微信號：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢強博士
美國東部夏令時2017年1月20日晚19點42分，美國空軍的「天基紅外系統」03星GEO-3在佛羅裡達州的卡納維拉爾角發射升空。一枚「宇宙神」V 401運載火箭將這顆衛星送入了地球同步軌道。至此，隸屬於美國天基紅外飛彈預警系統的這顆衛星與分別於2011年和2013年發射的GEO-1和GEO-2衛星一起，使美國空軍的天基紅外系統的高軌星座的衛星數量擴充為3顆。
上圖為正在卡納維拉爾角準備發射的宇宙神V 401火箭。她的整流罩內就是美國空軍的「天基紅外系統」03星。
本文，小火箭將要與大家一同探討八個問題：
美國天基紅外系統的前身「國防支援計劃」DSP衛星是怎樣發端的？
飛彈預警衛星的傳感器敏感怎樣的波段？為什麼選擇這樣的波段？
美國飛彈預警衛星對地面的覆蓋情況如何？
太空梭真的參與過美國飛彈預警衛星星座的建設麼？
美國飛彈預警衛星對洲際彈道飛彈、中遠程彈道飛彈和戰術彈道飛彈各自有多長的預警時間？
飛彈預警衛星的實戰表現如何？
新一代「天基紅外系統」飛彈預警衛星是怎樣入軌的？
未來的飛彈預警衛星會有怎樣的發展？
1.飛彈預警衛星的發端
自上世紀60年代開始，美國空軍就產生了使用衛星來監視地球表面的飛彈發射活動的想法。從天上看地面的衛星，擁有一個天然的優勢：一旦數量足夠，就不必受到地球曲率的影響。而在地面架設的超遠程飛彈預警雷達則難以避開地球是圓的這個事實，只能當遠處的飛彈飛到一定高度的時候才能發現目標。（具體來說，遠程預警雷達對於洲際彈道飛彈的預警確認時刻發生在飛彈距離地面200公裡以上的高度，此時留給攔截飛彈的預警時間約為15分鐘。）
地球半徑為R，預警雷達在H處，那麼對於在地面上距離為s的地方發射的飛彈來說，只有當飛彈飛行到O點（距離地面h）時，雷達才能沿著切線方向，在地平線處發現目標。
而在太空中運行的衛星則有著居高臨下的優勢。如果飛彈處於其視場範圍內的話，理論上，飛彈一發射就會被衛星偵測到。（實際上還是需要一些時間的，這個咱們在下文討論。）
於是，從1960年2月份到1966年10月份，美國嘗試著發射了12顆早期飛彈紅外預警衛星。這12顆衛星比後來的DSP衛星還要早，它們是真正的紅外預警衛星的發端，這一點，大部分文獻並沒有詳細說明，因此小火箭在這裡給出了該衛星的照片。整體來看，該衛星設計得挺萌的，算是那個劍拔弩張的時代的一點慰藉吧。
再後來，就到了DSP衛星的時代了。DSP在這裡，並不是DSP晶片的意思，而是Defense Support Program（國防支援計劃）的縮寫。從1970年11月到2007年11月，共有23顆衛星發射入軌。這些衛星成為了冷戰時期甚至是21世紀前10年的美國飛彈預警衛星的主力。
DSP衛星運行在地球同步軌道上，攜帶了使用施密特攝星儀的廣角紅外輻射傳感器，衛星會對著地球南北極方向旋轉，每6分鐘就會對地球表面進行一次掃描。
這就是首顆DSP衛星。1970年11月6日該星被送入太空。從這張她與美國空軍軍官的合影可以看出她的尺寸。首顆DSP衛星重900千克。4張太陽能帆板和衛星周身的太陽能電池能夠為衛星提供400瓦的電功率。衛星頂端的施密特鏡組裡面，是她的2000個紅外傳感器。
上面3張照片依次是DSP天基紅外飛彈預警衛星的02、03和04星。與01星一起，這4顆星構成了美國空軍第一代DSP預警衛星星座。
