崔瀟瀟 趙煒渝 慈 穎 /文

Kestrel Eye 衛(wèi)星在軌示意圖

小衛(wèi)星成為航天發(fā)展的熱點(diǎn)

當(dāng)前全球范圍內(nèi)，以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式強(qiáng)調(diào)力量資源集成，注重作戰(zhàn)行動協(xié)調(diào)，驅(qū)動軍事航天發(fā)展開始轉(zhuǎn)型，使得小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應(yīng)用，催生了全新的作戰(zhàn)理念和作戰(zhàn)模式，推動航天裝備從支撐作戰(zhàn)開始向融入作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，縮短了從天基敏感器到戰(zhàn)場指揮官的指控鏈條，提升了信息化條件下的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)效能。

隨著衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們在要求降低衛(wèi)星成本、減小風(fēng)險(xiǎn)的同時，迫切需要加快衛(wèi)星研制和部署周期，為此小衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。國際上對衛(wèi)星劃分主要以衛(wèi)星質(zhì)量為依據(jù)。較為通用的劃分標(biāo)準(zhǔn)由英國薩瑞大學(xué)制定，界定500kg 以下的衛(wèi)星為小衛(wèi)星，一般分為迷你衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星、皮衛(wèi)星和飛衛(wèi)星。

近年來，隨著小衛(wèi)星單星功能密度、敏捷機(jī)動能力、自主生存能力和在軌壽命的不斷提升，該領(lǐng)域逐漸成為全球航天發(fā)展的熱點(diǎn)，發(fā)射數(shù)量不斷增長。尤其在軍用領(lǐng)域，小衛(wèi)星在降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)抗毀能力、應(yīng)急補(bǔ)充增強(qiáng)和快速組網(wǎng)服役等方面優(yōu)勢非常突出，又兼具機(jī)動靈活、運(yùn)營管理便捷等優(yōu)勢，備受軍方青睞。在此背景下，美國近十余年相繼發(fā)展了多項(xiàng)小衛(wèi)星項(xiàng)目，旨在探索小衛(wèi)星軍事應(yīng)用和融入作戰(zhàn)模式，推動基層作戰(zhàn)部隊(duì)軍事航天能力發(fā)展。

美軍典型小衛(wèi)星的發(fā)展

美軍ORS 系列衛(wèi)星?！白鲬?zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）是美國軍方提出構(gòu)建靈活的、具備更強(qiáng)的響應(yīng)能力且面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的空間體系概念。ORS 計(jì)劃中的衛(wèi)星主要分兩類。一類是試驗(yàn)型戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星系列，另一類是業(yè)務(wù)型作戰(zhàn)快速響應(yīng)空間衛(wèi)星系列。以2011 年發(fā)射的ORS-1 衛(wèi)星為標(biāo)志，美軍快速響應(yīng)空間系統(tǒng)由關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證向裝備定型轉(zhuǎn)變。

“隼眼”系列衛(wèi)星。美國陸軍最早于2009 年提出了Kestrel Eye 衛(wèi)星概念設(shè)計(jì)，并于2017 年8 月14 日利用“獵鷹”-9 運(yùn)載火箭將KE2M 光學(xué)成像偵察小衛(wèi)星成功發(fā)射至國際空間站，同年10 月24 日，該衛(wèi)星通過國際空間站釋放方式成功部署。未來，陸軍有望大規(guī)模部署小型光學(xué)成像偵察衛(wèi)星星座。

KE2M 衛(wèi)星質(zhì)量50kg，運(yùn)行在400km 高度、傾角51.6°的軌道上，單景圖像面積3km×5km，地面分辨率1.5m，相機(jī)口徑0.25m，星上可存儲約600 幅衛(wèi)星圖像。KE2M 衛(wèi)星基于馬里蘭宇航公司的MAGICBus 衛(wèi)星平臺研制，具有通信加密、軌道推進(jìn)維持和星座相對軌位控制功能。精確姿態(tài)控制和快速指向控制在一個結(jié)構(gòu)緊湊的衛(wèi)星平臺上實(shí)現(xiàn)，這使得該衛(wèi)星可以通過搭載的方式發(fā)射或者是采用小型運(yùn)載火箭發(fā)射。

“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”衛(wèi)星。DARPA 于2012 年3 月正式提出“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”（SeeMe）衛(wèi)星研發(fā)項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在利用低軌道上運(yùn)行的小型低成本衛(wèi)星，為戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)人員提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為軍事作戰(zhàn)提供快速支持。SeeMe 衛(wèi)星的能力要求如下：

衛(wèi)星系統(tǒng)：SeeMe 衛(wèi)星星座計(jì)劃由24 顆小衛(wèi)星組成，單星質(zhì)量為45kg，設(shè)計(jì)壽命為45～90 天。不算發(fā)射與地面支持和運(yùn)行費(fèi)用，單顆衛(wèi)星成本為50萬美元，24 顆衛(wèi)星總成本共計(jì)1200 萬美元。

