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单助推器Atlas V发射到黑夜,美国导弹预警系统的最后组成部分技术介绍
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2023.10.15 河北

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由五角大楼运营的关键全球导弹预警系统的最后一个组成部分于周五在联合发射联盟阿特拉斯五号火箭上飞行,该火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角上空爆炸到夜间。第四艘SBIRS航天器注定要在当前最先进的导弹预警卫星星座中填补空白,将缓解最后一颗较旧的DSP卫星,并建立一个全球星座,可以监视从战术短程导弹到洲际弹道导弹威胁的任何东西。

Atlas V——以“不平衡”的配置飞行,只有一个固体火箭助推器——于周六41:0 UTC时间,周五当地时间晚上48:7从SLC-48发射台上跳下来。从卡纳维拉尔角出发,阿特拉斯五号在飞行140秒后将唯一的助推器投入大西洋,而俄罗斯制造的RD-180发动机一直点火直到T+4分钟标记,然后移交给值得信赖的半人马上级。最后一次进入轨道是由半人马座的RL-10C发动机完成的,首先将堆栈发射到低地球停车轨道,然后给SBIRS GEO-4第二次助推,以提升其轨道的最高点,并在发射后43分钟将航天器送上途中。

联合发射联盟证实了周五晚上任务的成功结果,此前这颗4.5公吨重的卫星从半人马座上级起飞,然后进行脱轨燃烧以将自己从轨道上移开作为碎片缓解措施。

这标志着ULA今年的第二次发射,紧随上周的Delta IV发射之后,也是为了支持美国国家安全。对于Atlas V来说,该任务开启了一年,根据目前的ULA清单,可以看到多达八次任务,包括使用NASA的InSight着陆器前往火星,以及在2018年下半年首次使用波音Starliner航天器飞行时首次发射没有有效载荷整流罩。

第75次Atlas V任务的任务是为天基红外系统(SBIRS)部署第四颗卫星 - 这是地球静止轨道上的专用卫星星座,并在高椭圆轨道上托管传感器,通过鹰眼红外传感器提供全球导弹跟踪能力。

被认为是五角大楼最重要的天基防御资产之一,价值数十亿美元的SBIRS星座旨在探测和跟踪导弹发射,及时警告对美国本土,部署的武装部队和盟国的任何迫在眉睫的威胁,同时还提供指导导弹防御反应的关键数据。

作为自冷战初期以来提供导弹跟踪的国防支持计划的继任者,SBIRS必须应对不断变化的竞争环境,不仅必须能够探测仅由七个国家使用的强大洲际弹道导弹,而且还必须能够探测全球广泛使用的短程导弹。

在试图在攻击到达目的地之前拦截攻击时,及早发现来袭导弹至关重要。1950年代建立的最初导弹预警系统依赖于射程非常有限的地面雷达,只能提供非常短的预警准备时间。随着太空开发在1960年代成为现实,美国领导人立即认识到建立天基导弹预警系统以增加预警时间的重要性。

导弹防御警报系统MIDAS在60年代向低地球轨道发射了许多卫星,但由于空间技术尚未达到复杂系统运行的成熟水平,由于大量发射和在轨故障,从未达到运行强度。然而,MIDAS成功地证明了导弹的红外特征确实可以从轨道上探测到,从而释放了额外的资源来推动开发。

国防支持计划(DSP)于1970年启动,在35年的时间里,通过地球静止轨道运行的三代卫星,通过挡风玻璃刮水器型传感器系统提供全球导弹跟踪能力,当卫星绕其中心轴旋转时,该系统扫除大型观察区域。鉴于它们使用过时的传感器,DSP卫星只能接收大型导弹,并且只有在由于大气层的红外衰减而上升到地球大气层的大部分上空之后。

