采用分解战略提高太空系统的抗毁性

2019-06-12 版权声明 举报文章

2013年8月28日,美空军太空司令部发布《抗毁性(resiliency)与“分解式太空体系架构”》白皮书(12页),指出“国家安全太空资产(national security space assets)为联合作战官兵和整个美国提供着无可匹敌的优势――战略预警、有保障的通信、精确定位导航授时”。白皮书认为,“保持美国太空优势”需要“具有抗毁性和经济承受性的能力”。白皮书对抗毁与分解的定义做出了界定,对分解的作用进行了研究。

新的安全环境

美国许多系统的设计可追溯到冷战时期。那时的卫星在设计上针对指定运载火箭,力图尺寸、重量与载荷能力的最大化。对性能的追求优先于防护,因为“相互确保摧毁”的威胁降低了敌方发动攻击的风险。系统设计自然而然演变得日益复杂、综合、昂贵。

然而,今日安全环境与过去大不相同。考虑到开发和部署现有太空资产花费了漫长的时间,应对昨日挑战的太空系统必须解决今日的问题,而今日的体系架构必须应对未来的安全环境。

美国太空系统为其“沙漠风暴”行动(1991年)提供了“网络化指挥控制、来自制高点的监视、精确瞄准”优势。在美国力量投送体系中,常规力量有了突出表现,逐渐改变了敌方对美国国家威慑力中心焦点――核力量的看法。太空系统是美国常规力量投送的关键,而事实上太空能力是由那么几个相当脆弱的卫星体系架构提供的,于是就有人认为“对太空的依赖”就是美国潜在的唯一弱点。潜在敌方已用了20多年时间集中精力发展反制美国太空优势的手段。

除了动能威胁之外,非动能威胁(射频干扰机和网电攻击)不仅同样具有毁灭性,而且更广泛存在(网电攻击的技术门槛更低)。依赖复杂软件和射频链路的太空系统,即使有健壮的密码防护,也易受到网电攻击的影响。

不仅是来自国家及非国家行为体的威胁(动能威胁和非动能威胁)在增长,太空环境固有的危险也在演化,包括碎片增多、电磁频谱竞争、卫星数量增加。

此外,当前财政困境与预算趋势,导致对昂贵太空系统的持续投资已不再有保证。

抗毁性与分解的定义

美空军太空司令部司令官(AFSPC/CC)对卫星星座和太空体系架构的抗毁性进行了如下界定:“抗毁性是指某一系统的体系架构‘在面对系统故障、环境挑战或敌方攻击行动时’继续提供所需能力(capabilities)的能力(ability)。”

分解式太空体系架构是提高抗毁性的一种战略,为提高灵活性与能力生存性而提供了一种在成本、进度、性能、风险之间进行权衡的方法。“太空分解”(space disaggregation)指的是“将天基使命任务、功能或传感器,分散到那些部署于一个或多个轨道平面、平台、宿主或疆域的多个系统之上。”

分解的作用

分解是一种可能影响整体太空体系架构多种元素的战略。分解的目的是在体系架构上提供“降低成本、提高抗毁性和进行能力分配”的选项。

(1)增加技术更新的机会

通过在简单卫星上采用更灵活的设计,分解使太空星座在寿终前一直有机会吸收新技术。在这方面,分解代表着系统采办的演进,可使适应性强的平台、软件和能力,能更有效地满足新兴需求。

(2)严明需求纪律

项目经理有更多机会锁定一个稳定的需求基线,因为他们知道以后可能有更多机会对系统进行更改,即使卫星已准备开始发射。这种“不间断的适应性”模式显然不同于现行采办做法,有利于提高经济可承受性和抗毁性。

(3)增强发射与航天工业基础稳定性

不断有新技术融入太空系统以及生产速率的提高,将使航天业界保持处于技术最前沿、业务更稳定、积极性更高。更大的吞吐量和更稳定的生产速率,将为太空级零部件拓展出更大市场,从而激励更多公司进入其中。

分解还可促进健康竞争,有助于把工作量分配给多家承包商,航天器上的各有效载荷,可由不同的承包商团队提供,大合同可拆分成小合同,形成工业竞争,并允许按各自独立的时间表引入新技术。