這是DSP衛星的05星，注意衛星中部的白色小碟形天線就是用來向地面站傳輸信號的下行天線。從05星開始，DSP衛星進入第二代。
這是DSP衛星的10號星。該星是第三代DSP衛星的典型代表。
DSP衛星的13號星，屬於第四代DSP衛星，注意其太陽能帆板變為了階梯形，面積顯著增大。
DSP衛星的14號星，從這顆星開始，DSP衛星發展到了第5代。
小火箭在這裡不再贅述每一代DSP衛星的具體沿革。只給出從第1代到第5代的明顯變化：
首先是個頭兒越來越大，衛星越來越重，第1代的DSP衛星重900公斤，而到了第5代，衛星重量達到了2381公斤；
其次是功率越來越大，從第1代的400瓦躍升到了第5代的1275瓦；
最後是傳感器數量顯著增加，從第1代的2000個變為第5代的6000個。
2.飛彈預警衛星的敏感波段
那麼問題來了，天基飛彈預警衛星應該選用怎樣的工作波段呢？
如果你是設計師的話，該如何選擇呢？
小火箭覺得，至少應該從4個方面來考慮：
第一：應該選用火箭、飛彈發射過程中對外輻射非常明顯的波段；
第二：從太空中的衛星到發射上升中的火箭、飛彈之間，隔著一層大氣層，要充分考慮大氣層的影響；
第三：要儘量避開地面上除飛彈火箭之外的其他輻射源，減少報虛警的情況；
第四：選用的波段應該易於工程化，可以生產出符合該波段工作條件的傳感器。
無論是運載火箭還是彈道飛彈的發射，都會伴隨著明亮的尾焰和拖拽出長長的尾煙，小火箭在公號文章《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》《井與肼的魅惑：大力神2號洲際彈道飛彈》和《聊聊固體火箭發動機的推進劑》中已經對低溫液體火箭燃料、常溫液體火箭燃料和固體火箭發動機的推進劑進行了介紹。
無論使用怎樣的配方，其產物中基本上都會有大量的水蒸氣和二氧化碳氣體。
分子中，任何一個複雜振動都能夠被看作是不同頻率的振動的疊加。定義簡正振動：分子中所有原子都在其平衡位置附近作簡諧振動，其振動頻率和位相都相同，只是振幅可能不同。也就是說，每個原子都在同一瞬間通過其平衡位置，且同時到達其最大位移值，每一個簡正振動都有一定的頻率，稱為基頻。（簡正振動：最簡單、最基本的振動。）
小火箭在這裡給出了水分子和二氧化碳分子的振動模態，基本上包含了鍵的伸縮振動與彎曲振動兩大類。
好了，第一個要素就已經得到了確認：要選取水蒸氣和二氧化碳對應的波段。
讀過先修課系列中的量子力學的同學應該已經很熟悉了，並不是所有的分子振動形式都能夠產生紅外吸收。實際上，需要紅外輻射恰好能滿足能級躍遷所需的能量，即物質的分子中某個基團的振動頻率正好等於該紅外光的頻率。（對於氧氣、氫氣這樣的雙原子分子，還需要偶極矩的變化，這些會在小火箭的後續文章中給出。）
第二個因素，大氣層的影響。下圖給出了氧氣分子、水分子和二氧化碳分子在大氣中的透過率。
從上圖可以看到，原來，大氣層是很挑食的！她並不會吃掉所有的波段，而是針對某些她比較愛吃的波段，多多地吸收，而一些特定波段則被大氣層放過。於是，上圖的吸收率曲線就形成了有山峰有峽谷的樣子。
紅外預警衛星就是藉助大氣層的這個特性，把稠密大氣下面的火災、煙花爆竹等紅外輻射源過濾掉（使用大氣層比較愛吃的波段，比如上圖透過率接近於0的2.6-3.3μm和5.5-7.4μm波段）。
