解读日本新宇宙计划:侦察卫星可监视全球

文/林文杰   2016-05-08 03:29:08


文/林文杰

2015年伊始,日本宇宙开发战略本部的新版《宇宙基本计划》纲要引发了人们对日本未来10年航天发展动态的关注,纲要基本确定了日本强化宇宙安全的路线,提出了开拓国际商业航空航天市场的总方针。同时围绕着日本空天安全建立战略规划,将国防安全与航天产业发展相结合,把保障太空安全上升到战略高度。日本在该计划中也强调在美日合作的框架下开展航天活动的必要性,除了发射人造卫星、载人航天和太空垃圾防范这些民用工程外,还希望与美国共享侦察情报,通过日本自身的实力组建侦察卫星监视网、“准天顶”导航卫星、中继通信卫星、导弹预警卫星等,提升日本对空间、海洋的态势感知能力。在运载火箭方面,日本也将在2015年提高Epsilon新型固体燃料火箭的运载能力,2020年发射H-ⅡA/B火箭的后续型号,夯实3000~5000千米级洲际弹道导弹的发展潜力。

太空政策由首相直接掌控

日本近几年的航天计划之所以引发如此大的关注,关键的原因是日本于2008年成立了宇宙开发战略本部,并实施了宇宙基本法。该机构由日本首相担任部长,目的是加强对太空开发的管理,改变以往日本航天、深空任务由文部科学省主导的局面,形成由日本首相直接管理、内阁大臣负责具体事务的行政体系,战略高度明显提升。日本政府认为宇宙开发战略本部有两个工作方向,第一个是提高国民生活品质,让太空产业为民服务;第二是从轨道高度确保日本国家安全,这一点被外界质疑为日本于过去五年逐渐在法规和体系上进入太空军事化的发展道路。一旦日本进入战争状态,该部门就可以在首相领导下全力为军事化服务,即便在和平时期也能够方便地利用民用渠道“曲线”发展军用产品。

《宇宙基本计划》征求意见稿在前沿部分深入分析了日本的太空政策,日本认为当代的空间权力结构已经从美苏主导的两极世界向多极化方向转变。随着空间内技术的扩散,一些新兴的“航天苗子”开始出现,比如欧盟、中国、印度、巴西等,重新洗牌后日本能够凭借高新科技方面的实力占据一定的空间地位。多极化格局使得日本更加重视太空政策的制定和实施,再次提出了将利用宇宙纳入国家安全战略进行考量,以美日太空合作的新时代为契机,强化空间政策并提升技术前进的步伐。同时日本也希望发展太空产业,让科学技术与商业航天发展形成有机循环。

十年完成三大目标

日本为今后10年的空间发展确定了三个主要目标,首当其冲要数确保日本的空天安全与创建外层空间发展的稳定环境。日本认为空间碎片是轨道任务发展的主要障碍,2011年日本宇航员古川聪在执行国际空间站任务期间遭遇轨道垃圾,两者距离不到250米,这些时速达到2.7万千米的碎片能够对在轨航天器产生巨大的潜在威胁。对此,日本的目标是提高自身对轨道垃圾的监控力度,在促进建立《国际外层空间活动规范》的同时与盟友共享轨道物体信息,避免空间碎片的碰撞,甚至获得清除轨道物体的能力,该技术具有发展成天基监视网与反卫星武器的潜力。强化日本的轨道安全还需要部署一系列卫星群,日本计划在今后10年内完成由7颗卫星组成的“准天顶导航系统”,并部署X波段国防卫星通信网,确保日本自卫队通信的高度保密性。同时进一步发展先进光学侦察卫星、先进雷达成像侦察卫星、早期导弹预警卫星、中继通信卫星,形成庞大的军用卫星星座,总数可能在18~20颗左右,大幅度提升日本在轨军用卫星的数量和质量。日本为了实现新的空间规划,特别加强了与美国的合作,希望在日美同盟框架下深化航天技术的应用,最明显之处就是2015~2020年间4颗“准天顶”导航卫星需要与美国GPS系统配合才能实现区域导航,如果日本要独立实现区域信号覆盖,就要把卫星数量补至7颗,这个时间点就要推迟到2025年。除美国外,日本还希望与欧洲、澳大利亚、东盟等具有高战略利益与共享价值的地区与国家进行多层次的合作,为日本的空天安全添砖加瓦。

