美国空间攻防装备发展现状及水平研究

郝雅楠 朱华桥

美国空间攻防装备发展现状及水平研究

郝雅楠 朱华桥

近年来，世界航天产业蓬勃发展，空间在国家安全、经济发展、科技进步和政治影响力等方面的战略地位日益提升。在日益拥挤、竞争、多极化、全球化的空间态势下，主要航天国家大力发展空间攻防装备，发展阶段从探索逐步走向成熟，并朝着体系化发展阶段迈进。其中，美国空间攻防装备发展水平最高，在体系完整性、技术成熟度、投资规模等方面具有明显优势，对我国空间攻防装备发展具有较大的借鉴意义。

美国空间攻防装备总体概况

美国的空间攻防装备由庞大的、功能相对完善的天地一体化空间目标监视系统、软硬杀伤结合的反卫星装备以及主被动结合的空间防护装备组成。

空间态势感知装备方面，美国建立了世界上最强大的空间态势感知装备体系，拥有对大部分空间目标进行监视和编目管理的能力，编目管理空间目标达22000多个；低轨和地球同步轨道空间目标探测精度分别为5cm、30cm；低轨和地球同步轨道空间目标定位精度分别为1km、10km；监视能力实现从低轨到高轨空间目标全覆盖。

进攻性空间攻防装备发展具有明显的阶段特征。第一阶段是装有核弹头，不能精确制导但可以反卫星；第二阶段集中于动能打击技术开发，主要由飞机发射攻击导弹；第三阶段是同时发展动能和定向能武器，强调运用软杀伤技术；第四阶段是发展空间机动与操作装备，增强空间控制能力。从技术发展水平来看，核反卫星武器、动能反卫星武器发展较为成熟，具备较强实战能力；定向能反卫星武器中，微波反卫星武器具备初步实战能力，激光反卫星武器处于关键技术验证阶段，粒子束反卫星武器处于实验室可行性验证阶段；空间机动与操作装备已开展大量试验，具备一定实战能力。

防御性空间攻防装备方面，美国在重视发展威胁探测与告警、链路防护、抗辐射加固等技术的同时，发展了以分散式空间系统、快速发射为代表的先进防护技术，有效提升了空间系统的生存能力。

空间态势感知装备发展现状及水平

空间态势感知装备体系

美国空间态势感知装备体系包括地基空间目标监视系统和天基空间目标监视系统。其中，地基空间目标监视系统主要包括雷达系统、光学望远镜、无源射频信号探测器。天基空间目标监视系统以“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星、“局部空间自主导航与制导试验”卫星和“天基空间监视”卫星为核心，以空间监视小卫星项目——“星历可精调天基望远镜”为重要补充。其结构如图1所示。

典型空间态势感知装备

空间篱笆系统：是美国提高空间态势感知能力的关键项目，于2004年从美国海军移交至空军，正在进行系统升级。2015年9月，“空间篱笆”项目通过美空军关键设计评审,从设计阶段正式转入建造阶段。新一代“空间篱笆”S波段地基雷达将重点对中低轨道上尺寸大于5cm的目标进行跟踪，预计2017年具备作战能力，可跟踪空间碎片数量将由2万多个增加到20万个。

图1 空间监视望远镜

空间监视望远镜：是近年来发展的重点项目，于2002年由美国空军与美国国防高级研究计划局联合启动。空间监视望远镜采用直径约3.5m的大口径设计，有效扩大了视场角；采用非球面镜与曲面CCD焦平面阵列技术，使系统更加紧凑、轻便；利用可移动支架，可以更灵活快速地监视空间目标，拓展观察深空目标的视野。目前，空间监视望远镜已从美国本土转移到了西澳大利亚，用于为美国空间监视网络搜集轨道数据，大大加强了美军对南半球天空的监视能力。与现有地基空间望远镜相比，空间监视望远镜不但减少了体积和重量，而且探测灵敏度和搜索覆盖率也提高了约一个数量级；此外，它收集数据的速度也更快，几个晚上收集的监视数据量相当于现有望远镜数周或数月的数据量。

