在軍事領域,偵查衛星可能是最神秘也是外界知道最少的。作為高邊疆存在的天眼,它有最高的技術含量。
因為要用昂貴的火箭發射到幾百乃至上萬公裡的太空中,同時要在太空惡劣的環境下展開工作,既有尺寸和重量的限制,又有嚴苛的技術要求,每一顆軍用衛星的價值都非同尋常。
12月10號,美國佛羅裡達州卡納維拉爾角,一顆絕密衛星被德爾塔4重型火箭送入太空。該衛星造價超過120億人民幣,相當於我國一艘航空母艦的造價。
衛星定軌在赤道上空,距離地面36,000公裡的地球同步軌道。
這顆衛星最大的看點,有一個直徑高達100米的天線,覆蓋面積超過7000平方米。
有些人認為由於美國在波多黎各的阿雷西博望遠鏡損壞了,所以發射一顆衛星去替代,但是實際上這是不可能的。
阿雷西博望遠鏡的口徑是350米,比衛星上的天線口徑要大很多,射電望遠鏡依靠長波電磁波工作,這些電磁波可以穿透大氣層。
德爾塔四重型火箭發射一次的合同成本價超過28億元人民幣,如果是僅僅對太空觀測,沒有把大型天線送到外太空的動力。
阿雷西博天眼的指向是外太空,這顆絕密衛星天線的指向是地球。
很顯然,這是一顆軍用雷達偵察衛星,使用可見光以外的電磁波工作。
只有可見光無法探測之處,才需要雷達波,這顆軍用雷達偵察衛星是探測某種神秘訪客的。
根據經典的電磁波理論,天線的長度=光速/2倍頻率,也就是半個波長。這種被稱為半波振子的天線是最基本的無線電發射單位。
電磁波的頻率越低,波長越長,所需要的天線越長。
電磁波的傳播雖然不需要介質,但是在介質中,電磁波的傳播會受到影響。
即使在晴朗的日子裡,空氣中也會保持溼度。所有三種狀態的水都可以在大氣中自然找到:液體(雨、霧和雲)、固體(雪花、冰晶)和氣體(水蒸氣)。水在任何狀態下都是電磁波傳播環節中的障礙物。
當電磁波穿過水粒子時,它的一部分能量被吸收,一部分被散射。由於雨、霧和雲造成的衰減會導致無線、移動、衛星和其他通信的幹擾。另一個問題是大氣的折射率,它會影響電磁波路徑的曲率,會導致雷達覆蓋範圍的誤差。
在海水中傳播電磁波,衰減會更加嚴重。因為海水具有很高的介電常數(80)和高電阻率(182 kΩ·m²/m),從而形成駐波。海水中的含鹽量越高,電磁波的衰減越嚴重。
電磁波的本質,是大量光子的統計之和。光子的能量量子數對應於電磁波的電場分量,而頻率量子數對應於電磁波的磁場分量。
電磁波在不同介質中的衰減,是光子和組成介質的粒子作用的結果。而這個作用取決於介質的粒子密度、性質,以及光子的康普頓散射半徑。
光的能量越高,散射半徑越大,越容易和微觀粒子碰撞而失去能量。電磁波的頻率越低,對應的光子能量越小,康普頓散射半徑越小,越不容易和介質中的粒子發生反應。
由於光子的能量和電磁波波長成反比,所以只有波長很長的電磁波才能深入海水當中。
美國發射的這顆絕密偵察衛星,就是用來探測隱匿在大洋深處潛艇的,尤其是中、俄兩國的核潛艇。
核潛艇具有無限的動力,只要裡面的人能受得了,幾乎可以無限制地呆在水面之下。由於現代潛艇技術的進步,用水聲方法已經很難偵測到潛艇。
雷達偵查衛星站得高看得遠,掃描範圍大,在探測潛艇方面具有顯著的優勢,但是也有很高的技術難度。
在這方面,我國和美國相比如何?
當然這是屬於軍事機密,沒有辦法獲得準確的消息,但是我國的電磁波應用領域已進入了自由王國階段,從我國相控陣雷達的發展上就可以看出來。
目前我們國家055飛彈巡洋艦上的雷達就是世界上最先進的氮化鎵主動相控陣雷達。傳說對F22的發現距離可以達到400公裡之遠,也就是說F22從地平線上一露頭就可以被捕捉到。
由此可以反推出我國雷達偵察衛星的水平絕不在美國之下。而且,用於探測潛艇的雷達偵測衛星,我國比美國要領先發射。
但是中國也有相應的問題,反而是那些「低端」的機械加工問題拖了中國軍用設備的後腿。
所以我們國家的軍用雷達偵察衛星上面的天線沒有美國這麼大。
在太空中能夠展開的大尺寸天線一般被稱為張力網狀天線。
這種天線要在衛星進入太空之前摺疊收藏,在太空中依靠自身的張力展開。我國目前民用級別公開的最大傘狀天線,用在嫦娥4號和地球的中繼通信衛星鵲橋上,口徑為4.2米。
當然軍用的可能會大一些,但是達不到美國那個程度。
電磁波探測的角解析度和天線的口徑是呈正比的,所以天線的口徑越大,探測精度也越高。這是我國需要努力的地方。