国外隐身卫星技术研究

2014-03-13康开华北京航天长征科技信息研究所

国际太空 2014年1期

康开华（北京航天长征科技信息研究所）

国外隐身卫星技术研究

康开华（北京航天长征科技信息研究所）

随着遥感技术的迅速发展，空间对抗进程的不断推进，卫星及载人航天器的生存能力受到越来越严重的威胁。因此，积极快速发展航天隐身技术已是世界航天技术先进国家的一项长期有效的根本战略措施，也是改进和提高航天飞行器生存能力的一项重要手段。20世纪80年代，隐身技术便与星球大战计划（SDI）和核计划并列为美国国防部三大高技术之一，并且美国在基础理论研究、隐身材料技术、隐身综合技术研究以及雷达散射截面（RCS）预测和测试技术等方面居于世界领先地位。苏联/俄罗斯隐身技术也被列为国防高技术，欧洲、日本等国家或地区的航天隐身技术也各有自己的长处和特点。

美国Misty隐身卫星

1 隐身卫星概述

卫星隐身技术是指为降低卫星的微波、红外线、可见光等可探测信息特性所采用的综合技术，目的在于最大限度地降低敌方探测系统的截获概率或使其探测距离大为缩短，从而提高卫星的生存能力。隐身卫星是一种重要的侦查工具和空间武器，具有在轨隐蔽、侦查以及伺机攻击敌人的能力。未来的战争中，它在空间攻防方面将发挥重要作用。

特征抑制罩操作设想图

俄罗斯也在加紧发展自己的隐身卫星。据俄罗斯《科学信息》杂志报道，俄罗斯航天设计制造科研所正在研制体积比奶粉桶稍大、质量5kg的“最低配置技术”纳米卫星，并有望在未来几年飞赴太空。与其他类型的卫星相比，纳米卫星的优点在于体积小、质量轻、不易被侦查发现。其质量一般在1～10kg，设计相对简单且制造周期短，便于在太空部署。此外，世界其他航天强国也都在抓紧步入隐身卫星的研制行列中。

2 特征抑制罩

特征抑制罩用于隐藏卫星所处的位置，使得地基和空基的跟踪与探测系统无法发现隐身卫星。特征抑制罩能够抑制卫星的激光、雷达、可见光和红外特征，使敌方武器很难或不可能损伤或摧毁在轨飞行的卫星。卫星特征抑制罩首选圆锥体外形，从地基主动跟踪系统发射出的辐射束撞击到抑制罩上，辐射束与特征抑制罩上的涂层相互作用，在对特征抑制罩不造成任何损伤的情况下弹入太空，因为辐射并未反射或散射回地球，因此特征抑制罩能为卫星提供保护。

特征抑制罩制成可膨胀的气球结构，气球罩封装在卫星底部可移动壁板中，密封壁板形成一个金属容器，圆锥体头部从底部壁板挤压而出。卫星入轨后，底部壁板收起，露出未膨胀的气球材料。可使用机械收起方式，如电螺线管。可移动门利用弹簧承载，这样该门最初运动可通过螺线管来完成，随后通过弹簧装置释放该门。气球安装在弹簧上，并由它将气球弹出容器进入空间。可移动门的操作由地面操作，也可由卫星上的定时器控制或根据卫星上的传感器自动启动，还可由计算机程序自动启动，触发启动操作取决于被保护卫星的类型或卫星所遭受的攻击类型。

使用材料

气球的材料首选超轻合成高分子薄膜，如杜邦公司制造的聚酰亚胺（Kapton）或聚酯薄膜（杜邦公司制造的聚对笨二甲酸乙）。蒙皮内部的圆锥材料厚约1mm，圆锥材料包括可膨胀的加强肋以提供最初的刚度和抑制罩外形。聚酰亚胺或聚酯薄膜蒙皮外涂层是一种极薄的辐射反射材料，首选0.05µm厚度的黄金涂层。涂层和气球蒙皮厚度可进行调整，以适应特定卫星或可能遭受攻击的武器类型。

圆锥体顶角

圆锥体顶角的选择取决于多种因素，如轨道高度、特征抑制罩的质量等。对于低轨道，圆锥体顶角最大选择40°，此时圆锥体顶端指向地球天底点。对于地球静止轨道卫星而言，圆锥体顶角最大可选160°。圆锥体顶角越大，所需要的圆锥面积越小，因此降低了圆锥体的质量。然而，如果在低轨道选择圆锥体的顶角过大，圆锥体表面将与主动跟踪辐射束形成直角面，导致辐射束发射到地基传感器上，所以必须避免出现该直角面，以有效地隐藏卫星。

