国外航天装备与技术重大动向分析

2015-12-26李云陈萱中国航天系统科学与工程研究院

国际太空 2015年7期

李云陈萱（中国航天系统科学与工程研究院）

空间态势感知的主要任务是为太空攻防提供基础和保障，它包括探测跟踪和识别太空目标、监测太空环境、进行太空威胁告警和为太空攻击提供目标信息。为了强化太空控制能力，美国近期高度重视空间态势感知的能力建设，不但将空间态势感知提升为独立的太空任务领域，而且加快装备建设，提升指挥与控制能力，强化国际合作，多条腿走路，快速提升能力。2014年，美军多颗高轨空间态势感知卫星入轨，并继续研发立方体卫星与通用传感器技术，发展一体化指挥与控制能力，普遍加强与盟国的空间态势感知数据共享与能力共建，新型地基太空监视系统建造工作取得了实质性进展。

1 进入空间装备与技术重大进展分析

重大进展

（1）美欧再掀重复使用运载器发展热潮，继续推进多项发展计划

2014年10月，美国X－37B完成第3次飞行试验，在轨运行674天后安全着陆，在轨时间远远超过前两次。X－37B是世界上第1种重复使用垂直起飞、水平着陆，可执行在轨任务的无人军用空间机动飞行器。3次飞行验证表明，X－37B可长期在轨运行与变轨机动，但其载荷舱载重能力仅为227～270kg。据观测，此次飞行没有频繁变轨，轨道高度主要保持在350～410km，活动范围覆盖美国大陆、中东与亚洲地区，该高度范围是侦察卫星活动的理想高度。2015年, X－37B已开始进行第4次飞行试验。

2014年7月，美国国防高级研究计划局（DARPA）负责的试验型太空飞机－1项目开始进行初始设计，研制该飞机第1级飞回式重复使用火箭，计划2018年首飞，验证飞行速度为10Ma的带翼飞机。其外形尚未最后确定。

试验型太空飞机－1采用垂直发射升空，将一次性上面级投放至亚轨道后返回，上面级可把1800kg的有效载荷送入轨道。试验型太空飞机－1设计每年发射10次以上。

美国试验型太空飞机－1概念图之一

美国“追梦者”在跑道上完成滑翔测试

2014年9月，美国“追梦者”商用载人航天飞机完成关键高速风洞试验，以及“追梦者”与宇宙神－5运载火箭系统集成。“追梦者”为美国航空航天局（NASA）支持的可重复使用运载器项目，采用了20世纪70年代美国航空航天局兰利研究中心研发的航天飞机再入滑翔验证机HL－20升力体外形结构。“追梦者”设计搭载7名航天员，垂直起飞，水平着陆，计划2016年首飞。

2015年2月11日，欧洲航天局“过渡性试验飞行器”由“织女星”火箭发射升空，在约348km高度与火箭分离，然后继续爬升到413km高度后弹道式再入返回。它在亚轨道飞行共持续100min，最后在降落伞辅助下溅落在太平洋上，标志着“过渡性试验飞行器”任务圆满完成。该项目是于2004年启动的技术验证项目，旨在为欧洲发展新一代载人空间飞行器进行验证并获取宝贵的再入飞行关键技术。此前,“过渡性试验飞行器”已在低空进行了滑翔飞行试验。

2014年1月与10月，英国与美国合作发展的商用太空船－2亚轨道载人重复使用飞行器进行了第3、4次发动机飞行试验。第3次试验获得成功，太空船－2由白骑士－2载机运送到13.9km高度后与载机分离，随后太空船－2固液混合火箭发动机点火并持续工作20s，飞行高度为21.6km，最大飞行速度为1.43Ma。但在第4次试验中，太空船－2采用的新的固液混合火箭发动机惨遭爆炸而失败。太空船－2于2009年12月完成研制,是美国航空航天局“飞行机会”计划对商用重复使用运载器的资助项目。

