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二代航母天眼上线:3.6万公里太空监视器,导弹战机一览无遗

佚名 科学 2020年10月22日

二代航母天眼上线:3.6万公里太空监视器,导弹战机一览无遗

2020年10月12日00时57分04秒250毫秒,长征三号乙遥六十三运载火箭搭载高分十三号卫星点火升空,随后经过助推器分离、一二级分离、抛整流罩、二三级分离、星箭分离等一系列飞行动作后,卫星被成功送入预定轨道,西昌卫星发射中心指挥大厅再次点亮“大红屏”。


长征三号乙遥六十三运载火箭


在此次发射任务中长征三号乙火箭凭借近年来最大规模的升级改进出彩不少,还应用了全新研制的双锥体全透波整流罩,但这些成绩在其承运的卫星面前也只能算是“战术胜利”。


本次发射最大亮点毫无疑问是被誉为“第二代航母天眼”的高分十三号卫星,其成功入轨价值堪比航空界的歼-20、运-20、C-919,意义是全局性战略性的。


先来看看官方通稿中高分十三号的任务定位:该星由航天科技集团有限公司五院研制,是一颗高轨光学遥感卫星,主要用于国土普查、农作物估产、环境治理、气象预警预报和综合防灾减灾等领域,可为国民经济建设提供信息服务。


高分十三号纪念封


再看西昌卫星发射中心出品的纪念封如何定义:可为国防现代化建设提供信息保障。


对于国防使命虽然高分十三号嘴上说没有,身体却是很诚实,怎么个诚实法呢?看看它具体能做什么就一目了然。


双锥体全透波4.2米直径整流罩


高分十三号是“高分辨率对地观测系统重大专项工程(高分专项)”最新技术成果,该工程自2010年立项以来陆续发射了高分一号至十三号一系列对地观测卫星,目前已经初步形成覆盖全球的观测能力。高分专项牵头单位是国防科技工业局,有着鲜明的国防属性。


执行此次发射任务的长征三号乙运载火箭是地球同步转移轨道专业户,高分十三号光学遥感卫星显然是一颗地球静止轨道光学遥感卫星,而它并不是我国第一颗地球静止轨道光学遥感卫星,早在2015年西昌卫星发射中心就使用长征三号乙火箭发射部署了高分四号地球静止轨道光学遥感卫星


高分四号CG


高分四号同时也是全球第一颗静止轨道高分辨率遥感卫星,而它正是破解高分十三号的关键所在。


通常光学遥感卫星部署在距离地面500至6000公里的太阳同步轨道,轨道位置距离地面目标较近可以实现高空间分辨率观测,能够对地面目标进行高清成像,但却没有高时间分辨率优势,难以掌握时间敏感性目标的部署动态。


机动滚扫成像


长光卫星公司吉林一号商业遥感卫星星座为太阳同步轨道卫星兼顾高时间分辨率需求提出了机动滚扫成像方案,但这一方案并不能完全满足需求,单颗卫星每次对地凝视成像时间仅有1分钟左右,而且成像幅宽非常窄,要想实现全球实时响应覆盖则需要数百颗卫星。


为什么要实现全球覆盖呢?不必讳言最近这二十多年咱们一直在琢磨一件事,就是如何多快好省地在全球海洋中发现移动的航母目标,进而为东风快递等一系列打击弹药提供高精度的目标指示信息。


DF-26实弹发射


遥感专家叶培建院士早在三年多前就披露过,我们的同步轨道对地观测卫星,可盯住目标海域任何一支船队。


高分四号为了搜寻航母目标攻克了五大技术难关:


高分四号部署地球静止轨道


1,站得高,看得远


运行在距离地球约3.6万公里的高分四号拥有覆盖三分之一个地球的广阔视野,它配置有“大口径面阵凝视成像相机”,具备1亿像素成像能力,成像幅宽可达400公里,一次成像覆盖面积就相当于一个河南省,也就是说在实战中可一次成像整个战区的实时图像信息。


高分四号宽幅成像


面阵凝视成像原理类似于单反成像,在三分之一个地球视野内任意一点任意时间进行观察成像,成像的方式也灵活多变,拍照、视频、连续拍照任意选择。


传统遥感卫星则是推扫成像,后者呈现的是沿飞行方向的条幅图像数据,这是一种定时成像,只有在特定时间内才能成像,而且难以实现连续成像。


高分四号面阵凝视相机


2,站得高,看得清


高分四号面阵凝视相机在拥有大视场优势的同时,其对地空间分辨率达50米,可以搜寻海上目标。


有人说就这50米的分辨率也敢大言不惭?要知道地球静止轨道的3.6万公里高度是传统遥感卫星的数十倍,50米分辨率已经是全球第一,在此之前人类在这一轨道的最高分辨率是500米。


