推迟升空的美国战术卫星-4

朱贵伟（北京空间科技信息研究所）

□□2011年3月1日，战术卫星-4（TacSat-4）由空军C-17运输机运送至阿拉斯加南部的科迪亚克岛，而后由卡车运送至发射场。3月14日，海军研究实验室（NRL）相关人员基本完成了对战术卫星-4发射前的最后准备，原计划于2011年6月用轨道科学公司的人牛怪-4火箭发射到大椭圆轨道，但据最新报道，它已被推迟到今年10月才发射。

1 背景

“战术卫星”是美国国防部在“作战快速响应太空”（ORS）计划下发展的快速响应技术试验卫星系列，目的是利用小卫星开展一系列技术演示验证，循序渐进地发展快速响应卫星技术，为未来作战系统开发提供技术支持。目前，“战术卫星”项目共发展了4个卫星型号，其中战术卫星-1和4卫星均由海军研究实验室负责研制，而战术卫星-4是这一系列中唯一一颗“全通信”有效载荷的试验卫星。

战术卫星-4的总投资超过1.4亿美元，其中海军研究办公室（ONR）共计投入0.5亿美元，主要负责有效载荷研制、项目管理及卫星第1年在轨运行。国防研究与工程主任办公室（DDR&E）负责标准化卫星平台的研制，共计投入0.45亿美元。作战快速响应太空办公室和空军航天与导弹系统中心（SMC）负责卫星的发射，共计投入0.43亿美元。整个项目由海军研究实验室负责抓总。该卫星可满足海军在“动中通”（COTM）和海上态势感知等领域的需求。准化卫星平台的研制，共计投入0.45亿美元。作战快速响应太空办公室和空军航天与导弹系统中心（SMC）负责卫星的发射，共计投入0.43亿美元。整个项目由海军研究实验室负责抓总。该卫星可满足海军在“动中通”（COTM）和海上态势感知等领域的需求。

2 卫星设计与制造

战术卫星-4整星质量约450kg，其中卫星平台270kg，有效载荷180kg，太阳电池翼功率1000W，设计寿命1年。战术卫星-4计划部署在近地点700km、远地点12050km、倾角63.4°的轨道上，可提供包括高纬度地区在内的近似全球的、非连续的覆盖；轨道周期4h，每天绕地球6周，可以保证对1个战区（3.7km2范围内）有2h以上的连续覆盖，同时每天可对多个战场进行覆盖。由于卫星要穿越辐射带，因此对卫星进行了相应的抗辐射加固。

作为一颗新技术试验卫星，战术卫星-4在多个领域取得了进步。首先，开发和验证了快速响应标准化卫星的原型平台，设计了长时间驻留轨道，平台采用了先进的热控技术；其次，开发了3.67m口径的可展开天线，配备了紧凑的10信道转发器设备，这样既降低了成本，又可动态进行任务分配，支持网络中心战。

战术卫星-4卫星外形图

战术卫星-4卫星主要参数

战术卫星-4有效载荷主要为通信试验（COMMx）载荷，提供动中通、数据渗漏和蓝军跟踪系统等业务。其中，动中通是通过特高频（UHF）频段提供卫星移动通信，支持美国“特高频后继星”（UFO）卫星和“移动用户目标系统”卫星的通信终端；蓝军跟踪支持目前美军蓝军跟踪系统服务水平较差的区域，收集UHF频段设备的跟踪数据；数据渗漏主要用于采集海军浮标收集的数据，并传送回处理站。

战术卫星-4主要采用弯管式转发，10路UHF信道直接支持传统终端，例如PRC-117、PSC-5、PRC-152和PRC-148 MBITR等终端，此外还有1个备份UHF信道，可提供类似“移动用户目标系统”卫星的信号（但是无法提供“移动用户目标系统”一样的能力），作为早期验证试验。同时，星上先进的通信有效载荷支持不同信道之间的桥接，可将UHF话音通信连接至地面保密IP路由网（SIPRNET）。在特殊的数据渗漏场景中，可采集海上浮标等传感器的信息，并传回海军舰船上的IP网络，增强海上态势感知能力。

战术卫星-4的卫星平台与天线载荷

战术卫星-4设备布局图

通信实验有效载荷与平台连接的主结构为八棱柱体，高0.93m，其上方是UHF天线。有效载荷主结构采用轻量化设计，在满足高于50Hz刚性的同时，整个有效载荷质量低于180kg。为保证通信实验平均功率达到200W设计要求，不得不放弃了原计划的商用器件，而采用了专用的高效射频电子设备。

