大家读完觉得有帮助记得关注和点赞本文回顾了天基助推段导弹防御的技术问题考察了天基拦截器的现有技术以及该系统将面临导弹的特性。然后分析了一个已提出的特定天基导弹防御系统该系统旨在助推段、上升段和中段进行拦截以说明此类分析的具体细节以及太空运行物理约束对此类系统的限制。特朗普政府2025年1月的行政命令要求开发一种导弹防御系统现称“金穹”该系统包括一个天基拦截卫星系统“具备助推段拦截能力”。¹ 在来袭导弹的助推段即火箭发动机仍在燃烧且尚未释放任何诱饵进行拦截的要求是为了避免困扰中段导弹防御的诱饵问题。然而部署轨道拦截器会因轨道力学物理规律带来一系列复杂问题包括提供持续防御覆盖所需的大量拦截器以及能够足够快地机动至拦截点的拦截器的大质量。本文讨论天基拦截器的现有技术、当前导弹威胁对系统的要求以及分析此类系统所需的关键方程。² 然后应用这些信息分析一个具体的天基防御提案以说明试图构建可靠且有效的天基防御系统时出现的关键技术问题。特别是博思艾伦咨询公司提出的“智能蜂群”系统及其引发的媒体报道提出了当前技术是否使此类系统比过去更具可行性。³ 过去的天基助推段防御计划包括为战略防御计划SDI构想的“智能卵石”系统以及“有限打击全球防护”GPALS系统但这些系统从未建成。⁴尽管许多公司似乎有兴趣开发助推段拦截器但关于它们的细节很少。然而关于“智能蜂群”初始概念已有足够信息发布可以进行技术分析。本文评估了“智能蜂群”提案并提供了工具以便在该系统及其他公司正在规划的系统出现新信息时更新此分析。我们基于博思艾伦网站及其2025年3月27日新闻发布会的信息来评估“智能蜂群”的能力。⁵ 在新闻发布会和网站上博思艾伦表示“智能蜂群”系统旨在弹道导弹的助推段、上升段和早期中段飞行阶段进行拦截。在这些阶段中该公司认为“智能蜂群”为当前导弹防御能力带来的真正价值在于其助推段和上升段拦截能力。其既定目标是在“反制措施、诱饵或多弹头能够部署之前”击败弹道导弹按其定义这是在上升段结束之前。该公司强调此目标称美国现有的远程防御系统试图在中段拦截并非设计用于对抗具有“先进反制措施、诱饵和再入飞行器”的导弹而“智能蜂群”将通过提供助推段和上升段拦截能力来填补“当前导弹防御系统MDS架构中的这一关键缺口”。⁶因此我们分析像“智能蜂群”这类系统在助推段和上升段进行拦截的能力。虽然“智能蜂群”提案的许多细节尚未公开且许多细节可能会随时间变化但我们可以表明任何具有“智能蜂群”一般特征特别是其卫星的低质量的系统都无法实现其所声称的能力。博思艾伦的发言人称该系统将耗资250亿美元进行研发和部署并使用质量仅为40至80公斤的非常轻量级卫星轨道高度为300至600公里。⁷博思艾伦进一步将“智能蜂群”描述为“可定制系统利用约1000至2000颗卫星组成的星座”能够“实时通信与协调既充当威胁传感器又充当命中即毁拦截器”。⁸ 拦截卫星旨在通过撞击目标并以冲击力摧毁目标。对于助推段拦截拦截器试图在导弹助推器仍在燃烧时将其摧毁以防止其将弹头加速到足以到达目标的足够速度。弹头本身很可能保持完整但会落在原定目标之前。下面我们首先提供关于不同类型导弹防御系统以及助推段防御将面临的来袭导弹特性的背景信息。然后分析两种可能星座各含2000枚拦截器中“智能蜂群”拦截器的特征并展示在每种情况下进行助推段和上升段拦截所需的条件。