失控卫星是美国导弹防御系统第一次实战

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   最近，关于美国将击落一颗失控间谍卫星的消息传得沸沸扬扬。美国在去年12月已经开始研究如何处置这颗失控卫星，今年1月份舆论开始爆出美国计划摧毁并击落这颗失控卫星。一些未经证实的消息甚至称，美国已经在新墨西哥州用高能激光对这颗失控卫星进行了一次拦截，但因设备出现故障而导致任务失败。目前，美国已经通过常驻联合国裁军谈判会议代表，正式向日内瓦向裁军谈判会议通告了击落失控卫星的计划。美国计划派遣三艘装备“宙斯盾”系统的军舰，部署三枚“标准”3型防空导弹（SM-3），在2月底或3月初尝试进行拦截。根据最新消息，第一次拦截可能在2月21日进行。这三艘军舰分别是装备全套海基反导系统的提康德罗加级导弹巡洋舰“伊利湖”号，负责提供卫星轨迹的“德凯特”号导弹驱逐舰和提供支援的“拉塞尔”号导弹驱逐舰。
   2006年12月14日，这颗代号为NROL-21/US-193的失控卫星（北美防空司令部编号29651，国际编号2006-057A）由德尔塔II型运载火箭从范登堡空军基地发射升空。但太阳能电池帆板因故障未能张开，此后与地面控制人员失去了联系。需要指出的是，很多报道中对此颗卫星的用途描述得含混不清。实际上，这是一颗新一代的雷达成像侦察卫星，安装有E-305“增强成像系统”（EIS），为美国国防部和中央情报局提供高情报，是美国国家侦察办公室（NRO）的“未来成像体系”（FIA）计划，该计划是“美国成像和天地情报系统”（USIGS）建设的重要组成部分。FIA面向美国未来数十年的太空侦察需求，重点缩短了图像回传的时间间隔，非常有利于支援作战行动，并能应对恐怖主义、跨国犯罪等非传统安全威胁。该计划由两部分组成，一部分是洛克希德公司的光电成像卫星，另一部分是波音的雷达成像卫星，也就是US-193。


US-193将用于替代“长曲棍球”、“织女星”、“缟玛瑙”等型号的侦察卫星。按照原先设定，US-193将运行在近地点351千米、远地点367千米、倾角58.5度的近地轨道上，绕地球一周只需92.9分钟。US-193的具体重量仍然是保密的，一些报道精确地称其重量达到2270千克，而另一些则说要超过10吨。发射US-193的德尔塔II型运载火箭能够将3300千克的载荷运送到90度倾向的太阳同步轨道上，该轨道高度近似于US-193，由此也可以大略推测US-193的重量。相比美国其他侦察卫星，US-193实际还是相对较轻的，这是因为在FIA计划中，强调采用先进技术，以便将紧凑高效的侦察设备搭载在较小的卫星上，从而显著降低部署和使用成本。


不过3吨左右的卫星，坠入大气层后不一定能完全烧毁，有坠落在人口密集地区的可能。美国表示，卫星可能坠落在南北纬58.5度之间的任何地区。而且为进行姿态控制和轨道补偿，星上还携带有一些有毒的联氨推进剂，可能对地面造成污染。虽然造成损害的可能性是存在的，但并不需要太过惊恐，至于某些报道称卫星可能坠毁在波兰，则有些借机故意编造新闻的嫌疑了。其实历史上有不少比US-193大得多的航天器坠落大气层，其中就包括大家非常熟悉的美国“哥伦比亚”号航天飞机和俄罗斯“和平”号空间站，两者重量都达到了数十吨。1978年坠落的美国“太空实验室”，甚至重约78吨，被认为是美国航天史上最大规模的航天器“自行坠落”事件。


毫无疑问，最需要为卫星残骸担忧的也是国土面积广大的那些大国，例如俄罗斯、加拿大、中国、美国、巴西、澳大利亚、印度。当然地球对于航天器来说实在太大了，而且70%由海洋覆盖，一般能够保证安全坠落。少量有毒物质经过大气加热燃烧，残留量已经不多了，经过海水充分稀释危害更小。其实航天器及其运载工具在起飞阶段失事的危害更大，因为不少运载火箭携带有数百吨有毒推进剂，中国的“长征”系列和俄罗斯的“质子”系列运载火箭都属于这种类型。即使正常发射，运载火箭第一级关机脱落后也要自由坠落，它们完全可能残留有毒推进剂，而且没有再入大气层的燃烧“消毒”过程。不过还是需要指出，US-193作为“一升空就失控”的卫星，与寿命到期的航天器是有明显不同的，星上推进剂估计完全没有被用掉过，这才是真正值得担忧的。


