劉 坤，劉百麟，鄒恒光

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，天氣監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、通信導(dǎo)航、科學(xué)探索等日常活動(dòng)以及軍事行動(dòng)對(duì)衛(wèi)星的依賴日益增加，太空已成為維護(hù)國(guó)家安全和利益的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。鑒于衛(wèi)星具有重大的軍事價(jià)值，國(guó)外從20 世紀(jì)50 年代就開(kāi)始了反衛(wèi)星技術(shù)的研究，目前已發(fā)展出反衛(wèi)星核導(dǎo)彈、動(dòng)能武器、定向能武器、電子干擾、化學(xué)噴灑及空間操控等多種技術(shù)手段，其中以高能激光為代表的定向能反衛(wèi)星武器因具有攻擊速度快、機(jī)動(dòng)性和抗干擾性強(qiáng)、殺傷效率和效費(fèi)比高、無(wú)后坐力、不產(chǎn)生大量空間垃圾等特點(diǎn)，倍受各航天強(qiáng)國(guó)的青睞。1975 年和1981 年，蘇聯(lián)的反衛(wèi)星激光武器2 次照射飛越其上空的美國(guó)預(yù)警衛(wèi)星使其“失明”；1997 年10 月，美國(guó)利用功率2.2 MW 的氟化氘激光器和運(yùn)行在412 km 高度軌道上的MSTI-3 衛(wèi)星進(jìn)行了激光反衛(wèi)星試驗(yàn)并獲得成功。地基激光能對(duì)衛(wèi)星造成硬殺傷的距離為500～2000 km，需要采用MW 級(jí)的激光器和光束控制與發(fā)射系統(tǒng)，并持續(xù)照射上百s。

近年來(lái)隨著固體激光器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，尤其是電光效率高（35%～40%）、散熱特性好、光束質(zhì)量高（可接近衍射極限）、適應(yīng)性強(qiáng)（無(wú)復(fù)雜的折軸光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)境溫度、振動(dòng)、沖擊不敏感）的光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、以色列等國(guó)相繼投入巨額資金、組織龐大隊(duì)伍進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)激光武器的開(kāi)發(fā)，并投入軍事應(yīng)用。以美國(guó)為例，2003 年將安裝在“悍馬”車上的“宙斯”激光彈藥銷毀系統(tǒng)（功率1 kW）部署到阿富汗，使該系統(tǒng)成為世界上首種投入實(shí)戰(zhàn)部署的戰(zhàn)術(shù)激光武器；2012 年對(duì)功率10 kW 級(jí)的“高能激光機(jī)動(dòng)演示系統(tǒng)”（HELMD）和“可移動(dòng)陸基區(qū)域防護(hù)反彈藥系統(tǒng)”（ADAM）進(jìn)行了測(cè)試；2015 年研制出基于30 kW 級(jí)光纖激光器的“先進(jìn)測(cè)試高能武器系統(tǒng)”（ATHENA）；2017 年完成60 kW 級(jí)功率激光武器系統(tǒng)的研制并集成于“高能激光移動(dòng)測(cè)試車”（HELMTT）；計(jì)劃2022 年完成300 kW 級(jí)陸軍激光武器的研制，并將60 kW 級(jí)激光武器裝備到AC-130J 炮艇機(jī)上。

1 天基激光器

激光在真空中傳播不受大氣衰減、大氣湍流和非線性光學(xué)效應(yīng)等因素影響，到達(dá)衛(wèi)星的能量和光斑大小主要取決于激光器的發(fā)射功率、光束質(zhì)量、發(fā)射器口徑和傳輸距離。垂直入射時(shí)對(duì)于高斯光束有：

式(1)～式(3)中：為到達(dá)衛(wèi)星的功率密度，W/m；為激光器發(fā)射功率，W；為激光器發(fā)射器口徑，m；()為時(shí)刻激光器與目標(biāo)之間的距離，m；為衍射因子，=1～3，在近衍射極限條件下=1，在衍射極限條件下=1.22；為照射到衛(wèi)星上的激光光斑半徑，m；為光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，rad；為實(shí)際光束的遠(yuǎn)場(chǎng)束散角與理想光束的遠(yuǎn)場(chǎng)束散角之比；為激光波長(zhǎng)，m。

