國外隱身衛(wèi)星技術(shù)研究

康開華（北京航天長征科技信息研究所）

國外隱身衛(wèi)星技術(shù)研究

康開華（北京航天長征科技信息研究所）

隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，空間對(duì)抗進(jìn)程的不斷推進(jìn)，衛(wèi)星及載人航天器的生存能力受到越來越嚴(yán)重的威脅。因此，積極快速發(fā)展航天隱身技術(shù)已是世界航天技術(shù)先進(jìn)國家的一項(xiàng)長期有效的根本戰(zhàn)略措施，也是改進(jìn)和提高航天飛行器生存能力的一項(xiàng)重要手段。20世紀(jì)80年代，隱身技術(shù)便與星球大戰(zhàn)計(jì)劃（SDI）和核計(jì)劃并列為美國國防部三大高技術(shù)之一，并且美國在基礎(chǔ)理論研究、隱身材料技術(shù)、隱身綜合技術(shù)研究以及雷達(dá)散射截面（RCS）預(yù)測和測試技術(shù)等方面居于世界領(lǐng)先地位。蘇聯(lián)/俄羅斯隱身技術(shù)也被列為國防高技術(shù)，歐洲、日本等國家或地區(qū)的航天隱身技術(shù)也各有自己的長處和特點(diǎn)。

美國Misty隱身衛(wèi)星

1 隱身衛(wèi)星概述

衛(wèi)星隱身技術(shù)是指為降低衛(wèi)星的微波、紅外線、可見光等可探測信息特性所采用的綜合技術(shù)，目的在于最大限度地降低敵方探測系統(tǒng)的截獲概率或使其探測距離大為縮短，從而提高衛(wèi)星的生存能力。隱身衛(wèi)星是一種重要的偵查工具和空間武器，具有在軌隱蔽、偵查以及伺機(jī)攻擊敵人的能力。未來的戰(zhàn)爭中，它在空間攻防方面將發(fā)揮重要作用。

特征抑制罩操作設(shè)想圖

俄羅斯也在加緊發(fā)展自己的隱身衛(wèi)星。據(jù)俄羅斯《科學(xué)信息》雜志報(bào)道，俄羅斯航天設(shè)計(jì)制造科研所正在研制體積比奶粉桶稍大、質(zhì)量5kg的“最低配置技術(shù)”納米衛(wèi)星，并有望在未來幾年飛赴太空。與其他類型的衛(wèi)星相比，納米衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、質(zhì)量輕、不易被偵查發(fā)現(xiàn)。其質(zhì)量一般在1～10kg，設(shè)計(jì)相對(duì)簡單且制造周期短，便于在太空部署。此外，世界其他航天強(qiáng)國也都在抓緊步入隱身衛(wèi)星的研制行列中。

2 特征抑制罩

特征抑制罩用于隱藏衛(wèi)星所處的位置，使得地基和空基的跟蹤與探測系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)隱身衛(wèi)星。特征抑制罩能夠抑制衛(wèi)星的激光、雷達(dá)、可見光和紅外特征，使敵方武器很難或不可能損傷或摧毀在軌飛行的衛(wèi)星。衛(wèi)星特征抑制罩首選圓錐體外形，從地基主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)發(fā)射出的輻射束撞擊到抑制罩上，輻射束與特征抑制罩上的涂層相互作用，在對(duì)特征抑制罩不造成任何損傷的情況下彈入太空，因?yàn)檩椛洳⑽捶瓷浠蛏⑸浠氐厍?，因此特征抑制罩能為衛(wèi)星提供保護(hù)。

特征抑制罩制成可膨脹的氣球結(jié)構(gòu)，氣球罩封裝在衛(wèi)星底部可移動(dòng)壁板中，密封壁板形成一個(gè)金屬容器，圓錐體頭部從底部壁板擠壓而出。衛(wèi)星入軌后，底部壁板收起，露出未膨脹的氣球材料?？墒褂脵C(jī)械收起方式，如電螺線管?？梢苿?dòng)門利用彈簧承載，這樣該門最初運(yùn)動(dòng)可通過螺線管來完成，隨后通過彈簧裝置釋放該門。氣球安裝在彈簧上，并由它將氣球彈出容器進(jìn)入空間?？梢苿?dòng)門的操作由地面操作，也可由衛(wèi)星上的定時(shí)器控制或根據(jù)衛(wèi)星上的傳感器自動(dòng)啟動(dòng)，還可由計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)啟動(dòng)，觸發(fā)啟動(dòng)操作取決于被保護(hù)衛(wèi)星的類型或衛(wèi)星所遭受的攻擊類型。

