【装备课堂】神秘的“天基杀伤评估”系统悄然完成在轨部署
杀伤评估在反导作战中至关重要，是反导系统实战化的重要支撑。美国高度重视“天基杀伤评估”系统，对该项目具体细节长期处于保密状态，从未正式宣布其发射时间和部署情况。按照美国《国防授权法案》要求的2019年底实现在轨运行，综合《导弹防御内情》披露的消息、美国康奈尔大学和平与冲突研究所专家乔治·路易斯个人博客、以及约翰霍普金斯大学应用物理实验室《技术文摘》刊登的《天基杀伤评估技术发展》论文等信息，结合近期美国商业卫星发射入轨情况，基本可以判断“天基杀伤评估”系统从2017年开始搭载在第二代“铱星”上陆续发射，截至2019年1月，已经完成全部22个有效载荷的部署。
2019年2月，据防务内情网站报道，美导弹防御局“天基杀伤评估”（SKA）系统将于2019年3月进行最后一系列演示验证试验后很快投入使用。美国在2019年1月发布的新版《导弹防御评估》报告中指出，“美国防部正在投资和部署'天基杀伤评估'系统，'天基杀伤评估'旨在确认美国导弹防御系统是否成功拦截并摧毁了弹头”。“天基杀伤评估”是美国导弹防御系统重要组成，但多年来美国防部、美国导弹防御局鲜少披露“天基杀伤评估”系统相关研发部署进展情况，为“天基杀伤评估”系统添加了几分神秘色彩。
一、研发背景
相关研究表明，美国导弹防御局“地基中段系统”（GMD）中海基X波段雷达（SBX）和杀伤器（EKV）上红外传感器当前仅可识别与真实弹头尺寸、重量有较大差别的气球等简单诱饵，对于类似弹头形状的重型诱饵几乎不具备识别能力，且这些传感器不具备拦截后杀伤评估能力，无法确定是否摧毁了来袭目标。此外，在导弹防御局“地基中段防御系统”进行的几次拦截试验中，如2001年IFT-06、2006年FTG-02、2010年FTG-06等几次飞行试验中，出现了一些与杀伤评估相关的问题。因此，美国迫切需要研制一种杀伤评估系统，提高导弹防御系统拦截效率，降低拦截成本。
在2014财年《国防授权法案》中，美国国会要求美国导弹防御局应“为地基中段防御系统提供改进的杀伤评估系统，导弹防御局应尽快开发并控制采办风险，最晚在2019年12月31日前使系统具备初始运行能力”。2014年4月，导弹防御局启动了“天基杀伤评估”项目，项目资金来源于2013年取消的“精确跟踪空间系统”（PTSS），项目资金为651.5万美元；在2015财年-2017财年《国防授权法案》中，美国国会通过“弹道导弹防御系统空间项目”（编号0603895C）为“天基杀伤评估”项目分别批复2329万美元、2069万美元、2069万美元；2018财年《国防授权法案》中，美国国会将“弹道导弹防御系统空间项目”编号改为1206895C（增加了新的研究项目），为“天基杀伤评估”项目拨款3099万美元，2019财年为项目拨款1648万美元，截止到目前，总研发经费达到了近1.2亿美元。按照2019财年预算申请文件中的说法，“天基杀伤评估”系统计划2019财年实现在轨运行。
二、系统概述
“天基杀伤评估”系统由22颗“天基杀伤评估”传感器载荷组成，传感器载荷寄宿在商业卫星上。单个传感器载荷重约10千克（22磅），由1个高速光谱传感器、1个高速偏振成像传感器和1个高速偏振非成像传感器组成。光谱传感器用于对拦截中的辐射、热和光谱等信息进行成像，偏振传感器用于确定拦截时产生物质（碎片、颗粒、等离子体、气体等）的粒度分布，确定弹头的类型。
“天基杀伤评估”系统主要用于解决以下几个方面的问题：
确定是否拦截目标；
确定拦截目标的类型（常规弹头、核弹头、生化弹头还是诱饵）；
确定是否是正面撞击；
确定目标是否被摧毁。
图1 天基杀伤评估载荷效果图
迄今为止，美国国防部和导弹防御局未公布“天基杀伤评估”具体寄宿在哪种卫星上，结合美国2017财年导弹防御局预算申请文件以及第二代“铱星”发射计划，推测“天基杀伤评估”载荷部署在第二代“铱星”通信卫星星座中的22颗卫星上，于2017年1月开始随第二代“铱星”卫星发射入轨。