日本的第二个目标是利用空间资源解决民生问题,并建立相关产业。日本作为一个多火山地震岛国,加之自然资源的稀缺,使得其格外重视资源的分配与利用。去年5月,日本先进陆地观测卫星“卫星”2号对环太平洋火山地震带进行研究;12月,“向日葵8号”新型气象卫星传回第一张地球彩色照片。日本在气候环境、粮食问题、资源探测、地震海啸、火山喷发、台风等全球性问题或大规模自然灾害领域的调查已经有所建树,未来10年还将继续推进。值得一提的是,在中国汶川地震时,日本陆地观测卫星通过《空间和重大灾害国际宪章》机制向我国提供卫星遥感图片,可以清楚分辨出地震后形成的堰塞湖情况。不可否认,日本在灾害预防与响应上有其可取之处。

第三个目标是加强与航天工业有关的基础设施建设,扩大日本航天工业的国际竞争力。日本作为国际空间站的重要合作方,已经为空间站提供了“希望”号实验舱,并拥有上行运载能力为6吨的HTV货运飞船,日本已经具备一定实力的空间站制造、运营与维护的经验。在今后10年,日本除了完善鹿儿岛和种子岛航天发射场后,还将继续发展H-ⅡA/B火箭的改进型号,争取国外发射订单。值得关注的是,日本在2013年成功试射了Epsilon火箭,使用了新型固体燃料,在未来10年发展规划中已经明确提出要继续对该火箭进行研发,胜任关键时刻的应急发射需要。鉴于Epsilon火箭具备改装成固体洲际弹道导弹的潜力,且日本的固体火箭发动机技术已经进入世界第一梯队,因此其在未来10年内完全有能力将该火箭发展成中程弹道导弹。


◎ 在下一个十年内,日本将研发一款新型火箭并全面取代H-2ⅡAB,这一计划已经在2014财年中获得部分资金支持


◎ 在今后10年,日本将继续完善鹿儿岛和种子岛航天发射场


情报侦察卫星

在日本宇宙基本法实施后,宇宙安全进一步上升到国家战略高度,各类情报侦察卫星成为日本强化空间权力地位的重要举措。日本的情报卫星研发可追溯到上个世纪90年代初期,虽然日本曾经在不同时间、不同场合强调过和平利用航天技术,但随着朝鲜以及东亚地区军事活动能力的增强,日本开始提出发展轨道侦察技术。1996年,防卫厅开始酝酿研发侦察卫星,并对朝鲜、俄罗斯和中国的敏感目标进行侦察,并试图建立覆盖通信、侦察、导航的卫星星座。1998年,朝鲜从舞水端里基地成功发射一枚“大浦洞”1弹道导弹,这是1993年朝鲜向日本海方向发射1300千米射程“劳动”1弹道导弹的之后又一次尝试。

日本小渊内阁借助朝鲜中程弹道导弹技术扩散并对日本本土构成威胁的名义决定发展侦察卫星,并命名为“多用途情报收集卫星”,这也是日本天基侦察体系的前身。2003年3月,日本使用H-ⅡA火箭将两颗侦察卫星送入轨道,分别命名为“光学一号”和“雷达一号”。从命名上就很容易看出两颗侦察卫星的用途,一颗是光学成像侦察卫星,分辨率可达到1米,另一颗为合成孔径雷达成像侦察卫星,分辨率在1~3米,轨道高度在400~ 600千米,设计寿命5年。根据日本的设想,如果在轨部署4颗侦察卫星(光学成像与雷达成像各两颗)就能够对地球上任何一处高价值侦察目标进行监视,而且光学成像能够与雷达成像平台形成互补,全天候监视东亚似乎不成问题。