式(1)中系數(shù)0.84 代表產(chǎn)生主要破壞作用的中央亮斑（Airy 斑）的能量占總發(fā)射能量的84%。由式(1)～式(3)不難看出，激光器發(fā)射功率越大、發(fā)射器口徑越大、波長(zhǎng)越短、光束質(zhì)量越高、距離越近，則到達(dá)目標(biāo)的激光功率密度越大。

目前空間太陽(yáng)電池陣的輸出功率已可達(dá)20 kW以上，考慮天基激光器只在發(fā)動(dòng)攻擊時(shí)有大功率用電和散熱需求，采用太陽(yáng)電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電可進(jìn)一步提升供電能力。假定天基激光武器對(duì)衛(wèi)星采用一對(duì)一的攻擊模式，綜合考慮激光武器平臺(tái)的體積、重量、功耗、散熱等因素，激光器功率取10 kW（10 kW 單模光纖激光器已廣泛工業(yè)應(yīng)用），電-光轉(zhuǎn)換效率為40%，發(fā)射器口徑為0.6 m（公開(kāi)報(bào)道的戰(zhàn)術(shù)激光器的發(fā)射器口徑多在0.6～1.5 m，考慮天基應(yīng)用取其下限），激光波長(zhǎng)為1.064 μm，衍射因子=1.22，光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角=0.01 mrad 時(shí)，到達(dá)目標(biāo)的激光功率密度與作用距離之間的關(guān)系曲線如圖1 所示，表1 提取了其中幾個(gè)典型距離上的激光功率密度數(shù)據(jù)。

圖1 激光到達(dá)功率密度與作用距離之間的關(guān)系Fig. 1 The arrived power density of laser vs action distance

表1 典型作用距離上的激光功率密度Table 1 Power density of laser at typical action distances

2 毀傷效能分析

2.1 非熱控材料的激光毀傷閾值

激光對(duì)目標(biāo)的硬毀傷主要有燒蝕和熱應(yīng)力2 種方式：燒蝕指使用足夠的輻射能量熔化或汽化材料；熱應(yīng)力指使材料溫度上升形成熱應(yīng)力場(chǎng)造成材料性能下降或結(jié)構(gòu)變形、失穩(wěn)等損傷。后者所需激光功率密度小于前者所需的。根據(jù)已公開(kāi)的地面試驗(yàn)或仿真數(shù)據(jù)，表2給出GEO 衛(wèi)星的星外設(shè)備常用器件與材料的激光毀傷閾值。其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為大氣環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)，真空環(huán)境中無(wú)對(duì)流散熱，毀傷閾值會(huì)略低。

表2 GEO 衛(wèi)星星表非熱控器件/材料的激光毀傷閾值Table 2 Laser damage threshold for materials and parts on GEO surface (not for thermal control purpose)

對(duì)照表1 和表2 可以看出，輸出功率10 kW、發(fā)射口徑0.6 m 的激光武器，垂直入射時(shí)在約18 km外可對(duì)采用三結(jié)砷化鎵電池片的太陽(yáng)電池陣造成硬毀傷，在約5 km 外可對(duì)星表碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成硬毀傷，對(duì)星表鋁合金部組件造成硬毀傷需逼近到2 km 左右。激光對(duì)以CCD、CMOS 傳感器為敏感器件的光學(xué)設(shè)備的毀傷效能與入射角度、光學(xué)鏡頭的接收增益等因素有關(guān)，當(dāng)鏡頭的接收增益為10量級(jí)時(shí)，在16 km 外垂直入射的激光可對(duì)光學(xué)敏感器造成硬毀傷。

