美国天基红外导弹预警卫星的8个问题

小火箭出品

本文作者：邢强博士

美国东部夏令时2017年1月20日晚19点42分，美国空军的“天基红外系统”03星GEO-3在佛罗里达州的卡纳维拉尔角发射升空。一枚“宇宙神”V 401运载火箭将这颗卫星送入了地球同步轨道。至此，隶属于美国天基红外导弹预警系统的这颗卫星与分别于2011年和2013年发射的GEO-1和GEO-2卫星一起，使美国空军的天基红外系统的高轨星座的卫星数量扩充为3颗。

上图为正在卡纳维拉尔角准备发射的宇宙神V 401火箭。她的整流罩内就是美国空军的“天基红外系统”03星。

本文，小火箭将要与大家一同探讨八个问题：

1. 美国天基红外系统的前身“国防支援计划”DSP卫星是怎样发端的？

2. 导弹预警卫星的传感器敏感怎样的波段？为什么选择这样的波段？
   

3. 美国导弹预警卫星对地面的覆盖情况如何？

4. 航天飞机真的参与过美国导弹预警卫星星座的建设么？
   

5. 美国导弹预警卫星对洲际弹道导弹、中远程弹道导弹和战术弹道导弹各自有多长的预警时间？

6. 导弹预警卫星的实战表现如何？
   

7. 新一代“天基红外系统”导弹预警卫星是怎样入轨的？
   

8. 未来的导弹预警卫星会有怎样的发展？

1.导弹预警卫星的发端

自上世纪60年代开始，美国空军就产生了使用卫星来监视地球表面的导弹发射活动的想法。从天上看地面的卫星，拥有一个天然的优势：一旦数量足够，就不必受到地球曲率的影响。而在地面架设的超远程导弹预警雷达则难以避开地球是圆的这个事实，只能当远处的导弹飞到一定高度的时候才能发现目标。（具体来说，远程预警雷达对于洲际弹道导弹的预警确认时刻发生在导弹距离地面200公里以上的高度，此时留给拦截导弹的预警时间约为15分钟。）

地球半径为R，预警雷达在H处，那么对于在地面上距离为s的地方发射的导弹来说，只有当导弹飞行到O点（距离地面h）时，雷达才能沿着切线方向，在地平线处发现目标。

而在太空中运行的卫星则有着居高临下的优势。如果导弹处于其视场范围内的话，理论上，导弹一发射就会被卫星侦测到。（实际上还是需要一些时间的，这个咱们在下文讨论。）

于是，从1960年2月份到1966年10月份，美国尝试着发射了12颗早期导弹红外预警卫星。这12颗卫星比后来的DSP卫星还要早，它们是真正的红外预警卫星的发端，这一点，大部分文献并没有详细说明，因此小火箭在这里给出了该卫星的照片。整体来看，该卫星设计得挺萌的，算是那个剑拔弩张的时代的一点慰藉吧。

再后来，就到了DSP卫星的时代了。DSP在这里，并不是DSP芯片的意思，而是Defense Support Program（国防支援计划）的缩写。从1970年11月到2007年11月，共有23颗卫星发射入轨。这些卫星成为了冷战时期甚至是21世纪前10年的美国导弹预警卫星的主力。

DSP卫星运行在地球同步轨道上，携带了使用施密特摄星仪的广角红外辐射传感器，卫星会对着地球南北极方向旋转，每6分钟就会对地球表面进行一次扫描。

这就是首颗DSP卫星。1970年11月6日该星被送入太空。从这张她与美国空军军官的合影可以看出她的尺寸。首颗DSP卫星重900千克。4张太阳能帆板和卫星周身的太阳能电池能够为卫星提供400瓦的电功率。卫星顶端的施密特镜组里面，是她的2000个红外传感器。

上面3张照片依次是DSP天基红外导弹预警卫星的02、03和04星。与01星一起，这4颗星构成了美国空军第一代DSP预警卫星星座。

这是DSP卫星的05星，注意卫星中部的白色小碟形天线就是用来向地面站传输信号的下行天线。从05星开始，DSP卫星进入第二代。

这是DSP卫星的10号星。该星是第三代DSP卫星的典型代表。

DSP卫星的13号星，属于第四代DSP卫星，注意其太阳能帆板变为了阶梯形，面积显著增大。

DSP卫星的14号星，从这颗星开始，DSP卫星发展到了第5代。

小火箭在这里不再赘述每一代DSP卫星的具体沿革。只给出从第1代到第5代的明显变化：

首先是个头儿越来越大，卫星越来越重，第1代的DSP卫星重900公斤，而到了第5代，卫星重量达到了2381公斤；

其次是功率越来越大，从第1代的400瓦跃升到了第5代的1275瓦；

最后是传感器数量显著增加，从第1代的2000个变为第5代的6000个。

2.导弹预警卫星的敏感波段

那么问题来了，天基导弹预警卫星应该选用怎样的工作波段呢？

如果你是设计师的话，该如何选择呢？

小火箭觉得，至少应该从4个方面来考虑：

第一：应该选用火箭、导弹发射过程中对外辐射非常明显的波段；

第二：从太空中的卫星到发射上升中的火箭、导弹之间，隔着一层大气层，要充分考虑大气层的影响；

第三：要尽量避开地面上除导弹火箭之外的其他辐射源，减少报虚警的情况；

第四：选用的波段应该易于工程化，可以生产出符合该波段工作条件的传感器。

无论是运载火箭还是弹道导弹的发射，都会伴随着明亮的尾焰和拖拽出长长的尾烟，小火箭在公号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》《井与肼的魅惑：大力神2号洲际弹道导弹》和《聊聊固体火箭发动机的推进剂》中已经对低温液体火箭燃料、常温液体火箭燃料和固体火箭发动机的推进剂进行了介绍。

