美国国家侦查局的“幽灵天眼”—揭秘“锁眼”系列间谍卫星
今天是第二个中国航天日，正好赶上天舟一号成功发射和对接，以及在轨加注试验正式开始，可喜可贺。不过咱今天聊点儿别的，SpaceX下一次发射NROL-76暂定于4月30日，距离上次发射整整一个月，之所以没有继续坚持半月一发的高密度发射，是因为这一发是SpaceX首次为“臭名昭著”的NRO（美国国家侦查局）执行绝密发射，NRO旗下的发射任务具体内容均为保密，仅有NROL的公开编号，而要求上自然也比一般商业客户“苛刻”一些，所以发射准备上自然也耗时更长。说起NRO，最出名的就要数旗下的“锁眼”系列间谍卫星了，有关它的传闻可谓五花八门，今天我们就来根据已有的公开资料，好好聊聊这座“天眼”的传奇，本文原载“军武位次面”，作者：Saturn V，正文略有修改。而在此之后，我们可以抽空再聊聊“锁眼从良”的故事，也就是由NRO捐赠的“锁眼”改造成的WFIRST（宽视场红外巡天望远镜），由于经费上的捉襟见肘，在面对WFIRST最终发射升空的这个难题上，NASA终于想起了那个报价低廉（跟D4H比起来）并且目前正在德州测试场试车的重型猎鹰火箭。
格林尼治标准时间2013年8月23日下午6点03分，“德尔塔”IV型重型火箭从美国加利福尼亚州范登堡空军基地腾空而起，此次代号为USA-245的任务把KH-11系列的最后一颗间谍卫星送入轨道。KH-11系列卫星别名“迦南”或者“水晶”，KH则是Key Hole(锁眼)的简写，用以指代一系列光学监视卫星。随着USA-245发射成功，这个在苍穹之上为美国监视了全世界近半个世纪的“锁眼”天网，正式宣告完成。今日，就让我们来领略下这庞大监视网络背后的故事。
“锁眼”天网最初并不叫锁眼，由于冷战的开始，美国迫切需要苏联方面的各类监视情报，而轨道技术的发展使得光学监视卫星成为和著名的U-2，SR-71侦察机一同开发的秘密项目。美国空军和CIA分别于1959年6月和1960年10月先后发射代号为“Corona”（科罗纳）和“Samos”（索莫斯）卫星，而后由于索莫斯系列卫星的屡次发射失败，最终在1962年底并入科罗纳卫星项目。日后的KH-1,2,3,4系列卫星指代的便是科罗纳间谍卫星。
▲科罗纳卫星轨道示意图
此时的间谍卫星和大家熟知的不同，由于照片处理技术的限制，科罗纳卫星必须将胶片以物理形式送回地面以便回收分析。当科罗纳卫星入轨并抵达目标上空后，其位于卫星中部，直径30厘米长1.5米的相机便开始拍摄，如果需要还可使用70度的广角镜头完成大面积的广角拍摄。拍摄完毕的胶卷随后被储存在卫星前端的返回载具内，在适当的时机与卫星分离并回收。
▲科罗纳间谍卫星摄像装置。图中左侧的两个圆形
物体便是两部胶卷和他们的返回载具
随着1960年5月1日U-2在苏联领空被击落，科罗纳间谍卫星由于其无人的特性开始受到格外重视。早期的科罗纳卫星，即KH-1,2,3系列，每次发射仅携带一部返回载具和一部高分辨率相机，也就是拍摄完一次后即成为太空垃圾。为了提高效率，CIA在后续的KH-4上安装了两部广角相机，并配备有两部返回载具。以发射次数最多的KH-4A间谍卫星为例，其可以在拍摄完目标地点并发射一个载具后改变轨道进入“冬眠”状态，在最多21天的等待后到达新的目标地点上方进行第二次拍摄。
在回收载有机密胶片的载具上，CIA也是下尽了功夫。科罗纳卫星的返回载具由运输机在空中直接勾住其降落伞回收，以这看似空中特技的方式避免载具被其他任何人发现。而如果回收失败载具落入海中，位于底部的盐栓会在两天后溶解于海水，使得整个载具沉入海底，避免被非美国海军的任何人发现。
更有意思的是在1964年路透社报道委内瑞拉农夫在自家农田中捡到降落失败的载具后，所有科罗纳返回载具全部取消了在外侧的“机密”标示，而是换上了由八种语言书写的“返还给美国政府有奖”的标语。（有意了解空中回收的可以参见文末的往期相关文章）
