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[其他主题] 卫星隐身技术讨论贴

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supsauce 发表于 2018-1-13 20:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  通常对轨道物体进行发现和跟踪的传感器可以分为地基的光电传感器,无源射频传感器和雷达,以及专门的天基传感器。它们共同构成了太空态势感知(SSA)系统。

  雷达传感器通常被用作低轨监视手段,因对高轨道进行雷达探测需要巨大的功率。用于目标发现和编目的雷达通常工作在较低的频段,如旧版太空篱笆采用VHF波段,而更高波段(如X波段)的雷达通常被用于特征识别。

  光电传感器通常由一系列较小口径(0.5~1m)的空间望远镜组成监测网,而少数大口径望远镜则被用来进行高精度的成像和特征识别。光电手段是对高轨特别是同步轨道进行监视的主要手段,在这一轨道上运行的卫星的典型视星等约为11~13。因需要区分恒星与卫星,望远镜通常会跟踪星空的旋转进行连续曝光,此时恒星在生成的图像上显示为点,而卫星则因其运动形成细条带。当对同步轨道进行监测时,也会关闭跟踪器,此时恒星形成星轨而卫星则成为一个点。星表和已知轨道物体的目录被用来进行新卫星的发现。

  无源射频传感器一般是更广泛的信号情报体系的一部分,通常通过收集卫星下行信道的通信对其进行监控和定位。对主动辐射的卫星如雷达星,还进行ELINT工作。

  对于所有轨道的隐身卫星来说,光学和射频隐身都是必不可少的,对低轨卫星来说,需要额外考虑雷达隐身。

  光学隐身分为两部分,即可见光和红外。对可见光来说,简单的采用镜面反射,或者通过表面处理降低反射率都是有效的手段。对红外辐射来说,由于地面观测需要通过大气红外窗口,可以采用在窗口波段发射率低而在不透明波段发射率高的材料进行表面处理,同时可能需要进行有效的热管理以冷却卫星朝向地球的表面。近年来超材料的发展显示出在可见光(如Vantablack,这种定向碳纳米管阵列具有极低的可见光反射率,能够达到-30~-40dB)和红外(如一种被用于radiative cooling的薄膜,这种材料通过设计能够选择性的增强和减弱特定波段的发射率)隐身上的巨大潜力。

  射频隐身需要低截获概率(LPI)通信技术,以及与之匹配的辐射管理能力。典型的LPI技术,如超低旁瓣技术可以控制电磁波发射的方向,使之集中于想要的方向,从而降低被敌方地面信号情报资产所探测的可能性;扩频波形则可以在频域分散功率以降低被发现的可能。然而这些技术也对卫星的工作模式和管理方法提出了挑战。卫星可能需要在轨道的大部分保持电磁静默并保存所有数据,而只在少数区域进行高速通信;或者借助中继卫星,而这又带来额外的泄露可能。那些不会产生大量数据的卫星,如轨道监视卫星和反卫星卫星在这方面有先天的优势;而需要主动辐射的卫星,如SAR和导航卫星则有巨大的劣势。如何选择通信的时机和方向需要对敌方SIGINT工作规律和能力的深入了解,特别是考虑敌方接收系统的灵敏度,以及除地面站外可能的其他信号情报资产如船只和卫星。

  对于雷达隐身来说,天线通常是一个最主要的信号源,这对那些依赖天线工作的卫星特别是SIGINT卫星提出了严重的考验。一种可能的解决方法是使用折叠的天线或天线罩,利用太空监视雷达的低重访率,仅在被雷达照射的时刻维持隐身外形。然而鉴于SIGINT天线的巨大尺寸和每次重访都需要进行折叠,这无疑对结构设计提出了非常苛刻的要求。由于监视雷达的低频段,雷达隐身可能需要卫星有相当大的体积,充气结构是一个可能的解决方案。雷达隐身的卫星需要解决测控的困难。