导弹防御基础中段防御美国目前针对远程导弹的防御系统——基于阿拉斯加和加利福尼亚的“地基中段防御”GMD系统——旨在飞行中段拦截弹头这有两个优点该阶段持续数十分钟且由于处于极高海拔弹头仅受重力影响沿简单弹道飞行使防御系统能通过太空和地面传感器跟踪时准确确定其未来位置。另一方面如上所述中段防御面临严峻问题在此阶段弹头在外太空飞行没有空气阻力。因此轻质物体与重型弹头沿相同弹道飞行这为各种反制措施打开了大门包括用于混淆和压倒防御的诱饵。⁹ 尽管经过数十年的努力中段反制措施问题仍未解决。¹⁰ 无论中段拦截器部署在地面还是太空情况都是如此。助推段防御防御系统可以通过在导弹助推段在释放诱饵或多弹头之前进行拦截来避免中段反制措施。助推段还有一个优势即大型导弹助推器的火箭尾焰为拦截器提供了非常明亮的寻的源。这些优势导致美国数十年来对助推段系统的兴趣。助推段拦截的主要困难是可用时间非常短。因为助推段仅持续几分钟拦截器必须位于导弹轨迹早期部分的近处以便在导弹火箭发动机仍在燃烧时抵达。全球助推段防御需要将拦截器部署在太空低轨道这些轨道在导弹轨迹最初的几分钟内靠近正在助推的导弹。此外导弹明亮的大型尾焰仅给拦截器提供弹体的大致位置。当拦截器寻的导弹时它仍面临准确定位弹体以实施碰撞的难题。此外拦截器击中导弹助推器会降低导弹射程但不太可能摧毁弹头弹头仍可能在落点爆炸。¹¹将助推段拦截器部署在太空会带来多个问题。首先是低轨道拦截卫星相对于地球表面运动既因为它们沿轨道运行也因为地球在其轨道下自转。¹² 在某一特定时刻离某枚导弹轨迹足够近以进行拦截的拦截器会很快移出位置。必须有另一枚拦截器就位以移动到该轨迹附近确保覆盖无漏洞。即使只拦截从地面相对较小区域如朝鲜发射的少量导弹这也需要轨道上有非常大量的拦截器。由于即使大型星座在给定时间也只有少数拦截器处于拦截特定位置发射的位置攻击者可以通过齐射攻击——从地球同一区域几乎同时发射多枚导弹——来压倒防御。此外由于拦截器在低轨道攻击者可以使用廉价的地基拦截器在其飞越给定发射场之前摧毁部分卫星。¹³另一个问题是由于助推段仅持续几分钟拦截器必须能够快速改变其轨迹以脱离轨道并到达助推导弹。因此拦截器必须包括一个足够大的火箭助推器以大幅改变其速度这显著增加了拦截器的质量如下所述。此外由于导弹火箭发动机在助推段燃烧导弹是一个加速且可能机动的目标。这意味着导弹可以在助推段改变其轨迹因此防御系统无法准确预知导弹未来的位置。防御系统必须跟踪导弹足够长时间以估计其未来弹道上的拦截点且拦截器必须携带足够的机动推进剂以便在传感器确定实际拦截点时在飞行中修正轨迹。导弹的机动还意味着当拦截器接近导弹时它仍必须有足够的推进剂来进行适当机动以通过物理碰撞摧毁导弹。为这类机动携带推进剂也会增加拦截器质量。上升段防御博思艾伦使用“上升段”一词指助推段结束后、导弹释放弹头或多个弹头和反制措施的一小段时间。如果导弹携带多个弹头它可能有一个小型末助推级即“母舱”将弹头释放到不同弹道上。上升段防御的目标是在导弹释放反制措施和多弹头之前拦截。尝试在此阶段而非助推段进行拦截会给拦截器稍多时间抵达目标。然而时间限制仍然严峻。在这种情况下目标也可能在机动尽管不如助推段那样剧烈。对抗助推段和上升段拦截的反制措施虽然助推段和上升段拦截的主要动机是避免中段反制措施但导弹也可以使用反制措施来阻止助推段和上升段拦截。一个关键例子是使用固体推进剂导弹缩短这些阶段的持续时间其助推和上升时间很短如下所述。此外导弹的规避机动会使防御系统确定拦截位置的能力复杂化并可能耗尽拦截器的机动推进剂。此外如上所述齐射发射可在局部压倒防御并可能包括一些廉价的诱饵助推器这些助推器不携带核弹头但防御系统在需要发射拦截器时无法将其与真实目标区分。