杂志汇太空探索

▲ 波音公司的“试验性航天飞机-1号”带翼飞机方案图在回顾近年美国国防高级研究计划局（DARPA）航天项目发展重点的基础上，通过分析2019财年预算，可以看出，DARPA在进入空间、利用空间、空间态势感知、空间对抗4个领域均出现了新的发展动向，或是采用新举措，或是多手段并举，或是关注重心转变，或是延续研发思路，推动项目进展与技术研发。

进入空间领域

持续研发快速、低成本进入空间技术

DARPA从2011财年起陆续推出“空中发射辅助进入太空”和“试验性航天飞机-1号”项目，旨在实现运载器的快速、机动、低成本进入空间，提高现有航天力量的战时响应性，这是美军自21世纪以来运载器技术研发思路的延续。同时，在当前微小卫星军事应用价值日益凸显，但部署和星座组网受大中型运载火箭及发射方式限制的情况下，DARPA在2019财年适时地设立“太空弹性快速响应发射”新项目，以推动微小卫星专用小型运载火箭发展，满足弹性空间力量部署和快速响应发射需求。

“空中发射辅助进入太空”项目计划利用改进的F-15战斗机在7620米高空发射新型火箭，专门服务微小卫星等小型载荷发射，每次发射成本不超100万美元，任务时间不超24小时，摆脱固定发射场地域与方向约束，实现12小时内转场再次发射。该项目2015年开展了2次新型火箭推进剂实验，均发生爆炸，DARPA遂取消了技术样机的研制和原定于2016年的空射试验。该项目虽已中止，但相关经验和阶段成果为后续项目的设立与开展提供了思路和技术基础。

“试验性航天飞机-1号”项目计划设计、制造与验证马赫数10的带翼飞机，飞机将一次性上面级投放至亚轨道后水平着陆返回，由上面级将有效载荷送入轨道。项目旨在对发射成本降至十分之一、10天内10次飞行、每隔24小时快速响应发射进行飞行验证，提供一种快速、低成本进入空间的方式，进而提升战时响应性，巩固国家安全。DARPA已授予波音公司该项目第2和第3阶段合同，项目经费批复额较2018财年申请额有所增加。2018和2019年波音公司将重点开展对推进系统进行集成，并在10天地面测试中完成 10次发动机点火试车工作。

“太空弹性快速响应发射”项目又名“发射挑战赛”，为2019财年DARPA新增项目，经费预算500万美元。参赛者在无法提前预知载荷配置、目标轨道、发射场地等信息的情况下，利用自研小型运载火箭在短时间内连续2次将有效载荷发射入轨。DARPA将选出可满足快速响应未知载荷发射任务需求的小型运载火箭，同时向获胜参赛者提供美国政府载荷发射合同。DARPA采用挑战赛的创新形式，既可充分借助新兴商业航天运输企业力量促进小型火箭技术发展，又可带动微小卫星大规模应用，以满足军方未来发射需求。

▲ “太空弹性快速响应发射”项目挑战赛规则空间领域

提升对地通信监视能力，尝试新型光学成像系统技术方案

近年来，DARPA为确保作战中持久监视与信息覆盖，一直在探索构建低成本微小卫星星座技术，提升对地通信与监视能力，为此在“太空增强作战效能”项目基础上，采取了两种技术手段：一是发展适用于微小卫星的通信与遥感载荷，例如2016财年设立的“雷达网”和“小卫星传感器”项目；二是探索利用先进的商业卫星平台技术，例如2018财年设立的“黑杰克”项目，以缩短技术研发周期，降低有效载荷与发射成本，适应技术更新速度。此外，DARPA于2015与2019财年陆续设立“太空光学孔径设备自组装”和“平面成像仪”项目，积极尝试新型光学成像系统技术方案。

DARPA曾于2011财年设立“太空增强作战效能”项目，旨在构建微小卫星星座，按照与作战节奏相配合的时间表实现低成本快速发射入轨，直接向作战人员提供即要即得的卫星图像信息。但或因蓬勃发展的商业微小卫星同样具备完成类似任务的潜力，DARPA取消了该项目。2016财年设立的“雷达网”项目着重研究轻质空间可展开天线结构技术，以实现无线电通信和遥感载荷的小型化、低功率化和大带宽化，将于2019年对演示系统进行集成和测试。同在2016财年设立的“小卫星传感器”项目将开发验证包括光电/红外传感器和星间通信器件在内的微小卫星载荷技术，2019年计划发射一颗试验卫星进行在轨演示验证。