  除此之外,两颗疑似的“Misty”卫星(USA-53,USA-144)都似乎采用了释放诱饵的方法进行误导,然而这种可能性在公共舆论中被提出实际上已经是一种失败。
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-13 20:34 | 显示全部楼层
  当我们讨论天基态势感知的时候,一个最有趣的对象可能是“同步轨道太空感知项目”(GSSAP)。不仅仅是因为它显示了天基传感器发展的趋势,而且也是因为它自身的性质。这个星座由四颗运行在同步轨道上的可机动卫星构成,曾经是“高度保密”的项目,而目前的公开则是为了“威慑潜在对手”的共轨反卫星行动。航天司令部的Hyten将军提到:“我们公布该能力的原因.....我们正在严密观测GEO轨道,在那个轨道上你再也做不了那些让我们措手不及的事情了。”
  由于这个星座是新发射的,由此引发的一个很自然的有趣问题是它那高保密的前身是什么。由于此前不存在已知的执行这种任务的同步轨道卫星,那么如果这样一个项目存在,它必然具备某种隐身能力。Ted Molczan的研究给我们指出了一个可能的候选者(http://bbs.9ifly.cn/thread-5285-1-1.html)。理论上任何能够接近和监视其他卫星的卫星都是潜在的共轨反卫星工具,而物理接触敌方卫星可能是极具价值的情报来源,也可以用于部署“寄生星”一类的反卫星武器。我们有理由相信GSSAP的前身可能执行过这类任务,这种可能性也许可以解释美国在2014~2015年左右对SSA能力缺乏所产生的“相当的恐慌”(在此之前中国和俄罗斯演示了用机动卫星进行精确接触的能力),而正是这次恐慌导致了对SSA能力的重新评估,以及GSSAP的解密和部署。
  和运行在低轨的Misty卫星(这一项目已经广为人知)相比,同步轨道的确是一个值得多得多的注意的地方。同步轨道的大部分目标都具有极高的价值,重新部署也十分困难,如果敌人能够隐蔽部署反卫星武器可能会造成极大的危险。同时由于距离遥远,地基雷达无法搜索同步轨道,光电设备的敏感度也会下降,这里确实是隐身卫星最合适的战场,不难理解天基SSA优先部署在这里的原因。
  天基SSA卫星的确提供了地基传感器所不能比拟的种种优势:通过从不同角度观察增大了雷达隐身外形的设计难度;无需考虑大气窗口;可以避开被冷却的表面观测红外辐射;以及最重要的,填补了高轨道感知能力的缺陷。同时,通过近距离检查己方卫星,也杜绝了潜在的情报泄露和寄生星突袭。在这种任务的要求下,能够避开敌人探测进行隐蔽机动确实十分有价值,而这类卫星的低数据率和相对较小的任务载荷也为应用隐身技术提供了最好的平台。这种矛与盾的统一确实是一种十分有趣的现象。



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mingleigh 发表于 2018-1-13 21:00 | 显示全部楼层
红外隐身很难,宇宙背景温度非常低,也搞不了色斑背景融合。
地球轨道,有太阳时,有约一千五百瓦/平米的太阳辐射,加热明显(相对于宇宙背景)。
地球阴影里,也有五百瓦/平米左右的地球红外辐射,加热作用也明显。
卫星只有辐射散热一种方式降低温度,都向外辐射了,那么红外信号低不了。

只有一种方式,弄一堆碎片,将卫星隐藏在其中,地面和导弹无法将卫星从碎片云中分辨出来。
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-13 21:17 | 显示全部楼层
mingleigh 发表于 2018-1-13 21:00
红外隐身很难,宇宙背景温度非常低,也搞不了色斑背景融合。
地球轨道,有太阳时,有约一千五百瓦/平米的 ...

欢迎来讨论~

通过表面微结构调控热辐射频率似乎已经是一种比较成熟的技术,至少能搜索到大量文章

而卫星搭载制冷设备是非常普遍的,完全可以想象通过冷却面向地球的表面降低红外信号
机制 发表于 2018-1-14 02:08 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 20:34
  当我们讨论天基态势感知的时候,一个最有趣的对象可能是“同步轨道太空感知项目”(GSSAP)。不仅仅是 ...

