虎年谈天下大势：弹道导弹攻击大型海面船只（II）

 

上接「虎年谈天下大势：弹道导弹攻击大型海面船只（I）」

 

（七）侦查卫星

 

古人说登高望远，一点也不错，爬山者的乐趣就在最后站在顶峰上俯瞰辽阔的大地。现代的探测器也是一样，飞得越高看到的地面和海面也就越广。海洋的面积占地球面积的四分之三，如此大面积的搜索是非常困难的事，要看得又广又远就要升得够高。

 

航空母舰上面的作战飞机都有一定的作战半径，以美国海军的主力战机F/A-18为例，空战的作战半径是740公里，对地和对海攻击的作战半径是1065公里，所以绝大部分的时间航空母舰距离敌人的领土都在一千公里以外，这是一个安全距离，只有在发动攻击时才会接近目标区。

 

我们需要了解的是，航空母舰距离攻击的目标越近则舰载机滞留目标上空的时间就越久，这对攻击的效果是至关重要的，所以在发动攻击的时候航空母舰会尽量靠近攻击地区。至于航空母舰会多靠近目标区，那就要看对手的空军力量有多强。由于舰载机的性能一般不如陆基战机（舰载机结构重），在面对强国时，美国航空母舰多半在对方陆基战机的攻击距离以外。当然如果攻击的对象是弱国，美国航空母舰就可以非常靠近攻击区，譬如８０年代美国轰炸利比亚，美国航空母舰就在距离利比亚海岸只有几公里处巡弋。利比亚的军事力量太弱了，一般而言，即使在进行攻击任务的时候，航空母舰距离攻击目标至少也在五百公里以外。

 

航空母舰的攻击能力全在舰载机，所以如果能够阻止敌人的航空母舰在领海范围的一千公里以外，那么敌人航空母舰的威胁力就几乎消失了。当然，如果要把威胁完全消除，舰载机携带的制导武器的射程就要加进去，譬如空对舰或空对地的导弹射程，所以至少还要加上五百公里。除此之外，YST 认为还需要加上五百公里的安全系数（safety margin）。总结上面所有的考虑，对系统设计的工程师而言，阻止敌人的航空母舰在国家领土两千公里以外是必须的，在这个距离之外的航空母舰就纯粹是一种摆设了。

 

防御航空母舰的攻击是相当困难的，难就难在你不知道敌人的航空母舰在哪里。所以防御航空母舰的首要任务就是在茫茫大海中先找到它，而航空母舰最重要的工作就是隐密，不让你找到。这是一个猫和老鼠的游戏。

 

一架侦察机飞在一万两千公尺的高空，它的视界极限最远也只能达到四百公里，所以对侦察航空母舰来说侦察机必须进入敌人舰载机的攻击范围之内才有可能发现航空母舰，在这种情形下侦察机生存的机会微乎其微。这还不是所有的问题。遥测传感器的覆盖角度通常30度左右，所以飞行在一万两千公尺的高度，侦察机搜索海面的宽度不到50公里，要覆盖一个特定的海洋区域，譬如东海，需要很久的时间才能完成一次搜索，航空母舰很可能从搜索区中尚未搜索的部份进入侦察机已完成搜索的部分而未被发觉，甚至航空母舰早就驶离搜索区了。所以侦查机面对浩瀚的海洋远远不能满足搜索大型海面船只的需要。

 

加快侦查机的飞行速度来实现快速的海洋搜索是不实际的，侦查机的最高航速比巡航速度快不了多少（不到50％），更何况有些遥测系统是有速度限制的，譬如雷达成像。

 

要满足快速搜索海面船只的要求更有效的方式是增加飞行高度。但是还有什么比飞机飞得更高呢？

 

比飞机飞得更高的人造物体就只剩下人造卫星了，是的，海洋的大面积搜索非卫星莫办。人造卫星的搜索宽度至少有四、五百公里，航空母舰的最高航速为每小时55公里，所以如果能安排卫星执行每四小时观察一次就可以达到无缝覆盖，这是可以做到的。

 

本篇文章就是介绍侦察卫星的功能与相关原理。

 

甲. 物理现象

 

在叙述卫星前，让我们温习小时候学过的一些物理现象。

 

凯普勒定律（Kepler's law）：

 