第二代“铱星”卫星由66颗卫星组成，位于780千米高度86.4°倾角的近地轨道，在6个轨道平面上，每个轨道有11颗卫星。第二代“铱星”系统为寄宿载荷专门分配了空间，可寄宿重50千克，体积30×40×70厘米、平均功率50瓦、峰值功率200瓦内的载荷。每颗卫星可被寄宿多个载荷，载荷可向下或向卫星运行速度矢量方向安装。
2019年1月，随着“铱星”星座最后一批卫星由SpaceX公司“猎鹰9”火箭成功发射入轨，“铱星”星座正式组网运行。2019年2月，据防务内情网站报道，“天基杀伤评估”系统将于2019年3月完成最后一系列试验后正式投入使用。
图2 第二代“铱星”星座和结构图示意
“天基杀伤评估”系统由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研发，该实验室最初还负责“天基杀伤评估”系统初期的运行和维护工作。
三、工作过程
“天基杀伤评估”系统使用被动辐射制冷的单像素光电二级管传感器，本身几乎不具备导弹跟踪能力，需要依赖导弹防御指挥控制系统获取关于拦截位置的信息，提前定位传感器，观察导弹拦截时产生的撞击“云”扩散的速率、强度以及光谱随时间的变化，将结果与之前试验测试结果进行比对，进行杀伤效果评估，随后将杀伤评估信息传送到地面指挥控制系统，确定是否需要发射拦截弹进行二次拦截。
图3 天基杀伤评估工作过程
四、工作原理
导弹拦截是一个复杂的物理过程，拦截弹和弹道导弹相对速度大多在1千米/秒~10千米/秒，有时甚至达10千米/秒以上，撞击产生的动能在100兆焦~2吉焦，慢速撞击时主要产生碎片，高速撞击时会产生较多汽化材料。导弹拦截过程中具体可观察物质包括碎片、颗粒、等离子体、气体等，通常撞击产生的光强度在1毫秒或更短时间内达到峰值，在10毫秒~50毫秒内达到第二峰值。
图4 导弹拦截瞬间图像
“天基杀伤评估”系统的研发重点包括基于物理的拦截事件模型、可以以时间为横坐标记录拦截信息的高速传感器、用于传输杀伤信息的基于导弹防御系统架构的传感器、新型杀伤评估传感器技术、杀伤评估算法等。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室首先对基于物理的目标拦截特征进行建模，通过基于桑迪亚国家实验室开发的耦合热力学和流体力学（CTH）激波物理代码和自己研发的材料碎裂特征模型，研发了一种“再入飞行器拦截特征杀伤评估”（RISK）模型。
图5 “再入飞行器拦截特征杀伤评估”（RISK）模型
约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研发了高速光谱传感器（HSS）、高速偏振成像传感器和高速偏振非成像传感器。高速光谱传感器由一个工作在1.5~1.7微米的短波红外（SWIR）成像器和一个3.3~4.9微米的中波红外（MWIR）成像器组成，光栅平均像素间距约为0.77纳米，瞬时视场仅40微弧度，分辨率约为3~4纳米，对于弹道导弹的跟踪范围大于1000千米，仰角小于3°。偏振传感器由工作在近红外光、短波红外和中波红外的3个偏光计组成，偏光计利用太阳光作为辐射源，通过测量偏振度来判断碎片的位置信息。
图6 三种波长偏振传感器记录的时间强度剖面
为了收集拦截频谱，对拦截目标载荷进行识别和分类，建立拦截杀伤评估信息数据库，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室使用哈雷阿卡拉天文台上口径达1.6米的望远镜对拦截过程进行跟踪观测。哈雷阿卡拉天文台位于美国夏威夷群岛所属毛伊岛哈雷阿卡拉山顶，海拔达3000米以上，不受云层遮挡。在导弹防御局进行了几次拦截试验期间，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室搜集了“爱国者”、“萨德”、“宙斯盾”、“地基中段防御系统”几次拦截试验数据。