分解会使发射活动更频繁。不断增加的发射次数,为发射业提供更稳定的工作量。而且,发射频率的提高,可让工业界分摊与发射能力运行及维护相关的专业化人力的高昂成本。

更高的生产吞吐量和不断增加的稳定性,还能在国家安全太空体系架构中适时引入商业最佳做法、引入竞争。卫星系统设计中的商业最佳做法也已证明能将不同使命任务中的重复设计量降至最低,从而降低成本、缩短生产时间。例如,商业卫星平台市场已证明有能力在24~36个月内制造卫星,并且价格还比国防部所能实现的最低价格还要低。

(4)更高的经济可承受性

更小更简单更轻便的系统可缩短采购时间,节约研究、发展、试验与评估(RDT&E)投入,降低技术开发风险。分解式太空体系架构的这些特质可促成成本节约。更高的生产量可使制造生产线以更优化的生产率运行更长时间,从而降低单价,并平滑采购高峰。一个很好的例子是全球定位卫星系统:更大的生产数量提供更稳定的制造环境,还能实现设施与设备的长期利用。

以前的卫星系统采购项目经历了严重的成本超支和进度延误。成本增加的一个常见原因就是,难以将多种有效载荷集成到单一平台上。国家极轨运行环境卫星系统(NPOESS)项目中,因要把多个不同传感器集成到一个单一平台上而导致的复杂性,使系统变得昂贵不已、困难不堪,最终只好下马。分解可降低这种集成的风险,方法是强调简单设计:单一化功能(或组件)在运行时,一起提供与原来“整体式”(monolithic)设计相当的功能。

除了卫星方面的节约,更小更轻的系统也可能节约发射成本:可组合在一起,用单个运载火箭发射;或者降低所需助推器的尺寸和复杂性。现在,发射服务预计占到空军太空司令部20年规划中30%的预算;要在经济可承受性、性能及抗毁性之间形成整体平衡,必须首先推进发射能力的进步。

(5)提高威慑力

与威慑理论有关的两个特征是:“增加敌方成本”和“降低敌方获益”。分解通过提高“敌方瞄准计算复杂性”和增加“成功攻击的不确定性”来强化威慑力。更小的有效载荷更易于生产,加上快速/及时发射,还提高了快速重建能力,敌方即使实现了一次成功的攻击,也得不到多少好处。分解的目的就是使敌方对美国系统的攻击尽可能困难,同时提高美国太空能力在敌方攻击下的生存力。

如果像许多专家断言的那样,太空中的攻击不可避免,那么,分解就可以使新战术、技术与程序(TTPs)能够利用分散体系架构的独特性。这将增加使命任务的灵活性,使美军在遭受敌方攻击的情况下,除了依赖目前这种高价值的、脆弱的、整体式的卫星之外,还有别的方法利用太空来遂行自己的作战使命任务。

额外的研究工作

分解作为一种战略,需要仔细分析并针对特定使命任务进行评估。鉴于现行太空体系架构的内在脆弱性,以及威胁不断升级所带来的危险,未来体系架构需要对分解的潜在好处进行彻底的考查。

利用分解降低太空段的复杂性,有可能将复杂性转移到系统的其他部分。需要考虑地面段所增加的接入点资产、地面通信与处理需求,以及对频率分配和卫星遥测、跟踪与指令(TT&C)的额外需求。因此,创新的卫星运行方案需要与分解一起考虑,避免“卫星成本降低了、地面段成本提高了”。

技术更新速率的加快,给航天采办中促进技术成熟与转移的能力带来了压力;这需要更加重视采办的灵活性和适应性。若不能认真规划和评估,每种新技术的引入都可能导致通信与地面段的改变,因为要适应新的信号格式、更高数据速率、商业标准、增长的数据存储需求或符合最新网电标准的多层安全方案。

考虑在商业和盟国系统上寄宿有效载荷,需要注意抗辐射加固、冗余和其他保护措施。相对于主卫星运营商的载荷而言,寄宿载荷所有者美国国防部与主卫星运营商可能存在利益冲突,例如,主卫星运营商想让卫星换一个位置,而国防部不同意。

尽管分解在提高工业基础稳定性方面具有重要优势,还需要对发射成本、靶场作业和地面系统复杂性进行详细研究,确保预期的节约不会被抵消。简单卫星的成本可能大幅低于传统系统,但是在轨平台数量增加可能会因额外的发射次数和地面系统成本,反而提高了分解式系统的寿命周期成本。(GFKJQB2013/19王若衡 李云等)

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