使用材料

氣球的材料首選超輕合成高分子薄膜，如杜邦公司制造的聚酰亞胺（Kapton）或聚酯薄膜（杜邦公司制造的聚對(duì)笨二甲酸乙）。蒙皮內(nèi)部的圓錐材料厚約1mm，圓錐材料包括可膨脹的加強(qiáng)肋以提供最初的剛度和抑制罩外形。聚酰亞胺或聚酯薄膜蒙皮外涂層是一種極薄的輻射反射材料，首選0.05μm厚度的黃金涂層。涂層和氣球蒙皮厚度可進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)特定衛(wèi)星或可能遭受攻擊的武器類型。

圓錐體頂角

圓錐體頂角的選擇取決于多種因素，如軌道高度、特征抑制罩的質(zhì)量等。對(duì)于低軌道，圓錐體頂角最大選擇40°，此時(shí)圓錐體頂端指向地球天底點(diǎn)。對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星而言，圓錐體頂角最大可選160°。圓錐體頂角越大，所需要的圓錐面積越小，因此降低了圓錐體的質(zhì)量。然而，如果在低軌道選擇圓錐體的頂角過大，圓錐體表面將與主動(dòng)跟蹤輻射束形成直角面，導(dǎo)致輻射束發(fā)射到地基傳感器上，所以必須避免出現(xiàn)該直角面，以有效地隱藏衛(wèi)星。

升華劑

操作中的特征抑制罩

特征抑制罩膨脹的不同階段

對(duì)于圓錐體的膨脹，可選用1種升華劑，但最好使用2種升華劑。升華劑首選粉狀固體升華劑，因?yàn)樗軌蛱峁┚鶆虻呐蛎洝．?dāng)這些升華劑受到太陽輻射熱時(shí)，就會(huì)從粉狀固體轉(zhuǎn)化成氣體，升華過程可能僅花費(fèi)幾秒鐘到幾分鐘。如果膨脹操作的過程過快可能導(dǎo)致氣球破裂，因此必須在升華粉末的劑量、氣球體積和氣球達(dá)到剛度要求的時(shí)間之間建立一個(gè)平衡，以便使氣球達(dá)到一個(gè)適度的膨脹并消除所有褶皺。

在操作期間，衛(wèi)星特征抑制罩將承受微流星體的撞擊，氣球蒙皮壁面上導(dǎo)致多個(gè)微穿刺，而且部分氣體會(huì)通過氣球蒙皮壁面溢出。為了解決這個(gè)問題，特征抑制罩還需要另一種升華劑。第二種升華劑的升華速度比第一種慢，因此提供了額外的氣源以彌補(bǔ)那部分泄漏的氣體，使抑制罩中的壓力在較長時(shí)間內(nèi)保持不變。在外層空間的溫度和壓力下，一種比較合適的升華材料為氯酸醋，它在61～63℃時(shí)發(fā)生升華反應(yīng)。升華劑的選擇需要將多種因素和現(xiàn)有技術(shù)水平進(jìn)行綜合考慮，衛(wèi)星發(fā)出的熱量也可用作升華的熱源，或圓錐體內(nèi)提供一個(gè)獨(dú)立的熱源。

壯族師公舞與祭祀有關(guān)，古代的壯民對(duì)天災(zāi)人禍很無奈，總是受到自然災(zāi)害的威脅，而他們對(duì)大自然又沒有科學(xué)的理解，無法征服，只能祈求于神，每逢民間的重大節(jié)日一定會(huì)請(qǐng)來師公主持儀式。師公舞必戴面具，手里也離不開法器。戴著面具才有神秘感，手持法器這樣才能斬妖除魔，消除病痛和災(zāi)害。舞蹈的寓意也使得先民們江山太平、丁口平安、五谷豐登。

特征抑制罩硬化

蒙皮內(nèi)部涂有硬化材料，首選紫外線硬化材料，將其噴涂在氣球蒙皮內(nèi)表面。紫外線硬化材料可采用戴馬士（Dymax）公司制造的紫外線固化粘合劑。當(dāng)該材料暴露于紫外線輻射時(shí)，會(huì)硬化并保持長久的剛度，從而形成一個(gè)類似于鏡面的薄膜結(jié)構(gòu)。盡管硬化的殼體能夠阻止一些流星體的穿透，但是仍可能發(fā)生穿透事件。硬化劑的另一個(gè)目的是無需供應(yīng)增壓氣體，從而降低了衛(wèi)星和抑制罩的質(zhì)量。

在圓錐體底部內(nèi)的一個(gè)小型紫外線輻射源作用于硬化材料，當(dāng)氣球完成膨脹操作后，執(zhí)行硬化操作，整個(gè)硬化操作耗時(shí)幾秒到幾分鐘。紫外線燈和硬化材料在波長方面相匹配，例如戴馬士公司制造的紫外線燈與固化粘接劑產(chǎn)品的波長就相當(dāng)匹配。