升华剂

操作中的特征抑制罩

特征抑制罩膨胀的不同阶段

对于圆锥体的膨胀，可选用1种升华剂，但最好使用2种升华剂。升华剂首选粉状固体升华剂，因为它能够提供均匀的膨胀。当这些升华剂受到太阳辐射热时，就会从粉状固体转化成气体，升华过程可能仅花费几秒钟到几分钟。如果膨胀操作的过程过快可能导致气球破裂，因此必须在升华粉末的剂量、气球体积和气球达到刚度要求的时间之间建立一个平衡，以便使气球达到一个适度的膨胀并消除所有褶皱。

在操作期间，卫星特征抑制罩将承受微流星体的撞击，气球蒙皮壁面上导致多个微穿刺，而且部分气体会通过气球蒙皮壁面溢出。为了解决这个问题，特征抑制罩还需要另一种升华剂。第二种升华剂的升华速度比第一种慢，因此提供了额外的气源以弥补那部分泄漏的气体，使抑制罩中的压力在较长时间内保持不变。在外层空间的温度和压力下，一种比较合适的升华材料为氯酸醋，它在61～63℃时发生升华反应。升华剂的选择需要将多种因素和现有技术水平进行综合考虑，卫星发出的热量也可用作升华的热源，或圆锥体内提供一个独立的热源。

壮族师公舞与祭祀有关，古代的壮民对天灾人祸很无奈，总是受到自然灾害的威胁，而他们对大自然又没有科学的理解，无法征服，只能祈求于神，每逢民间的重大节日一定会请来师公主持仪式。师公舞必戴面具，手里也离不开法器。戴着面具才有神秘感，手持法器这样才能斩妖除魔，消除病痛和灾害。舞蹈的寓意也使得先民们江山太平、丁口平安、五谷丰登。

特征抑制罩硬化

蒙皮内部涂有硬化材料，首选紫外线硬化材料，将其喷涂在气球蒙皮内表面。紫外线硬化材料可采用戴马士（Dymax）公司制造的紫外线固化粘合剂。当该材料暴露于紫外线辐射时，会硬化并保持长久的刚度，从而形成一个类似于镜面的薄膜结构。尽管硬化的壳体能够阻止一些流星体的穿透，但是仍可能发生穿透事件。硬化剂的另一个目的是无需供应增压气体，从而降低了卫星和抑制罩的质量。

在圆锥体底部内的一个小型紫外线辐射源作用于硬化材料，当气球完成膨胀操作后，执行硬化操作，整个硬化操作耗时几秒到几分钟。紫外线灯和硬化材料在波长方面相匹配，例如戴马士公司制造的紫外线灯与固化粘接剂产品的波长就相当匹配。

干燥

圆锥体气球底部内侧安装一个活性炭吸收剂，如有气体从膨胀的气球中泄漏并流往卫星，活性炭吸收这些气体，并阻止它们泄漏和干扰卫星上的传感器。圆锥体还包含有一种干燥剂材料以吸收水分，这种干燥剂首选硅胶，它可阻止水蒸气对卫星传感器的干扰。干燥剂或活性炭最好安装于圆锥体底部的小盒内。在气球完全硬化后，该小盒打开（遥控或自动），活性炭或干燥剂暴露于气球内部。与膨胀和硬化过程相比，吸收过程相对较短。

隐身特性

圆锥体外形避免了出现尖锐和带有明显边缘的拐角，以阻止雷达或驻波反射导致尖峰信号。圆形的底部包含有吸波材料，用于吸收和降低驻波可能出现的波幅增长。圆锥体就像一面镜子，激光和微波雷达能量通过抑制罩反射到外层空间中。由于蒙皮上的金属涂层辐射导致雷达再辐射，因而抑制罩对激光辐射的效果要略好于雷达辐射。

对于应用抑制罩的卫星，激光信号降低约90dB，雷达信号降低约15～30dB。抑制罩还能降低可见光辐射的探测能力。光线通过抑制罩反射到外层空间，几乎没有光线返回地球。由于反射罩表面特性，因而其从太阳吸收的能量少，降低了反射罩自身的红外特征。同时卫星自身从太阳吸收红外能量，防护罩位于卫星和探测传感器之间，对传感器屏蔽卫星发出的红外辐射。

操作方案

抑制罩安装在动臂上，这样相对于卫星来说，抑制罩可以运动。在这种方式下，圆锥体可以指向卫星速度向量的双向方向，以免受地基武器攻击。可利用遥控或自动控制的发动机装置驱动罩臂，如电动机。基于地面遥控指令，或是对卫星传感器（此时显示威胁正在逼近）做出自动响应，罩臂运动。仅在攻击逼近时，抑制罩才运动。当卫星未遭受威胁时，抑制罩旋转到某一点，该点不影响卫星执行其主要任务。当卫星遭到威胁时，圆锥体调整位置并指向威胁以抑制卫星特征。通常卫星持续10～15min，随后圆锥体旋转回到原位置。圆锥体使用时可能会影响到卫星的主要任务。动臂设计允许卫星保持运行在一个稳定的轨道上。

