天基激光反卫星系统研究进展

2019-10-14冀巍吕一雷

西部论丛 2019年33期

关键词：天基

冀巍吕一雷

摘要：随着空间技术的快速发展，空间攻防技术由于其可直接或间接地提升军事作战效能而日益被各国所重视。作为空间反卫星技术的重要分支，天基激光反卫星技术也因此得到了长足的发展。本文首先对天基激光反卫星系统的基本情况进行了概述，随后综述了国外在天基激光反卫星系统方面的发展概况，并归纳了技术特点。最后，给出了我国天基激光反卫星技术的发展设想。

关键词：反卫星技术;天基;激光武器

1 前言

随着空间技术的发展和太空战略地位的提高，太空已经成为各航天大国竞争的焦点。美、俄两国关于反卫星系统方面的研究工作开展最早，且体系相对完备。在冷战时期，两个超级大国更是为了打赢太空战，研究了各种类型的反卫星武器。由于激光技术具有射击精度高，无后坐力，反应速度快，特别是对高速移动目标（如卫星）射击效率很高，能量密度可调，太空中的射击距离远等优点，使得天基激光反卫星武器更是得到了广泛的研究和应用。

2 天基激光反卫星技术概述

2.1 反卫星技术概述

目前，美、俄两国的反卫星技术方式主要包括“软”、“硬”两类。“软”方式是通过破坏敌方卫星的传感器、通信设备、通信链路、太阳能电池板来毁伤目标，使卫星暂时失效、工作性能降低或者彻底瘫痪，主要依靠电子干扰设备干扰卫星的通信链路、激光束能武器干扰卫星光学系统等。“硬”方式是通过攻击性武器的实体直接撞击从而达到摧毁卫星的目的，硬毁伤通常是不可逆的。研究表明，目前美、俄主要的反卫星技术有以下三种[1]：

（1）定向能武器

定向能武器是利用激光束、粒子束、微波束、等离子束、声波束的能量，产生高温、电离、辐射等综合效应，采用束的形式发射，用以摧毁或损伤航天电子对抗设备的武器系统。同其它武器相比，定向能武器对电子设备有着更加独特的杀伤优势：它具有强大的“聚能”功能，可将能量聚集成强束流，并利用电磁能代替爆炸能，击中目标后，可瞬间将目标内部的电子器件摧毁。

（2）动能武器

动能武器是指用于摧毁卫星及其它航天器的反卫星导弹。通常，导弹由地面或者飞机发射，寻的拦截器与发动机分离后，通过长波红外探测器可探测到几百千米外卫星发出的红外辐射，经计算处理后由周围的小型火箭发动机控制其飞行弹道，自动跟踪并导向目标，最后以十几千米每秒的相对速度与目标碰撞，将目标击毁。

（3）反卫星卫星

反卫星卫星包括共轨式反卫星卫星和灵巧伴星卫星。共轨式反卫星武器是将杀伤卫星发射到与目标卫星几乎相同的轨道上，在接近目标后根据地面指令引爆战斗部，将目标卫星摧毁。灵巧伴星反卫星武器系统由寄生星、母星及运载器、地面测控指挥系统三大部分组成。寄生星平时寄附在敌方卫星上，战时才启动发挥作用。

2.2 天基激光反卫星武器系统概述

天基激光反卫星武器，是把激光器与跟踪瞄准系统集成到卫星平台上而构成的一种部署在空间的定向能武器，作战目标为军用卫星平台等。天基激光反卫星武器系统是一个复杂的大系统，它是以宇航技术、激光技术、高精度驱动与伺服控制技术以及光机电热一体化技术等为基础，以军事理论为指导，众多新领域、新技术相交汇与融合的产物。其主要包括以下三个子系统：

（1）预警子系统

由各种侦察预警设备组成，其作用是通过各种侦察手段，不间断地覆盖空域，组成一个“天网”，对敌方各种卫星进行不间断的识别、观测，为反卫星武器系统提供空间目标的预警和情报。

