5.25-7.5亿美元。

  
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。

  此前STSS-D的2枚卫星是采用DELTS-II火箭发射。同样据国会报告,2012年,其单枚成本约为6500万美元。那么到今天,其价格应该已经接近1亿美元。

  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)365bet亚洲官方投注 8

  如此算来,24枚卫星只算卫星本身的成本和发射火箭的成本,应该在138亿-192亿美元之间。

  同期,美国还在继续补充发射SBIRS卫星,2014年,美国空军与洛克希德马丁签署了2枚GEO卫星的发射合同(用于替代即将到寿的卫星),总价格18.6亿美元。这两枚卫星原计划2020年升空,但由于拨款进度等问题,已经拖到了2022年。

  换句话来说,在预警卫星项目上,国会连18.6亿美元要给出来都已经这么困难,更何况近200亿美元哦!国会老爷就要问了:“你这个卫星的价值能赶上1艘航母嘛?不行吧?那这个钱我还是给海军去造航母了……”

  约翰·海登在会议上也是这么说的,“世界上没有足够的岛屿来部署那么多雷达,让你看到和分辨所有的威胁,”海登说:“你没办法做到这一点,所以美国需要在自己技术实力最强的领域解决问题,这就是把传感器部署到太空中。我们必须进入太空。”其实他说的就是希望推进正式部署STSS系统——几乎同时,美国国会参议员军委会就回答了:没门……先把你们吹了好多年牛皮的LRDR陆基先进识别雷达给我部署了再说吧……(2019财年国防授权法案的结果大概就是这意思)

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  LRDR雷达试验装置,它的天线是两台THAAD所用的AN/TPY-2雷达的天线结合在一起构成的……

  而且,如今美军希望推动的天基监控系统还不是2001年时规划的STSS。据悉,洛克希德·马丁公司从2017年就自筹资金1亿美元,开始研究需要在天基监控系统卫星上增加什么设备,来提高其探测识别性能,以应对高超声速导弹的新威胁……

  所以,指望以小200亿美元完成这个“增强型STSS”,恐怕也是做梦。

  有意思的是在美军的“吹牛会”上,海登上将还大嘴巴的表示,部署STSS的最终目标,是为了实现“助推段拦截”,他的原话是这么说的:“如果你能提前发现,那你就能提前攻击,”海登说,“前推拦截线有巨大的优势,因为如果能在对手头顶上击落他们刚刚发射的导弹,那你认为他们还有勇气发射另一发吗?我不这么想。”

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  当年想得美的全程拦截计划

  可是,我们应该注意到,海登说这个话的时候,说的是针对中国、俄罗斯的高超声速导弹……而不是针对朝鲜、伊朗那种技术还很原始的远程弹道导弹。

  于是,这就回到了美军21世纪初计划搞“助推段拦截”的时候遇到的逻辑困境——为了实现助推段拦截,你需要把拦截弹发射平台,比如“宙斯盾”战舰,派遣到靠近敌方发射场的地方……然而你怎么能靠近得了位于中、俄辽阔国土腹地的发射场呢?

  21世纪初美国提出用波音747装上激光炮来拦截——然而这比让战舰上岸去发射拦截导弹,也就好一点有限……

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  当年想得美的KEI拦截弹,打算搞上升段拦截,你觉得中国或者俄罗斯会让美国人把这玩意部署到自己国土上吗?

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  美国人也想了很多把导弹部署到靠近发射地点的办法……但是……

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  当然了,美军现在又提出说可以用无人机装激光炮来拦截什么的……

  但问题依然没有变,他们的逻辑困境在于:为了实现“助推段拦截”,需要将美国的军事力量部署到敌国腹地靠近发射场的位置——敌国当然不会让你靠近,会用导弹对试图靠近的美军发起攻击——美军为了拦截这些导弹,需要靠近敌国发射场……这就形成了一个逻辑死结,可以无限循环。

  美国追求绝对安全的心理,只能形成更多类似这样,永远走不出来的循环。

  当然了,我们也应该看到,对于五角大楼的官僚们来说,他们遇到新的技术困境,首先想到的,当然是“复活”21世纪初那些因为“技术过于先进没有必要开发”而被废止的项目——比如X-51高超声速试验机这类,但这些当年提出的“黑科技”能对付今天新发展的“黑科技”嘛?至少官僚们到现在为止,似乎没有想这些,他们首先想到的还是随便拿出一个项目来,然后向国会张开双手:“我,美国空军,打钱!”……

  这种玩法,和俄罗斯从更古老的冷战故纸堆里翻东西,其实也就是五十步笑百步……

  当然,美国的科技实力不能小看,正如俄罗斯的科技实力也不能小看一样,世界大国在科技方面的博弈不是一两天就能出结果的……咱们啊,可以等着瞧。

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