SBIRS作为DSP的继任者的工作于1996年正式开始,以应对不断变化的威胁,这些威胁需要一个能够探测所有类型的导弹的集成系统,并与基于DSP的架构相比将预警时间缩短一半。洛克希德马丁公司是SBIRS-GEO卫星的主承包商,而诺斯罗普·格鲁曼公司则开发和制造了SBIRS红外传感仪器,包括那些在高椭圆轨道上作为托管仪器在高椭圆轨道上的分类NRO任务中飞行的仪器,以修补高纬度地区的盲区并监测飞越北极的潜在威胁。

SBIRS-GEO卫星利用洛克希德公司的A2100卫星平台,每颗重约4,500公斤,至少服务12年,包括一对发电太阳能电池阵列和一个用于敏感传感器的大型遮阳板。每颗GEO卫星都配备了一对仪器——一个扫描传感器和一个凝视传感器,它们都对覆盖短波和中波波长的三个红外波段敏感,以及一个从地面向上发现红外特征的透视通道。

扫描传感器逐步扫描卫星可见的整个地球圆盘,以快速的重访率识别洲际弹道导弹发射,而凝视传感器要么在单个感兴趣的位置启动,要么在多个区域之间行走,以发现短程导弹的微弱和短时间特征。

鉴于它们的灵敏度,SBIRS卫星还可以发现其他红外事件,如野火和火山爆发,并且当它们在地球大气层中燃烧时,它们被要求精确定位重新进入空间碎片。对地透视红外传感也有利于导弹探测以外的其他情报收集实体,因为检查人造红外发射可以深入了解光学侦察和雷达卫星不可见的外国领土上的活动。

作为美国在太空中最关键的国防计划之一,SBIRS于2014年延长,洛克希德马丁公司订购了另外两颗卫星,将于2020年代发射,以确保SBIRS质量的服务能够持续到下一个十年末。

AV-076的有效载荷是第四颗专用的SBIRS卫星,加入2011年,2013年和2017年发射的SBIRS-GEO卫星,以及部署在2006年,08年,14年和去年4月发射的国家侦察办公室卫星上的四个HEO传感器。SBIRS GEO-2017实际上是SBIRS生产的第三辆在4年3月发射航天器之前完成组装和测试的车辆,但在SV-4直接从完成制造到发射场时被储存起来,消除了SV-4和SV-5交换位置的成本。

与采用基本Atlas V 401配置的前身不同,SBIRS GEO-4在Atlas V 411上发射,该Atlas V 411装有单个固体火箭助推器,以提高火箭的性能并为半人马座上级的目标离轨燃烧提供燃料余量。这是美国空军计划的一部分,旨在展示在太空碎片领域的责任,尽可能从轨道上移除上级 - 即使这是以切换到更强大的运载火箭版本的额外费用为代价的。

SBIRS卫星概述

天基红外系统(简称SBIRS)是美国的一种空间监视系统,旨在提供导弹预警、导弹防御和战斗空间表征领域的关键能力。SBIRS由美国空军运营,包括地球静止轨道上的卫星,高椭圆轨道上的托管有效载荷以及地面数据处理和控制中心网络,能够识别导弹的轨迹,以提供实时信息以规划适当的防御策略。

SBIRS取代了国防支持计划,该计划在运行近四十年后于2007年最后一次启动,始于冷战时期,当时潜在的导弹威胁达到顶峰。与传统程序相比,SBIRS的红外传感器提供了更大的探测能力,灵活性和灵敏度 - 能够识别导弹类型并提高战术和战略作战人员的预测准确性。

导弹探测能力可以追溯到1950年代,当时建立了大型地面雷达系统来探测来袭导弹。然而,这些系统只有相对较短的射程,提供的预警准备时间非常有限。第一颗导弹探测卫星于1960年代发射,并在70年代初将全面运行的卫星星座部署到地球静止轨道之前从低地球轨道运行。

国防部长,战斗指挥官,情报界和其他关键决策者提供及时,可靠和准确的导弹预警和红外监视信息。“该系统增强了全球导弹发射探测能力,支持了国家的弹道导弹防御系统,扩大了该国的技术情报收集能力,并增强了战场上作战人员的态势感知能力。