无论使用怎样的配方，其产物中基本上都会有大量的水蒸气和二氧化碳气体。

分子中，任何一个复杂振动都能够被看作是不同频率的振动的叠加。定义简正振动：分子中所有原子都在其平衡位置附近作简谐振动，其振动频率和位相都相同，只是振幅可能不同。也就是说，每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置，且同时到达其最大位移值， 每一个简正振动都有一定的频率，称为基频。（简正振动：最简单、最基本的振动。）

小火箭在这里给出了水分子和二氧化碳分子的振动模态，基本上包含了键的伸缩振动与弯曲振动两大类。

好了，第一个要素就已经得到了确认：要选取水蒸气和二氧化碳对应的波段。

读过先修课系列中的量子力学的同学应该已经很熟悉了，并不是所有的分子振动形式都能够产生红外吸收。实际上，需要红外辐射恰好能满足能级跃迁所需的能量，即物质的分子中某个基团的振动频率正好等于该红外光的频率。（对于氧气、氢气这样的双原子分子，还需要偶极矩的变化，这些会在小火箭的后续文章中给出。）

第二个因素，大气层的影响。下图给出了氧气分子、水分子和二氧化碳分子在大气中的透过率。

从上图可以看到，原来，大气层是很挑食的！她并不会吃掉所有的波段，而是针对某些她比较爱吃的波段，多多地吸收，而一些特定波段则被大气层放过。于是，上图的吸收率曲线就形成了有山峰有峡谷的样子。

红外预警卫星就是借助大气层的这个特性，把稠密大气下面的火灾、烟花爆竹等红外辐射源过滤掉（使用大气层比较爱吃的波段，比如上图透过率接近于0的2.6-3.3μm和5.5-7.4μm波段）。

当然，想想那些所谓雾霾能够抵抗预警卫星的说法，还是有些弱爆了。毕竟，天基红外卫星是要等到导弹飞到1.5万米高空以上再去观测，以便充分利用大气层滤除干扰因素。除非雾霾能够影响到1.5万米以上的高空，否则对于天基红外预警卫星来说，是不会受到影响的。

综合考虑以上因素，天基红外预警卫星的工作波段可以选择针对二氧化碳分子的2.7μm和4.3μm波段，同时结合水分子的2.7μm和6.3μm波段。看到上图，从广阔的电磁波频谱中，只选取这么3小条，是不是有一种弱水三千只取一瓢饮的感觉呢？

从工程实际的角度来说，硫化铅光敏感探测器的敏感波段为1μm至3μm，刚好把水分子和二氧化碳分子的2.7μm特征波段包含在内。而通过精确调配碲化镉和碲化汞比例，可以制成敏感波段为3μm至5μm的光敏感探测器，刚好把二氧化碳分子的4.3μm波段包含在内。这样敏感器的生产问题也算是解决了。

3.美国导弹预警卫星对地面的覆盖情况如何？

从DSP卫星星座的设计伊始，美国空军就考虑到了全球覆盖的问题。实际上，在地球同步轨道上运行的DSP卫星对俄罗斯和中国等国家可以实现全天时全天候监测。

更具体来说，那个在冷战时期直到21世纪第一个十年内，一直在美国导弹预警系统中占举足轻重地位的DSP卫星在很长一段时期内，保持着5颗卫星在轨的状态（早期发射的卫星会到寿命而被后来发射的预警卫星自然更替）。

这5颗卫星，有2颗处于休眠状态，为在轨备份星，另外3颗则分别定点于东经69°上空、西经70°上空和西经134°上空。

在东经69°的DSP卫星，位于印度洋上空，覆盖俄罗斯部分、哈萨克斯坦全境、中国西北、中部大部分地区和印度、巴基斯坦全境，用于监视陆基洲际弹道导弹（上图小火箭示意图的红色圆圈）；西经70°的DSP卫星，位于巴西大西洋之畔上空，用于监视从大西洋向美国东海岸发射的潜射弹道导弹（上图小火箭示意图的黄色圆圈）；西经134°的DSP卫星，位于太平洋上空，用于监视从太平洋向美国西海岸发射的潜射弹道导弹（上图小火箭示意图的绿色圆圈）。

美国新一代天基导弹预警卫星则覆盖着不同的区域。

上面两图，小火箭给出了美国新一代天基红外导弹预警卫星的01星和02星各自的覆盖范围。值得注意的是，这2颗高轨卫星对俄罗斯传统的发射井分布区域和中国的西北地区构成了重叠覆盖，将会产生类似于“双目视觉”的监测效果。