特征抑制罩操作方案

另一个备选方案是利用转动整个卫星的推进器来转动圆锥体。该推进器是一个低耗能装置，由卫星提供动力。这种推进器已广泛应用于航天领域。该设计使得抑制罩变得更加小巧、简单，非常适用于轨道备用星。

虽然抑制罩蒙皮薄且质量轻，但它耐用且包含效果好。即使是运行在低轨道的卫星，也能保护其免遭敌方功能激光的攻击。当使用黄金反射涂层时，能够反射98%～99%的入射激光能量。如果高能激光攻击抑制罩，那么激光必须利用大于10W/cm2的能量持续照射圆锥体超过2min才能摧毁黄金涂层，否则偶尔短时间照射将不会对其造成损伤。

卫星抑制罩的尺寸和厚度取决于多种因素，如轨道高度和将要保护的卫星尺寸。目前研究的底部直径最大约为12.192m，但直径也可以更大，并且抑制罩仍非常轻且有效。卫星入轨后，它可快速完成部署并具有较长的寿命。此外，还可基于特定的航天器和轨道进行定制。

3 可膨胀的卫星舱

可膨胀卫星舱能够减弱或消除光学和雷达信号，其外壳具有雷达隐身能力，并且外壳涂上颜色使其更加难以被光学探测发现。

组成

可膨胀卫星舱的舱体并未限定为特定的尺寸或形状，该舱体可作为一个平台执行多种任务，或是作为一颗主卫星控制其他卫星的操作。可膨胀卫星舱包括1个核心部分和1个连接到核心部分的可膨胀外壳。

特征抑制罩操作备选方案

可膨胀卫星舱外形图

核心部分由纵梁和隔离壁围成，内安装有效载荷。此外，1个姿控装置和1个电源连接到核心部分，1个控制器连接到电源和姿控装置，用于指挥姿控装置。可膨胀卫星舱还拥有一个通信装置用于接收地面站的指令，以便操作控制器。

可膨胀外壳为柔韧性外壳，包括1个气囊、1个流星防护罩和1个约束层。气囊大多数由非渗透性材料制成，可阻止飞行器内部气体泄漏。气囊首选材料为Cepac HD-200。约束层连接到隔离壁上，并将大部分载荷从气囊转移到隔离壁上。隔离壁采用金属材质，如铝。流星防护罩首选含多层的撞击材料层，如利用衬隔材料层分隔的陶瓷纤维。分隔材料首选疏松的网状泡沫，发射前可将其压缩，卫星入轨后泡沫可再膨胀。撞击材料的层数由已知的技术变量确定，如任务参数和运行时间要求。约束层的带子由凯夫拉尔材料制造，约束层和气囊均连接到隔离壁上。

内部布局

一组纵梁和横梁连接到相对的隔离壁上。纵梁可由多种材料制成，这取决于任务参数，但首选复合材料，备选金属材料。气塞还可考虑作为维护人员的通道。顶部可用于安装姿控装置、通信设备、电源盒和一个由电源供电操作姿控装置的控制器。

设备连接到纵梁和横梁上。气塞也可换为特定任务的设备，如雷达测图和气象设备等。热控系统用于调节卫星温度，多种热控系统作为备选，专用系统根据任务有效载荷的规格参数选择。

可膨胀卫星舱的横截面视图

外部设备

可膨胀卫星舱的外表面支持在其上安装外部设备。通信装置用于中继转播往返于地面站和飞行器之间的信息和指令，还用于其他卫星间和飞行器间的通信。太阳电池作为电源首选，也可采用燃料电池、核能或其他电力生成装置。电源可只为舱体供电，也可依靠专用的任务设备。在姿控装置的辅助下，飞行器一直对准地球。这种技术已经非常成熟，典型的这类装置依靠喷管和推进剂提供直接力来校准姿态。

隐身特性

可膨胀卫星舱壳体使用雷达吸波材料，或者将壳体制造成在一些角度下能够反射雷达波的几何形状，这样它就能拥有雷达隐身能力，但这会使飞行器的研制变得非常困难。如果壳体拥有理想的无线电和微波特性，就可以使无线电或微波穿过壳体，从而被任务有效载荷直接接收。壳体还可喷涂颜色，使得图像信号检测设备难以检测得到。壳体上可保留窗口，使飞行器内部的光学仪器（如相机）通过该窗口观察外部情况。基于上述思想，可制造出多种构型的舱体。