地球同步轨道空间态势感知计划卫星：使用光电传感器对卫星、碎片及潜在威胁进行跟踪监视，具有地球同步轨道巡视探测和抵近详查能力。继2014年7月成功发射2颗GSSAP卫星后，美国空军于2016年8月又发射了2颗GSSAP卫星。这些卫星日常运行在地球同步轨道附近，利用与地球同步轨道的相对漂移进行轨道扫描，对目标进行探测、编目和精确侦察，必要时能通过轨道机动抵近地球同步轨道进行侦察，获取目标高清图像。2015年，2颗GSSAP卫星退出测试模式，根据用户要求观测地球同步轨道上的特定物体并提供了高度符合要求的观测图像。

局部空间自主导航与制导试验卫星：是能够自主伴飞在己方高轨卫星周围的护卫小卫星，具备实时连续威胁告警、攻击防御和受损评估等功能。美空军于2014年7月和2016年8月分别发射了第1颗和第2颗ANGELS卫星。这些卫星进入预定地球同步轨道后，从“德尔塔”-4火箭上面级上释放，并以上面级为目标进行逼近、绕飞、悬停等操作，测试星上导航系统和态势感知载荷性能，评估卫星自主探测、跟踪、监视空间目标并掌握目标特性和活动意图的能力。

天基空间监视卫星：拥有较强的轨道观测能力，具有重复观测周期短、全天候观测等特点，能够大幅提升美国对深空物体的探测能力。美空军于2010年9月成功发射首颗SBSS卫星，并计划在2021年前以3颗小卫星组成的星座替换目前在轨运行的SBSS卫星，但在2016财年预算申请中计划加快SBSS后继卫星星座交付时间，以缩短首颗SBSS卫星2017年寿命结束后深空物体探测能力的空档期。

“星历可精调天基望远镜”：全面运行后将极大提升深空微小目标探测能力和定位精度。目前，美国已发射3颗验证星，最终将构建由18颗太阳同步轨道“立方体”纳卫星组成的星座。系统全面运行后，将搜索整个空间、及时探测深空微小目标，低轨目标定位精度有望从目前的1000m提高到100m，最大限度缩小低轨与深空盲区。

进攻性空间对抗装备发展现状及水平

进攻性空间对抗装备体系

美国进攻性空间对抗装备体系主要有核反卫星武器、动能反卫星武器、定向能反卫星武器和空间机动与操作装备。

典型进攻性空间对抗装备

核反卫星武器：发展最早且具备实战能力，但由于会产生大量空间碎片未进一步发展。美国于20世纪60年代末至70年代发展了核反卫星导弹，利用“奈其-宙斯”反弹道导弹和“雷神”中程弹道导弹进行了反卫星试验，验证了其作战能力。由于核反卫星武器在摧毁敌方卫星的同时也会威胁本国卫星的生存及工作环境，美国在成功验证核反卫星效果后停止发展该类武器，于70年代末转向研制常规动能反卫星武器。

动能反卫星武器：已具备全平台实战能力，发展重点转向软杀伤技术应用。美国于20世纪70年代至90年代发展了动能反卫星武器，在机载、地基、天基等平台都成功进行了试验。2004年，美国通过“应用空间对抗技术计划”，正式启动基于动能杀伤飞行器的软杀伤技术研究，开启了非摧毁性甚至可逆的反卫星阶段。

定向能反卫星武器：主要包括微波反卫星武器、激光反卫星武器和粒子束反卫星武器，其中微波反卫星武器、激光反卫星武器技术成熟度较高，粒子束反卫星武器尚处于实验室可行性验证阶段。

微波反卫星武器已实战部署。近年来，美国通过空间控制技术专项计划和空间对抗系统专项计划研制了先进的卫星通信链路电子干扰武器——“反卫星通信系统”，自2004年开始至少已部署7套CCS系统，具备一定作战能力。