▲科罗纳卫星所拍摄的某导弹发射基地
随着太空侦查逐渐频繁，专门负责设计，建造，维护以及操作间谍卫星的美国国家侦查局（NRO）在1961年正式成立，此情报机构神秘到美国媒体都花费了足足10年才发现其存在的证据，而美国参议院则直到1973年10月才正式承认NRO的存在。
▲NRO徽标
科罗纳间谍卫星自然毫无悬念的在1962年划归到美国国家侦查局的管理之下，由于发射次数和种类逐渐增多，NRO决定为科罗纳系列卫星改名以便管控，“锁眼”的代号便正式诞生了。在KH编号中，发射次数已不再记录以避免暴露更多信息，KH后所接编号代表着科技级别，即如果间谍卫星使用新的光学摄像技术，则采用下一个数字命名。截止到1972年5月25日KH-4B的最后一次发射，科罗纳间谍卫星总共发射144次，其中102次成功返回有价值的胶片。至此，庞大的“锁眼”天网完成了其第一块基石。
在实验性间谍卫星KH-5“氢”和KH-6“系索”测试完毕后，NRO建造的新型KH-7“话题”间谍卫星在1963年7月12日首次投入使用。和其前辈科罗纳卫星一样“话题”卫星携带有小型返回载具将胶片送回，不过KH-7所携带的摄像装置远比科罗纳卫星先进。科罗纳的分辨率最小可以辨析地面上1.5至3米的物体，KH-7则把此精度缩小至0.61至0.91米，这意味着“话题”卫星已经可以分辨地面小型载具。
▲KH-7所使用的摄像装置图解
▲KH-7所拍摄的某卫星发射中心
而以KH-7间谍卫星为基础进一步升级，并在1966年7月29日首次投入使用的KH-8“话题-3”卫星，则将此精度进一步提高到了惊人的0.1米，这意味着NRO甚至可以通过对导弹影子的大小和拍摄时的地理位置来计算导弹的确切尺度，进而估算出其性能。
▲KH-8所使用摄像装置图解
KH-7间谍卫星总共发射38次，其中30次返回了有价值的胶卷，而KH-8总共发射54次，具体回收情况未知。“话题”卫星可谓是美国60年代末至80年代初的间谍卫星主力，成就了“锁眼”天网的第二块基石。
▲KH-8所拍摄的苏联N-1火箭
▲NRO公布的KH-8卫星所携带的摄像装置照片
KH-7,8系列有着出色的性能，不过由于其自身体积限制，用以供给相机所使用的电池携带量有限，“话题”间谍卫星的活动周期很短。体积较大的KH-8有着最长31天的活动时间，而体积较小的KH-7则只有8天，这就意味着NRO必须在确定情报后再发射间谍卫星，不仅增长准备时间，还无法进行大面积监视或根据需求完成对某一目标的多次拍摄。鉴于此缺点，NRO研发了可长时间待机并携带多达4个返回载具的KH-9“六边形”间谍卫星。
第一枚“六边形”间谍卫星于1971年6月15日发射入轨，外形上KH-9除了比其前辈们整整大了一号外，最大的区别在于卫星尾部安装的太阳能电池板。没有了电池的限制，更多的空间得以用来放置高性能摄像装置和返回载具。
▲KH-9的构造透视图，四个白色球体即为返回载具
▲图解KH-9摄像装置所能覆盖视角
这个11余吨重的间谍卫星总共发射20次，除一次发射失败外其余19枚卫星均顺利入轨。第一枚KH-9便以52天的在轨纪录打破了KH-8的31天，而最后一枚KH-9更是在其轨道上足足飞行了275天。根据NRO的解密报告，KH-9可分辨地面上至少0.6米的物体，虽不如KH-8极致的0.1米，但超长的在轨时间足以让NRO在发现情报后再定点发射KH-8以取得更清晰画面。至此，NRO想看哪里看哪里，想看多少次就看多少次的“美梦”终于成真，“锁眼”天网的第三块基石铺设完毕。
▲正在洛克希德马丁工厂中组装的KH-9间谍卫星