2003年11月29日,这一天小泉首相的心情肯定糟糕透了,日本投入20亿美元重金打造的天基侦察网出师未捷身先残,H-ⅡA火箭搭载两颗侦察卫星在升空不久惯性传感器出现故障,13分钟后星箭俱毁。更致命的是这两颗侦察卫星还没有备份星,于是原计划由4颗侦察卫星构成的天基侦察网变成了独眼天网,侦察能力打了个对折。直到2006年,日本从年度财政中再拨了5.28亿美元将两颗侦察卫星送入轨道,补网后终于实现了4颗侦察卫星在轨运行的情报系统,每天可以对世界上任何一个地点拍摄一次。这一年朝鲜在7月连续发射7枚弹道导弹和运载火箭,其中包括1枚“大浦洞”2、4枚“劳动”系列弹道导弹和2枚“飞毛腿”导弹,方向全朝向日本海。2009年3月,朝鲜再次发射“银河”2型火箭,有趣的是此时日本刚刚组建起的天基侦察网随着“雷达一号”的失效出现了侦察漏洞。

到目前为止,日本侦察卫星已经发展到“雷达四号”和“光学五号”试验星,2013年初发射的“雷达四号”分辨率达到1米,“光学四号”分辨率已达到0.6米级的水平。“光学五号”试验星可能超过0.4米级,单颗卫星的侦察实力居于世界前列。如果我们对照不同可见光图像判读标准,0.3~0.4米级的分辨率就能够对机场设施、导弹阵地、水面舰艇、水面航行状态或港口停泊状态的核潜艇进行较为详细的描述和解析。事实上,日本的侦察卫星对地观测能力已经超越中国,2014年8月发射的“高分二号”分辨率在1米左右,是我国分辨率最高的光学成像卫星。日本的领先地位得益于其自身成熟的成像技术和与美国等发达国家的合作,日本在1970年代之后就引入美法对地观测卫星的高分辨率卫片,通过建设遥感卫星地面站强化对图像情报的获取和解读。还租用了分辨率达0.6米级的“快鸟”系列卫星,情报管理与分析能力也能够及时到位。

此外,日本的民用对地观测卫星技术的快速进步也为军用侦察卫星研制提供了便利,民为军所用一直是日本打擦边球的传统手法。日本在1992年发射了“地球资源卫星1号”验证光学遥感和合成孔径雷达侦察技术,之后连续发射了先进地球观测卫星、先进陆地观测卫星系列、热带降雨测量卫星等,发展出较为成熟的对地观测体系。日本虽然具有极强的光学成像侦察技术,但与美国相比仍然落后很多,美国1963年发射的KH-6二代侦察卫星分辨率已经达到0.6米级,KH-12达到0.1米级,超过法国“太阳神”系列的0.5米级、以色列“地平线”9号等。美国以“长曲棍球”为代表的军用高分辨率雷达成像卫星,分辨率达0.3米级,超过德国、意大利、以色列、日本的同类卫星。


◎ M-V型火箭使用倾斜发射(左),而Epsilon火箭为垂直发射(右)

“准天顶导航系统”

“准天顶”导航是《宇宙基本计划》中需要完成的重大项目,这是日本提出的区域导航系统,旨在强化并增强GPS信号,具有区域导航、定位、通信的功能,提高日本本土信号接收的质量,比较适合日本的国情。根据《宇宙基本计划》中的描述,下一个五年内将完成3颗导航星的发射,与2010年9月发射的“指路”号形成4颗导航体系。2013年,日本已经从三菱电机公司订购了三颗导航星,价值5.26亿美元,运行在三条与赤道平面夹角为45°的轨道上。从日本本土上看,任何时候都有一颗导航星位于天顶,这也是准天顶系统命名的由来。在下一个10年规划中,日本也计划在4颗导航星的基础上增加3颗静止轨道导航星,拓展成一个可独立运行的区域导航系统。