但包括一些国外媒体在内的许多评论者认为，美国冠冕堂皇的说辞背后隐藏了另两个不可告人的动机，其一是防止美国尖端的侦察卫星技术落入别国之手；其二是借机进行反卫星试验，显示太空作战能力。前一种动机在逻辑上并不那么占得住脚，由于卫星坠落大气层过程中会产生高热，大部分都会被烧毁，加上残骸散布区域广大，甚至遍及数个国家，要想靠收集残骸来获取美国的绝密技术几乎是不可能的。更重要的是，太空侦察技术牵涉面非常广，就算拿到少量破损极其严重的残骸，也基本上属于盲人摸象。而且世界上具有制造和发射军民用卫星的国家也就那么屈指可数的几个，却未必有那么幸运能获得卫星残骸。


相比之下，后一种动机合理成分相对要高得多，但仍不能说百分之一百准确。在笔者看来，与其说美国借机进行反卫星试验，还不如说美国利用这一特殊情况，提升反导系统试验的难度级别。当然，拦截行动也从侧面暗示了美国反卫星能力，同时又不表现得那样简单粗暴，以尽量避免被指责为将太空军事化的，在外交上陷入被动境地。


美国的反卫星手段


在冷战期间，美苏双方都进行过不少反卫星武器试验。作为世界上航天能力最强的国家，美国并不需要主动展示其拥有的反卫星能力。况且仍在服役中的航天飞机也有能力在低轨道上捕拿或破坏敌方卫星，只是军事上不需要、政治上不必要、经济上不核算。


近年来，美国一直致力于研发空间对抗武器装备，其中用卫星反卫星则是一项传统技术。近年来，美国在“自动交会技术验证”（DART）、“实验卫星系列”（XSS）、“近地红外试验”（NFIRE）、“微卫星技术试验”（MiTEx）等项目下，开展了大量反卫星技术研究，但没有现成的拦截工具可供使用。而且此次拦截的基本任务是避免解体卫星残骸坠落在人口稠密地区，用卫星反卫星尽管碎片若干年后最终也会再入大气层，但毕竟会有很长的留轨时间，对其他航天器造成了威胁，这种手段明显是不使用的。


此外，激光反卫星武器也深受美军重视。其中“机载激光器”（ABL）已经相当接近于试用，美国空军已改装了一架波音747-400F充当ABL的平台。美国还在大力开发陆基反卫星激光武器。另外，美国正积极研究“空天中继镜系统”（ARMS），由飞艇、长航时飞机或空间飞行器搭载，与陆基、空基和海基高能激光器配合使用，摧毁弹道导弹、卫星等目标，在2006年7月成功进行了原理试验。目前，美军主要还是倾向于使用高能激光器对处于助推段的弹道导弹，或者对飞行高度和速度都较低的火箭弹施加拦截，在拦截过程中激光束照射目标表面，将导致对方外壳破裂从而失控或解体。高能激光照射可以导致卫星致盲和损毁，但并不能将卫星直接打入大气层，因此也不能实现拦截的初衷。


在目前正在研发的各种反卫星技术中，陆军主导的“地基动能反卫星武器”（KEASAT）与此次准备采用的“海军全战区防御系统”（NTW）在技术上最为接近，都采用动能拦截弹。但是该项目却命运多舛，其根本原因是因重视程度降低而导致的资金和管理不到位。2004年陆军重启该计划，并改称为“反外空应用技术”（ACT），主要进行飞行试验和半实物仿真试验，今年3月31日ACT计划完成的时间节点。但是考虑到美军陆军和海军长期的门户之见，此次卫星拦截行动采用ACT的可能性很小。美国这次考虑使用海基反导系统拦截失控卫星有其合理性。最突出的因素就是部署方便，可以在公海上执行拦截任务，政治上的限制很小，而且相比陆基拦截系统还拥有大得多的拦截范围。
   大气层内还是大气层外

此次对失控卫星的拦截究竟是在大气层内还是在外太空，这是很多人所关注的。SM-3的LEAP动能战斗部全称是“外大气层轻型射弹”（Lightweight ExoAtmospheric Projectile），但这个定义十分明确的术语在国内却普遍被误译为“大气层外轻型射弹”，两者仅一字之差却有质的区别。大气层实际上有狭义和广义之分，狭义的大气层仅指稠密大气，从内到外通常涵盖对流层和平流层，有时也包括平流层以上到距地面85千米的中间层。美国航空航天局（NASA）将高度80千米以上的飞行活动都算作航天，但这并不意味着已经完全飞出了大气层。中间层以上到距地面500千米的大气称为热层，该层随太阳活动有很大变化，很难确切地指出这一高度的位置。在热层之外则是前面提到的外大气层，无论是密度还是温度都与太空十分接近。LEAP的最大拦截高度可以达到500千米高空，差不多摸到了外大气层的下界，故而得名。LEAP的拦截高度区间实际仍在内大气层中，这种模糊性为美国的拦截行动在政治上具有灵活性。