高分四号结构示意图


就在高分四号入轨不到一年的时间里航天科技五院508所就成功实施了海上动态目标视频成像跟踪试验,50米分辨率虽然还无法直接识别航母目标,但我们并不是毫无办法。


因为高分四号不会孤军奋战,它会和高分系列卫星中的低轨卫星形成高低搭配,高轨卫星发挥高时间分辨率优势,发现可疑目标后近地轨道卫星前出查证,实现既能见森林也能见树叶的功效,通俗点说就是广角与长焦/微距的结合。


部署近地轨道的高分九号05星


3,分钟级信息刷新能力,实战价值高


高分四号就像是安装在太空中的监视器,其信息刷新速度也很快,面阵凝视相机完全能够在数分钟之内对三个不同区域进行连续成像。


在经过短时间数据传输后,卫星相机就可以把拍摄的图像产品送达用户手中。这对于战机转瞬即逝的现代战争而言是至关重要的情报优势,同时数据传输能力也很强,一张1亿像素照片仅需几秒钟就能完成下传。


高分四号发射质量4.6吨


十几年前伊拉克战争被誉为完全由电视直播的战争,这也只是地面光学相机的直播,而高分四号的目标是脱离地球束缚,在太空进行现场直播。


4,轨道机动能力强


高分四号如何在三分之一个地球视野中快速锁定成像目标也是世界级难题,3.6万公里距离进行成像,镜头哪怕只有1/3600度误差,成像区域误差反馈在地面就能达到几公里,因此对卫星姿态的稳定控制要求极高,科研团队从卫星平台的飞轮和太阳翼驱动机构着手进行减震设计。


高分四号快速机动


在卫星平台稳定性基础上高分四号还要具备快速机动能力,这里的机动并不是轨道机动,而是服务镜头指向的卫星平台姿态机动,为此航天科技502所团队攻克了“小角度快速机动技术”,在卫星平台内部安装了4台大力矩动量轮,因此具备了快速指向能力。


5,战略预警技术加持,直播海上战场


高分四号攻克了可见光与中红外谱段两种成像装置的共镜技术,在进行可见光成像的同时,通过分色装置可以同步进行红外成像。


高分四号成像范围覆盖所有战区


红外成像是战略预警卫星的看家本领,高分四号与战略预警卫星相比,前者好比是长焦镜头,后者则是广角镜头,高分四号无需进行全球扫描覆盖,而是针对特定战区进行红外成像探测。


比如海上战场散发热量的目标有很多,驱护舰发动机排烟道、导弹发射、舰载机空中机动等等,这些目标结合可见光成像可以汇聚成更有价值的作战情报。


高分四号可识别热源目标


梳理完高分四号实战应用方向会发现航天技术的发展能给人类带来多少改变仅仅取决于想象,作为全球第一颗地球静止轨道高分遥感卫星,虽然在众多应用任务中有不俗表现,但其试验定位也是显而易见的,技术的瓶颈在高分四号身上依旧明显。


比如50米空间分辨率虽然是全球最高,但对于识别航母、驱护舰等目标任务无法实现独立作战,需要与近地轨道遥感卫星协同作战。


高分四号为后续型号拓展预留空间


高分十三号的发射入轨将为上述缺陷画上一个圆满句号,基于长征三号乙火箭的地球同步转移轨道运力判断,高分十三号可以继承高分四号的卫星平台。


反观高分四号明显预留了拓展空间,比如镜头直径远远小于平台直径,这意味着高分十三号可以携带更大口径的光学镜头,3.6万公里静止轨道对地成像空间分辨率有望达到15米量级,如此一来无需近地轨道遥感卫星协同即可自主识别航母、驱护舰等海上作战目标。


高分十三号镜头口径显著增大


光学成像基础能力的提升,将呈几何级放大前文所述的五大作战优势,而我们为了搜寻海上目标已经进行了长达数十年的战场环境建设,光学成像、合成孔径雷达成像、红外成像、电子侦察等各种手段更是应有尽有。


然而这仍然只是一个开始,接下来的十年我们还将使用长征五号运载火箭部署史上最大单体镜面的战略遥感卫星,而它将再次重塑空天格局……


全球最大国产碳化硅非球面反射镜


纵观我国航天发展态势,不仅有嫦娥探月、天问火星这些史诗级空间探索工程,更有抓住“实力底牌”的国防空天工程,是既有面子也有里子。


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