太空战中的天基武器技术

时间:2020-09-09 栏目:科学24小时

潘晨 王海兰

未来能否实现太空作战,天基武器技术是关键。当今世界军事强国围绕太空主导权的争夺日趋激烈,推动了太空技术的快速发展。近年来,太空技术在现代战争中的运用越来越广泛,军事与太空技术的捆绑也越来越紧密。太空军事技术包括太空投送、太空态势感知等。这些技术不仅是维护国家安全的重要支撑,而且也是国家综合实力的显著标志,其发展决定着未来太空作战的形态、作战理论的创新以及部队编制体制的调整。

天基武器技术的昨天

20世纪50年代末至60年代末是天基武器技术由实验验证到初步形成的阶段。在这一阶段,美苏两个大国都在探索未来空间争霸的可能性,也投入了大量人力和财力研发载人航天器和卫星,并进行了广泛的实验探索。美苏相继发射了侦查、监视和预警卫星,并测试了轨道打击系统和反卫星武器。这一阶段的发展重点是发展载人航天技术,包括运载、出舱、对接、返回等技术。

20世纪70年代初到80年代末是天基武器技术由应用试验到快速发展的阶段。这一阶段,相关技术已经趋于成熟,军事卫星为各类军事行动提供了精确保障,商用卫星也在国家经济发展中发挥了重要作用。这一时期在载人航天方面,侧重于发展保障人类外太空长期执行任务的能力。而在天基武器技术方面,美国在1983年便提出了“星球大战”计划,2年后就利用反卫星技术摧毁了一颗在轨卫星。苏联则在这一阶段进行了约20次反卫星实验。

20世纪90年代至近年,天基武器技术日臻完善,进入实战应用阶段。从1981年美国的航天飞机首飞,到1986年提出研发面向未来的、可重复使用的空天飞机(最近进行了第6次验证飞行的X-37B属于此类),可以看出航天大国逐步将其应用范围从战略层面向战役、战术层面扩展,建立起以战术应用为主的天基武器系统,目标直指未来太空战争。

天基武器技术的今天

在现代战争中,太空中的各类侦查、预警、导航、通信卫星等信息系统,对地表、空中甚至深海的军事行动产生越来越大的影响。作为目前天基技术的重要组成部分,太空态势感知系统是战场上的倍增器,其重要程度与日俱增,美军把太空感知建设作为太空武器化的首要步骤,又将发展星链网络技术和卫星编队飞行技术列为重中之重。

星链网络技术指的是航天器之间信息传输和交换的技术。前期快速组网阶段,关键在于快速发射、设计小型化和可控成本三个方面。首先,在发射技术方面,目前美国的“星链”计划,是由分布在低、中、高轨道的上万颗卫星组成的一整套侦查预警系统。要在轨道中布置如此众多的卫星,肯定要突破传统的运载模式,目前“星链”计划采用的发射技术是一箭多星技术。其次,要提高发射效率,这要看卫星设计在小型化、多功能方面能否有所突破,小卫星成本低、体积小、重量轻且部署快,能大大降低卫星的发射成本。最后,要降低发射成本,火箭的重复回收、快速再发射技术就十分关键了。美国的商用火箭公司SpaceX已经测试了相关的回收再发射技术,有效地提升了经济效益。在后期的实际运用上,链接技术要让众多卫星成为一个整体,有效弥补原本小型化设计时可能带来的缺陷。链接技术在运用时,需要在多颗卫星之间建立统一的时间基准。同时,由于卫星相对位置的不确定性,需要采取实时跟踪技术来增加精度。此外,为了提高通讯效率,还要采用有效的算法来矫正相关的误差。

卫星编队飞行技术 指的是多颗卫星为完成任务而采取特定动作的技术,包括组成编队和姿态控制。组成编队时,区域内多颗卫星能按照计划各自变轨形成卫星群;姿态控制方面,要做到全过程统一,就需要运用集成轨道动力学和轨道导航技术,以及多星管理、协同工作、自主运行等技术。在多星管理方面的要求十分复杂,因为编队中某个卫星的任何一个动作都会对编队全局产生影响。同时,在协同工作方面,外太空中的参照点可能随时发生变化,特别是卫星变轨后,要做到迅速整理队形,保持监测目标的不丢失,就要求编队内的卫星建立统一的逻辑。最后,在自主运行方面,要求卫星不仅要控制自身的编队姿态,也要靠惯性制导、光学遥感等技术来捕捉编队位置。

当然,任何技术都有弱点,由星链网络技术和编队飞行技术所构成的太空态势感知体系,最易受到敌方软杀伤的打击,这种软杀伤主要采用了干扰技术和网络技术。在干扰技术方面,首先是干扰卫星系统,使其工作失常,主要方式是采用定向干扰,对轨道范围内的卫星进行直接压制,使其偏离轨道而无法正常工作;其次是干扰通信,阻断信息链接,采用的方式有发射大功率杂波、欺骗干扰等。网络攻击方面和我们所熟知的黑客攻击方式相类似,采取情报收集、漏洞监测和实施攻击这“三部曲”。网络攻击技术更新迭代迅速,而老旧卫星的防护、硬件水平相对滞后,所以网络攻击容易奏效。