谢谢科普。
隐形卫星对隐蔽自身特征,到底能达到什么水平?有较可靠的数据没?
是否真的就完全发现不了?
QGP! 发表于 2018-1-14 09:12 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 21:17
欢迎来讨论~

通过表面微结构调控热辐射频率似乎已经是一种比较成熟的技术,至少能搜索到大量文章

不是仅仅降低温度,是要与背景一致,不能与背景形成明显温差,这个明显取决于探测器的分辨率
QGP! 发表于 2018-1-14 09:13 | 显示全部楼层
LPI也不是完全不可解,美国人自己就研究过针对的办法
liyue1997b 发表于 2018-1-14 10:32 | 显示全部楼层
QGP! 发表于 2018-1-14 09:12
不是仅仅降低温度,是要与背景一致,不能与背景形成明显温差,这个明显取决于探测器的分辨率

阅读不够仔细"对红外辐射来说,由于地面观测需要通过大气红外窗口"

更直白的说,不是 要和 宇宙背景比,而是和大气背景比

除非你天基监控,地面监控是非常难的
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-14 10:37 | 显示全部楼层
liyue1997b 发表于 2018-1-14 10:32
阅读不够仔细"对红外辐射来说,由于地面观测需要通过大气红外窗口"

更直白的说,不是 要和 宇宙背景比, ...

确切的说,是试图把辐射能量集中在大气不透明的波段,避开窗口

还是和宇宙背景比的
hyperion 发表于 2018-1-14 10:45 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 10:37
确切的说,是试图把辐射能量集中在大气不透明的波段,避开窗口

还是和宇宙背景比的

你在地面怎么可能看得到宇宙背景呢?大气层可不是透明的呀!即使在所谓的窗口波段,大气层的吸收和再辐射也是不可忽略的。
根据这篇文章《天空背景红外辐射特性测量研究》http://www.docin.com/p-497436585.html
天空在8~12um下的红外辐射大约有二三十W/srm2,相当于150K了。
QGP! 发表于 2018-1-14 10:54 | 显示全部楼层
liyue1997b 发表于 2018-1-14 10:32
阅读不够仔细"对红外辐射来说,由于地面观测需要通过大气红外窗口"

更直白的说,不是 要和 宇宙背景比, ...

天基监视系统本来就是各大国发展的重点,而且都已经有实物出来了。另外,重点不是背景温度(T),而是控制和背景温度的温差(delta T)。只要你能把温差控制在探测器的分辨率之内,就可以降低被发现的概率.只要你的飞行器和背景有温差,就可以辐射能量导致温度改变这个背景可以换成你提到的“大气红外窗口”
hyperion 发表于 2018-1-14 10:55 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-13 21:17
欢迎来讨论~

通过表面微结构调控热辐射频率似乎已经是一种比较成熟的技术,至少能搜索到大量文章

话说调控表面热发射对温控的效果很好,但对于红外隐身似乎没那么理想,尤其是对手的红外望远镜很大的时候。
因为卫星,会面临太阳和地表热辐射,靠发射率调控,没法同时削减反射和辐射。尤其是对于8~12um波段,地球热辐射与卫星自身辐射都在这个波段,两者没比没法兼容呀。
感觉也就高轨卫星有望实现红外隐身吧?当然具体最好从数量级上估算一下。
hyperion 发表于 2018-1-14 10:59 | 显示全部楼层
感觉可见光隐身靠的不应该是极低反射率的表面,因为低反射率就意味着要把太阳光射来的能量全部吸收,这样在红外辐射上就不好办了。对于可见光隐身用一面高镜面反射率的镜子把太阳光反射到地球之外的方向似乎是更好的选择吧?让卫星躲在遮阳镜后面不被照亮。
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-14 11:12 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2018-1-14 10:59
感觉可见光隐身靠的不应该是极低反射率的表面,因为低反射率就意味着要把太阳光射来的能量全部吸收,这样在 ...

有道理,我可能想岔了。但是可见光辐射占总辐射能量的多少?感觉主要还是红外辐射吧?

如果可见光能量多的话,地球和太阳热辐射其实和可见光反射可以归为一个问题,就是要靠镜面反射;不然的话可见光吸收应该可以接受
确实需要估算,一般大镜子不用来巡天,1m镜我们算极限星等17,同步轨道典型星等算11~13,那大概需要在-20dB多
亮度除了热辐射还有反射,如果我们认为反射已经解决的话,-25dB应该再怎么也够了

这样的话表面性质应该是中红外做成镜面,不透明波段做成黑体?
hyperion 发表于 2018-1-14 11:43 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 11:12
有道理,我可能想岔了。但是可见光辐射占总辐射能量的多少?感觉主要还是红外辐射吧?