2.2 星表熱控材料的激光毀傷閾值

多層隔熱組件（MLI）、光學(xué)太陽(yáng)反射器（OSR，也稱光學(xué)二次表面鏡）等星表熱控材料的激光毀傷閾值尚無(wú)公開(kāi)報(bào)道。本文采用熱分析方法，根據(jù)星表材料的許用溫度限制進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算結(jié)果略保守（計(jì)算的激光毀傷閾值低于導(dǎo)致材料熱應(yīng)力損傷所需功率密度），但對(duì)于指導(dǎo)衛(wèi)星的防護(hù)設(shè)計(jì)仍具有積極意義。

倦怠和抑郁有密切關(guān)聯(lián)，所以2018年醫(yī)景網(wǎng)特別調(diào)查了抑郁狀況，調(diào)查結(jié)果說(shuō)明抑郁會(huì)使美國(guó)醫(yī)生減少工作投入，對(duì)患者和同事更加缺乏耐心，甚至導(dǎo)致醫(yī)療差錯(cuò)。長(zhǎng)期倦怠會(huì)造成抑郁，抑郁會(huì)帶來(lái)更加嚴(yán)重的后果，倦怠作為抑郁的前兆，應(yīng)作為醫(yī)生健康的重要指針常態(tài)化觀測(cè)，防患于未然。

多層隔熱組件由反射屏和隔熱層組成（見(jiàn)圖2），用于減少星上儀器設(shè)備的熱量損失，同時(shí)隔離星外熱源對(duì)衛(wèi)星的影響。多層隔熱組件的面膜與OSR片均屬于二次表面鏡，由基材（聚酰亞胺薄膜、摻鈰玻璃）和反射層（鋁、銀鍍層）組成（見(jiàn)圖3）。

圖2 多層隔熱組件組成Fig. 2 Architecture of MLI

圖3 二次表面鏡結(jié)構(gòu)與工作原理示意Fig. 3 Structure of second surface mirror and its working principle

可見(jiàn)光無(wú)法穿透反射層；波長(zhǎng)1.064 μm 的激光照射到反射層時(shí)穿透深度為16.9 nm，也無(wú)法穿透反射層（厚0.09 μm 左右）。

GEO 可忽略地球紅外輻射、地球反照等熱源，則忽略星上部件遮擋時(shí)，深冷空間中被輻照面溫度與吸收熱流之間的關(guān)系可簡(jiǎn)化為

式中：為受輻照面吸收的熱流，W；為受輻照表面的紅外發(fā)射率；為斯忒藩-玻耳茲曼常量（5.67×10W/(m·K)）；為受輻照面積，m；為受輻照面的溫度，K；為深冷空間溫度，K。

下面取GEO 的太陽(yáng)常數(shù)值為1367 W/m，對(duì)多層隔熱組件和OSR 片在太陽(yáng)光和激光共同輻照下的溫度進(jìn)行分析。

GEO 衛(wèi)星的多層隔熱組件面膜一般為聚酰亞胺鍍鋁薄膜，其太陽(yáng)吸收比和紅外發(fā)射率分別取壽命初、末期的平均值0.5 和0.67，假定間隔層為絕熱，則由式(4)可計(jì)算出陽(yáng)光垂直輻照到多層隔熱組件外表面時(shí)平衡溫度為366.2 K；聚酰亞胺薄膜對(duì)于波長(zhǎng)1.064 μm 激光的透過(guò)率為85%，鍍鋁層對(duì)激光的吸收率與溫度有關(guān)，遵循Hagen Rubens公式，即在低于熔點(diǎn)（鋁熔點(diǎn)為933 K）時(shí)鋁的吸收率與溫度之間的關(guān)系式為

由式(5)可以算出，366.2 K 時(shí)鋁的吸收率為6.48%。

假定激光垂直入射，忽略反射和ITO 膜的影響，聚酰亞胺鍍鋁薄膜的初始溫度為366.2 K，則根據(jù)式(1)～式(3)可分別得出聚酰亞胺基材、鍍鋁反射層的溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 聚酰亞胺鍍鋁薄膜溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系Fig. 4 The temperature of MLI as a function of action distance of laser