軌道設(shè)計(jì)：SeeMe 衛(wèi)星星座將運(yùn)行在軌道高度為200～350km 的低地球軌道上，實(shí)現(xiàn)對南北緯10°區(qū)域的持續(xù)覆蓋，重訪周期小于90 分鐘。根據(jù)軍事作戰(zhàn)需求，衛(wèi)星星座可以以不均勻分布方式進(jìn)行部署。

性能指標(biāo)：每顆衛(wèi)星都能同時支持10個地面用戶，從地面用戶通過手持設(shè)備或通信系統(tǒng)直接向衛(wèi)星提出成像請求到接收圖像數(shù)據(jù)用時不超過90 分鐘。在標(biāo)稱300km 軌道高度上，能夠獲取天底點(diǎn)分辨率優(yōu)于NIIRS 5 的可見光圖像，對應(yīng)分辨率為0.75～1.2m。將24 顆SeeMe 衛(wèi)星至少分成3 組，利用現(xiàn)有商業(yè)或軍事運(yùn)輸方法運(yùn)送到全球范圍內(nèi)的民用機(jī)場或軍事基地等待發(fā)射，進(jìn)而驗(yàn)證SeeMe 衛(wèi)星系統(tǒng)像常規(guī)軍需品一樣，能利用商業(yè)或軍事集裝箱進(jìn)行儲存和運(yùn)輸。衛(wèi)星和運(yùn)載火箭之間采用“即插即用”接口，并確保能夠在12～96 小時快速完成衛(wèi)星與運(yùn)載火箭的總裝工作，之后進(jìn)行自主檢測。SeeMe 衛(wèi)星發(fā)射入軌后，需要在12～96 小時自主完成在軌檢測與校準(zhǔn)工作，之后開始正式在軌運(yùn)行，為軍事作戰(zhàn)提供支持。

雷聲公司SeeMe 衛(wèi)星概念圖

“航天與導(dǎo)彈防御中心納衛(wèi)星作戰(zhàn)效果”衛(wèi)星?！昂教炫c導(dǎo)彈防御中心納衛(wèi)星作戰(zhàn)效果”（SMDCONE）計(jì)劃由美陸軍航天司令部實(shí)施開展，旨在探索小衛(wèi)星在軍事衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。2010 年12 月發(fā)射首顆SMDC-ONE 演示驗(yàn)證衛(wèi)星，衛(wèi)星由SpaceX 公司Falcon 9 火箭發(fā)射，3U 立方體星，衛(wèi)星研發(fā)、制造、轉(zhuǎn)運(yùn)在一年內(nèi)完成，約4.5kg；2012年發(fā)射2 顆；2013 年12 月，發(fā)射SMDC-ONE 2.3與SMDC-ONE 2.4 兩顆質(zhì)量4kg 納衛(wèi)星，形成支持戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)的低軌通信衛(wèi)星星座，提供無人臺站數(shù)據(jù)采集和戰(zhàn)場短報(bào)文通信能力。

“可操作精化星歷表空間望遠(yuǎn)鏡”衛(wèi)星。2012 年和2013 年，美國相繼發(fā)射2 顆“可操作精化星歷表空間望遠(yuǎn)鏡”（STARE）衛(wèi)星，以3U 立方體衛(wèi)星驗(yàn)證空間目標(biāo)監(jiān)視能力，該衛(wèi)星能監(jiān)測到200～1000km范圍、尺寸大于10cm、速度小于10km/s 的目標(biāo)。

STARE 衛(wèi)星采用3U 立方體架構(gòu)，衛(wèi)星平臺為波音公司建造的“集群”-2，該平臺使用了反作用輪，以保證成像所需的較高指向精度。衛(wèi)星有效載荷為改進(jìn)型光學(xué)成像系統(tǒng)，尺寸約為1.5U，由一臺修正反光卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡及CMOS 探測器組成，用于捕獲小型空間目標(biāo)的圖像。

空間攻防小衛(wèi)星試驗(yàn)項(xiàng)目。2000 年以來，美國在低軌道空間攻防領(lǐng)域基于小衛(wèi)星開展了一系列技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，對在軌衛(wèi)星檢測、交會和對接、在軌維修與器件更新、近距離機(jī)動等進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。

美國試驗(yàn)小衛(wèi)星系列（XSS）是一種全自主控制的微小衛(wèi)星，具有極強(qiáng)的軍事意義。XSS-11 系統(tǒng)是計(jì)劃中的第二個系統(tǒng)，重量145kg，攜帶15kg 推進(jìn)劑。XSS-11 系統(tǒng)試驗(yàn)的關(guān)鍵部件包括：星上計(jì)算機(jī)、電壓和推進(jìn)分系統(tǒng)；低功率收發(fā)機(jī)和3u PCI 存儲器；低功率快速掃描激光雷達(dá)和組合遙感相機(jī)。它的主要任務(wù)是驗(yàn)證星載監(jiān)視設(shè)備對空間目標(biāo)的監(jiān)測能力，驗(yàn)證衛(wèi)星的軌道機(jī)動和位置保持能力，演示其自身對空間威脅的感知能力。