SBIRS现在被认为是美国最优先的太空计划之一,由国防部长于1996年正式启动,开始开发由至少四颗地球静止卫星(GEO)和两个托管有效载荷组成的空间部分在高椭圆轨道(HEO)以及一个新的综合地面处理站。

洛克希德马丁公司被选为SBIRS-High组件的主承包商,诺斯罗普·格鲁曼公司被选为红外传感仪器的分包商,霍尼韦尔公司为卫星提供机载处理系统。最初的合同涵盖十年的工作,价值1亿美元。

SBIRS传感器为远程战略和短程战区弹道导弹提供探测和跟踪,还能够探测重返大气层的卫星和空间碎片,以协助空间态势感知。

SBIRS-GEO卫星采用洛克希德公司广受欢迎的A2100卫星总线,该总线已用于许多政府和商业应用,在地球静止轨道和中地球轨道上运行。A2100已用于40多个任务,并提供不同的版本,以满足特定任务在尺寸和功率可用性方面的需求,卫星质量在2,000至6,740公斤之间。

SBIRS卫星的发射质量尚未披露,但根据Atlas V运载火箭的能力,质量可以限制在4,200至4,900公斤。

在结构上,A2100卫星由一个中央圆柱体组成,结构面板从该圆柱体扇出并支撑所有卫星组件。中心管固定推进剂罐并用作主要承重结构。A2100的现代化版本使用复合材料以及3D打印等先进制造技术。在设计上,A2100 的组件比其他卫星平台少,从而降低了总体成本和复杂性。

安装在中央核心结构上的复合面板固定着卫星的各个子系统,总计70个盒子,用于A2100电气,指挥和数据以及通信系统。在航天器的后部,推进系统得到便利,而地球指向的一侧则承载有效载荷,包括地球指向的仪器和通信系统。一对双面板砷化镓太阳能电池阵列通过3安培小时的电池为卫星提供约100kW的电力,负责电力存储。

A2100级卫星的推进系统通常储存略低于2.5公吨的推进剂 - 氮和肼与氦气的混合氧化物用作罐加压气体。SBIRS-GEO卫星由Moog ISP提供的LEROS-1c主机提供动力。它以458牛顿的推力运行,并提供324秒的比冲,尽管推力取决于推进剂入口条件(压力,混合比),并且可以在386和470 N之间变化。压力进料的LEROS-1c可承受13至20巴的入口压力和0.78至0.85的混合比。发动机总成直径29厘米,长53厘米,质量4.3公斤。

推进阶段和站位机动期间的姿态控制由较小的姿态控制推进器完成,反作用轮在标称卫星运行期间用作主要姿态执行器。姿态确定使用星跟踪器、地球/太阳传感器和惯性测量系统来提供优于 0.05 度的指向精度。

SBIRS-GEO有效载荷由两个高度复杂的仪器组成 - 扫描传感器和凝视传感器,两者都在红外波长范围内敏感。扫描传感器为洲际弹道导弹发射探测提供连续观察和监视,而凝视传感器具有更高的灵敏度和更快的重访率,以检测短程战区弹道导弹的低特征。

作为红外传感仪器,大型野火和火山爆发等自然灾害。双传感器可以单独执行任务,允许卫星快速、重复地提供红外活动的全局扫描,同时保持凝视传感器在几个特定感兴趣区域之间的一个或几个步骤上启动。

大型可展开的光罩可保护敏感的传感器免受阳光直射。据报道,这两种仪器都采用短施密特望远镜,提供宽视场和低光学像差,包括球面主镜,非球面校正透镜和放置在望远镜焦点处的探测器元件。SBIRS涵盖三个红外波段 - 短波通道,中波通道和透视地面通道。

然而,助推器的加入不仅为半人马座脱离轨道提供了燃料储备,而且还提高了山上的性能,允许半人马座上的额外推进剂从停车轨道插入重新分配到远地点助推机动,以增加飞机进入低倾角轨道并将SBIRS GEO-4降落到更接近其运行轨道的地方。