激光反卫星武器按照载体不同可分为地基、空基、天基激光反卫星武器，总体仍处于关键技术攻关与技术验证阶段，但地基激光反卫星武器已具备实战能力。地基激光反卫星武器方面，美国于20世纪90年代初启动研究，目前已研制出兆瓦级的化学氧碘激光器和氟化氘化学激光器，并建成了2台带自适应光学系统的武器级反射镜，口径分别为3.5米和3.67米，具有相当的地基激光反卫星作战能力，可对1500km高度以下中低轨道卫星造成一定程度的损伤。空基激光反卫星武器方面，美国发展的“机载激光器”系统主要用于对助推段导弹进行拦截，但同时也具备反卫星潜力。2010年，ABL首次对处于助推段的液体燃料弹道靶弹进行了成功拦截，验证了其反应速度、精度和拦截能力，目前该项目已中止。天基激光反卫星武器方面，美国于1999年出台了天基激光器演示综合飞行试验（SBL-IFX）计划，但由于技术难度大且需求不紧迫，该计划于2002年10月终止并定位于技术发展阶段。此外，为了扩大激光反卫星武器的攻击范围、减少大气影响和对地面设施的依赖，美国还研制了激光中继镜，并与机载、地基高能激光器配合使用，目前已成功进行多次试验。

粒子束反卫星武器仍处于实验室可行性验证阶段。美国于20世纪70年代制订了开发粒子束武器的“跷板”计划，并于1981年设立“定向能技术局”以推进开发粒子束武器和激光武器，但限于发射能量等技术难题，粒子束武器尚处于实验室可行性验证阶段。

空间机动与操作装备：近年来，美国以民掩军发展了可重复使用轨道机动飞行器、自主接近交会小卫星、自主在轨维护装备等空间机动与操作装备。这些装备平时可用于清除空间碎片、在轨燃料加注和在轨维修，战时可用作空间攻防装备，通过射频、激光、电子干扰等手段对空间合作与非合作目标实施软杀伤，通过碰撞、捕获等手段实现硬杀伤。

X-37B是典型的可重复使用轨道机动飞行器，2010年4月以来已成功进行过3次在轨飞行试验并具备反卫星能力。目前正在进行第4次在轨试验，预计进行霍尔电推力器性能试验和NASA领导的先进材料研究等两项试验。前3次飞行试验主要用于平台及有效载荷技术验证，并对空间机动能力、空间操作能力与空间监视能力进行验证。

以“实验卫星系统”和“微卫星技术试验”卫星为代表的自主接近交会小卫星成功验证了轨道机动技术，可识别、跟踪、接近并摧毁目标卫星。

以“凤凰”计划为代表的自主在轨维护装备再升级，“蜻蜓”项目、“机器人燃料加注任务”“蜘蛛制造”空间制造系统等项目相继启动。“凤凰”计划由DARPA于2011年启动，继承了“轨道快车”等在轨服务技术试验成果，同时又有重大创新。它将在轨服务技术从低轨道扩展到高轨道、从合作目标扩展到非合作目标、从单机械臂扩展到多机械臂、从简单捕获扩展到精细操作、从单项技术演示扩展到系统集成。

“蜻蜓”项目于2015年8月由DARPA授出，是对“凤凰”计划的进一步延伸和拓展，将大幅提升卫星通信能力和机械臂在轨操作技术，具有潜在的地球同步轨道卫星硬杀伤能力。“机器人燃料加注任务”（RRM）用于验证在轨低温燃料补给技术与卫星内部监测技术。“蜘蛛制造”系统将改变以往航天器各部件建造和装配均在地面进行的模式，实现航天器各部件在轨建造和装配，预计未来十年将能够在轨建造大型天线、太阳能电池帆板等。

防御性空间攻防装备发展现状及水平

防御性空间攻防装备体系

美国防御性空间对抗装备体系主要包括采用空间威胁探测技术、数据链路防护技术和本体防护技术的航天器。快速发射飞行器也是防御性空间对抗装备的重要力量，将有效提升航天器的生存能力。