十六世纪德国数学家和天文学家凯普勒（Johannes Kepler，1571~1630）在观察太阳系的行星时发现一个非常有趣的规律：

 

a.任何行星围绕着太阳运行形成一个通过太阳中心的平面，行星运行的轨道在这个平面上一定是 一个椭圆（注意，圆是 当椭圆长轴与短轴相等的一种特殊情况）；

 

b.如果你连接行星和太阳的中心就会形成一条直线，这条直线当行星运行的时候就会形成一个扇形的面积，虽然行星与太阳的距离随时都在改变，但是它在单位时间内所覆盖的扇形面积不会改变而是一个常数（constant）。

 

上面叙述的a与b就是天文学上非常有名和非常重要的凯普勒定律。

 

乙. 卫星的轨道

 

读者必须了解卫星的应用与它的运行轨道是分不开的，不同的应用需要不同的轨道，譬如侦察卫星和通讯卫星的轨道是完全不同的，即使同样是侦察卫星，携带的遥感器不同其设计的轨道也不同，这个轨道错不得。于是每颗卫星在发射上就需要作出特殊的安排与调整。由于卫星携带的传感器发射后就不能改变，所以卫星轨道的精确性和它的应用息息相关，如果发射的轨道错误，那么这颗卫星的应用价值就完全没有了，形同报废。

 

卫星所携带的燃料非常有限，推力也很有限，主要用作姿态调整和轨道的维持，万不得已才做变轨飞行，这是最耗费燃料的。所以把卫星准确地送入预定轨道极为关键，卫星的发射任务如果不够精准，轻则减少卫星的预定寿命，重则导致卫星成为废物。

 

卫星的运行与行星的运行道理是一样的，所以凯普勒定律可以直接应用在卫星轨道的计算上，得出卫星运行的性质。

 

卫星在环绕地球的飞行中循着一定的轨道并且有下列几个重要性质：

 

a. 这个轨道可以是圆，圆心是地球的中心，卫星运行的高度不变；

 

b. 卫星的轨道也可以是椭圆，这时候卫星飞行的高度随时间而改变，但有规律可寻，那就是凯普勒定律，最重要的性质就是卫星距离地球越近其飞行的速度越快；

 

c. 卫星运行形成的平面和地球赤道形成的平面有一个夹角，这个夹角科学家称为「倾角」（inclination angle）。「倾角」在卫星的应用上是非常、非常重要的参数，因为不同的倾角卫星的观察就覆盖不同的地球表面。

 

d. 卫星运行的高度越高，运行的周期越长。

 

譬如高度只有一百公里的极低空卫星，86分钟就绕地球一周；

 

美国的航天飞机通常运行在六百公里的高度，97分钟就绕地球一周；

 

卫星运行高度上升到一千公里（美国航天飞机的极限），106分钟绕地球一周；

 

卫星运行高度上升到一万公里，348分钟绕地球一周；

 

卫星运行高度上升到两万公里（大约美国GPS导航卫星的高度），711分钟绕地球一周；

 

卫星运行高度上升到35,786公里（地球同步卫星的高度），1436.07分钟绕地球一周。

 

丙. 卫星的发射场

 

前面说过，卫星运行的倾角决定卫星观察时覆盖地面的区域，我们有必要对倾角作进一步的论述。

 

一个非常重要的物理现象是卫星发射场的纬度决定「倾角」，譬如一个发射场位于北纬38度，它发射的卫星倾角就是38度。下面我们把全球重要的卫星发射场的纬度列举如下：

 

发射场                          纬度

 

法国南美洲圭亚那库鲁发射场      北纬 5.0度

 

美国肯尼迪航天中心              北纬28.5度

 

日本种子岛航天中心              北纬30.4度

 

俄罗斯拜科努尔航天中心          北纬45.6度

 

中国酒泉卫星发射中心            北纬40.6度

 

中国太原卫星发射中心            北纬37.5度

 

中国西昌卫星发射中心            北纬28.1度

 

中国海南文昌航天中心（兴建中）  北纬19.0度

 

读者一定会问：如果一个发射场要发射与它的纬度不同的倾角的卫星，那要怎么办呢？

 

答案是：首先发射卫星进入轨道运行，这时候倾角等于发射场的纬度，然后由控制中心指挥再进行变轨运作改变倾角。

 