“黑杰克”项目的设立则体现了DARPA利用先进商业卫星平台技术研发低成本微小卫星星座的思路。该项目2018与2019财年预算分别为1000万与1500万美元，旨在研发具有较低“尺寸、重量、功耗及成本”特征的低轨军事通信与监视卫星，能够利用现代化商业卫星技术，具有经济可承受性。2018年4月，DARPA已发布“黑杰克”项目跨部门公告，该项目2019年将进入低成本、可更换有效载荷与商业卫星平台的研发阶段。

▲ “空中发射辅助进入太空”项目想像图DARPA为推动高分辨率光学成像系统发展，积极尝试多种新型光学成像系统技术方案。例如，曾于2015财年设立了“太空光学孔径设备自组装”项目，旨在演示验证利用多次发射的多个小型模块化载荷部件组装大口径（大于5米）光学系统的可行性。这是DARPA继2010年提出发展薄膜衍射成像系统的“莫尔纹”项目后，为实现超大口径光学系统的又一次探索。2019财年新设立的“平面成像仪”项目，则探索利用光子集成电路与计算干涉技术，构建一种新型光学成像系统，代替由光学单元线性排列而成、采用传统光学折反射原理的成像系统。该项目可将传统光学成像系统的尺寸和质量降低一个数量级，计划于2019年完成探测器与光子集成电路集成工作。

▲ “小卫星传感器”项目想像图

▲ “黑杰克”项目想像图空间态势感知领域

重视数据应用与作战能力建设

为解决美军空间态势感知系统存在的低轨与高轨探测盲区，DARPA于2004财年设立“太空监视望远镜”项目，旨在构建无盲区、精确识别与定位深空微小目标的空间态势感知系统。此后于2011财年设立的“太空领域感知”项目则希望通过对分布式空间目标态势感知数据的收集、处理、融合，进一步强化美军空间态势感知能力。在完成“太空监视望远镜”项目转移和“太空领域感知”项目演示验证后，DARPA于2016财年设立“标记”项目，瞄准太空作战管理与指控平台建设，开始研发空间态势感知工具。

“太空监视望远镜”项目已正式移交给空军，基站向澳大利亚迁移。该项目研制的先进地基光学系统探测灵敏度和覆盖率提高1个数量级，数据采集速度提高了10倍以上，并减小了美军空间监视网在南半球和东半球的覆盖盲区。“太空领域感知”项目采用数据融合技术、关联未知目标的先进算法以及雷达、光学、射频等探测手段，对包括商业太空态势感知渠道在内的分布式传感器协作网络进行了初始能力演示，可探测1000公里高度、直径10厘米的目标，10分钟内可对任一目标进行3次以上独立探测，能精确测定轨道参数，弥补了美军现有低地轨道态势感知覆盖缺口并提高了随机跟踪能力。

为应对日益复杂的太空行动，并满足太空军事行动实时决策的需求，美军急需提升太空作战指挥控制技术与能力，以确保美军未来战场上的技术和战略优势。“标记”项目将研发一款空间态势感知平台与工具，一是可帮助美军指挥官感知太空环境和潜在威胁，对太空军事行动进行规划和评估；二是集成并分析从太空、陆地、空中、海洋和网络空间采集的数据，同步太空和地面任务，遂行“多域”作战；三是集成具有太空指控功能的工具，并对各类新型太空指控技术进行快速评估。该项目将分三阶段实施，目前第一阶段的研发重点为搭建软件测试平台架构，以及初步集成具有太空指控功能的首批工具。

