美国军方将太空安全赌注押在低轨星座

作者:Vivienne Machi是德国斯图加特的一名获奖记者。她的文章发表在外交政策、国防新闻、国防日报、卫星和国防杂志等媒体上。推特:VivienneMachi

在接下来的两年里,美国国防部将在低地球轨道上发射数百颗小型卫星中的第一颗,这些卫星将可以直接连接到SpaceX、Telesat和其他商业供应商正在建造的巨型星座,并从中受益。它的成功水平将从根本上改变军事卫星工业。

美国国防部各机构正与军事承包商、商业卫星运营商和技术公司展开合作,以最终证明在近地轨道(LEO)上部署大量卫星星座的可行性。

利用分布在该轨道上的数百颗小型卫星执行通信、导弹预警和其他军事任务的概念已经讨论了多年。但由于巨大的发射成本预测,以及在低地球轨道上运行和维护能力所需的尺寸、重量和功率限制,它常常被视为白日梦。

但由于最近商业领域技术的快速发展,这个白日梦现在正在成为现实,许多以前的怀疑论者也都来凑热闹了。

10至15年前,德里克·图尔内尔(Derek Tournar)担任国防高级研究计划局(DARPA)的项目经理时,他不相信在一个星座中一起运行的小型卫星能够强大到足以执行这些关键任务。

现在,作为国防部美国太空发展署(SDA)主管,距离为美军发射数量将会激增的LEO卫星的首颗还有一年多一点的时间,最终将包括数百个传感器层。“我完全改变了我的观点。”他说。

巨型星座的崛起正在商业和国防两方面席卷航天工业。在轨工作的卫星中,约三分之一是自2019年以来由SpaceX发射的Starlink卫星。分析人士预计,在未来十年,将有多达50000颗卫星环绕地球运行。在不久的将来,几千颗卫星将被建造并分布在低轨轨道上。大部分将由商业运作,但至少有几百颗将属于美军。

太空发展署成立于2019年,在军方获取卫星能力上实行破坏性创新,仿效智能手机行业的升级方法,每两年将一套新的最低可行能力送入轨道。未来几年的重点是设计、建立和启动国防部下一代国防航天体系结构(NDSA)。

这一由数百颗在低轨运行的卫星组成的新生态系统将与国防部传统上部署少量大型、强大但精致的系统的方式大不相同,以前这些系统的产品周期长达十年,主要在地球静止轨道(GEO)以及其他轨道上运行。

新的卫星将搭载由七个能力层组成的传感器,以无缝执行数据通信、跟踪高超音速和巡航导弹,并提供增强的作战管理、导航、地面支持和太空威慑。洛克希德·马丁公司和约克航天系统公司分别为初始数据通信传输层建造10颗卫星,而哈里斯技术公司和SpaceX公司将分别为高级导弹跟踪层开发4颗卫星。这些卫星的平均成本约为1410万美元。

最初的28颗卫星计划于2022年9月和2023年3月发射。但首先,SDA及其合作伙伴将于2021年6月发射4颗技术示范卫星,试图证明光交叉连接将如何允许数据传输层卫星,以及与商业网络中的卫星通信间的相互通信。

SDA将对每一批新卫星的建造和发射进行重新评估,目标是每两年不断地投入新的能力。Tournear说,今年夏天晚些时候,SDA将发布下一批150颗卫星的招标书,以补充运输和跟踪层,合同授予时间预计为2022年1月,发射时间定为2024年。

国防高级研究计划局在2018年开始开发的黑杰克计划中所做的风险降低工作将极大地影响这种新型军事空间结构的可行性,Blackjack项目经理Stephen Forbes说,研究与发展机构计划在2022年前发射多达22颗卫星,以说明国防部能否利用SpaceX、Telesat和OneWeb等公司推出的新兴商业低轨星座进行军事用途。

从这些发射和测试中吸取的经验教训将应用到SDA正在开发的更广泛的国防空间架构中。黑杰克计划更多的是证明体系结构的生存能力,而不是把实际的硬件放到轨道上。福布斯说:当我们展示LEO卫星合作能够为国防部用户提供任务服务时,我认为黑杰克计划就是成功的。