无论改变卫星运行的高度或是倾角都称为变轨运作，由卫星上的火箭发动机提供所需动力，这些都是迫不得已而不得不为的操作，尤其改变倾角的变轨飞行非常耗费燃料，一旦燃料耗尽这个卫星的寿命就终结了，这些都必须在卫星设计者的考虑中。燃料计算非常重要，它直接决定卫星的寿命，通常卫星管理工程师必须预留部分燃料作为卫星在寿命终结前脱离轨道之用（英文称做de-orbit），把宝贵的特定轨道留给后来者。

 

卫星都是向东发射的，因为地球的自转是从西向东，我们要利用地球自转的水平速度将卫星送入轨道。地球自转在赤道上形成的水平速度最大，纬度越高所得到的水平速度就越小，到了南北极地球自转的水平速度就是０了，所以高纬度的国家发射地球同步卫星是吃大亏的，必须用更大推力的火箭来弥补。这就是为什么每个国家都把卫星发射场尽量设在国土最靠近赤道的地方。

 

也就是这个原因中国大陆决定在海南岛的文昌建一个规模宏大的航天中心，主要考虑的因素有下列几点：

 

a. 海南文昌是中国国土纬度最低的地方，在海南文昌发射比在四川西昌发射以现有的火箭而言相当于推力提升10~15％。想想看，同样的火箭搬到文昌，卫星上的酬载可以增加多少，10~15％的推力提升是不得了的效益。

 

b. 如果发射的是同步卫星，根据大陆专家的报导在海南文昌发射要比在四川西昌发射卫星变轨运作进入同步轨道所耗费的燃料要节省100公斤，相当于延长两年以上的寿命。

 

c. 酒泉与西昌都深处内陆，交通不便，全靠火车运输，所以卫星与运载火箭在体积和重量上都受到铁路的限制，譬如火箭的直径不能超过3.35米。文昌在海边，用船运输非常方便，体积和重量都不成问题。

 

d. 火箭发射后，分离的火箭残骸掉到海里，回收容易，也不会伤人。

 

e. 中国当初把发射场设在甘肃、山西和四川主要是基于国防考虑，担心如果打起仗来基地会不保或遭到破坏，现在的国防力量已足够强大自然没有这种顾虑。

 

新华社在2007年09月23日报导，建设海南文昌发射场是为了我国航天事业可持续发展的战略，满足新一代无毒、无污染运载火箭和新型航天器发射的任务需求。海南文昌的航天发射基地占地20平方公里，包括航天发射港、太空主题公园、火箭组装厂以及指挥中心等一系列项目。

 

文昌航天基地规模宏大，设备先进，建成后将成为中国同步卫星、探月飞船和永久性太空站的发射场。

 

文昌航天基地的各种优势已经引起美、俄、法的担忧，他们在商业卫星发射上的生意可能会被抢走。

 

丁. 卫星的酬载

 

卫星的应用全靠上面装置的各种光学和电子设备，这些设备随应用的不同而改变，譬如侦察卫星有红外线探测器、高分辨率照相机、雷达、光学传感器，通讯卫星有转发器、导航卫星有特殊的发射器和极精确的原子钟、科学卫星有各种不同的科学仪器．．．．等等，这些卫星上的仪器与设备统称为酬载（payload）。

 

由于卫星上的空间、重量、电力都非常有限，不可能带太多的仪器，有的侦察卫星只有照相机，有的卫星只有红外线成像仪，有的卫星只有雷达，当然只要各种条件许可也有卫星携带多种探测器。不论是哪一种卫星酬载的选择非常重要，一个卫星的能力全在酬载性能的高低。

 

戊. 侦察卫星的酬载

 

侦查卫星携带的传感器无非是下列四种：

 

a. 光学仪器：

 

光学仪器包括电视和照相机，后者可以是数字照相机，也可以是传统的胶卷照相机。

 

光学仪器最大的缺点是只能在白天使用。

 

b. 红外线成像仪：

 

不同的物体在空间的温度不同，红外线成像仪就是感应温度的差别而成像，所以又称为「热成像仪」，在「漫谈坦克」的系列文章中我们曾详细解说。

 

红外线成像仪的优点是可以日夜使用、分辨率高而且探测距离非常远。

 

红外线成像仪的缺点是无法穿透云雾，其次的缺点是只能定方向而不能定距离，不过对海面船只测定距离不是问题。

 

c. 雷达：

 

