軍用衛(wèi)星：大、小誰主導(dǎo)？

文/ 李加祥 劉夢(mèng)詩

近期，新美國(guó)安全中心發(fā)布《新興太空環(huán)境下的小衛(wèi)星》報(bào)告，分析了美國(guó)軍用（含情報(bào)界）衛(wèi)星架構(gòu)和商用衛(wèi)星架構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，探討了小衛(wèi)星對(duì)美國(guó)軍用衛(wèi)星架構(gòu)的影響。報(bào)告認(rèn)為，小衛(wèi)星的發(fā)展近期還不足以使大衛(wèi)星主導(dǎo)的美國(guó)軍用衛(wèi)星架構(gòu)出現(xiàn)重大轉(zhuǎn)向，建議美軍和情報(bào)界適度加強(qiáng)小衛(wèi)星能力發(fā)展與應(yīng)用。

▲ “黑杰克”項(xiàng)目想像圖

大衛(wèi)星、小星座近期仍為主導(dǎo)

衛(wèi)星按照發(fā)射質(zhì)量大致分為小衛(wèi)星、中衛(wèi)星和大衛(wèi)星。美國(guó)軍用衛(wèi)星主要執(zhí)行偵察、通信、導(dǎo)航、電子情報(bào)收集、氣象預(yù)報(bào)、彈道導(dǎo)彈預(yù)警和技術(shù)開發(fā)等任務(wù)。當(dāng)前和未來幾年，美國(guó)軍用衛(wèi)星架構(gòu)仍將以大衛(wèi)星、小星座為主導(dǎo)。

報(bào)告稱，目前美國(guó)現(xiàn)役軍用衛(wèi)星共約150顆，其中120顆執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。但能公開獲得相關(guān)數(shù)據(jù)的只有104顆，其中小衛(wèi)星12顆、中衛(wèi)星47顆、大衛(wèi)星45顆，平均質(zhì)量達(dá)4300千克，大衛(wèi)星的總數(shù)和總質(zhì)量分別占美國(guó)在軌軍用衛(wèi)星總數(shù)的44%和總質(zhì)量的72%。同時(shí)，美軍還租用商用衛(wèi)星來滿足多達(dá)80%的軍用衛(wèi)星通信需求，雖然每年花費(fèi)10億美元，但在美軍太空領(lǐng)域投資中占比很小。美軍和情報(bào)界還利用商用衛(wèi)星搭載專用的國(guó)防通信與傳感器載荷，但目前只是有限應(yīng)用。此外，美軍并沒有忽視小衛(wèi)星的能力。美空軍已部署多顆相對(duì)便宜的小衛(wèi)星。國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）已啟動(dòng)“黑杰克”項(xiàng)目，研究利用低軌小衛(wèi)星星座替代專用軍用衛(wèi)星執(zhí)行監(jiān)視與通信等任務(wù)的潛力。

報(bào)告認(rèn)為，從采辦項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)投入看，未來幾年美軍和情報(bào)界的太空項(xiàng)目仍然集中于發(fā)展和部署復(fù)雜、昂貴的大衛(wèi)星。比如，“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星，重量6200千克，單顆采辦成本26億美元，目前已發(fā)射了5顆。“天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星，重量4800千克，單顆采辦成本32億美元，目前有4顆在軌，計(jì)劃2021年和2022年再部署2顆。

美商用小衛(wèi)星數(shù)量顯著增多

報(bào)告稱，在美國(guó)現(xiàn)役的800顆商用衛(wèi)星中，可獲得其中711顆衛(wèi)星的質(zhì)量數(shù)據(jù)。在這711顆衛(wèi)星中，小衛(wèi)星、中衛(wèi)星和大衛(wèi)星的數(shù)量分別為383顆、167顆和161顆，分別占衛(wèi)星總數(shù)的54%、23.4%和22.6%，占衛(wèi)星總質(zhì)量的5%、35%和60%。

報(bào)告認(rèn)為，從現(xiàn)役的各類商用衛(wèi)星總質(zhì)量看，目前美國(guó)的商用衛(wèi)星架構(gòu)同樣以復(fù)雜、昂貴的大衛(wèi)星、小星座為主導(dǎo)。但報(bào)告指出，小衛(wèi)星已大量進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，從2012年到2017年，進(jìn)入軌道的小衛(wèi)星數(shù)量從70顆增至380顆，近兩年更是數(shù)量猛增，這些衛(wèi)星大多為納米級(jí)（3～22千克）甚至更小。其大量進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)，不僅反映了小衛(wèi)星現(xiàn)在可能具有更大能力，而且為部署更大規(guī)模的星座（幾十顆或上百顆衛(wèi)星）提供了機(jī)會(huì)。

