美国高超声速与弹道跟踪太空传感器项目概述

吴永亮战略前沿技术

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来源：电科防务

作者：吴永亮

高超声速武器指速度达5马赫以上，飞行过程中可机动变轨并重新瞄准目标的致命性突袭武器，是一种极具战略威慑力的新兴进攻性武器。美国目前正在研究多型高超声速武器系统，其中部分系统的性能已接近或达到成熟水平。不过与此同时，全球各军事大国，如中国和俄罗斯也在加快高超声速武器的研发工作，并可能在某些方面已领先于美国。在面对传统弹道导弹攻击时，防御方可通过推算得出来袭导弹的飞行时长、轨迹和可能的弹着点等相关信息，从而能在极短时间内做出合理的拦截防御决策，所面临的主要是响应时间挑战。以洲际弹道导弹为例，一般需要在空中飞行约20分钟，从而使防御方有充足的时间来瞄准发射一至两枚地基拦截弹。而高超声速武器从根本上打破了这一传统防御方式，大大压缩了防御方的响应时间。

俄罗斯的Mig-31型Kinzhal高超音速导弹

项目背景

鉴于高超声速武器这种极强的突防打击能力，美国已开始着手建设高超声速武器防御体系来应对这一新兴威胁。由于远程弹道导弹的飞行速度一般快于高超声速武器系统，因而美国现役拦截系统已具备摧毁这一新威胁的能力，美国现在所缺乏的就是能跟踪它们并制导拦截弹的传感器网络。美国现行的方法是先以地球同步轨道天基红外卫星来探测弹道导弹的发射，之后再提示地基雷达系统跟踪导弹的整个飞行轨迹，而这一方法将无法应对大气层中飞行高度较低的高超声速武器。受地球曲率的影响，可能仅留给地基雷达数秒的时间来观测这些威胁。唯一克服这一挑战的可行方法是从上而下即从太空中，俯视低空飞行的高超声速飞行器。而地球同步轨道传感器由于距离太远，也无法精确特征化大气层中的高超声速武器，因此美国国防部急需部署一种以更低轨道部署的卫星星座来解决这一难题，期望通过以天基持久覆盖填补现役TPY-2和改进型预警雷达等地基雷达的覆盖盲区。美国国防部2019年1月发布了新版《导弹防御评估报告》，该报告明确提出美国需要部署天基传感器来监视、探测与跟踪全球范围内高机动的先进高超声速滑翔飞行器，天基传感器将能对这类目标实现“从生到死”的探测跟踪能力。

美国空军的一项测试程序X-51A Waverider

美国空军于对B-52 Stratofortress飞机进行的AGM-183A空中快速反应武器（ARRW）飞行测试

项目发展情况

在这一大背景下，高超声速与弹道跟踪太空传感器（HBTSS）项目由此应运而生，美国国防部目前将HBTSS项目规划为由多颗传感器小卫星组成的大规模低地球轨道卫星星座，并计划2022财年实现初始运行。该项目旨在探测与跟踪高超声速威胁和弹道导弹，为导弹防御系统提供低延迟关键数据，其前身即所谓的天基传感器层。而这一概念也并非是一种新概念，过去5届美国政府在规划导弹防御架构时都曾提出过建设天基传感器层，但由于主要对手当时采用的仍是轨迹可预测的弹道导弹，美国国防部曾认为并不一定需要低轨传感器网络来补充其地球同步轨道预警卫星，因此除了2009年9月发射两颗太空跟踪监视与系统（STSS）卫星外，并没有在此基础上进一步深入发展并部署更多的卫星。

天基传感器防御高超声速导弹的作战构想图

美国导弹防御局（MDA）目前正与新成立的美国太空军太空发展局（SDA）、美国国防高级研究计划（DARPA）和美国空军一起开展这种天基跟踪传感器系统的样机概念设计工作。HBTSS项目将作为由SDA负责的扩散式低地球轨道（P-LEO）太空架构所规划的数项任务之一，并也是美国太空军下一代导弹预警卫星项目——过顶持久红外（OPIR）系统的组成部分，将采用持久红外传感器来探测与跟踪高超声速等新兴威胁。