（2）指挥子系统

由相关指挥人员和指挥系统组成，主要用来收集、处理预警子系统获得的情报信息，对敌方卫星进行编存目标参数，发出指挥、控制指令，组织、控制各种反卫星武器适时、准确、无误、迅速地摧毁或致盲敌方卫星。

（3）打击子系统

主要由天基激光反卫星武器组成，根据指挥子系统的作战指令，依靠激光定向能手段，对敌方卫星实施攻击，以达到摧毁或致盲敌方卫星的目的。打击子系统中的激光武器分高能和低能器两种。高能激光器是应用波长1.06～10.6μm（以2.7μm和3.8μm为主）、连续功率1～10MW的激光辐射能束来摧毁目标或使之失效的一种定向能硬杀伤武器。低能激光器一般设计用卫星探测器通过波段的激光辐射（在相同的波段）欺骗或干扰卫星的电子-光学探测器，从而暂时使卫星的探测器致盲。

2.3 激光反卫星技术作用机理概述

激光反卫星技术，从其作用机理上，可以分成摧毁卫星平台、损伤光电探测设备、对探测器进行饱和干扰等三个方面[2]。

（1）摧毁卫星平台

摧毁卫星平台是指用百万瓦级激光器与光束控制和发射系统组成地基反卫星激光武器，摧毁卫星平台、太阳能电池等硬件。当激光武器的能量密度达到1000W/cm2时，能对卫星造成更迅速的破坏，导致卫星中高压容器破裂、太阳能电池板摧毁、表面热控材料破坏、卫星天线损毁等。采用3MW的地基激光器打击卫星时，对轨道高度为300km的卫星产生了大约250W/cm2的能量密度，几乎可以直接融化卫星上的光学玻璃;对轨道高度为400km的卫星所产生的能量密度就降为150W/cm2了;到轨道高度为1000km的卫星时，能量密度就降到了25W/cm2左右，仍然可以破壞光学探测器的性能。上面的分析并没有考虑大气影响的情况，此外，摧毁卫星平台所需要的能力通常很大，一般较适用于地基激光反卫星武器，对于天基激光反卫星武器，要摧毁卫星平台则具有较大的难度。

（2）损伤光电探测设备

损伤光电探测设备主要包括两个方面，一是损伤或破坏光电探测器;二是损伤或破坏光学系统。对卫星而言，光电传感器主要为0.5μm～0.8μm可见光/近红外CCD相机、2.5μm～3.3μm短波红外相机、3.5μm～4.5μm中波红外相机。其光电探测器破坏阈值为辐照度1W/cm2～10W/cm2量级。对于光学系统而言，当光学玻璃表面在瞬间接受到大量激光能量时，就可能发生龟裂效应，并最后出现磨砂效应，致使玻璃变得不透明。当激光强度达到或超过300W/cm2时，光学玻璃表面就开始熔化，光学系统立即失效。损伤光电探测设备所需要的激光能量要远小于摧毁卫星平台所需要的能量，因此，较为适宜天基激光反卫星武器采用。

（3）对探测器进行饱和干扰

和损伤光电探测设备的要求不同，对探测器的干扰只要求使其不能正常工作。凡是光电探测器件，都存在最大负载值，当照射激光超过最大负载值时，将发生强光饱和现象。对不同的光电传感器，强光饱和阈值也不同。以CCD图像传感器为例，当激光照射时，被光照射的区域达到了饱和，未被光照射的区域还有信号输出，但当光足够强时，整个探测器都处于饱和状态，对1.06μm激光，强光饱和阈值仅为100±10mW/cm2。此外，由于卫星上的红外探测器具有很高的灵敏度，因而对其干扰的功率要求也较低。