第125次联合发射联盟任务的倒计时于周五17:58 UTC开始,当时阿特拉斯航天运营中心的控制器开始激活阿特拉斯五号火箭进行数小时的测试活动。工程师在当天的发射窗口打开前三个小时离开发射场,Atlas V在T-2小时内置保持后倒计时恢复时进入低温罐。

在一个半小时的过程中,Atlas V在第一阶段接收了185,500升液氧,而第二阶段装载了15,700升-183°C氧化剂和48,100升-253°C液氢。共同核心助推器在周三推出后以94,600升火箭推进剂1的形式获得了燃料剂量。

所有Atlas V和航天器发射控制器都叫出了GO进行发射,倒计时在T-4分钟标记处切换到自动模式,以使火箭通过一系列精心编排的步骤,为点火和升空做好准备在当晚40分钟的发射窗口顶部。

两室RD-180主机在时钟达到零点前三秒钟咆哮着,在计算机的密切监督下,油门达到392公吨的升空推力。Atlas V在0:48:00 UTC点燃固体火箭助推器后从发射台上升起,总推力为564.5公吨,垂直爬升仅七秒钟,然后开始滚动和俯仰机动,与96度发射方位角对齐,将车辆带到东南方向。

两室RD-180切换到主动推进剂使用,并且在整个飞行的早期阶段,其任务是补偿助推器的离轴推力。Atlas V在发射后仅58秒就通过了音速,随后13秒后,火箭在密集的大气层中提供了最大动态压力。

唯一的Aerojet Rocketdyne助推器的推力在飞行94秒后耗尽了41,000公斤的固体推进剂供应。直到T+2分20秒才发生分离,以确保17米长的SRB在有利的空气动力学条件下离开车辆 - 这是Atlas V上AJ60助推器倾斜的鼻锥形状的结果。

仅由RD-180提供动力的Atlas V切换到主动制导来处理导航数据,以便修改其飞行剖面以满足精确的截止目标。RD-1每秒燃烧150,180公斤推进剂,在飞越稀薄的大气层上层时提供了422公吨的推力,进入逐渐降低油门以限制飞行器在燃烧结束时的加速度。

BECO,助推器发动机切断,标记为T+4分3秒,用了32.5米长的第一级在243秒后分离,通过发射逆向火箭拉开。

上演十秒后,半人马点燃了其10,400公斤力的RL-10C发动机,将堆栈提升到停车轨道。又过了十秒钟,Atlas V裂开并抛弃了其有效载荷整流罩的两半 - 已经越过了空气动力不再对SBIRS卫星构成危险的空间边界。

利用SRB早些时候在飞行中所做的工作,半人马座只需要发射30分94秒即可到达所需的停车轨道 - 比以前的SBIRS交付短约14秒 - 为第二次燃烧和脱轨机动节省了宝贵的燃料。半人马座在T+176分钟附近完成了第一次燃烧,在497分半钟的海岸阶段以26.2度的倾角的轨道,继续其东南路径,以便第二次燃烧可能发生在赤道周围。

RL-10C发动机的重新启动在飞行24分15秒后被叫出,第二次燃烧似乎达到了其计划的持续时间,其任务是提高轨道的最高点以匹配地球静止高度,并将半人马座发射到平面外,将堆栈推入不太倾斜的轨道。

半人马座的导航系统显示插入轨道为185 x 35,837公里,16.88°,与任务的目标轨道185 x 35,851公里,倾斜16.88°相比非常有利。与以前的SBIRS任务相比,轨道倾角进一步减小了6.4°,这将在过渡到地球静止轨道时节省卫星的燃料,这将可用于在延长的任务持续时间内支持GEO的站位。

半人马座的导航系统显示插入轨道为185 x 35,837公里,16.88°,与任务的目标轨道185 x 35,851公里,倾斜16.88°相比非常有利。与以前的SBIRS任务相比,轨道倾角进一步减小了6.4°,这将在过渡到地球静止轨道时节省卫星的燃料,这将可用于在延长的任务持续时间内支持GEO的站位。

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