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敵為我用的在軌衛星捕獲技術 zt
送交者: 智商128 2014年10月01日02:00:07 於 [軍事天地] 發送悄悄話

敵為我用的在軌衛星捕獲技術

2012年7月20日,我國使用“一箭三星”將“創新三號”、“試驗七號”以及“實踐十五號”送入軌道。

本文專供騰訊軍事頻道(http://mil.qq.com/)使用,謝絕轉載

2012年7月20日,我國使用“一箭三星”將三顆衛星送入預定軌道,這三顆科學實驗衛星分別為“創新三號”、“試驗七號”以及“實踐十五號”,由位於太原的衛星發射中心發射升空,長四丙運載火箭執行本次發射,三顆衛星進入軌道後,將開展一項涉及太空機械臂操作的科學實驗,太空專家認為“試驗七號”上裝有用於測試的機械臂,主要驗證在軌道上通過機械臂捕捉另一個航天器的技術,美官方推測認為其相比較於2007年的反衛星實驗,使用機械臂方式捕捉敵方在軌飛行器顯得比較“文明”,至少不會產生大量的碎片,由此一種以衛星平台捕獲另一個衛星平台的技術浮出水面。


敵為我用的在軌衛星捕獲技術


航天飛機是比較著名的在軌衛星捕獲平台

反衛星是一個古老的話題,簡單地說就是就是阻止敵方通過衛星發現不該讓他們知道的東西,古老的反衛星措施相當原始,由於偵察衛星軌道高度高,傳統的防空導彈打不着,那玩意兒又老是在頭頂上轉悠,要想避免重要軍事設施被發現,那麼就只能通過其躲衛星,偵察衛星過境時把裝備遮蓋起來,這個方法為光學成像的衛星可能比較管用,後來偵察衛星發展了紅外技術,那些遮遮掩掩的方法就不管用了,比如發動機紅外輻射在紅外成像中非常明顯,那些車輛、戰鬥機只要過境前一段時間有動過而還沒完全冷卻下來的,都逃不過衛星上的“紅外之眼”。

顯然隨着衛星技術的不斷發展,偵察手段也越來越高超,美蘇兩個超級大國都在研究如何把對方的衛星搞瞎後死不承認,傳統意義上的反衛星途徑依然有兩種,很簡單,一種是來“硬”的,另一種是來“軟”的,“硬”殺傷主要是通過摧毀敵方衛星平台上的某一設備來達到使其失效的後果,比如傳感器、電池板等,“軟”殺傷很容易讓人想到電子干擾,事實上電子干擾可以阻斷衛星的通信鏈路,還有比較前衛的使用了激光反衛星,比較典型的為1997年白導彈試驗場進行的陸基反衛星激光實驗,使得MSTI-3衛星光學傳感器出現飽和,這也是美軍反衛星平台發展的一個重要里程碑。


敵為我用的在軌衛星捕獲技術


天基激光反衛星武器攔截高度依然在1500公里左右

可以認為美蘇在反衛星領域有着很深的背景,蘇聯主要測試激光反衛星途徑,通過激光技術將敵方衛星損傷,這個技術比較“流氓”,幹完壞事還可以死不承認,傳統的陸基激光反衛星平台可以對1500公里高度的中低軌道衛星有着良好的殺手作用,其特點在於速度快,光速攻擊,功率給足、目標對準,然後就可以秒殺,其次是精度高,激光照射只要不算歪,基本是一打一個準,作戰方式上也比較靈活,藏在哪裡偷偷給你一下,所以效費比也比較高,蘇聯方面十分喜歡這種反衛星作戰方式,基本上從準備到照射大約控制在1小時內,設備依然是咱們比較熟悉的氟化氘高能激光,一般是破壞衛星的光學傳感器和姿控設備。美國人就比較特別,比較喜歡用動能攔截器反衛星,這種方式更加“流氓”,蘇聯好歹躲着偷偷照兩下,讓你的衛星出點小毛病,不太好使一些,美國人在反衛星上就比較“伊萬”,1985年那次反衛星實驗,把500公里高度的衛星打爆,美軍的KE-ASAT動能反衛星平台具備一定的低軌道衛星攔截能力。