3 国外天基激光反卫星武器发展情况概述

反卫星（Anti-satellite， ATST）技术几乎是随卫星技术本身同步发展起来的。美苏在冷战期间就开始了反卫星技术的研究和应用工作，且在天基激光武器方面也进行了相当深入的研究[3-7]。

3.1 俄罗斯天基激光反卫星武器发展情况概述

前苏联既是最早把人造卫星发射到太空的国家，也是最早发展反卫星技术的国家。早在20世纪60年代，苏联就开始着手发展反卫星激光武器，部署的平台有地基、空基（机载）和天基[8]。前苏联在反卫星激光武器的开发上投人了大量资金，总开支达100多亿美元，是同期美国投人资金的9倍多。80年代美国增加了资金投入，但苏联投人的经费仍然是美国的3～4倍。

1981年，苏联在“宇宙”系列卫星、飞船和“礼炮”号空间站上进行了8次激光武器试验均获成功。1981年3月，苏联利用一颗卫星上的小型高能激光器照射一颗美国卫星，使其光学、红外电子设备完全失灵。80年代后期，苏联还在联盟号载人飞船上试验了氟化氢反卫星激光武器。从80年代末到年90代初，苏俄共进行了18次反卫星激光武器试验，11次获得成功。据报导，在太空轨道上俄罗斯有6个反卫星高能激光器在运行。苏联在反卫星激光武器的开发上投人了大量资金，总开支达100多亿美元，是同期美国投人资金的9倍多。80年代美国增加了资金投入，但苏联投入的经费仍然是美国的3～4倍。

前苏联解体后，俄罗斯使用激光实施空间对抗的能力受到很大削弱。1999年科索沃战争以后，普京总统正式批准了《2001-2005年俄罗斯武装力量建设计划》和《2001-2010年国家发展武器装备和特种技术纲要》。其中引人注目的是：俄准备将军事航天部队和空间导弹防御部队从战略火箭军中分离出来，由总参谋部直接指挥，它主要担负航天发射、卫星测控、卫星攻击、导弹防御等任务。随着俄罗斯经济实力的不断提高，以及在反卫星技术方面雄厚的基础，它在发展天基激光反卫星技术上的能力也是不容忽视的。

3.2 美国天基激光反卫星武器发展情况概述

美国是世界上发展激光武器最先进的国家之一，其通过地基、空基、天基以及车载、舰载等多种平台，对激光武器进行了广泛的研究和试验[9，10]。

自1960年美国制造出世界上第一台红宝石激光器后，许多部门纷纷研制各种激光反卫星武器[11]。19世纪70年代末，美国国防高级研究计划局就开始实施一系列有关天基激光武器的计划：“三位一体”的“阿尔法”（Alpha）计划，成功验证了百万瓦特级-柱型氟化氢化学激光器轨道飞行的技术可行性。“大型光学演示实验”（LODE）计划，成功验证了利用与自适应光学系统相耦合的输出波检测技术控制与瞄准激光束。“大型先进反射镜计划”（LAMP），成功验证适于在空间使用的4m直径多面组合轻质主反射镜的可行性。“金爪”（Talon Gold）计划，旨在验证捕获、跟踪与瞄准技术。1983年，美国开始实施包含天基激光武器的“战略防御倡议”（SDI）计划。1989年，天基激光器进行首次出光试验，输出功率百万瓦级，到1994年，此项试验已进行十多次，期间并行演示了激光器的近武器级的连续光波发射试验。天基星载激光反卫星武器是美“国防部高功率激光计划指南”的重点发展计划，总费用20亿美元。美军提出的最优方案是：在高度为1300km，倾角为40°，不同圆轨道上部署24个激光平台，每个平台能摧毁以其为中心、半径为4000km范围内的导弹和卫星。每个天基激光平台需由发射功率为30MW的激光器和直径10m的主反射镜组成。根据目标距离不同，天基激光系统可在大约2～5秒钟内摧毁飞行中的导弹。与反导相比，反卫星只需0.2MW的激光器和2.8m主反射镜，5个激光平台就可覆盖全球。