2006 年，美國國防高級研究計(jì)劃局和美國空軍聯(lián)合實(shí)施“微衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”計(jì)劃，驗(yàn)證了將小衛(wèi)星送入GEO 軌道的能力和小衛(wèi)星在GEO 軌道執(zhí)行軍事任務(wù)的潛在效用。MiTEx 由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的先進(jìn)上面級以及由美國軌道科學(xué)公司和洛克希德·馬丁公司分別研制的1 顆MiTEx衛(wèi)星三部分組成。2006 年6 月DARPA 利用德爾它-2 火箭將MiTEx 空間飛行器送入GTO 軌道，然后由上面級將2 顆MiTEx 衛(wèi)星送入GEO 軌道。MiTEx-A 和B 衛(wèi)星質(zhì)量均為225kg，部署在地球靜止軌道上，入軌后進(jìn)行了軌道機(jī)動和相互觀測試驗(yàn)。

總體來看，小衛(wèi)星尚未大規(guī)模實(shí)現(xiàn)裝備化、業(yè)務(wù)化軍事應(yīng)用。但是，美國已在偵察監(jiān)視、通信中繼、預(yù)警監(jiān)視和空間對抗等領(lǐng)域開展了小衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用探索。

在偵察監(jiān)視領(lǐng)域，美軍當(dāng)前發(fā)展的小衛(wèi)星能力全球領(lǐng)先，以O(shè)RS 計(jì)劃為先導(dǎo)，將技術(shù)研發(fā)和業(yè)務(wù)能力開發(fā)相結(jié)合，美軍圍繞戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、低成本、模塊化等啟動了多個面向軍兵種的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）應(yīng)用項(xiàng)目。

在通信廣播領(lǐng)域，美軍在ORS 計(jì)劃中發(fā)射Tacsat-4 衛(wèi)星，驗(yàn)證了面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的信息傳輸能力；此后，為確保戰(zhàn)術(shù)通信能力延伸至偏遠(yuǎn)山區(qū)、雨林等多遮擋地區(qū)，發(fā)展了支持超視距通信和數(shù)據(jù)滲漏的低成本小衛(wèi)星系統(tǒng)。

在空間安全領(lǐng)域，小衛(wèi)星具有從地面難以探測、在軌道機(jī)動靈活優(yōu)勢，具備平時隱蔽監(jiān)視、戰(zhàn)時立即攻擊能力，是發(fā)展空間對抗系統(tǒng)的重要組成力量。

小衛(wèi)星將獲得廣泛軍事應(yīng)用

美國作為全球范圍內(nèi)推動小衛(wèi)星實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用的主力軍，其在該領(lǐng)域發(fā)展受內(nèi)、外因雙重驅(qū)動決定，除了小衛(wèi)星自身性能的不斷提升，應(yīng)看到其現(xiàn)有裝備能力不足的需求牽引作用和航天發(fā)展戰(zhàn)略政策變化的頂層推動作用。

性能提升，應(yīng)用創(chuàng)新，全面滿足軍事作戰(zhàn)應(yīng)用需求。從近年來的技術(shù)發(fā)展來看，小衛(wèi)星性能已滿足軍事作戰(zhàn)需求，完全具備了在戰(zhàn)區(qū)成像偵察中全面應(yīng)用的技術(shù)可行性。另外，小衛(wèi)星不斷沖擊和變革傳統(tǒng)大衛(wèi)星設(shè)計(jì)和運(yùn)營理念，催生了諸多創(chuàng)新應(yīng)用模式，也成為提升其軍用能力的重要因素。小衛(wèi)星的各項(xiàng)全新工作模式具有重要軍事應(yīng)用前景，提升了小衛(wèi)星軍事應(yīng)用價(jià)值。

成本低廉，發(fā)射靈活，高效費(fèi)比成小衛(wèi)星突出優(yōu)勢。一是小衛(wèi)星短周期、批量化制造使得單星成本低廉，能以較低成本滿足基本軍用需求；二是小衛(wèi)星能以一箭多星、空中發(fā)射、在軌彈射等手段實(shí)現(xiàn)快速批量部署，大幅降低了進(jìn)入空間成本；三是小衛(wèi)星通過星座組網(wǎng)和優(yōu)化軌道設(shè)計(jì)，能力足以與大衛(wèi)星相媲美。

體系轉(zhuǎn)型，確保彈性，小衛(wèi)星組網(wǎng)可提高生存能力。進(jìn)入21 世紀(jì)后，美國逐漸推動軍事航天體系從只注重大衛(wèi)星發(fā)展轉(zhuǎn)向大小衛(wèi)星并行發(fā)展。小衛(wèi)星能夠通過快速發(fā)射補(bǔ)充受損空間能力或采用星座、編隊(duì)等方式應(yīng)對空間安全威脅，是提高航天裝備體系生存能力和抗毀能力的重要手段。

未來，小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應(yīng)用將是衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和能力需求增長的必然結(jié)果。美國在小衛(wèi)星軍事應(yīng)用領(lǐng)域已取得的諸多經(jīng)驗(yàn)，既有體系發(fā)展戰(zhàn)略思考和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念革新，也有衛(wèi)星能力提升途徑和作戰(zhàn)應(yīng)用模式流程，值得開展深入研究與思考。