“准天顶”导航系统是日本发展的军民两用卫星项目,在民用领域能够增强日本本土的定位精度。毕竟用户在获得更高的测量仰角后导航授时精度至少可提高一半以上,可为公共交通和经济发展提供保障与服务,这对日本民众而言是个民生工程。“准天顶”既然是个导航系统,也可以用于军事通途,除了提高日本作战部队、舰艇的定位精度外,也可以为制导武器提供连续且实时的导航信号。更重要的是,一旦“准天顶”7颗卫星部署到位后,可摆脱对GPS系统的依赖,即便美国降低了GPS系统的定位精度也不会影响到日本自卫队对精确导航定位的需求,这对战争主动权的把握是非常关键的。

发展洲际弹道导弹的潜力

《宇宙基本计划》中还有一个值得关注的地方,这就是日本的火箭发展规划。目前日本主要使用H-ⅡA/B火箭完成各类轨道任务,该型火箭使用LE-7A和LE-5B发动机,H-ⅡA近地轨道运载能力(LEO)能够达到10吨以上,H-ⅡB则是A型的扩大版,LEO运载能力达到19吨,能够将16吨的HTV货运飞船送往空间站。在下一个10年内,日本将研发一款新型H-Ⅲ火箭并全面取代H-ⅡA/B,这一计划已经在2014财年中获得部分资金支持,力争在2020年升空。H-Ⅲ火箭使用更先进的LE-X发动机,拥有多种构型,能够满足地球同步轨道6.5吨、近地轨道20吨的运载需求,这暗示日本在液氢/液氧发动机方面不仅技术成熟,而且也处于世界领先水平。

H-Ⅲ火箭除了满足日本的航天发射需求外,还要拥有极强的国际竞争力,发射单价可能控制5000万美元左右,比H-ⅡA/B火箭9000万美元左右的报价要便宜许多。同时,日本还在固体运载火箭上取得突破,事实上日本的固体运载火箭技术已经具备相当高的水准,从1980年代开始就使用当时美苏固体洲际弹道导弹上普遍列装的HTPB推进剂,还有美国弹道导弹上使用的延伸喷管技术。高强度合金钢、钛合金以及碳碳复合材料等性能也属于世界领先水平。由于固体运载火箭与弹道导弹之间的技术鸿沟并不大,两者之间的过渡对日本而言根本不存在技术上的问题。

2013年9月,日本宇宙航空研究开发机构研发的Epsilon火箭成功升空,火箭为三级固体运载火箭,总质量大约在91吨,能够将1.2吨的载荷送入轨道。日本在固体运载火箭的研发上起步较早,并获得了美国的技术输出,早期的M-V型固体运载火箭LEO运载能力已经达到1.8吨,具备发展成中远程弹道导弹的潜力,但该火箭超大的起飞重量和昂贵发射单价让日本萌生了研制新型固体运载火箭想法。2006年M-V型火箭退役后,日本就开始着手研发Epsilon火箭,运用了日本先进且成熟的固体火箭技术降低成本,第一级使用H-Ⅱ火箭的SRB-A助推器,第二级、第三级与M-V型火箭相同,甚至该火箭上设置了末端助推级用于验证固体洲际弹道导弹的相关技术。

日本在固体火箭发动机技术上处于世界领先地位,Epsilon火箭的研发对于日本而言并没有花费太多的精力,更多的技术攻关体现在如何降低火箭的复杂性上。通过模块化设计极大简化了火箭的维护程序,并将发射准备时间缩短到一周,宇宙航空研究开发机构甚至号称能够将发射单价降低到3 700万美元,可执行小型卫星的发射任务。日本大力推动固体运载火箭的研发不仅考虑到商业发射需求,也试图从中获得固体洲际弹道导弹的技术验证机会,《宇宙基本计划》中对H-ⅡA/B和Epsilon火箭项目进展的篇幅只有一句话带过,但其意义是非常深远的。如果日本下决心发展洲际弹道导弹,凭借其成熟的火箭技术完全能够在短时间内生产出射程在3000~5000千米级别的弹道导弹,而这个射程也足以威慑到俄罗斯远东、中国中东部、朝鲜半岛全境的目标。


◎ 2006年M-V型火箭退役后,日本就开始着手研发Epsilon火箭,运用了日本先进且成熟的固体火箭技术

[编辑/行健]

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