干燥

圓錐體氣球底部內(nèi)側(cè)安裝一個(gè)活性炭吸收劑，如有氣體從膨脹的氣球中泄漏并流往衛(wèi)星，活性炭吸收這些氣體，并阻止它們泄漏和干擾衛(wèi)星上的傳感器。圓錐體還包含有一種干燥劑材料以吸收水分，這種干燥劑首選硅膠，它可阻止水蒸氣對(duì)衛(wèi)星傳感器的干擾。干燥劑或活性炭最好安裝于圓錐體底部的小盒內(nèi)。在氣球完全硬化后，該小盒打開（遙控或自動(dòng)），活性炭或干燥劑暴露于氣球內(nèi)部。與膨脹和硬化過程相比，吸收過程相對(duì)較短。

隱身特性

圓錐體外形避免了出現(xiàn)尖銳和帶有明顯邊緣的拐角，以阻止雷達(dá)或駐波反射導(dǎo)致尖峰信號(hào)。圓形的底部包含有吸波材料，用于吸收和降低駐波可能出現(xiàn)的波幅增長。圓錐體就像一面鏡子，激光和微波雷達(dá)能量通過抑制罩反射到外層空間中。由于蒙皮上的金屬涂層輻射導(dǎo)致雷達(dá)再輻射，因而抑制罩對(duì)激光輻射的效果要略好于雷達(dá)輻射。

對(duì)于應(yīng)用抑制罩的衛(wèi)星，激光信號(hào)降低約90dB，雷達(dá)信號(hào)降低約15～30dB。抑制罩還能降低可見光輻射的探測能力。光線通過抑制罩反射到外層空間，幾乎沒有光線返回地球。由于反射罩表面特性，因而其從太陽吸收的能量少，降低了反射罩自身的紅外特征。同時(shí)衛(wèi)星自身從太陽吸收紅外能量，防護(hù)罩位于衛(wèi)星和探測傳感器之間，對(duì)傳感器屏蔽衛(wèi)星發(fā)出的紅外輻射。

操作方案

抑制罩安裝在動(dòng)臂上，這樣相對(duì)于衛(wèi)星來說，抑制罩可以運(yùn)動(dòng)。在這種方式下，圓錐體可以指向衛(wèi)星速度向量的雙向方向，以免受地基武器攻擊?？衫眠b控或自動(dòng)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置驅(qū)動(dòng)罩臂，如電動(dòng)機(jī)?；诘孛孢b控指令，或是對(duì)衛(wèi)星傳感器（此時(shí)顯示威脅正在逼近）做出自動(dòng)響應(yīng)，罩臂運(yùn)動(dòng)。僅在攻擊逼近時(shí)，抑制罩才運(yùn)動(dòng)。當(dāng)衛(wèi)星未遭受威脅時(shí)，抑制罩旋轉(zhuǎn)到某一點(diǎn)，該點(diǎn)不影響衛(wèi)星執(zhí)行其主要任務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星遭到威脅時(shí)，圓錐體調(diào)整位置并指向威脅以抑制衛(wèi)星特征。通常衛(wèi)星持續(xù)10～15min，隨后圓錐體旋轉(zhuǎn)回到原位置。圓錐體使用時(shí)可能會(huì)影響到衛(wèi)星的主要任務(wù)。動(dòng)臂設(shè)計(jì)允許衛(wèi)星保持運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的軌道上。

特征抑制罩操作方案

另一個(gè)備選方案是利用轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)衛(wèi)星的推進(jìn)器來轉(zhuǎn)動(dòng)圓錐體。該推進(jìn)器是一個(gè)低耗能裝置，由衛(wèi)星提供動(dòng)力。這種推進(jìn)器已廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域。該設(shè)計(jì)使得抑制罩變得更加小巧、簡單，非常適用于軌道備用星。

雖然抑制罩蒙皮薄且質(zhì)量輕，但它耐用且包含效果好。即使是運(yùn)行在低軌道的衛(wèi)星，也能保護(hù)其免遭敵方功能激光的攻擊。當(dāng)使用黃金反射涂層時(shí)，能夠反射98%～99%的入射激光能量。如果高能激光攻擊抑制罩，那么激光必須利用大于10W/cm2的能量持續(xù)照射圓錐體超過2min才能摧毀黃金涂層，否則偶爾短時(shí)間照射將不會(huì)對(duì)其造成損傷。

衛(wèi)星抑制罩的尺寸和厚度取決于多種因素，如軌道高度和將要保護(hù)的衛(wèi)星尺寸。目前研究的底部直徑最大約為12.192m，但直徑也可以更大，并且抑制罩仍非常輕且有效。衛(wèi)星入軌后，它可快速完成部署并具有較長的壽命。此外，還可基于特定的航天器和軌道進(jìn)行定制。