欧洲航天局“过渡型试验飞行器”工作示意图

（2）俄罗斯新一代“安加拉”运载火箭与印度采用国产低温发动机的“地球同步轨道卫星运载火箭”首射成功

2014年7月和12月，俄罗斯先后成功进行了轻型“安加拉”运载火箭亚轨道飞行试验和大型“安加拉”运载火箭首发，使“安加拉”有望于2015年获得5.4t的地球同步转移轨道运载能力。“安加拉”是俄罗斯新一代无毒无污染运载火箭系列，将取代除“联盟”系列之外所有现役运载火箭。“安加拉”采用模块化、系列化、通用化设计理念，一共发展了4个系列多种型号，近地轨道运载能力2～35t，地球同步轨道运载能力2.4～12.5t。

2014年1月，印度利用“地球同步轨道卫星运载火箭”将1980kg的通信卫星送入预定轨道，这是印度国产低温发动机首次发射成功，印度自此成为继美国、俄罗斯、中国、法国、日本之后世界上第6个掌握低温火箭发动机技术的国家。低温火箭发动机技术还可用于发展洲际弹道导弹，所以多年来美俄一直限制向印度出口该技术，印度独立自主研制了20年，终于获得成功。

影响分析

（1）美欧重复使用运载器近年来呈现加速发展的趋势，2025年有望初步实用化，将推进空间作战飞行器实战化发展

21世纪以来，重复使用运载器又迎来了新的发展热潮。2001年12月，美国空军作战条令提出发展空间作战飞行器与空间机动飞行器。X－37B的3次试验获得成功，预示着美军将首先拥有技术相对成熟、采用火箭推进的空间机动飞行器。美国国防部一位高级官员曾非常露骨的表示，X－37B将成为“空海一体战”构想的关键组成部分，能够很好地把美军海空力量联接起来。美国空军航天司令部司令谢尔顿在2012年3月的一次会议上表示，目前两架不够，需要形成X－37B飞行编队。据分析，空间机动飞行器的应急侦察监视能力、空间操作能力与空间监视能力在3次试验中均获得验证。

空间作战飞行器的相关技术验证飞行器X－33/34在2001年下马后，美国军方和政府均没有发展技术型号验证项目。但由美国航空航天局通过扶植太空旅游用途发展的重复使用运载飞行器，同样也是军方获取空间作战飞行器技术的一条重要途径。按照目前商用载人航天飞机的发展情况，初步判断，在2025年左右由火箭推进、两级起降的中型重复使用运载飞行器有望初步实用化。

（2）俄罗斯与印度新型运载火箭试验成功，是俄罗斯航天复兴计划迈出的重要步骤，是印度自主发展洲际弹道导弹又一技术突破

俄罗斯高度重视新一代运载火箭“安加拉”的发展，1995年专门颁布了《关于研制“安加拉”火箭》的总统令，将其列为国家级重要任务。但俄罗斯多年资金严重短缺，使该系列火箭发展速度远远落后于美欧，经过20年才得以首射。“安加拉”系列运载火箭对俄罗斯意义重大，其运载能力覆盖范围宽，可从俄罗斯境内向不同的地球轨道发射各种类型的卫星，而且从研制到发射一律在俄罗斯国土上进行，不需要依赖原苏联加盟共和国。“安加拉”火箭成功首射无疑是俄罗斯航天复兴计划的重要里程碑。

印度低温发动机试验成功与其说是获得了地球同步轨道运载能力，不如说是其取得了朝思暮想自主研制洲际弹道导弹的突破性进展。首射成功，标志着印度成为掌握洲际弹道导弹核心技术的国家。

2 利用空间装备与技术重大进展分析

重大进展

（1）大容量、高保密性激光通信和量子通信等卫星应用创新技术取得重要进展

美国X－37B返回地面

美国利用新型激光通信装置成功从“国际空间站”向地球传送高清晰度视频，成功完成一种可能根本性改变未来太空通信的技术演示

2014年4月-9月，美国“月球大气与尘埃环境探测器”和“国际空间站”的“激光通信科学光学有效载荷”先后与地面站建立激光通信链路，传输速率分别达到80Mbit/s和50Mbit/s。前者可在8min内传输完一盘完整的DVD电影，后者可在3.5s内将175Mbit高清视频成功传回地面（利用射频通信需耗时10min多）。随后，美国出台全球首个采用激光通信的卫星系统方案，欲构建由12颗卫星组成的中轨道星座，传输速率预计达到200Gbit/s,比射频链路几乎提高100倍。