如果可见光能量 ...

对于太阳光来说,貌似可见光占43%,红外线占48%的样子。
红外隐身与可见光隐身是完全不一样的呀!因为卫星没有可见光频段的热辐射,因此用镜面将太阳光反射到其他方向就可以了。
而对于红外隐身则不同,通过隔热结构不让遮地板传导到过多卫星自身漏热是不难的,如果卫星轨道较高,那么从地球方向发射来的红外热辐射角度就比较集中,此时用另一块红外镜面遮地板把地球热辐射反射到其他方向似乎也是可以的。但如果卫星轨道较低,这招就不能用了,因为此时整个下面都有严重的地球热辐射,没法靠镜面反射处理。而采用低反射率表面,又会因为被地球热辐射加热而产生较强的自身热辐射。
总而言之,想要实现卫星隐身,提高轨道高度似乎是必须的。
hyperion 发表于 2018-1-14 11:48 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 11:12
有道理,我可能想岔了。但是可见光辐射占总辐射能量的多少?感觉主要还是红外辐射吧?

如果可见光能量 ...

通过选择发射率表面实现红外隐身似乎也不可能。因为地球的8~12um长波辐射也很强呀,卫星想要在这个波段下隐身就必须同时避免此波段下的反射和辐射,那么唯一的方法就是将8~12um下发射率降到最低,同时采用制冷等方法将遮地屏的表面温度降低到远远低于250K,以避开8~12um下的热辐射。但这对于低轨道卫星,很显然不可能吧?
hyperion 发表于 2018-1-14 11:51 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 11:12
有道理,我可能想岔了。但是可见光辐射占总辐射能量的多少?感觉主要还是红外辐射吧?

如果可见光能量 ...

话说17星等大约等于多大的全向等效辐射功率面密度?
太阳的-26.8大约等于1367W/m2的辐射功率面密度,那么按照每5个星等降低20dB算,17星等大约是4fW/m2?对于40000km外的卫星,17星等意味着允许全向等效辐射功率约为80W,看起来还是不难实现的。但低轨道卫星,怎么看都不可能了。
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-14 12:03 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2018-1-14 11:51
话说17星等大约等于多大的全向等效辐射功率面密度?
太阳的-26.8大约等于1367W/m2的辐射功率面密度,那 ...

我的意思就是中红外一定要靠反射镜,既然可见光能量这么多那也要靠反射镜了
按《卫星系统热特性分析》http://www.docin.com/p-1064956155.html,大概日照区辐射通量最高150W/m2,温度最高350K,要降温至少100K?

在低轨道镜面反射可以设计成多面体吧



hyperion 发表于 2018-1-14 12:11 | 显示全部楼层
supsauce 发表于 2018-1-14 12:03
太阳发射谱和黑体谱不一样吧,简单一点按照《卫星系统热特性分析》http://www.docin.com/p-1064956155.ht ...

数量级上差不太多吧?俺前面算的主要是反射,因为俺的想法是用一个后面隔热的屏把卫星挡在地球和太阳后面,用这块镜面屏把太阳和地球带来的辐射反射到其他方向,从而实现隐身。至于卫星自身的热辐射,靠屏后面的散热器就能处理嘛。反正屏把散热器挡住了,地球人看不见。
如果光考虑将地球热辐射反射到别处的话,低轨卫星可以靠一个指向地心的隔热尖锥镜面屏(圆锥或者多面锥均可)来反射地球热辐射。只要这个尖锥的锥角与卫星对地视角加起来小于180°,就能避免把地球热辐射再反射回地球。不过再加上太阳辐射,这招似乎就不太好办了。
 楼主| supsauce 发表于 2018-1-14 12:18 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2018-1-14 12:11
数量级上差不太多吧?俺前面算的主要是反射,因为俺的想法是用一个后面隔热的屏把卫星挡在地球和太阳后面 ...

对,我就是这个意思,对地面靠锥面镜,对太阳靠平面镜,或者整个星做成一整个多面体
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