3 可膨脹的衛(wèi)星艙

可膨脹衛(wèi)星艙能夠減弱或消除光學(xué)和雷達(dá)信號(hào)，其外殼具有雷達(dá)隱身能力，并且外殼涂上顏色使其更加難以被光學(xué)探測發(fā)現(xiàn)。

組成

可膨脹衛(wèi)星艙的艙體并未限定為特定的尺寸或形狀，該艙體可作為一個(gè)平臺(tái)執(zhí)行多種任務(wù)，或是作為一顆主衛(wèi)星控制其他衛(wèi)星的操作?？膳蛎浶l(wèi)星艙包括1個(gè)核心部分和1個(gè)連接到核心部分的可膨脹外殼。

特征抑制罩操作備選方案

可膨脹衛(wèi)星艙外形圖

核心部分由縱梁和隔離壁圍成，內(nèi)安裝有效載荷。此外，1個(gè)姿控裝置和1個(gè)電源連接到核心部分，1個(gè)控制器連接到電源和姿控裝置，用于指揮姿控裝置。可膨脹衛(wèi)星艙還擁有一個(gè)通信裝置用于接收地面站的指令，以便操作控制器。

可膨脹外殼為柔韌性外殼，包括1個(gè)氣囊、1個(gè)流星防護(hù)罩和1個(gè)約束層。氣囊大多數(shù)由非滲透性材料制成，可阻止飛行器內(nèi)部氣體泄漏。氣囊首選材料為Cepac HD-200。約束層連接到隔離壁上，并將大部分載荷從氣囊轉(zhuǎn)移到隔離壁上。隔離壁采用金屬材質(zhì)，如鋁。流星防護(hù)罩首選含多層的撞擊材料層，如利用襯隔材料層分隔的陶瓷纖維。分隔材料首選疏松的網(wǎng)狀泡沫，發(fā)射前可將其壓縮，衛(wèi)星入軌后泡沫可再膨脹。撞擊材料的層數(shù)由已知的技術(shù)變量確定，如任務(wù)參數(shù)和運(yùn)行時(shí)間要求。約束層的帶子由凱夫拉爾材料制造，約束層和氣囊均連接到隔離壁上。

內(nèi)部布局

一組縱梁和橫梁連接到相對(duì)的隔離壁上?？v梁可由多種材料制成，這取決于任務(wù)參數(shù)，但首選復(fù)合材料，備選金屬材料。氣塞還可考慮作為維護(hù)人員的通道。頂部可用于安裝姿控裝置、通信設(shè)備、電源盒和一個(gè)由電源供電操作姿控裝置的控制器。

設(shè)備連接到縱梁和橫梁上。氣塞也可換為特定任務(wù)的設(shè)備，如雷達(dá)測圖和氣象設(shè)備等。熱控系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)衛(wèi)星溫度，多種熱控系統(tǒng)作為備選，專用系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)有效載荷的規(guī)格參數(shù)選擇。

可膨脹衛(wèi)星艙的橫截面視圖

外部設(shè)備

可膨脹衛(wèi)星艙的外表面支持在其上安裝外部設(shè)備。通信裝置用于中繼轉(zhuǎn)播往返于地面站和飛行器之間的信息和指令，還用于其他衛(wèi)星間和飛行器間的通信。太陽電池作為電源首選，也可采用燃料電池、核能或其他電力生成裝置。電源可只為艙體供電，也可依靠專用的任務(wù)設(shè)備。在姿控裝置的輔助下，飛行器一直對(duì)準(zhǔn)地球。這種技術(shù)已經(jīng)非常成熟，典型的這類裝置依靠噴管和推進(jìn)劑提供直接力來校準(zhǔn)姿態(tài)。

隱身特性

可膨脹衛(wèi)星艙殼體使用雷達(dá)吸波材料，或者將殼體制造成在一些角度下能夠反射雷達(dá)波的幾何形狀，這樣它就能擁有雷達(dá)隱身能力，但這會(huì)使飛行器的研制變得非常困難。如果殼體擁有理想的無線電和微波特性，就可以使無線電或微波穿過殼體，從而被任務(wù)有效載荷直接接收。殼體還可噴涂顏色，使得圖像信號(hào)檢測設(shè)備難以檢測得到。殼體上可保留窗口，使飛行器內(nèi)部的光學(xué)儀器（如相機(jī)）通過該窗口觀察外部情況?；谏鲜鏊枷耄芍圃斐龆喾N構(gòu)型的艙體。

4 結(jié)論

隨著美國加緊彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)，以及空間軍事化進(jìn)程的推進(jìn)，給其他國家的空間資產(chǎn)造成巨大安全威脅。目前，世界各軍事強(qiáng)國均加強(qiáng)衛(wèi)星隱身基礎(chǔ)研究，落實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究途徑，加速衛(wèi)星隱身工程化步伐。