2014年6月，意大利开展自由空间量子通信试验，向太空发射了一批处于4个不同量子态光子信号，接收到5颗卫星反射回来的连贯的量子态光子信号。此次试验最远传输距离达2600km，创造了新的空间传输量子信息记录。早在2009年，意大利与奥地利就利用马特拉激光测距天文台向在1500km远的日本卫星发射并接受卫星返回的量子态光子信号。上述试验表明，空间和地球之间可以构建安全信息传输量子通道，可进一步构建高保密性与超大容量卫星通信网络。

（2）微小卫星技术呈井喷式发展，尤其是微纳卫星技术迅速成熟且应用范围不断扩大

截止2014年10月，全球各类小卫星发射数量达到151颗，再创纪录，占同期入轨卫星总数的68%。其中，微小卫星20颗，微卫星22颗，纳卫星107颗，皮卫星2颗。其中，业务型小卫星达到94颗，占已发射小卫星总数的63%。

美国“鸽群”纳卫星

2014年1-7月，美国成功发射67颗质量5千克级、分辨率3～5m的光学成像卫星，组成迄今世界上最大的对地观测卫星星座“鸽群”。“鸽群”主要收集赤道南北纬52°区域图像，并可覆盖世界大部分地区，还能有针对性地获取目标区域图像。未来一年，星座卫星数量将达到100颗左右，实现每天24h对全球地面目标实时成像。

影响分析

（1）卫星激光通信和量子通信等技术创新，着眼于未来支持美军一体化联合作战

卫星激光通信是承载超大容量信息，又具有高保密性的优选途径，美军自2003年就着手发展军用卫星激光通信技术，目的是在2020年前获得超过100 Gbit/s卫星激光通信能力，满足美军2020年联合作战对网络快速联通，以及对任务指令、战术光学与雷达图像传输时间小于1s等实时打击目标的需求。此次卫星激光通信成功试验是美军发展该技术的一个重要里程碑，预计2020年业务化激光通信卫星能够研制成功。空间量子通信是超大容量、高保密信息传输的一条新途径，目前还处于探索阶段。

（2）微小卫星高速发展将完全改变卫星使用模式，战术化常规使用是创新的根本目的

当前，微小卫星进入高速发展的时代，且技术日渐成熟。随着验证不断取得成果，业务星广泛投入使用，微小卫星应用显现出更大的空间。彻底改变以往卫星只是作为战略使用的局面，将战场战术支持常态化。微小卫星不仅解决了如“麦管看世界”等大卫星应用的瓶颈，而且能快捷地投入战场，支持基层官兵在瞬息万变的复杂战场态势下，开展微小战术卫星应急侦察与随机联通战场网络的战术使用，以夺取作战先机。随着批产能力形成，快速发射时间间隔进一步缩短，快捷部署数十颗甚至更大数量卫星星座及其对战区“按需”支持将成为常态，从而使卫星成为普通军需品，深刻变革卫星在局部战争中的应用模式。

3 控制空间装备与技术重大进展分析

重大进展

（1）美国继续修补空间态势感知系统覆盖漏洞,欧洲迈出构建空间监视体系又一关键步骤

2014年，美国将地基空间监视C波段机械跟踪地面雷达AN/FPQ－14迁移至澳大利亚西部。C波段雷达主要监视低地球轨道目标，包括卫星与导弹。该雷达每天跟踪200个目标，跟踪距离最远达11000km，是美国在南半球部署的第一个低地球轨道空间监视传感器，以弥补美国在东南半球发射目标的跟踪漏洞。