相比較於激光反衛星、動能反衛星,極早期的反衛星途徑顯得比較野蠻,用核彈來反衛星,一顆核彈能打一大片衛星,摧毀途徑很明顯是是電磁脈衝和核輻射,但是這樣的方式不僅不科學,也會殃及池魚,自己的衛星也會遭殃,於是就有了號稱第三代反衛星激光和動能攔截途徑,2000年之後,反衛星進入了更加文明的階段,攻擊方式更加隱蔽,那就是把激光武器放到航天器上,把反衛星平台放入軌道,這就有了天基激光反衛星武器。蘇聯依然是天基反衛星平台的早期鼻祖之一,1963年就可以立項通過共軌攔截途徑發展反衛星攔截技術,攔截過程中使用了多次變軌技術、空間交會對接技術,這也是為什麼我國要重點發展空間對接技術的原因之一。空間交會對接技術在和平時期可以用於航天器對接、空間站建設等,用於軍事途徑就是反衛星,早期的蘇聯天基反衛星平台通過SS-9洲際彈道導彈入軌,攻擊高度可覆蓋200至1000公里的軌道高度,配備了早期的主/姿控發動機等,戰鬥部為高能破片殺傷,攔截過程依然是通過變軌機動使攔截衛星進入被攔截衛星的軌道面,蘇聯在1970年代的天基反衛星可以打掉中低軌道的衛星,但是對中高軌道的衛星依然沒有有效的摧毀途徑,畢竟那些衛星在3萬公里以上的軌道,不是不想打,而是實在夠不着。蘇聯裝備了當時世界僅有的實戰型天基反衛星武器,作戰特點是變軌機動攔截速度快,從開始變軌到進入被攔截衛星的軌道面只要1個小時,這與早期的激光反衛星平台從準備到照射的時間差不多,攔截高度依然為1500公里的軌道。


敵為我用的在軌衛星捕獲技術


F-15攜帶的ASM-135A反衛星導彈

天基反衛星平台的經典案例莫過於1980年代至1990年代聯盟飛船進行了天基激光反衛星實驗,平台還是氟化氘高能激光,蘇聯當時甚至計劃在禮炮號空間站上安裝一個天基激光武器作戰系統,不僅可以對接空間站,還可以單獨分離進行空間編隊飛行,對目標進行攻擊。天基激光武器的建立需要龐大的情報系統內支持,至少需要相對應數量的陸基雷達和遙測站,可以對低軌道大型目標進行跟蹤,對高軌道的目標進行探測和識別,相比較蘇聯而言,美軍在與蘇聯接壤的阿拉斯加、東至歐洲部分部署可UHF頻段的早期預警雷達,作為天基目標偵察和監視系統的主要跟蹤對象,低軌道的目標必然收入眼中,對於高軌道目標而已,深空監視計劃可以把目標跟蹤高度提高到同步軌道的高度,比較經典的有SBSS天基空間監視系統組成的星座,工作波段覆蓋的頻譜寬,超長紅外波段也可以覆蓋。

事實上,天基反衛星平台攻擊手段較多,激光算是其中的一份子,還有動能武器、粒子束這類的科幻級武器,美軍的目標是在未來數年內擁有天基小型動能攔截器,從攻擊命令下達到摧毀敵方衛星只要12個小時,攻擊範圍覆蓋整個近地軌道,其中就包括特有的反衛星攔截器打擊位於中高軌道的全球定位衛星系統。我國在7月20日長四丙運載火箭發射的在軌反衛星實驗中則突出了基於衛星捕獲技術的反衛星概念,相比較於陸基中段反衛星實驗而言,天基反衛星平台的建設顯得更加重要,其建立在成熟的空間交會對接、天基目標測量技術之上。傳統的陸基中段導彈防禦系統末速控制在每秒7公里左右,攻擊高度在數千公里,對於1500公里至2000公里高度的衛星而言是綽綽有餘,但是其意圖明顯,摧毀衛星會導致大量的軌道碎片,反觀在軌衛星捕捉,後者明顯比較隱蔽。