天基武器技术的未来

现有的太空武器或空间设备都是在地面工厂制造好后,由火箭送入太空的,这不仅意味着这些设备的重量将受到制约,其形状、性能也会大打折扣,而且太空设备十分精密,入轨使用后一旦某个部件损坏,就可能导致整个设备的瘫痪。随着现有3D打印技术的不断发展,未来太空3D打印技术也将不断完善,甚至替代地面的制造、组装工作。太空3D打印有诸多好处:一是在真空中打印具有天然的优势。目前的电子束3D打印还需特别搭载真空设备,且受真空环境大小的制约,无法制造体积大的物件,而在太空中打印则没有限制。二是材料唾手可得。目前在太空中有无数的太空垃圾,这些垃圾都是由衛星的碎片组成的,可重复使用率极高,未来或可不用单独从地球发送打印原材料。三是太空打印物体大小不受限制。太空3D打印机既可以打印小的子弹,也可以打印大型的天基电磁脉冲炮。这种技术有效降低了未来的太空部队对地面制造装备系统的依赖,提升了军事活动的灵活性和机动性。

在未来的太空战中,纳米技术的广泛应用将会提高天基武器的战斗力。例如碳纳米管是一种具有特殊结构的材料,它既能导热也能导电,导电能力是传统材料的万倍以上,同时在高温后能迅速恢复其原有形状。在未来的太空战中,纳米技术能用于制作电子轨道炮的弹道导管,或者抵挡敌方激光武器、电子脉冲和高能微波攻击的覆盖材料。此外,纳米材料可能还具备自愈性质,通过合成修复技术制造的聚合材料,能在设备受到撞击后主动填补裂缝,防止设备进一步损坏。在武器系统中,纳米电子技术能提高武器的智能化程度,其构成的微小机电系统不仅提高了天基武器的信息化程度和安全性,也使天基武器的性能更加强劲。例如纳米卫星、纳米导弹等小型化设备能有效突破对方的防御系统,同时打击效果也没有丝毫折扣。在未来的太空战场上,巨型武器和纳米武器将同时存在,相互补充。在纳米技术大规模应用的情况下,太空战场将变得更加透明,拥有纳米技术优势的国家将具有更大的威慑力。

在未来的太空战争中,对地球造成最大威胁的就是小行星武器化技术,该技术指的是通过“诱捕”近地的太空陨石,然后利用发动机加速的攻击方式垂直打击地面目标。这种攻击方式威力巨大,据测算,直径约10米的小行星就能造成相当于广岛核爆的威力。防御这种攻击十分困难,因为即使通过天基武器及时拦截到了行星武器,其破裂后的碎片也可以间接或直接打击大气层内的设备。

一般来说,使用小行星武器化技术可分为三个阶段:首先,寻找、定位小行星,或者直接从月球开采加工;其次,将重型推力火箭与其对接后,安置于月球“轨道仓库”,以便随时发动打击;最后,在明确打击的战术路径之前,先要确定适合打击的行星,太大容易造成全球灾难,太小则容易在进入大气层时被烧毁或击落。同时还要确保自己的太空设备不在打击路径上,提前机动变轨,并要预测行星武器被拦截后碎片覆盖地表的范围,确保同盟国不受巨大影响。当然,小行星武器化是一项十分危险的技术,使用它直接打击地球的可能性并不大。

传统的原子弹爆炸是不可控的核裂变,它在短时间内释放出大量能量。这种裂变的方式其实只是利用了原子很小的一部分,且裂变后还会产生放射性污染,原料也有限。而可控核聚变能慢慢地把能量释放出来,可以说研发可控核聚变技术就是制造一个人造太阳。

可控核聚变技术有诸多好处:首先,在未来要实现长时间的星际航行,关键要解决太空推进问题,可控核聚变技术可以使用氢基物作为补给,而这种元素在宇宙中是十分常见的。其次,可控核聚变技术不仅能开启人类探索宇宙的步伐,让星际飞船以亚光速航行,而且可以为天基定向能武器提供源源不竭的能量。目前,掣肘天基武器发展的一大重要因素就是無法保障其基本运行。虽然美军目前已经开展了地基、海基、空基激光武器的测试,但其后勤设备上往往带有大量的辅助发电设施,而天基激光武器的成型还需要未来可控核聚变技术的加持。最后,可控核聚变技术对于天基武器的设计也会产生较大的影响,目前我们可以看到卫星、空间站等设备都带有巨大的太阳能板,这种设计并不适应未来的太空作战环境,敌方可以轻易攻击外露的供电系统,如果将动力系统安置在防护层内部,那么就大大提升了天基武器的生存能力。

随着近年来太空技术的迅猛发展,外太空、高边疆已成为维护国家安全和利益的战略制高点。传统大国、强国必将为夺取太空制权而全力寻求关键技术的颠覆性突破,构建战略打击力量体系,对敌形成不对称威慑。可以预见,未来的太空将成为“技术强者”的天下。

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