美国“星历可精调的天基望远镜”验证星结构图

2014年1月，美国“星历可精调的天基望远镜”进行有效载荷地面试验，对空间目标进行定位。“星历可精调的天基望远镜”于2010年5月启动，是美国国家侦察局（NRO）空间态势感知纳卫星项目，进行空间监视和空间碰撞预警。2012年与2013年分别发射了1颗验证星，最终将构建由18颗太阳同步轨道3U立方体纳卫星组成的业务星座。该系统全面运行后，将搜索整个空间，及时探测深空微小目标，从而对相对距离小于300km、相对速度不大于3km/s的空间目标成像；定位精度预计可从目前的1000m提高到100m，虚警次数由大约10次/天降低到1次/10天。将低轨与深空盲区缩小到最低限度。

2014年1月，欧洲“空间监视与跟踪系统”雷达样机进行试验，观测到“天鹅座”货运飞船以及“环境卫星”等多颗卫星的再入翻转现象，迈出了欧洲构建空间监视体系又一关键步骤。该雷达样机可探测到地球低轨道1米级物体，未来业务型雷达将探测到10厘米级物体。

（2）美国地球同步轨道部署具有在轨操作能力的空间态势感知卫星，并继续在“国际空间站”开展在轨操作试验

美国试验卫星系统-10示意图

2014年7月，美国将2颗“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星和1颗“局部空间自主导航与制导试验”卫星送入地球同步轨道。前者是2006－2009年进行在地球同步轨道进行操作技术验证的“微卫星工程试验系统”卫星的业务星，干质量600kg；后者是2003－2005年地球低轨道进行操作技术验证的试验卫星系统－10、11的同步轨道升级型，质量约70kg。“地球同步轨道空间态势感知计划”和“局部空间自主导航与制导试验”卫星均为采用高级自主接近寻的技术的在轨操作飞行器，均能够进行追踪、逼近和监测操作。不同的是，前者是双星抵近目标后通过微弱电子信号进行侦察；后者则是单星近距离接近目标并绕飞。

（3）俄罗斯重启苏联时期的“树冠”反卫星项目，研制新型空间态势感知装备和反卫星装备

2014年1月，俄罗斯宣布重启“树冠”反卫星项目，进行现代化改进并开始试验。“树冠”系统是苏联上世纪发展项目，包括侦察监视设施和打击装备两部分。前者主要通过光学望远镜、射频雷达和激光雷达对空间目标进行监视；后者包括可摧毁敌方卫星的战斗机和导弹。

影响分析

（1）美国努力实现天地传感器无缝覆盖空间目标；欧洲则努力提高空间目标的监视精度

当前，美国空间态势感知系统在地球低轨道与深空仍存在盲区，构建无盲区、精确识别与定位深空微小目标和低虚警率空间态势感知系统是美国的当务之急。美国在澳大利亚西部部署的C波段雷达与未来18颗“星历可精调的天基望远镜”纳卫星星座，是努力实现天地传感器无缝覆盖整个空间的重要步骤。美国国防部曾在2008年空军年会上指出，“鉴于许多国家都能够进入空间，国防部必须跟踪空间发生的每件事”；欧洲验证“空间监视与跟踪系统”雷达，在原来仅有光学天基空间监视系统的基础上又迈出一大步。

（2）美国在轨操作技术更加成熟，可熟练运用检视、干扰、捕获与杀伤等各种空间对抗手段；俄罗斯重启反卫星项目意在慑阻

美国从低地球轨道的试验卫星系统－10、11到地球同步轨道的“局部空间自主导航与制导试验”等卫星，验证了逼近、绕飞与监视等在轨操作技术；从地球同步轨道试验型“微卫星工程试验系统”到同步轨道业务型“地球同步轨道空间态势感知计划”卫星，验证了逼近、交会与检视等在轨操作技术，表明美国高低轨在轨操作技术日渐成熟，未来可对在轨目标实施检视、干扰、捕获与杀伤等各种对抗作业，而且小卫星不易被探测、隐蔽强，攻击突然性强，是最具威胁的空间装备。

俄罗斯“树冠”反卫星项目实际上属于俄空天防御系统的一个组成部分。但俄罗斯面临西方国家对其战略空间的进一步打压，尤其是在美俄关系恶化对峙的风口浪尖上公布该项目的存在，显然意在慑阻。