黑杰克的行业团队是传统军事主承包商、商业卫星运营商的大熔炉,他们中的大多数都是参与了自己的巨型星座发展的科技公司。Telesat、空客和Blue Canyon Technologies正在开发卫星平台,而SA Photonics、Mynaric和雷神公司正在提供有效载荷。洛克希德·马丁公司签约为系统集成商。

黑杰克也是国防部各实体的一项团队活动。位于洛杉矶的空间和导弹系统中心(SMC)通过其商业增强空间互联网络运营(CASINO)项目办公室成为合作伙伴,提供方案和技术援助。Mandrake-2,6月的卫星演示之一,由DARPA和SDA合作进行。

这些项目已经比传统的卫星项目进展得快得多。Tournar指出,SDA在2020年2月收到了Mandrake-2的第一批资金,卫星提供商Astro Digital在12月交付了该系统,发射日期定在2021年6月。

在进展过程中有一些减速,即COVID-19对次级组件供应链的影响,以及对SDA首次招标的抗议。Forbes和Tournear都称赞他们的行业团队通过重新采购零部件或寻找解决办法,将供应链问题的影响降到最低,并表示项目仍按计划进行。

空中客车公司和雷神公司去年底都提出了抗议,当时SpaceX和哈里斯公司在2020年10月赢得了跟踪层合同。据该机构称,合同在规定的停工期后于2021年1月恢复。对于几乎所有的政府太空计划来说,60天不是什么大事,Tournear说。但当你倒计时的时候,一周又一周,距离发射的周数,60天是个大问题。

这些项目办公室面临着证明其价值的压力。军队航天领导人说,卫星不能再维持又大又有趣的目标,那是来自俄罗斯或中国的潜在反卫星武器攻击目标,并且随着机动高超音速滑翔飞行器和巡航导弹的崛起,意味着国防部需要改进跟踪系统。

一个快速发展的LEO星座仅仅通过增加潜在目标的数量就变得更有弹性。对于任何想击落美国太空船的人来说,子弹现在比卫星还贵, 哈里斯技术公司空间和情报系统总裁比尔·盖特尔说。

他指出,新的架构还提高了作战人员接收地面数据的速度。如果我我在一个受限制的国家上空飞行,我无法在15分钟内把卫星上的数据传输出来,这太慢了,不是实时的,他说。

在国防界,快速增加的LEO概念并不总是受欢迎的。虽然五角大楼的一些人看到了它的价值,但多年来,许多人认为,建立这样一个网络所需的成本和资源是无法克服的挑战。当SDA成立时,当时的空军部长Heather Wilson直言不讳地宣称用LEO卫星“一刀切” 式的架构将导致美国的失败,是最糟糕的一天。

但在过去的两到四年里,由商业航天公司主导的一次根本性的技术变革,正在证明激增的LEO案例。这包括计算机行业的摩尔定律、卫星部件的商品化以及关键技术的进步,如光学交叉连接、星上处理器和人工智能(AI)。大量公司现在正在建设大规模生产设施,装配线每月可以完成数百颗卫星。

但是这不仅仅是关于卫星,或者卫星上的传感器。随着发射成本最近有所下降,将数百个航天器送入轨道的商业案例对政府来说更可接受。在共享平台上跳跃可以让军方根据需要建造卫星,并在轨道上补充卫星,以保持网络抵御潜在攻击的弹性。

所有这些因素加在一起,现在已经成为一个技术现实,你可以负担得起,并快速地建造和运行大量的低轨卫星,总部设在华盛顿特区的战略与国际研究中心航空安全项目主任托德·哈里森说。

政府官员、分析师和商业领袖都将光交联技术作为这种新架构的关键。激光链路不仅提供了使网状网络成为可能的吞吐量能力,而且它们通过卫星路由信号的方式,在必要时避免在有争议的领土上建立地面站,降低了干扰和探测的风险。

这使得光学交联技术成为防卫相关的数量巨大的LEO卫星所必须的技术。 Mynaric的首席执行官Bulent Altan说,这家公司正在向DARPA的黑杰克计划提供其CONDOR光学交叉连接终端。如果你看看来自DARPA,SDA和其他许多机构的[提案请求],你就会意识到它的重要性。