最近发射的是新一代天基红外导弹预警卫星的03星，具体的覆盖范围还需等待卫星入轨以及正式开始工作后，由小火箭好友提供原始资料，进一步计算才能得到。

4.航天飞机真的参与过美国导弹预警卫星星座的建设么？

是的，答案是肯定的。1991年11月24日，亚特兰蒂斯号航天飞机执行了一次为期6天22小时50分钟44秒的任务，把一颗DSP天基红外导弹预警卫星送入了轨道。

虽然航天飞机一直以来给公众的印象是和平地进行太空探索，比如哈勃太空望远镜、国际空间站等大项目都与航天飞机有着千丝万缕的联系，而且，美国军方对几乎所有的发射活动都采取了相当低调的态度，但是，下面这张照片暴露而且佐证了航天飞机参与过DSP军用卫星项目这个事实：

小火箭查找了130多次航天飞机发射任务的宇航员合影照片，有了这个发现：在第44次任务的6位宇航员的合影左上角，一颗DSP卫星赫然在目。

5.美国导弹预警卫星对洲际弹道导弹、中远程弹道导弹和战术弹道导弹各自有多长的预警时间？

预警时间基本上与导弹的飞行速度、弹道高度和弹道长度有关。综合计算后，直接给出结果：

对陆基战术弹道导弹的预警时间为4分钟至5分钟；

对潜射弹道导弹的预警时间为14.5分钟至15分钟；

对陆基洲际弹道导弹的预警时间为24.5至26分钟。

6.导弹预警卫星的实战表现如何？

海湾战争期间， 爱国者导弹拦截飞毛腿弹道导弹的战例如今可以说是妇孺皆知了。这些拦截的背后，是DSP卫星良好的实战表现。几乎所有的早期预警都是由DSP卫星星座提供的。

可以说，无论是“扫描式”还是“凝视式”的天基红外导弹预警卫星都经历了实战或者类似实战的考验。至于新一代红外预警卫星的表现如何，以及攻防双方的博弈策略是怎样的，则是后话了。

7.“天基红外系统”导弹预警卫星是怎样入轨的？

早期的DSP天基红外预警卫星由美国空军的大力神、宇宙神运载火箭发射（有时候航天飞机会来帮个忙）。上图为一枚大力神IV 402运载火箭正在发射DSP天基红外预警卫星的第22星。摄于2004年2月14日情人节?。

这个动静更大一些。这是一枚德尔塔IV型重型运载火箭在卡纳维拉尔发射DSP天基红外预警卫星的最后一颗星，也就是第23星的场景。摄于2007年11月10日光棍节前夜?。

新一代的天基红外预警卫星则基本上由宇宙神V型运载火箭来发射：

值得注意的是，这款火箭使用的是俄制RD-180液体火箭发动机（有关该系列发动机的详情，可见小火箭的公号文章《RD-170：世界上推力最大的液体火箭发动机》）.

美国空军也是够调皮的了，用俄罗斯的火箭发动机来发射用于监视俄罗斯洲际弹道导弹发射情况的美国预警卫星。不知当初答应卖发动机给美国人的俄罗斯人有没有感到些许后悔呢。

8.未来的导弹预警卫星会有怎样的发展？

目前，美国的天基预警卫星由美国空军太空司令部管理。这个传统从上世纪70年代就确立了。实际上，所有的GPS导航卫星也都归这个部门管。

天基红外预警系统的重要地面站设立在伯克利空军基地。那些圆球里面就是用于天地通讯的天线。另外注意背景中是丹佛科罗拉多的洛基山脉。

那些长得像高尔夫球的圆球里面，是这样的天线。

未来，管理体制上或许不会有太大变化。不过，从技术层面上来说，小火箭认为，今后的天基导弹预警系统将突破现有的红外体系，向更丰富的波段拓展。

比如，天基紫外导弹预警卫星就是一个比较好的发展方向。

大部分导弹在2.7μm和4.3μm这两个波段都有强烈的特征峰，同时大气层对这两个波段恰好有强烈的吸收，有助于滤除相关的干扰信号，因此这两个红外波段是目前天基预警卫星最重视的。但是，未来的洲际弹道导弹必然会在配方、发射机制等方面做足功夫，力图降低这两个波段的辐射特征。

实际上，目前某些国家已经启动了低可探测的固体火箭发动机配方的研制计划。能够尽量避免生成水蒸气和二氧化碳的固体火箭推进剂会成为新时代的隐身武器的有力支撑。但是，这样的固体火箭推进剂或多或少地都会添加铝粉等颗粒物来增加比冲。铝粉的氧化物在高温条件下，有着紫外波段的典型辐射特征。

按照类似设计天基红外预警卫星波段的方法，可以推断，未来的天基紫外预警卫星将对0.24μm到0.29μm波段的紫外线产生依赖。今后的天基预警卫星会采用多种波段融合的体系。

感谢大家对小火箭的支持！

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