當然，想想那些所謂霧霾能夠抵抗預警衛星的說法，還是有些弱爆了。畢竟，天基紅外衛星是要等到飛彈飛到1.5萬米高空以上再去觀測，以便充分利用大氣層濾除幹擾因素。除非霧霾能夠影響到1.5萬米以上的高空，否則對於天基紅外預警衛星來說，是不會受到影響的。
綜合考慮以上因素，天基紅外預警衛星的工作波段可以選擇針對二氧化碳分子的2.7μm和4.3μm波段，同時結合水分子的2.7μm和6.3μm波段。看到上圖，從廣闊的電磁波頻譜中，只選取這麼3小條，是不是有一種弱水三千只取一瓢飲的感覺呢？
從工程實際的角度來說，硫化鉛光敏感探測器的敏感波段為1μm至3μm，剛好把水分子和二氧化碳分子的2.7μm特徵波段包含在內。而通過精確調配碲化鎘和碲化汞比例，可以製成敏感波段為3μm至5μm的光敏感探測器，剛好把二氧化碳分子的4.3μm波段包含在內。這樣敏感器的生產問題也算是解決了。
3.美國飛彈預警衛星對地面的覆蓋情況如何？
從DSP衛星星座的設計伊始，美國空軍就考慮到了全球覆蓋的問題。實際上，在地球同步軌道上運行的DSP衛星對俄羅斯和中國等國家可以實現全天時全天候監測。
更具體來說，那個在冷戰時期直到21世紀第一個十年內，一直在美國飛彈預警系統中佔舉足輕重地位的DSP衛星在很長一段時期內，保持著5顆衛星在軌的狀態（早期發射的衛星會到壽命而被後來發射的預警衛星自然更替）。
這5顆衛星，有2顆處於休眠狀態，為在軌備份星，另外3顆則分別定點於東經69°上空、西經70°上空和西經134°上空。
在東經69°的DSP衛星，位於印度洋上空，覆蓋俄羅斯部分、哈薩克斯坦全境、中國西北、中部大部分地區和印度、巴基斯坦全境，用於監視陸基洲際彈道飛彈（上圖小火箭示意圖的紅色圓圈）；西經70°的DSP衛星，位於巴西大西洋之畔上空，用於監視從大西洋向美國東海岸發射的潛射彈道飛彈（上圖小火箭示意圖的黃色圓圈）；西經134°的DSP衛星，位於太平洋上空，用於監視從太平洋向美國西海岸發射的潛射彈道飛彈（上圖小火箭示意圖的綠色圓圈）。
美國新一代天基飛彈預警衛星則覆蓋著不同的區域。
上面兩圖，小火箭給出了美國新一代天基紅外飛彈預警衛星的01星和02星各自的覆蓋範圍。值得注意的是，這2顆高軌衛星對俄羅斯傳統的發射井分布區域和中國的西北地區構成了重疊覆蓋，將會產生類似於「雙目視覺」的監測效果。
最近發射的是新一代天基紅外飛彈預警衛星的03星，具體的覆蓋範圍還需等待衛星入軌以及正式開始工作後，由小火箭好友提供原始資料，進一步計算才能得到。
4.太空梭真的參與過美國飛彈預警衛星星座的建設麼？
是的，答案是肯定的。1991年11月24日，亞特蘭蒂斯號太空梭執行了一次為期6天22小時50分鐘44秒的任務，把一顆DSP天基紅外飛彈預警衛星送入了軌道。
雖然太空梭一直以來給公眾的印象是和平地進行太空探索，比如哈勃太空望遠鏡、國際空間站等大項目都與太空梭有著千絲萬縷的聯繫，而且，美國軍方對幾乎所有的發射活動都採取了相當低調的態度，但是，下面這張照片暴露而且佐證了太空梭參與過DSP軍用衛星項目這個事實：
小火箭查找了130多次太空梭發射任務的太空人合影照片，有了這個發現：在第44次任務的6位太空人的合影左上角，一顆DSP衛星赫然在目。
5.美國飛彈預警衛星對洲際彈道飛彈、中遠程彈道飛彈和戰術彈道飛彈各自有多長的預警時間？
預警時間基本上與飛彈的飛行速度、彈道高度和彈道長度有關。綜合計算後，直接給出結果：
對陸基戰術彈道飛彈的預警時間為4分鐘至5分鐘；
對潛射彈道飛彈的預警時間為14.5分鐘至15分鐘；