敵為我用的在軌衛星捕獲技術


STS-37亞特蘭蒂斯號航天飛機任務中通過機械臂部署康普頓伽瑪射線天文台

在軌衛星捕捉涉及到空間交會對接,在變軌機動後抵達預定的軌道,並與目標衛星形成一個組合體,其涉及到全向自由度的控制技術,其中還有很強的動力學耦合。早期的空間對接典型任務就是雙子座飛船,從雙子座8號開始,驗證了空間交會對接的技術。空間對接技術也是在軌衛星捕獲的雛形,對接需要來那個看天氣有着一樣的接口構型,要相互匹配,另一種在軌捕獲就是通過機械臂實現,這也是“試驗七號”上可能搭載的機械臂裝置,類似的任務還有航天飛機在軌捕捉,通過SRMS空間機械臂將在軌衛星抓住,兩者形成軌道組合體,可以對衛星進行維修,比較典型的任務就是維修哈勃空間望遠鏡,國際空間站也有類似的機械臂,SPDM艙外機器人系統就是一個小型的機械臂。在機械臂捕獲過程中,如果是熟悉的目標,那麼問題不大,如果是敵方衛星,那麼就存在一定的不可預知性,就是說不知道敵方衛星具體外形,在捕獲過程中我方衛星和目標衛星之間可能出現較強的動力學耦合問題,這樣在機械臂末端捕獲時如何控制就是一個難題,直接導致的問題是抓住目標衛星後如何控制姿態,這就對機械臂末端的設計提出更高的要求。


敵為我用的在軌衛星捕獲技術


國際空間站也有類似的機械臂,SPDM艙外機器人系統就是一個小型的機械臂

一般而言,捕獲裝置設計特點是簡單,降低機械臂結構上的複雜性,具有較強的柔性,也就是包絡範圍要大,這樣才不至於捉不住目標或者造成賠了夫人又折兵的局面,在捕獲過程中速度要快,捉住要穩。航天飛機和國際空間站上的機械臂捕獲裝置可以有人干預,而天基捕獲衛星平台強調的是自主性強,不需要人工過度干預,捕獲機構在緩衝有效載荷上效率要高,允許範圍內的調整偏差靈活。如果在未來戰爭中需要捕獲敵方衛星,那麼快、准、穩是第一要務,偵察衛星普遍都使用了變軌發動機,即便是現在的同步軌道衛星都有遠地點反推動力,因此敵方的偵察衛星都有着很強的變軌機動能力,可以逃脫在軌捕獲。

在軌捕捉最常見的就是機械臂裝置,但是還有諸如網狀的捕捉技術,通過衛星平台向目標衛星方向發射出一張大型網,將整個目標衛星都包裹起來,這種方法沒有機械臂強,無法長期進行在軌作戰。一個典型的在軌捕獲衛星使用6自由度的機械臂系統,同時也要配備實時的視頻成像系統,在捕獲過程中使用激光測距,遠地點控製發動機。美國航天飛機使用的SRMS空間機械臂為6個自由度,質量為0.4噸左右,在失重環境下可以控制260噸左右的物體,所以此類機械臂控制衛星是綽綽有餘的,整體結構由三個活動關節組成,還有兩個臂杆系統,計算機系統可以即使將機械臂的狀態告知宇航員。如果在反衛星平台上安裝機械臂,顯然要在視頻監視等傳感器控制的環境下將機械臂運動的方向、角度和速度及時反饋地面。

敵為我用的在軌衛星捕獲技術

一個典型的在軌捕獲衛星使用6自由度的機械臂系統,同時也要配備實時的視頻成像系統,在捕獲過程中使用激光測距,遠地點控製發動機

“試驗七號”等進行的衛星捕獲實驗中作為關鍵的在於天基目標測量,需要掌握兩個航天器的相對姿態信息,這樣才能從對目標航天器實施靠近作業,至少要能感知目標航天器的幾何構型,哪個部位適合“下手”,綜合判斷目標航天器是否可以滿足捕獲條件,這直接關繫到捕獲的成敗。在我國前幾次的空間交互對接任務中,交會雷達是一個重要節點,目前主要使用了Ku波段、毫米波段還有激光雷達等措施,尤其是激光雷達,在測量精度和分辨率上都較好。反衛星平台上使用CCD光學測量技術也有重要的用途,可以提供在軌捕獲時的圖像數據,對兩個航天器相對姿態的判斷非常重要,其主要用於近距離的接觸,作用範圍也比激光雷達和微波雷達要小很多,大概在幾百米的近距接觸上有着非常好的效果。

敵為我用的在軌衛星捕獲技術

宇航員對在軌衛星進行維修

綜上,天基反衛星平台的打擊手段呈現多樣化,建立在空間交會對接基礎之上的反衛星捕獲技術有着其固有的特點,可以將配備機械臂的衛星部署在某個軌道上,需要時在1個小時內就可以展開對目標衛星的捕獲作業,比傳統的硬殺傷技術更加文明一些,在和平時期則可用於在軌航天器的維修作業。

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