根据民间天文爱好者的观测，US-193在1月22日的运行轨道近地点为271千米，远地点为282千米，当时平均每日高度降低约0.7千米，但下坠速度正在重力加速度作用下逐渐加快。如果以2月21日为首次拦截日期，保守估计卫星高度也已在250千米以下。到2月底或者3月初失控卫星高度势必更低，估计将在120-160千米左右。这也是返回式航天器开始再入大气层过程的通常高度，也是过去几次SM-3导弹试验设定的拦截高度。

拦截过程中时机仍然是第一位的，要看下坠速度、再入轨迹、卫星姿态、星体温度（红外特征）等关键参数，然后再综合判定出碎片散布面积。2003年哥伦比亚号航天飞机解体时，碎片散布带长达190千米，这颗失控军用卫星尽管比大多数民用卫星大，但比航天飞机尺寸仍然要小得多，碎片散布带将不会有上次那么大。如果在西太平洋上空卫星已经解体，那么卫星碎片可能在进入美洲上空前就已坠落在太平洋中。但如果此时卫星并未解体，而其高度低于某个临界值，速度高于另一个临界值，那么卫星就有可能在陆地上空解体。在这种情况下便有必要用动能战斗部直接碰撞的方式，促使失控卫星在再入稠密大气层时，在安全高度和安全空域上提前解体。


可能的拦截过程

如同前面所反复强调的那样，NTW是为反弹道导弹设计的，主要针对弹道导弹飞行的中段，但对处于助推段末期的弹道导弹也有拦截能力。NTW随“宙斯盾”舰前沿部署，其助推段拦截能力对拥有弹道导弹的国家显然是某种威慑，比如位于西太平洋的中国。按照NTW拦截过程设定，一般由通过部署在地球同步轨道上的“国防支援计划”（DSP）红外预警卫星系统，侦测来袭弹道导弹助推过程中的高温尾焰，并将所获取的目标信息传送到地面站，经汇总处理后大致判定导弹发射点与落点。这些预警信息将被传送给“宙斯盾”战舰上的作战管理与指挥控制系统，然后启动“宙斯盾”AN/SPY-1E相控阵雷达搜索、捕获和跟踪目标。作战管理与指挥控制系统会制定交战计划，自动为SM-3拦截弹装定目标数据。

AN/SPY-1E相控阵雷达专门为探测和跟踪弹道导弹进行了改进，允许以更高的仰角工作，并能接受DSP卫星数据。为对抗低可探测性弹头，可能采用特殊的控制程序，将一定距离内（舰艇至大气顶层倾斜距离）的回波全部滤除，从而可以接受大气层外返回的低强度回波，提高对隐身目标的探测能力。不过在功率、探测距离、分辨率、波束宽度等方面，工作在S/C波段的AN/SPY-1E与海基X波段雷达（SBX）差距极大，不足以在远距离同时跟踪多个目标，在来袭弹头采用隐身技术的情况下尤其如此。

SBX重达2000余吨，共有69632个多频收发模块，雷达圆顶可以旋转，安装在一艘海上石油钻井平台，可以在海上自由航行，母港设在阿拉斯加州阿达克岛。此次对失控卫星的拦截属于单目标拦截，但是在进行首次拦截后可能出现多块碎片，正符合SBX的应用特点。不过，SBX最初是为陆基中段防御（GMD）设计的，作战人员无法在此之外的其他交战中部署SBX。从2006年开始，美国对SBX进行接口改进，使之能用于多层空基、地基和海基导弹防御中。是否能够用于此次拦截，完全取决于接口改进的程度。

SM-3拦截弹采用垂直发射，第一级助推火箭工作大约9秒钟后关机并分离；第二级助推火箭工作大约40秒后关机并分离，把LEAP动能战斗部推送到指定高度，并加速到预定速度。第三级双脉冲固体助推火箭。首先进行第一次脉冲点火，工作时间大约为10秒，然后抛掉头锥；接着进行第二次脉冲点火，工作时间也大约为10秒，并对LEAP的导引头进行校准。第三级助推火箭分离后，LEAP立即用长波红外导引头探测、跟踪、识别目标，确定瞄准点；在制导系统的控制下自主寻的，最后通过直接碰撞拦截并摧毁目标。本次对失控卫星的拦截与上述过程理论上并无本质差别，但可能需要调用NASA和北美防空司令部对近地轨道的全球监控，事先对失控卫星的下坠轨迹进行预估，因为DSP很可能无法探测到红外特征很低的失控卫星。