Mynaric和其他交叉连接提供商与SDA合作开发了一个互操作性标准,确保最终国防空间架构中卫星上的激光交叉连接可以与未来商业星座中的卫星进行通信,如亚马逊的柯伊伯计划,Telesat的光速项目。该标准于今年早些时候以草案形式获得批准,4月份,海军研究实验室(NRL)和Mynaric在SDA/NRL托管的试验台上首次成功地通过光纤连接了符合标准的调制解调器。

从Starlink或Telesat卫星向国防部数据传输系统无缝传输数据的能力是美军的核心LEO商业案例。这使得一个混合网络成为可能,在这个网络中,商业卫星提供了非常强大的高速网络,政府可以根据需要接入。

在2019年末美国航天部队的崛起中,航天领导人推动更好地利用商业技术和能力,供国防部使用。SMC的黑杰克项目经理TimothyTrimailo中校说,快速增长的LEO星座是这场讨论的主要焦点。归根结底,这些政府和商业运输层,无论是SDA的传输层,或是这些巨型星座为所需的恢复能力提供更多的机会。它给了我们不同的网络连接机会。

虽然第一颗黑杰克和国防航天架构卫星仍在地面,但对近地轨道的高度关注已经动摇了国防航天工业,这也许是长期的。

各公司正押注于在这个新生态系统中取得成功的最佳方法。较新的航天公司正处于一个进入市场的最佳点, 哈里森说,如果他们专门制造小型卫星或关键技术赋能者,就可以进入市场。

一些防务精英正在扩大制造规模,或将更多的通用性和模块化纳入他们的系统,以降低成本,并以国防部期望的速度建造卫星。我们在过去的五年里,我从未在太空中见过如此数量的卫星, 哈里斯说。我们过去认为我们建造了很多东西,我们造了四个。现在,我们说的是成百上千。

其他承包商正在进行兼并和收购,或聘请专业的航天公司作为分包商,以在游戏中保持一些份额。雷神公司在今年早些时候敲定了对蓝峡谷科技公司的收购,而洛克希德马丁公司在其SDA合同中聘用了smallsat 平台制造商Tyvak。

小卫星联盟主席、约克太空系统公司执行主席查尔斯·比姆斯(Charles Beames)认为,当今的卫星产业与20世纪90年代和21世纪初的计算机繁荣有相似之处。那时台式计算机和手持设备从昂贵、笨重和专业化发展到每家每户都能使用。

虽然在过去五年里,非常有能力的小型卫星价格已经大幅下降,但我认为我们会看到他们的更大的下降幅度更大, 他说。他指出,那些习惯于与政府签订成本加成合同的防务精英们现在正在适应一种新的格局,即固定价格交易和早期能力投资。

随着军事空间的轨道格局从大型的GEO轨道向LEO轨道转变,各公司没有多少年的时间来完善他们的游戏计划。目前,美国国防部仍希望在地球同步轨道上安装卫星,尽管它已经开始向LEO发射数百颗。到夏末,国防部计划发布一项研究,将有一个这样的混合架构的愿景,在不同的轨道上有多层,Tournear说。

对于波束,多层结构只是一个过渡期。随着系统变得越来越小、越来越强大,他认为目前在地球同步轨道和中地球轨道(MEO)上运行的许多能力在未来10到15年内将主要转移到LEO上。

然而国防部紧缩的预算环境可能会抑制LEO的野心。2022财年的国防预算预计将与今年的资金持平,国会中的民主党人将用细齿梳子详细审查五角大楼提出的请求。

开发这种新架构的项目办公室在未来几十年的太空项目中仍需证明其价值。在新一届政府和紧缩的预算环境下,(国会)是否愿意为这种双轨制现代化的混合方式买单,而我们正在建设下一代的大型精密卫星,同时建造新一代大量的低轨卫星, 哈里森说。

观察人士说,到目前为止,太空发展署及其合作伙伴正在履行他们的承诺。他们展示了将以1400万美元的价格购买军用小型卫星是可能的,而且它们可以在测试环境中成功地将它们与商业系统连接起来。但真正的证据将在这些能力被送上太空,传感器被打开,整个网状网络按照它的方式运作时出现。

目前,Tournear正在关注2022年9月NDSA卫星的首次发射日程,并表示SDA将继续证明其价值。

我们还在外面。我们正在努力,我们正在达到里程碑,他说。这是一个行业有望发展的市场,政府在背后有强大的支持。这将是我们在未来重新提供空间能力所采取的方式。

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