雷达是发射电波讯号然后接受反射回来的电波来测定目标的方位和距离，是二十世纪人类发明的最伟大的遥测仪器。

 

雷达的优点是全天候工作，无论白天还是晚上、天气清朗还是有风雨云雾都照常工作，而且精确地测定目标的方向、距离和速度。

 

雷达的缺点是设备重、耗能大、目标辨别能力差。

 

d. 无线电：

 

军舰航行是很难保持无线电静默的，从收听到的无线电讯号加以分析来判断海面目标在哪里和它们的型号。

 

己. 侦察卫星的应用

 

侦察卫星无论是用那一种传感器都存在一定的角度，只有在这个角度内才能感应到前面的目标。我们可以想象侦察卫星的传感器就像一只手电筒射出一道圆锥形的光芒照射到地面上，只有在这道光照到的范围内才能看到地球表面的物体。

 

a. 大面积搜索

 

所以当卫星飞过地球表面的时候，我们就可以想象卫星传感器扫过一条等宽的带子，卫星飞得越高则这条带子就越宽，通常至少都有数百公里。更进一步说，虽然卫星的轨道不变，但是地球是会自转的，所以第二圈飞过的地方跟第一圈不一样，第三圈飞过的地方跟第二圈也不一样，这样经过几次扫瞄就可以覆盖广大的海洋了。

 

不过卫星扫瞄地面不是想象中这么简单，如何达到无缝隙的扫瞄需要在运行轨道的倾角与高度和传感器的视角做出精细的设计和安排。

 

b. 卫星变轨

 

另外值得一提的是卫星传感器的分辨率（resolution）都是以角度为单位的，所以目标成像的分辨率就跟卫星的高度成反比了。也就是说，卫星飞得越高虽然观察的面积越大但是分辨率就越低，因此对目标的判断就会越困难，特别是使用照相机的侦察卫星。

 

高分辨率的照相机是侦察卫星非常重要的选择，由于相片的分辨率和拍摄的距离成反比，也就是说距离越近分辨率越高，所以通常这种卫星都采用非常椭圆的轨道，所谓非常椭圆就是近地点（只有一、两百公里）和远地点（高达数千公里）差别很大。侦察卫星轨道的设计就是在近地点的时候进行拍照。

 

根据凯普勒定律，单位时间内卫星运行所覆盖的扇形面积是一个常数，所以卫星在近地点的时候飞行速度比远地点快很多，卫星飞快地拍完照片后便上升到安全的高度，避免受到敌人的攻击，特别是激光照射。有时候为了得到更清楚的照片，卫星会特别（在远地点减速）进行变轨使近地点非常低（低于一百公里）。这种情况在拍照完成后必须升高近地点（在远地点加速），否则每次空气的摩擦会逐渐降低卫星的高度最后导致卫星跌落大气层而烧毁。

 

c. 小卫星

 

战争不会无故发生，都有迹象可寻。当情势紧张时相关国家通常都会临时发射多枚小卫星对热点进行密集观察，这些小卫星重量都很轻，100~500公斤，可以一次发射多个来缩短观察周期。由于小卫星携带的燃料很少，所以小卫星的寿命不长，通常只有几个月，不过对战争的准备已经足够了。

 

但是运载火箭的生产、运输与发射前的准备可不是一件简单的事，真正的困难就在是否能够及时发射，所以快速发射卫星的能力对任何大国都非常重要。

 

附带要说的是，中国大陆快速发射卫星的能力相当出色，这个能力已经被美国发觉，美国一度曾经考虑想与大陆政府商量在太空站有紧急情况时大陆能出手相助，后来也只是说说而已，不了了之。美国对中国心存严重的忌惮，当初成立太空站时广邀数十个国家参加，这是一种大国炫耀的姿态，有政治利益，也有经济利益，因为参加国是要负担部分经费而绝大多数的国家不会得到技术，尤其不可能得到关键技术。但是美国的邀请就特别排除中国。现在美国虽然承认中国能对太空站做出实际的、重大又无可替代的贡献，YST 个人认为美国还是不会邀中国参加，道理很简单，美国始终把中国当成战略对手，对于科技数据防范非常严，美国如果要求中国担负紧急状况下的救难任务就必须提供太空站一些敏感的数据，美国是不肯的。

 

（未完待续）

 

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