军用卫星：大、小谁主导？

文/ 李加祥 刘梦诗

近期，新美国安全中心发布《新兴太空环境下的小卫星》报告，分析了美国军用（含情报界）卫星架构和商用卫星架构的现状与发展趋势，探讨了小卫星对美国军用卫星架构的影响。报告认为，小卫星的发展近期还不足以使大卫星主导的美国军用卫星架构出现重大转向，建议美军和情报界适度加强小卫星能力发展与应用。

▲ “黑杰克”项目想像图

大卫星、小星座近期仍为主导

卫星按照发射质量大致分为小卫星、中卫星和大卫星。美国军用卫星主要执行侦察、通信、导航、电子情报收集、气象预报、弹道导弹预警和技术开发等任务。当前和未来几年，美国军用卫星架构仍将以大卫星、小星座为主导。

报告称，目前美国现役军用卫星共约150颗，其中120颗执行作战任务。但能公开获得相关数据的只有104颗，其中小卫星12颗、中卫星47颗、大卫星45颗，平均质量达4300千克，大卫星的总数和总质量分别占美国在轨军用卫星总数的44%和总质量的72%。同时，美军还租用商用卫星来满足多达80%的军用卫星通信需求，虽然每年花费10亿美元，但在美军太空领域投资中占比很小。美军和情报界还利用商用卫星搭载专用的国防通信与传感器载荷，但目前只是有限应用。此外，美军并没有忽视小卫星的能力。美空军已部署多颗相对便宜的小卫星。国防高级研究计划局（DARPA）已启动“黑杰克”项目，研究利用低轨小卫星星座替代专用军用卫星执行监视与通信等任务的潜力。

报告认为，从采办项目和经费投入看，未来几年美军和情报界的太空项目仍然集中于发展和部署复杂、昂贵的大卫星。比如，“先进极高频”卫星，重量6200千克，单颗采办成本26亿美元，目前已发射了5颗。“天基红外系统”卫星，重量4800千克，单颗采办成本32亿美元，目前有4颗在轨，计划2021年和2022年再部署2颗。

美商用小卫星数量显著增多

报告称，在美国现役的800颗商用卫星中，可获得其中711颗卫星的质量数据。在这711颗卫星中，小卫星、中卫星和大卫星的数量分别为383颗、167颗和161颗，分别占卫星总数的54%、23.4%和22.6%，占卫星总质量的5%、35%和60%。

报告认为，从现役的各类商用卫星总质量看，目前美国的商用卫星架构同样以复杂、昂贵的大卫星、小星座为主导。但报告指出，小卫星已大量进入商业市场，从2012年到2017年，进入轨道的小卫星数量从70颗增至380颗，近两年更是数量猛增，这些卫星大多为纳米级（3～22千克）甚至更小。其大量进入商业市场，不仅反映了小卫星现在可能具有更大能力，而且为部署更大规模的星座（几十颗或上百颗卫星）提供了机会。

报告指出，推动美国商用小卫星发展的主要因素：

一是卫星小型化。星载计算机、电子装置、机械系统、电池和传感器的小型化，不仅降低了卫星成本，而且推动了小卫星能力的发展。

二是卫星发射成本下降。相比于中型/重型运载火箭，当前美国小型运载火箭的效率很低，这使发射成本成为小卫星发展面临的主要挑战。在载荷能力充分利用的情况下，中型/重型运载火箭的发射成本为每千克0.5万～1.8万美元，小型运载火箭的发射成本则为每千克3万～10万美元。为降低小卫星发射成本，目前只有少数小卫星利用小型运载火箭发射，多数小卫星要么作为中型/重型运载火箭的次要载荷发射，要么利用中型/重型运载火箭一次发射多颗。目前，太空探索技术公司正在发展“猎鹰”系列运载火箭，DARPA则在发展XS-1航天飞机，未来卫星发射成本有望大幅降低到每千克4000美元。

加强小卫星的发展与应用

以目前小卫星的发展状况来看，未来小卫星将会为美国军用卫星架构带来如下好处：

一是显著提高效费比。相比于大卫星，小卫星发射成本在全寿命周期成本中占比高。未来卫星发射成本大幅下降后，小卫星、大星座的军用卫星架构具有更好的成本效益。

二是战时具有更好的生存力。报告认为，许多国家已经拥有并且正在发展反卫星能力，包括陆海空天基动能杀伤、激光/微波/电磁脉冲非动能攻击、电子干扰/欺骗攻击、网络攻击等，对美国卫星能力构成严重威胁。而利用小卫星构成大星座，增加反卫星一方必须应对的卫星数量，将使得攻击卫星的任务更加复杂，有助于应对反卫星威胁，提高卫星系统的生存力。

三是具有最为经济有效的战时补充能力。大卫星成本高昂，难以大量采购作为战时储备，其发射设施战时生存能力较弱。采购小卫星作为战时储备，有成本和发射等方面的优势，具有更好的星座重构能力。

报告认为，设计卫星星座是一个极其复杂的过程，从理论上讲，小卫星星座与大卫星星座这两种方式各有强弱点，需要权衡各种能力、成本、数量、复杂性等诸多因素。目前尚不清楚为有效应对各种反卫星威胁，小卫星星座需达到的最佳星座规模，另外卫星数量增多并不能改善卫星地面站的生存能力，也无法提升卫星的抗干扰或应对网络攻击的能力。

▲ 整流罩内的“先进极高频”卫星

因此，报告建议美军和情报界现阶段适当增加投资，发展小卫星能力：一是开发、部署一个或多个小卫星星座，增加经验；二是改善战时小卫星储备补充能力；三是更加重视航天发射能力，尤其是小型运载火箭。

▲ “天基红外系统”卫星

▲ 美国宇航局的手机卫星PhoneSat项目