1976年12月19日，泰坦IIID型火箭从美国加利福尼亚州范登堡空军基地腾空而起，KH-11系列卫星的历史至此开始。如果在入轨后能对卫星拍照，估计很多人会把其误认为是14年后发射的哈勃太空望远镜。不过和哈勃不同，“迦南”间谍卫星不是“向上”聚焦宇宙尽头，而是“向下”紧盯着地球表面。携带着当时最先进的电子光学观测器械和多重无线电加密装置，作为次时代产物的“迦南”将彻底改变人们对间谍卫星的所有认知。
请注意，这不是“哈勃”，说来也巧，今天正好是“哈勃”27岁的生日，至今仍在工作，由此也可见同源的KH-11卫星的性能和寿命水平
1976年12月19日发射入轨的KH-11“迦南”是美国首枚也是全世界首枚采用感光耦合组件摄影技术，并使用超高频通讯传输数据的间谍卫星。和KH系列前9款卫星采用胶卷摄影并将胶卷送回地面的方式不同，KH-11将拍摄到的画面以数据链的形式发送到位于更高的地球同步轨道通讯卫星，而后由通讯卫星网络将数据转发到位于弗吉尼亚州玻利瓦尔堡的第58区地面接收站。显然和其余“锁眼”卫星相比“迦南”的任务不再受返回载具数量限制，节省下的空间用来安装更大型摄影器械，同时近乎实时的数据传输也为NRO提高了监视效率。
▲第58区卫星控制中心
其实说到这里有人会好奇了，按照KH系列的命名逻辑，上一款光学间谍卫星是KH-9，下一款应为KH-10，为何直接跳到了KH-11？其实KH-10是确实存在过的间谍卫星计划，代号“多利安”。原计划KH-10将会是首款载人间谍卫星，其前部安装有类似于双子座飞船的载具，入轨后可与载人飞船对接，由宇航员负责回收和更换胶卷，以此来延长间谍卫星的任务时间。
▲KH-10设计图，前端为双子座B飞船
显然如此脑洞大开的设计对卫星本身体积的要求过高，且并没有从根本上解决需要频繁发射的问题。在1966年以双子座II飞船为原型的无人发射测试后，KH-10便被取消，研发光学间谍卫星的资源被悉数用来开发更具革命性的KH-11。
▲KH-11内部构造
没有了返回载具占空间，KH-11比KH-9短了许多，重新设计的大面积太阳能电池板移到了卫星两侧为卫星提供更多电力，1990年发射的哈勃太空望远镜也参考了此设计。而作为间谍卫星的核心，增粗的KH-11内部安装有直径2.34米的第一级镜片，后续的KH-11将此直径进一步增大至3.1米。在最佳大气条件下采用2.4米镜片的KH-11的理论地面分辨率能达到15厘米，后续卫星除了进一步提高分辨率以外，还提高了镜片所能反射的电磁光谱，使得KH-11具备一定程度的远红外监视能力。
▲KH-11各部分构造图
获得如此“神器”的NRO怎能不将其“发扬光大”？KH-11分为四个批次共计发射16枚，后续批次先后将“迦南”代号改为“龙”，“水晶”，“升级水晶”等，现今仍有四枚在轨工作。除了性能的提升以外，KH-11的卫星轨道也和其余“锁眼”系列卫星大不相同。
▲KH-11的轨道
所有KH-11卫星均被放置在近地轨道较高段的太阳同步轨道，此轨道高度大约为国际空间站轨道高度的两倍。从轨道名字便能看出，虽然卫星本身仍在环绕地球旋转，但和太阳的旋转是相对静止，这意味着拍摄照片时，拍摄地的太阳光源总是一样的。相同的光源除了便于测算拍摄时间外，还可固定物体影子大小，进而根据拍摄纬度计算出物体高度。在此基础上KH-11还采用两星一对的设计，一主一辅在不同轨道不同高度短间隔先后拍摄，减小对物体测量的误差。
▲KH-11拍摄的建造中的基洛夫级巡洋舰
“锁眼”系列间谍卫星的极致，莫过于在KH-11基础上改进的，有可能编号为KH-12的“迷蒙”间谍卫星。“迷蒙”卫星确认有两次发射，分别在1990年2月28日由亚特兰蒂斯号航天飞机和1999年5月22日由泰坦IVB火箭发射，大量旁证显示2012年6月28日由德尔塔IV型火箭发射的代号NROL-15的负载为第三颗“迷蒙”间谍卫星。
▲神秘的NROL-15任务徽章