苏联解体后，美国为了保持军事上的优势，美国加快了在太空激光武器方面的发展脚步。1997年2月在试验场成功地进行了关键的AIPha激光器大型反射镜综合试验（ALI），表明天基激光武器地面综合试验获得成功。1998年底，签订价值为10～20亿美元合同，制造演示验证用高能激光器。2000年2月，美国弹道导弹防御局授予洛马-波音-TRW联合集团价值1.27亿美元的初始合同，进行天基激光器综合飞行试验，以确定在太空部署能摧毁卫星和处于发射段或助推段导弹的技术可行性。2001年1月22-23日，美国空军在科罗拉多州举行了代号为“施里弗-2001”的首次太空战演习。IFX验证实验成功完成后，天基激光武器计划转向实战系统的研制工作。2004年公布的“空军飞行转型计划”表明，空军转型的重点是发展太空武器[12]。在布什政府向国会提交的2007年国防预算中，有26亿美元用于太空武器。它们包括天基拦截弹试验台、近场红外实验、实验性航天器系统（XSS）、微衛星以及包括完全补偿向低轨卫星的激光传输在内的定向能研究[13]。在2006年5月初举行的国会听证会上，提交的空军预算文件中包括了正在进行的“先进光学和空间激光技术”计划。在美国空军航天司令部公布的2006年及以后的战略主规划（SMP）中，也把天基空间监视系统列入空间态势感知转型创新的重点发展项目。

天基激光武器是美国天战武器发展计划中最重要的武器系统之一，具有“硬”杀伤或“软”杀伤中低轨道及静地轨道卫星的能力。目前提出天基激光武器构成方案有两种，一种是由约20个天基激光武器组成的系统，另一种是由6各天基激光武器及千万个中继反射镜组成的系统。根据美国空军天基激光武器计划人员估算，部署由6个天基激光武器及12个中继反射镜组成的天基激光武器系统，所需费用为700亿～800亿美元。美国天基激光武器已经进入“一体化飞行试验”阶段。目前开展了星载高功率激光束拦截弹道导弹和攻击空间目标研究，计划在2013年进行在轨演示。美国空军认为，有可能在2018～2020年发射部署第一个实战天基激光武器。

4 天基激光反卫星技术的特点及发展方向

4.1 天基激光武器的技术优点

激光武器主要有三个特点：一是反应时间短、照射速度快、命中精度高。激光武器的照射速度极快，可达每秒30万公里，比普通枪弹快40万倍，比导弹的速度快10万倍，所以无需计算提前量，只要瞄准便可百发百中，命中率极高。二是辐射强度高，摧毁威力大。与常规武器不同，是激光武器靠强激光照射，通过烧蚀、气化武器装备的外壳来造成人员伤亡或电路故障。激光武器无后座力，只要有电源就能继续发射。三是无污染，不易受电子干扰，属于比较干净的新杀伤机理武器[14]。

与地基或空基相比，天基激光武器的优点是：

1、不需要大的泵浦能源，太阳能即能满足供电;

2、不需要考虑激光在大气传输中受湍流、折射、抖动及吸收、散射等因素的影响，不受自适应光学技术瓶颈的限制;

3、地面上成熟的激光武器技术可有效移植形成相对优势。

4.2 天基激光武器的技术难点

天基激光武器的发展也面临着一系列的技术难点，比如天基对地、天基对空高能激光器体积大、质量重、成本高等。天基激光武器不能像机载激光武器那样携带很多化学燃料入轨;精确发射要求更坚固、质量更轻的激光器;为扩大作用距离，需要面积更大、发射时可折叠的反射镜;除了携带红外搜索和跟踪装置外，还需要通过天基红外系统、地基与机载传感器获取信息;为实现全球覆盖，要在800km高的軌道上建立一个由30～40个激光器组成的星座。