典型防御性空间攻防装备

空间威胁探测装备：主要发展了对核爆、定向能攻击的探测装备及技术。如“全球定位系统”卫星装有核爆探测器、X射线探测器、放射量测定仪、电磁脉冲探测器、γ射线探测器等。此外，美空军于2012年部署了“快速攻击识别探测报告系统”。RAIDRS是一个由地基与天基传感器、信息处理系统、报告体系组成的全球网络，在空间系统受到攻击时可以向美国军方决策者提供关于攻击性质和来源的近实时动态信息，进行攻击告警和威胁识别，并快速评估攻击活动对空间系统任务的影响。

数据链路防护：数据链路防护的重点是防信息攻击和抗干扰。防信息攻击主要采用加密、使用专用数字接口等技术。加密是指通过某种算法伪装数据以隐藏其内容。美国军事卫星目前使用基于专用集成电路的卫星遥测、跟踪与控制用加密、解密设备。专用数字接口技术就是在地面站与每颗卫星之间使用专用的数字接口来保护遥测、跟踪与控制链路，使侵入单颗卫星的攻击方难以控制整个卫星编队。

抗干扰主要包括限幅、扩频、抗干扰天线、星上处理、干扰信号消除等技术措施。比如，美国“军事星”采用窄带、宽带的扩频、跳频以及多重扩频技术；美国国防卫星通信系统的多波束天线含19个发射波束和61个接收波束，能够根据敏感器探测到干扰源位置并使天线在干扰方向的增益为零。

近年来，DARPA发布“卫星间通信链路”项目以研发有效的“立方体”卫星通信方式，解决链路的稳健性、链路在面临干扰或敌方拒止时的潜在易损性等问题，提供低延迟、可长期生存和抗干扰的通信服务，使高性能通信卫星系统具备抗毁、抗干扰、抗截获能力，满足战术应用中对于近实时数据的需求。

航天器本体防护：航天器本体防护主要包括高轨部署、分散布置与在轨备份、抗辐射加固、激光防护膜加装、“分散式体系结构”等。其中，“分散式体系结构”理念近年来得到快速发展。

2015年4月，美空军表示“分散式体系结构”只是空间防护的手段之一，仍属于被动防护，必须发展更为多样化的手段。多样化的空间防护更强调发展主动防护能力，保障空间系统在任何时候均可以应用。

目前，“先进极高频”通信卫星系统与“后继型气象卫星”系统已被要求采用“分散式体系结构”，下一代预警卫星和侦察卫星正开展分散式概念论证。同时，多种主动防护能力建设重新获得关注，如要求所有重要卫星具备轨道机动能力、推进卫星通信干扰源探测技术研发等。

快速发射飞行器：近年来，DARPA正在开展以“试验性空天飞机”项目和“机载发射辅助空间进入”项目为代表的快速发射飞行器研制。XS-1项目旨在设计一种可重复使用的高超声速无人飞行器，携带并在低地球轨道部署质量为1300～2300kg的卫星，单次发射成本低于500万美元。XS-1将采用可重复使用的第一级，使其能以高超声速飞行至亚轨道高度，采用一个或多个一次性上面级，与第一级分离后将卫星部署到低地球轨道。ALASA项目旨在设计一种机载发射系统，使用低成本、一次性上面级从常规飞机上快速发射质量约为45kg的微小卫星，单次发射成本小于100万美元。这些飞行器将实现72h内小型卫星补网发射，能够有效提升空间系统生存能力。

随着世界各国航天事业的快速发展，空间争夺日趋激烈。美国采取多种措施强化空间能力建设，空间攻防装备快速发展。其中，空间态势感知装备注重构建天地一体的空间态势感知体系，高轨监视能力不断增强，定位精度和探测精度持续优化。进攻性空间对抗装备依托空间在轨操作、空间机器人维修、空间碎片清除等隐蔽手段，多途径发展空间攻防对抗技术，实现软杀伤和硬摧毁手段同步发展。防御性空间对抗装备强调卫星主动防护与被动防护协调发展，以提升对抗环境下空间装备的体系抗毁与任务持续保障能力。

（作者单位：中国航天系统科学与工程研究院）