UHF天线为采用可展开反射器结构，口径3.67m，面形精度为6.35mm（均方根），中心为1.85m长的圆柱体结构，顶端安装有UHF频段天线馈源。天线工作频率为240～420MHz，可同时收发多个频率的信号。反射面通过20根相同的弹簧肋条展开。反射面采用多个三角型条带拼接而成，每个三角型条带采用专利技术的卡普顿-铜柔性电路复合材料，即外层卡普顿、中间软铜网格的夹层结构。三角型条带的拼接利用非金属扣件，反射器径向肋条使整条接缝保持均匀的预紧力，从而避免了金属接头，降低了无源互调。

由于战术卫星-4的轨道要穿越辐射带，因此星上还带有1台用于探测空间环境的“紧凑型环境异常探测器试验”（CEASE）剂量仪。CEASE尺寸约10cm×10cm×8.2cm，质量约1kg，功耗1.5W，采用RS-422或1553B接口，可提供表面充电、深层电介质充电、单粒子翻转、辐射剂量效应等空间环境危害的预警信息，收集高于1.2MeV电子和高于25MeV质子的数据。但是UHF天线未作屏蔽措施，所以必须承受100Mrad的离子带辐射。此外，由于高地球轨道的特殊性，天线还需承受-150～+150℃的巨大温差。

根据未来“作战快速响应太空系统”的潜在要求，例如，平台和有效载荷需分开研制，然后在发射场总装，并可能安装不同类型的有效载荷等，还要求平台和有效载荷进行热控分离和热隔离，因此通信实验要独立进行热控。由于通信实验载荷约1m3体积的热流达600～700W，并且在飞行过程中卫星姿态不断变化，所以给热控设计带来了非常大的挑战。最终，通信实验采用了中央热平台（CTB）和环路热管（LHP）设计。中央热平台的概念最先由海军研究实验室空间技术中心于1994年提出，它是将所有散热设备集中布置，集中热控，这样可以节省质量和体积，便于安装集成、布局优化和热屏蔽。同时在载荷主结构外部8个面板上均布置了热辐射器。

另外，海军研究实验室还专门研制了无源互调地面测试设备，它可以在UHF频段上以很宽的带宽对载荷进行高灵敏度无源互调测试。

战术卫星-4的指挥和控制由位于马里兰州的海军布罗索姆地面站负责，同时负责任务系统的运管，利用其灵活的公共地面基础设施实现快速切换，并支持网络中心战。在布罗索姆地面站控制范围之外，由空军卫星控制网（AFSCN）提供测控支持。战术卫星-4的有效载荷利用虚拟任务操作中心（VMOC）通过安全因特网协议路由器网络（SIPRNET）进行控制。

3 任务目标与意义

战术卫星-4的长期目标包括增强和提升当前UHF频段卫星通信能力，提供快速响应标准化卫星平台，推动快速响应太空系统发展等。具体来说，战术卫星-4设计目标包括：

●采用椭圆轨道验证快速响应卫星，提供长驻留时间服务的能力；

●评估快速响应卫星平台在发射、在轨操作和空间环境中的性能；

●提供类似美国“特高频后继星”卫星和“移动用户目标系统”卫星的UHF频段移动通信服务，测试采用软件无线电技术的联合战术电台系统（JTRS）；

●为美军服务水平较差的区域提供UHF频段蓝军跟踪数据收集；

●收集海军浮标/传感器的数据，并传送回处理站。

战术卫星-4可增强UHF频段卫星通信的作战效能。“动中通”需求迫切的地区可通过战术卫星-4的发射得到缓解，同时还可为无网络地区和用户提供蓝军跟踪和数据采集等功能。

通过战术卫星-4的发射可试验部分先进技术能力和体系，以便应用于未来的空间通信计划。尤其是它可提高“动中通”的能力，用户无需对准天线即可进行通信，这对卫星通信装备而言是一大提升。此外，战术卫星-4还可提供灵活的上行、下行信道分配，增强卫星在射频（RF）干扰地区工作的能力。动态任务系统和虚拟任务操作中心使得战术卫星-4具备灵活调整能力，及时响应战场变化。

从长远来看，战术卫星-4的成功研制和发射还可以推动快速响应太空计划的长期发展，在卫星平台标准、长期驻留轨道设计、动态任务下达和网络中心战等技术方面取得了进步。未来，战术卫星-4成功应用以后，既可以作为常规卫星继续工作，也可以继续发射相同的卫星，与其组网运行。■

UHF天线收拢（左）及展开结构（右）