空间对抗领域

借力静止轨道卫星，获取空间攻防对抗实战能力

美军在轨操作技术发展已历时多年，在逐步掌握低轨和高轨合作或非合作目标的自主逼近、交会、对接、捕获以及绕飞和伴飞等关键技术后，DARPA于2006财年设立系统F6项目，研究并演示验证实现分布式航天器体系结构的使能技术。此后，DARPA于2011财年设立“凤凰”项目，旨在重新利用静止轨道已退役或失效卫星上的有价值部件。自此，DARPA在空间对抗领域，确立了以静止轨道卫星各类在轨服务能力形成为核心的发展思路，以满足未来控制空间的作战需要。“凤凰”“大型天线在轨制造”和“静止轨道卫星机器人服务”等项目的设立均沿袭这一思路。

“凤凰”项目旨在演示验证从静止轨道失效或报废卫星上抢救、再利用零部件的技术，例如从退役卫星上“剥离”大型天线，并在周围构造其他卫星功能。该项目通过发射创新、部署方式突破、探索新型在轨服务模式，建立起一个面向重复利用的在轨服务支援体系。“有效载荷轨道交付系统”与“轨道守护器”等创新概念的提出，也为后续衍生项目明确技术发展重点提供了借鉴。

作为“凤凰”项目的衍生产物，“静止轨道卫星机器人服务”项目将与现有的卫星运营商合作，发展地球静止轨道机器人服务能力，并携带充足的燃料开展为期数年的高轨服务验证，执行多种可能任务。项目的在轨服务任务类型包括：处理机械故障（诸如太阳能阵列部署）；提供辅助推进，增强业务卫星编队的灵活性；利用摄像机系统实施非常详细的检测，查找卫星问题；提高对静止轨道运行情况的感知等。该项目研发的一系列技术，如服务星的远程机动技术、与非合作目标的交会与逼近技术、卫星识别技术、机械手捕获卫星技术、在轨切割卫星天线和拧取部件的操作技术等，均可用于侦察监视和攻击在轨卫星。DARPA已为该项目申请了超过1亿美元的预算，2019年将对包括机械臂、工具改变器、试验台、工具架、传感器、有效载荷结构和飞行软件等在内的各类部件进行制造与集成，并启动入轨演示验证准备工作。

DARPA以保障美国国家安全、使美国在免遭技术突袭的同时谋求对敌技术优势为核心使命，并不遗余力地促进前沿技术的创新与转化，项目设立和开展具有高度灵活性。DARPA在履行核心使命和持续推动前沿技术储备、研发和应用上所做的努力，在2019财年DARPA航天预算上有所体现：

一是发力重点航天项目，与特朗普政府备战太空新动向相吻合。DARPA对“标记”和“静止轨道卫星机器人服务”等项目的持续推动与大力投入，表明美军已将太空军事行动纳入作战领域，并将空间攻防对抗视为核心能力。这与近期美国大力推动军事航天改革与军事航天力量重组，并在新版《太空作战条令》中推动太空作战深度融入联合作战等各类举措十分吻合，集中体现了特朗普政府备战太空的新动向。

二是采取挑战赛与技术扫描等创新举措加速航天创新技术成熟。2019财年新设立的“发射挑战赛”是DARPA在航天领域首次尝试以挑战赛形式推动航天技术发展。DARPA可以通过借鉴此前在机器人、无人蜂群、通信、网络安全等领域举办各类挑战赛的成功经验，加速推动微纳卫星专用小火箭技术的成熟。2018财年设立的“先进航天技术概念”项目，将对包括先进/新型推进系统、新型传感器、先进轻型结构、先进小型无线电频率技术、导航技术、航电设备、结构、先进通信和在轨软件环境等在内的各类新出现的航天技术和航天概念，以类似于地平线扫描的方式进行审查和评价，拓展DARPA发展航天前沿技术的途径。

三是顺应商业航天发展态势并灵活推出与之相适的项目。在商业航天与微纳卫星技术蓬勃发展的态势下，DARPA及时顺应并借助这一热潮，灵活推出相应项目并予以推动。例如“黑杰克”项目将利用先进的商业卫星平台技术，研发低轨军事通信与监视卫星；“雷达网”和“小卫星传感器”项目积极发展适用于微纳卫星的通信与遥感载荷，并借助工业部门投资，使军方新的战术能力可在小卫星上实现等。★

▲ “标记”项目研发的空间态势感知平台与工具概念图

▲ “雷达网”项目想像图责任编辑：薛滔