由圖4 可以看出，當(dāng)激光器對(duì)衛(wèi)星的作用距離小于58 km 時(shí)，照射到多層隔熱組件上的能量可使聚酰亞胺薄膜溫度超過(guò)其安全使用溫度上限（250 ℃），造成其隔熱性能下降。

OSR 片由摻鈰玻璃鍍銀而成，表面涂ITO 膜，太陽(yáng)吸收比取平均值0.12，半球發(fā)射率取平均值0.78。GEO 衛(wèi)星在軌工作期間，太陽(yáng)光線與南、北板外表面（OSR 散熱面）的夾角在±23.5°之間變化；冬至或夏至?xí)r太陽(yáng)光線與南、北板外表面的夾角達(dá)到最大值23.5°，衛(wèi)星艙外溫度達(dá)到最高。由GEO衛(wèi)星在軌遙測(cè)溫度數(shù)據(jù)可知，壽命期內(nèi)衛(wèi)星南、北板OSR 片平均溫度不低于30 ℃（約303.1 K）。測(cè)試表明：?jiǎn)螌痈叻淬y膜在1.0～1.4 μm 波長(zhǎng)范圍的平均反射率為99.17%，在1.064 μm 處的反射率為99.10%；玻璃基材在0.4～1.1 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均透過(guò)率大于92%。忽略表面反射和ITO 膜的影響，則波長(zhǎng)1.064 μm 的激光垂直入射時(shí)，玻璃基材、銀反射層的溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 OSR 片溫度與激光器作用距離之間的關(guān)系Fig. 5 The temperature of OSR as a function of action distance of laser

由圖5 可以看出，當(dāng)激光器對(duì)衛(wèi)星的作用距離小于36 km 時(shí)，投射到OSR 片上的能量可使玻璃基材溫度超過(guò)RTV 膠的許用溫度上限（260 ℃）。持續(xù)的激光照射則會(huì)造成黏膠軟化、OSR 片脫落，導(dǎo)致衛(wèi)星散熱能力下降，致使星內(nèi)設(shè)備的溫度超限（一般為60 ℃），存在高溫導(dǎo)致星上設(shè)備發(fā)生故障甚至損毀的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 小結(jié)

綜合以上分析，10 kW 級(jí)天基戰(zhàn)術(shù)激光武器對(duì)GEO 衛(wèi)星的毀傷效能見(jiàn)表3。不難看出，輸出功率10 kW、發(fā)射器口徑0.6 m 的天基激光武器對(duì)GEO 衛(wèi)星的硬毀傷距離最遠(yuǎn)可達(dá)58 km，星表熱控材料（包括MLI、OSR）最為薄弱，之后依次為太陽(yáng)電池陣、碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及光學(xué)敏感器。

表3 10 kW 級(jí)戰(zhàn)術(shù)激光器對(duì)GEO 衛(wèi)星的毀傷效能Table 3 Damage effect of 10 kW tactical laser weapon to GEO satellite

實(shí)際上由于GEO 的特殊性，攻擊航天器一般采用低于目標(biāo)幾十km 的軌道高度從其西側(cè)抵近，或者采用高于目標(biāo)幾十km 的軌道高度從其東側(cè)抵近；而OSR 通常位于GEO 衛(wèi)星南、北外表面，其表面與來(lái)襲激光束的方向平行或呈較大的鈍角，因此直接遭受激光攻擊的可能性極小；GEO 衛(wèi)星的外表面除散熱窗口粘貼OSR 外，其余一般采用MLI包覆，因此MLI 將是星體抵抗激光毀傷的第一道防線；此外，GEO 衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣面積大、工作時(shí)對(duì)日定向，易于受到順光攻擊，且一旦能源受損將導(dǎo)致衛(wèi)星性能迅速降級(jí)甚至整星失效，因此太陽(yáng)電池陣將會(huì)是天基激光武器打擊的重點(diǎn)目標(biāo)。