举手之劳还是难于登天

多年前当“战区导弹防御”（TMD）和“国家导弹防御”（NMD）两项计划启动时，人们将拦截高速来袭的弹道导弹比喻成“子弹打子弹”，在早期的多次拦截试验中也确实是失败得多、成功得少。但是在近年的拦截中，无论是陆基拦截还是海基拦截成功率都有了明显提高。与导弹弹头相比失控卫星尺寸大得多，但失控卫星从以第一宇宙速度（7.9千米/秒）环绕地球的轨道上脱离，其再入速度要更高。据称美国已对参与拦截行动舰只的雷达和火控系统进行了修改，以跟踪比弹道导弹速度更快的目标。尽管包括美国在内目前尚未有国家部署“轨道轰炸系统”（FOBS，即将弹头再入装置直接部署到轨道上），不过对失控卫星的拦截行动将为拦截从近地轨道上发射的弹头提供验证。

去年12月，日本导弹驱逐舰在太平洋上用一枚SM-3 Block IA，拦截了从夏威夷发射的弹道导弹，该弹也将是本次拦截行动会采用的导弹型号。SM-3是在负责低层反导的SM-2 Block IVA基础上开发的，除采用LEAP动能战斗部外，还带有新的头锥和双推力第三级固体火箭助推器。新研制的第三级有两种功能：提供附加速度和减少距离误差，以使动能弹头能拦截目标；利用上行链路提供的目标状态和GPS提供的自身状态制导修正航迹，即指令修正加GPS制导。LEAP动能战斗部重量仅18.5千克，拥有三轴稳定，但依靠高速飞行能产生巨大的动能。LEAP拥有全面加密的数据下行链路能力，固体轨控姿控推进系统的末段变轨能力大于3千米。

SM-3 Block IA是SM-3系列的第一种型号，只有单色导引头，要到Block IB型才会引入双色导引头。这种单色导引头采用256x256像素焦平面阵列，理论上对战术弹道导弹捕获距离超过300千米。由于失控卫星已经停止工作，星体的红外特征可能较来袭弹头小，对导引头工作效能是个不小的考验。但是从另一个角度考虑，随着反弹道导弹技术的日益成熟，弹道导弹突防技术也在迅速发展，其中之一便是对弹头采取强制冷却，以降低其红外特征，此次拦截行动将检验反导系统对低红外特征目标的识别和拦截能力。

另外，Block IA和IB这两个型号动能战斗部（KW）尺寸都偏小，末端机动性也有待进一步提高，要到Block IIA型上才采用21英寸的新助推器，到最终的Block IIB型上才能有升级后的大直径动能战斗部。这两个美日两国联合研制的发展型要至少等到2010年后，而此次拦截的失控卫星飞行速度快、再入质量大、姿态变化多，战斗部撞击后能否产生足够的动能值得关注。根据预定的拦截计划，美国海军最多会进行三次拦截，每次只使用一枚导弹，当中间隔一至二天时间来评估拦截效果。一旦拦截后出现出现多块大小不一的碎片，其情形将类似于带诱饵欺骗的多弹头拦截，需要从中进一步识别出威胁最大的卫星残骸进行再次拦截，这对反导系统又是一项重大考验。

综合来看，美国所采取的这种卫星拦截方式，相对于中国击毁风云气象卫星的方式，难度只高不低，尽管后者飞行高度高得多。作为能够发射载人飞船和月球探测器的航天大国，中国有能力将航天器精确部署到某条预设的轨道上，去撞击目标卫星。但目前有能力对弹道导弹不同飞行阶段都进行拦截的却只有美国，这充分说明反导技术难度未必在反卫星技术之下，甚至有过之而无不及。这很大程度上是由于，正常飞行的卫星其轨道是固定的，不仅可以推算和跟踪，而且有足够时间进行准备。与此不同，每一枚来袭弹导导弹的弹道却不固定。一次轨道拦截，使目标卫星实效即高成功，将卫星完全摧毁则将造成大量碎片，并长期停留在轨道上威胁其他航天器。美国的这次行动，成败与否不仅取决于能否命中目标，更取决于碎片能否在大气层中燃尽，或者坠落在安全区域内。具体结果如何，我们将拭目以待。