图7 哈雷阿卡拉天文台上的试验设施
图8 成像传感器和偏振传感器
五 、几点结论
1.“天基杀伤评估”系统有助于美降低导弹防御成本，提高导弹防御效率
“天基杀伤评估”系统项目保密性较强，美国国防部、导弹防御局较少披露项目研发进度，美国一众媒体也鲜少报道相关信息。对于“天基杀伤评估”系统寄宿卫星平台、以及系统能力相关信息更是从未主动公布，一定程度上凸显了“天基杀伤评估”系统的重要性。“天基杀伤评估”系统虽不具备拦截前识别真假弹头的能力，但“天基杀伤评估”系统可用于确定导弹防御系统是否拦截了真正的弹头，帮助美军作战指挥官判断是否进行二次拦截或实施战略反击，对于降低导弹防御成本，提高导弹防御效率具有重要意义。
2.军民融合发展，借助于商业航天技术可有效降低军工项目研发风险和成本，加快研发进度
美国导弹防御局借助于商业航天技术，通过寄宿商业卫星、借助于商业发射的方式，一方面提高了项目采办效率，加快了研发进度；另一方面分担了研发风险，降低了整个项目的研发成本。整个“天基杀伤评估”系统仅花费4年多的时间就实现了在轨运行，整个系统研发经费也仅为1.2亿美元。据相关分析，美国导弹防御局正在进行架构设计的“空间传感器层”项目，旨在对高超声速武器进行“从生到死”的跟踪，也将采用寄宿商业卫星的方式进行部署，预计2019年开始进行原型设计，20年代中后期即实现在轨运行。
3.美国将大力推动天基导弹防御传感器网络建设和相关技术研发
近年来，随着复杂弹道导弹和临近空间威胁的发展，美国高度重视天基导弹防御传感器网络建设，在2018财年《国防授权法案》中专门增加1350万美元用于弹道导弹防御系统传感器替代方案天基传感器架构研究。在2019财年《国防授权法案》中又增加7300万美元用于研究天基传感器架构。2019年1月发布的《导弹防御评估》报告中将重视天基导弹防御层级列为导弹防御战略要素之一，多次强调了发展空间传感器的重要性和紧迫性。
六、结束语
“天基杀伤评估”系统是美国天基导弹防御传感器未来发展愿景中的重要组成，将与下一代“过顶持续红外”（OPIR）、“空间传感器层”（SSL）、“精确火力控制跟踪”（PFCT）系统组成美国未来天基传感器网络。当前有分析指出，“天基杀伤评估”系统可以区分拦截的是真弹头还是轻型诱饵，对于重型诱饵和侧面撞击的情况，由于缺乏相应试验，杀伤评估能力尚有待验证。“天基杀伤评估”系统至今已进行超过1000次试验，随着美国导弹防御局后续拦截试验次数的增多，“天基杀伤评估”评估系统将逐渐融入美国导弹防御系统，降低导弹拦截成本，提高拦截效率。
题外话：天基传感器未来结构展望
图9 美导弹防御局发布的天基导弹防御传感器愿景
美国未来天基导弹防御传感器架构逐步浮出水面。按照美国导弹防御局发布的导弹防御系统空间传感器愿景图，美国未来天基传感器将主要由下一代“过顶持续红外”（OPIR）系统、“空间传感器层”（SSL）系统、“精确火力控制跟踪”（PFCT）系统和“天基杀伤评估”系统组成。下一代“过顶持续红外”系统部署在地球同步轨道（GEO）和高轨道（HEO），主要负责弹道导弹助推段预警；“空间传感器层”部署在低轨道（LEO），主要负责对高超声速武器进行“从生到死”的跟踪；“天基杀伤评估”系统部署在低轨道（LEO），主要进行拦截杀伤效果评估；“精确火力控制跟踪”（PFCT）系统当前半点资料都没有，只能根据图来推测部署在低轨道（LEO），轨道高度高于“空间传感器层”，预计在1500~2000千米，主要用于弹道导弹中段跟踪。
▋作者： 郭彦江、吴勤
▋来源：解放军报社装备发展部分社
▋监制：邹维荣
▋责编：韩阜业
▋编辑：弥向阳