激光武器的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)屬于軍事機(jī)密，雖然前述分析計(jì)算只是基于對(duì)武器參數(shù)的合理假定，并對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但所得出的結(jié)果對(duì)于GEO衛(wèi)星的防護(hù)設(shè)計(jì)仍具有指導(dǎo)意義。根據(jù)公開(kāi)報(bào)道，天基激光武器對(duì)目標(biāo)星的實(shí)際攻擊距離可能比本文計(jì)算的更近，因此即便采用較低的激光發(fā)射功率、較小的發(fā)射器口徑，仍能取得顯著的毀傷效果。據(jù)報(bào)道，美國(guó)“地球同步軌道太空態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃”（GSSAP）衛(wèi)星曾多次秘密抵近俄羅斯等國(guó)的GEO 衛(wèi)星（見(jiàn)表4），最近距離達(dá)10 km。

表4 GSSAP 衛(wèi)星靠近GEO 衛(wèi)星情況Table 4 Records of GSSAP satellite approaching GEO satellites

3 幾點(diǎn)啟示

前文分析結(jié)果可以為GEO 衛(wèi)星的研制提供以下啟示：

1）天基激光武器對(duì)GEO 衛(wèi)星的威脅是現(xiàn)實(shí)的，高價(jià)值GEO 衛(wèi)星須采取相應(yīng)的激光防護(hù)措施。

2）衛(wèi)星激光防護(hù)應(yīng)重點(diǎn)圍繞薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)展，以獲取最佳防護(hù)效費(fèi)比。星表多層隔熱組件和太陽(yáng)電池陣最有可能成為激光武器的毀傷對(duì)象，可將研發(fā)高反射率多層隔熱組件面膜、提高電池片的抗激光毀傷能力作為被動(dòng)激光防護(hù)的工作重點(diǎn)。

3）可從單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層面綜合采取防護(hù)措施，提高系統(tǒng)魯棒性。以光學(xué)敏感器的激光防護(hù)為例，單機(jī)層面可通過(guò)鏡頭鍍膜提升毀傷閾值、通過(guò)最小化光學(xué)視場(chǎng)降低被打擊概率；分系統(tǒng)層面可通過(guò)選取不同的光學(xué)敏感器、對(duì)不同敏感器的輸出姿態(tài)信息進(jìn)行融合來(lái)提升抗激光打擊能力；系統(tǒng)層面可通過(guò)將敏感器布置于星體不同部位、指向天球不同區(qū)域來(lái)增加激光攻擊的難度。

4）可通過(guò)主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合的措施提高綜合防護(hù)效能。被動(dòng)防護(hù)雖能提高GEO 衛(wèi)星的抗激光毀傷能力，但防護(hù)效果隨攻擊距離、攻擊持續(xù)時(shí)間而異；為高價(jià)值GEO 衛(wèi)星配置激光告警裝置可提升對(duì)激光攻擊的感知能力，以便及時(shí)、主動(dòng)采取規(guī)避和防護(hù)措施，提高衛(wèi)星生存概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)外戰(zhàn)術(shù)激光武器的發(fā)展情況，對(duì)天基戰(zhàn)術(shù)激光武器攻擊GEO 衛(wèi)星的毀傷效能進(jìn)行了分析計(jì)算，結(jié)果表明10 kW 級(jí)天基戰(zhàn)術(shù)激光武器對(duì)星表多層隔熱組件的硬毀傷距離最遠(yuǎn)可達(dá)58 km，對(duì)太陽(yáng)電池陣的硬毀傷距離最遠(yuǎn)可達(dá)18 km，對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的硬毀傷需抵近至5 km 以內(nèi)?？梢?jiàn)天基激光武器對(duì)GEO 衛(wèi)星的威脅是現(xiàn)實(shí)的，應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)衛(wèi)星薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)展激光防護(hù)設(shè)計(jì)，從單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層面綜合采取防護(hù)措施，通過(guò)主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合的措施提高綜合防護(hù)效能。本文分析結(jié)果可作為高價(jià)值GEO 衛(wèi)星激光防護(hù)設(shè)計(jì)的參考，也可為其他衛(wèi)星的生存能力提升提供借鑒。