對陸基洲際彈道飛彈的預警時間為24.5至26分鐘。
6.飛彈預警衛星的實戰表現如何？
海灣戰爭期間， 愛國者飛彈攔截飛毛腿彈道飛彈的戰例如今可以說是婦孺皆知了。這些攔截的背後，是DSP衛星良好的實戰表現。幾乎所有的早期預警都是由DSP衛星星座提供的。
可以說，無論是「掃描式」還是「凝視式」的天基紅外飛彈預警衛星都經歷了實戰或者類似實戰的考驗。至於新一代紅外預警衛星的表現如何，以及攻防雙方的博弈策略是怎樣的，則是後話了。
7.「天基紅外系統」飛彈預警衛星是怎樣入軌的？
早期的DSP天基紅外預警衛星由美國空軍的大力神、宇宙神運載火箭發射（有時候太空梭會來幫個忙）。上圖為一枚大力神IV 402運載火箭正在發射DSP天基紅外預警衛星的第22星。攝於2004年2月14日情人節❤。
這個動靜更大一些。這是一枚德爾塔IV型重型運載火箭在卡納維拉爾發射DSP天基紅外預警衛星的最後一顆星，也就是第23星的場景。攝於2007年11月10日光棍節前夜❤。
新一代的天基紅外預警衛星則基本上由宇宙神V型運載火箭來發射：
值得注意的是，這款火箭使用的是俄制RD-180液體火箭發動機（有關該系列發動機的詳情，可見小火箭的公號文章《RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機》）.
美國空軍也是夠調皮的了，用俄羅斯的火箭發動機來發射用於監視俄羅斯洲際彈道飛彈發射情況的美國預警衛星。不知當初答應賣發動機給美國人的俄羅斯人有沒有感到些許後悔呢。
宇宙神V關鍵節點分：秒. 制表：小火箭RD-180點火-00:02.71起飛8.未來的飛彈預警衛星會有怎樣的發展？
目前，美國的天基預警衛星由美國空軍太空司令部管理。這個傳統從上世紀70年代就確立了。實際上，所有的GPS導航衛星也都歸這個部門管。
天基紅外預警系統的重要地面站設立在伯克利空軍基地。那些圓球裡面就是用於天地通訊的天線。另外注意背景中是丹佛科羅拉多的洛基山脈。
那些長得像高爾夫球的圓球裡面，是這樣的天線。
未來，管理體制上或許不會有太大變化。不過，從技術層面上來說，小火箭認為，今後的天基飛彈預警系統將突破現有的紅外體系，向更豐富的波段拓展。
比如，天基紫外飛彈預警衛星就是一個比較好的發展方向。
大部分飛彈在2.7μm和4.3μm這兩個波段都有強烈的特徵峰，同時大氣層對這兩個波段恰好有強烈的吸收，有助於濾除相關的幹擾信號，因此這兩個紅外波段是目前天基預警衛星最重視的。但是，未來的洲際彈道飛彈必然會在配方、發射機制等方面做足功夫，力圖降低這兩個波段的輻射特徵。
實際上，目前某些國家已經啟動了低可探測的固體火箭發動機配方的研製計劃。能夠儘量避免生成水蒸氣和二氧化碳的固體火箭推進劑會成為新時代的隱身武器的有力支撐。但是，這樣的固體火箭推進劑或多或少地都會添加鋁粉等顆粒物來增加比衝。鋁粉的氧化物在高溫條件下，有著紫外波段的典型輻射特徵。
按照類似設計天基紅外預警衛星波段的方法，可以推斷，未來的天基紫外預警衛星將對0.24μm到0.29μm波段的紫外線產生依賴。今後的天基預警衛星會採用多種波段融合的體系。
感謝大家對小火箭的支持！
版權聲明：
本文已由邢強博士獨家授權小火箭刊發，禁止非授權轉載，歡迎朋友圈轉發。
微信號：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
歡迎 加入 小火箭 ，進入航空航天大家庭！