報(bào)告指出，推動(dòng)美國(guó)商用小衛(wèi)星發(fā)展的主要因素：

一是衛(wèi)星小型化。星載計(jì)算機(jī)、電子裝置、機(jī)械系統(tǒng)、電池和傳感器的小型化，不僅降低了衛(wèi)星成本，而且推動(dòng)了小衛(wèi)星能力的發(fā)展。

二是衛(wèi)星發(fā)射成本下降。相比于中型/重型運(yùn)載火箭，當(dāng)前美國(guó)小型運(yùn)載火箭的效率很低，這使發(fā)射成本成為小衛(wèi)星發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。在載荷能力充分利用的情況下，中型/重型運(yùn)載火箭的發(fā)射成本為每千克0.5萬～1.8萬美元，小型運(yùn)載火箭的發(fā)射成本則為每千克3萬～10萬美元。為降低小衛(wèi)星發(fā)射成本，目前只有少數(shù)小衛(wèi)星利用小型運(yùn)載火箭發(fā)射，多數(shù)小衛(wèi)星要么作為中型/重型運(yùn)載火箭的次要載荷發(fā)射，要么利用中型/重型運(yùn)載火箭一次發(fā)射多顆。目前，太空探索技術(shù)公司正在發(fā)展“獵鷹”系列運(yùn)載火箭，DARPA則在發(fā)展XS-1航天飛機(jī)，未來衛(wèi)星發(fā)射成本有望大幅降低到每千克4000美元。

加強(qiáng)小衛(wèi)星的發(fā)展與應(yīng)用

以目前小衛(wèi)星的發(fā)展?fàn)顩r來看，未來小衛(wèi)星將會(huì)為美國(guó)軍用衛(wèi)星架構(gòu)帶來如下好處：

一是顯著提高效費(fèi)比。相比于大衛(wèi)星，小衛(wèi)星發(fā)射成本在全壽命周期成本中占比高。未來衛(wèi)星發(fā)射成本大幅下降后，小衛(wèi)星、大星座的軍用衛(wèi)星架構(gòu)具有更好的成本效益。

二是戰(zhàn)時(shí)具有更好的生存力。報(bào)告認(rèn)為，許多國(guó)家已經(jīng)擁有并且正在發(fā)展反衛(wèi)星能力，包括陸海空天基動(dòng)能殺傷、激光/微波/電磁脈沖非動(dòng)能攻擊、電子干擾/欺騙攻擊、網(wǎng)絡(luò)攻擊等，對(duì)美國(guó)衛(wèi)星能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。而利用小衛(wèi)星構(gòu)成大星座，增加反衛(wèi)星一方必須應(yīng)對(duì)的衛(wèi)星數(shù)量，將使得攻擊衛(wèi)星的任務(wù)更加復(fù)雜，有助于應(yīng)對(duì)反衛(wèi)星威脅，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的生存力。

三是具有最為經(jīng)濟(jì)有效的戰(zhàn)時(shí)補(bǔ)充能力。大衛(wèi)星成本高昂，難以大量采購(gòu)作為戰(zhàn)時(shí)儲(chǔ)備，其發(fā)射設(shè)施戰(zhàn)時(shí)生存能力較弱。采購(gòu)小衛(wèi)星作為戰(zhàn)時(shí)儲(chǔ)備，有成本和發(fā)射等方面的優(yōu)勢(shì)，具有更好的星座重構(gòu)能力。

報(bào)告認(rèn)為，設(shè)計(jì)衛(wèi)星星座是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，從理論上講，小衛(wèi)星星座與大衛(wèi)星星座這兩種方式各有強(qiáng)弱點(diǎn)，需要權(quán)衡各種能力、成本、數(shù)量、復(fù)雜性等諸多因素。目前尚不清楚為有效應(yīng)對(duì)各種反衛(wèi)星威脅，小衛(wèi)星星座需達(dá)到的最佳星座規(guī)模，另外衛(wèi)星數(shù)量增多并不能改善衛(wèi)星地面站的生存能力，也無法提升衛(wèi)星的抗干擾或應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力。

▲ 整流罩內(nèi)的“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星

因此，報(bào)告建議美軍和情報(bào)界現(xiàn)階段適當(dāng)增加投資，發(fā)展小衛(wèi)星能力：一是開發(fā)、部署一個(gè)或多個(gè)小衛(wèi)星星座，增加經(jīng)驗(yàn)；二是改善戰(zhàn)時(shí)小衛(wèi)星儲(chǔ)備補(bǔ)充能力；三是更加重視航天發(fā)射能力，尤其是小型運(yùn)載火箭。

▲ “天基紅外系統(tǒng)”衛(wèi)星

▲ 美國(guó)宇航局的手機(jī)衛(wèi)星PhoneSat項(xiàng)目