但是，如果毁伤的目标不是弹道导弹或地面装备而是卫星，作用距离不是4000km，而是几百千米，几十千米，甚至只有几千米，那么天基激光系统的指标就不必那么苛刻。此外，卫星通常未设计有任何防护措施，且卫星都有一些薄弱环节，比如电缆、传感器、太阳能电池板、以及通讯天线、相机等载荷设备等，激光对这些设备的照射将破坏卫星的正常工作状态，甚至使卫星失效。

4.3 天基激光武器的发展方向

2011年，美国在空间战略报告中强调中国破坏性反卫星系统的导致空间碎片增加，严重影响卫星的轨道安全[15]。因此，我国有必要大力发展无破坏性碎片的反卫星技术。综上所述，我国还需要在以下几个方面对天基激光反卫星技术开展深入研究：

首先，需要发展天基空间目标监测系统、跟踪捕获锁定系统。发展天基空间目标监测系统，实现对所有区域的感兴趣轨道目标的探测、识别与定位，并给出目标信息来引导激光武器的精密跟踪系统，捕获、锁定目标，精确测量目标距离。由于外太空不同卫星间相对运行速度较快，需要大力发展跟踪捕获锁定系统的快速反应能力和准确性。

其次，需要发展轻型化、微型化和高效能激光武器。由于要考虑发射成本，天基激光系统需要在满足一定效能的同时，尽量做到轻型化和微型化。不但便于卫星的携带，也可便于卫星进行快速变轨。

第三，需要发展卫星快速变轨技术。在捕捉到目标后，为了有效对目标实施打击，需要进行多次变轨进行目标跟踪;在完成任务后还需要变轨逃离所在轨道。因此，卫星的推力矢量变轨技术需要进一步提高，以便适应不同的需求。

第四，需要深入研究天基反卫星的战术战法，以应对星座卫星等的多目标打击任务和区域覆盖能力。空间系统一般都是由多颗卫星组成的星座，其中一颗或两颗卫星失效，并不可能大幅度降低整个系统的性能，因此，需要选择合适的反卫星武器，探索能够对抗多星的反卫星方案。

第五，研究在外太空恶劣环境下，整个天基激光武器系统的性能保障。天基激光反卫星系统不像动能反卫星武器随用随发，它需要提前发射到制定轨道上运行、监测。因此，需要研究如何在恶劣条件下卫星仍能保持安全稳定运行的策略。

第六，研究隐蔽性。天基激光反卫星系统应该是在战时的一个杀手锏，因此其平时在运行时应具有一定的隐蔽性。无论是特殊的在轨位置和方式，还是隐藏于其他卫星中，也是我们需要考虑的一个问题。

第七，需要对天基激光武器的作战效能进行研究。一方面，评估天基激光武器针对不同打击目标的作战效果;另一方面，针对不同的打击目标，制定合适的打击策略，在提升作战能力的同时，提高效费比。

第八，开发新型反卫星技术，降低成本，提高准确度。为适应国际形势，我们还需要大力发展新型反卫星技术，不但有威慑作用，还可能起到意想不到的效果。

第九，需要开展对天基激光系统的和平利用研究。在非战状态，可以利用天基激光系统对一定规模的空间碎片进行清理，保证特定轨道的安全。

5 结束语

基于天基激光反卫星武器的发展现状，在相当长的时期内，其他国家无力与美国抗衡，为了保卫国家安全，遏制大国控制空间的能力，越来越多的国家将开始加入天基激光反卫星武器的研究。为了切实维护国家利益和国防安全，我国应当结合本国具体国情，对天基激光武器技术开展研究，积极发展和研制天基激光反卫星武器，一来可以谋求有效的对抗手段，保护我国空间资产的安全;二来可以争取早日具备有效的威慑与反击能力，达到维护国家主权和安全，和平利用空间的目的。

参考文献

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