MDA目前正采用STSS卫星作为HBTSS的测试平台，并计划利用DARPA的一些卫星项目在卫星平台与传感器技术方面取得进展来降低HBTSS项目的开发风险。DARPA已启动了小卫星传感器项目，研究如何通过低地球轨道小卫星设施来支持未来的情报、监视与侦察（ISR）任务。该项目寻求开发一种完全匹配小卫星能力的新型传感器概念，以及相关支撑技术和子系统，如安全大带宽射频和光学星间通信链路。除该项目外，DARPA还正在推进“黑杰克”项目，该项目旨在研究一些新兴能力，通过开发部署低地球轨道卫星星座来支持ISR与预警任务。其重点研发内容包括商业化卫星平台及低成本、可更换的载荷，并要求较短的设计周期，频繁开展技术升级。

2019年10月，在新版《导弹防御评估报告》发布过后10个月，MDA授予了诺斯罗普·格鲁曼公司、雷声公司、蕾杜斯公司和L3哈里斯公司各一份为期12个月、价值2000万美元的其他交易授权（OTA）合同来开展HBTSS项目的样机载荷设计工作。这些公司将通过验证从太空跟踪高超声速导弹等先进武器所需的关键技术来降低技术风险。采办模式灵活的OTA合同也从另一方面反映出了美国国防部急需解决高超声速武器防御缺口，期望结合商业创新技术来加快HBTSS项目的开发进度。

项目面临的挑战

HBTSS项目虽得到了美国国防部的支持，但在具体实现过程中仍面临着技术、架构、预算和管理方面的障碍。

由于红外焦平面阵列探测单元的响应特性会随环境变化而缓慢漂移，严重影响影响了红外焦平面阵列成像系统的性能，因而必须进行红外非均匀校正。作为一种红外探测系统，HBTSS项目同样面临着这一问题。为满足未来小卫星部署需求，MDA正寻求通过相关技术来消除光电/红外（EO/IR）传感器中集成的非均匀校正硬件，从而降低传感器的尺寸、重量、功率与成本（SWaP-C），简化维护与集成工作，提升任务的持续运行效率。MDA计划从两方面入手来解决红外焦平面阵列中的偏压漂移问题，即下一代读出集成电路，以及支持机器视觉应用的下一代自适应非均匀校正算法。

在项目架构方面，美国国防部的首选方法是在近地轨道部署大规模卫星星座，使传感器在数量上超过对手的攻击/压制能力。由于作战弹性能力是该系统应对相关威胁的一项重要指标，因而仅依靠低地球轨道星座可能无法满足这一需求，美国国防部也在考虑包括中地球轨道在内其他的轨道方案。虽然从近期来看HBTSS项目仍是以低地球轨道为重点研究方向，但长远来看多轨道部署将对项目成功与否十分关键。

预算问题是该项目面临的另一个问题。尽管如《导弹防御评估报告》所述，美国国防部已意识到应对新兴高超声速威胁的重要意义，但美国政府国防预算并未将HBTSS项目作为优先考虑项。由于2019财年和2020财年，HBTSS项目都未被列入美国政府国防预算申请，致使美国国会不得不针对这两个财年为该项目拨款7300万和1.08亿美元。尽管2021财年国防预算申请中为HBTSS项目列支了9960万美元，但对于一个仍处在研究、开发、测试与评估（RDT&E）阶段，并期望于2022财年投入初始运行的项目来说，这些资金是远远不够的。鉴于公开预算文件缺乏透明度，未来几年相关情况仍不明朗。

项目主管机构也面临变数。在2020年预算请求中，美国国防部已将HBTSS项目从MDA转交至了SDA，但美国国会坚持由MDA主要负责该项目。究竟由哪家机构主导，以及如何协调两家机构在HBTSS项目开发过程中的关系已成为了美国政府和国会争论的焦点，而这势必会对该项目的未来发展带来不可避免的影响。

结束语

美国国防部现在已将HBTSS项目视作为美国未来导弹防御体系中的重要一环，以填补美国在应对新兴高超声速武器等威胁方面的能力空白，但当前该项目在开发过程中面临着技术、资金、体制架构和管理层面等诸多挑战，其未来能否按计划成功部署，还是遭遇当年天基预警雷达、传感器和结构一体化（ISIS）等项目一样半途夭折的命运，现在仍有待观望。

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