根据部分泄密的资料，“迷蒙”有两点特别之处。和以往所有的位于近地轨道范围内的光学间谍卫星不同，“迷蒙”的三次发射均把卫星送到了轨道高度是国际空间站105倍的地球同步轨道上。虽说此轨道高度让“迷蒙”的拍摄分辨率大幅度下降，但在距离地表35786千米的同步轨道上，“迷蒙”卫星的旋转速度和地球自转完全相同，这意味着其可以对地面上同一区域进行不间断拍摄，获取近乎实时的情报。
▲“迷蒙”卫星可能的构造图，
注意前端的圆锥形罩
除了特殊的轨道，“迷蒙”另一大特点在于其是第一个被NRO划归为“隐身卫星”的间谍卫星。由于和地表旋转同步，地面上的雷达和光学器械也可观测到“迷蒙”。部分泄密信息显示为了不被发现，“迷蒙”在朝向地表端安装有圆锥形罩子用以折射雷达的电磁波，同时卫星体使用了能吸收高达99.965%可见光的碳纳米管黑体材料，使得除镜头和太阳能电池板以外的整个卫星呈绝对黑色，因此地面上的光学观测装置几乎不可能发现卫星的存在。
▲KH-11在科索沃战争空袭前所摄
位于贝尔格莱德的塞尔维亚军队总部
作为有着40年历史的间谍卫星，KH-11的保密工作自然是NRO的重中之重。有意思的是绝大多数早期关于KH-11的资料，均源自自天文爱好者试图通过高精度望远镜拍摄哈勃太空望远镜的身姿，结果却不小心拍摄到了位于接近轨道上的KH-11间谍卫星。原因自然不必多说，哈勃太空望远镜的科技几乎全部继承自KH-11，就连第一级镜片直径都是相同的2.4米，外形上的相似自然毫不意外。
▲几乎没有人会认错的太空望远镜，其形状其实完全继承自间谍卫星
更为有趣的是现在对KH-11及其后续发展型间谍卫星的信息，除了NRO公开的资料以外，便是来自NASA公布的在2011年8月接收的两枚NRO捐赠的间谍卫星资料。由于科技的进步，NRO认为原本用作发射失败备份的两枚早批次KH-11卫星已经过时，于是将其捐赠给正好却少经费建造新太空望远镜的NASA使用。尽管这两枚待在仓库里的卫星早已拆除了感光耦合组件和电子设备，但NASA的工程师在研究完没有拆除的光学镜片组件后，认为这些组件依然非常先进（请注意“依然”两个字，有媒体称这批捐赠的卫星光学镜片研磨时，苏联还未解体，也就是说这批镜片在仓库内已经放置了将近30年），并计划将其改装成即将发射到地日第二拉格朗日点的广域红外探测望远镜（WFIRST），用以观测暗物质和寻找类地行星。KH-11“迦南”间谍卫星的强大性能可见一斑。
▲NASA计划中的点的广域红外探测望远镜
庞大的“锁眼”天网随着2013年8月28日的USA-245发射而宣告完成，KH-11系列的实际造价也终于浮出水面。根据NRO在2014年4月发布的报告，最后两枚KH-11间谍卫星总共价值50亿美金，这意味着这两枚卫星比一艘尼米兹核动力航母还要贵5亿美金。这便是为了监视全球而造的“锁眼”天网的价格，或者说，这便是侦查目标，收集情报，获取信息的价格。
▲光学薄膜材料
随着“锁眼”天网的结束，新的“天网”已提上日程，美国国防高等研究计划署（DARPA）正在研发光学薄膜间谍卫星（MOIRE）。鉴于卫星拍摄清晰度受到第一级镜片大小制约，而难以折叠的第一级晶体镜片又受到火箭发射空间的制约，MOIRE卫星将采用光学薄膜为第一级反射镜。在发射时大幅度折叠的光学薄膜可在入轨后展开成直径20米的超大镜面，届时MOIRE会以接近甚至超过KH-11“迦南”的分辨率，和KH-12“迷蒙”一同在地球同步轨道进行间谍任务。
▲MOIRE间谍卫星第一级反射镜和哈勃（Hubble），韦伯（Webb）太空望远镜第一级反射镜大小对比，韦伯已经耗资80亿美金，NRO的下一代KH请自行想象
“锁眼”庞大的光学监视天网，将会在未来由另一批卫星构筑编制，继续着那不存在的间谍任务。
▲“锁眼”系列间谍卫星全家福
（全文完）
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