另一个问题是低轨道拦截器可能以各种方式受到攻击。携带直接上升拦截器的廉价短程导弹可在远程导弹发射前摧毁拦截器从而在防御中制造漏洞。由于此类拦截器星座高度依赖与传感器的通信及拦截器间的通信局部干扰也可能极具破坏性。卫星星座的脆弱性被视为必须解决的重要问题。¹⁴美国和苏联研究和/或开发的其他反制措施包括在助推段后期释放火箭推进的诱饵和干扰器将最后一级助推器替换为多个小型助推级每个携带一个弹头或诱饵包以及在末级燃烧时释放导弹弹头。最后一种方法完全消除了上升段。¹⁵对手的这些潜在应对措施意味着即使能建造适合这些阶段的空基拦截器也不能依赖助推段或上升段防御。在本分析中我们仅考虑拦截器在助推段或上升段到达导弹拦截点所需的条件。但必须认识到即使拦截器能到达目标反制措施也可以阻止其命中目标。目标导弹理解助推段和上升段拦截首先需要了解防御系统将面对的导弹特性这将决定拦截卫星所需的条件。博思艾伦的发言人表示远程导弹的助推段和上升段通常持续约五分钟但他们假设朝鲜导弹可能持续七到八分钟。¹⁶ 他们还表示防御系统在中段大约有15分钟进行拦截这大致对应远程导弹轨迹的一半因为10000公里洲际射程导弹的飞行时间约为35分钟。然而美国和俄罗斯的远程固体推进剂导弹约在三分钟内燃烧完毕中国的据信也如此。¹⁷ 虽然较旧的朝鲜液体推进剂导弹如火星-15燃烧时间为四到五分钟但其较新的火星-18使用固体推进剂燃烧时间似乎不到三分钟。¹⁸ 如果伊朗发展或获得远程导弹预计将使用固体推进剂。此外国防部研究表明如果助推段防御成为问题远程导弹可以设计为快速燃烧助推器燃烧时间不到一分钟。¹⁹此外上升段可能非常短尤其是对于携带单弹头和诱饵的导弹它们不需要在燃烧后释放多弹头的母舱。在这种情况下弹头轨迹通过在燃烧时控制导弹助推器的速度和方向来确定因此弹头和伴随诱饵可在助推段结束后立即释放。国防科学委员会DSB2011年的一份报告考察了十几种美国和外国导弹显示它们可在燃烧结束后10到20秒内释放物体。²⁰即使导弹携带多个弹头它们也可以作为多弹头再入飞行器MRV释放这些弹头不针对单独位置也不需要像分导式多弹头MIRV那样依次释放。MRV反而因再入条件变化而散布在瞄准点周围区域这在攻击大型目标时可能有用。携带MIRV的导弹通常使用母舱逐一释放弹头其间进行短暂机动以将其置于不同弹道。这一过程通常持续数分钟如DSB报告所示部分原因是无需缩短。但有已知方法可缩短此时间例如在每个弹头上使用小型母舱以便不按顺序进行瞄准。据报道俄罗斯新型“亚尔斯-M”导弹采用这种方法用每个弹头的独立推进装置取代末级导弹部分原因是为了使防御复杂化。²¹此外如上所述已有技术可在助推段结束时部署弹头完全消除上升段。导弹弹头可飞行的总距离随燃烧时速度增加而增加。一旦燃烧结束弹头已达到飞向目标所需的速度。如果拦截器击中携带瞄准美国弹头的MIRV母舱它们仍将有足够速度将其带到美国尽管不一定落在其特定目标附近。在他对助推段防御的评估中Ashton Carter写道“尝试拦截母舱的价值非常不明确通常在[导弹防御]讨论中不占重要地位。”²²这些考虑意味着像“智能蜂群”这样的系统必须能够防御的现实威胁是具有极短上升段的固体推进剂导弹。在我们的分析中我们假设来袭导弹的助推段持续三分钟上升段持续30秒或更短。对于沿标准弹道且燃烧时间为三分钟的导弹射程10000公里导弹的助推段将在约200公里高度结束远低于拦截器300至600公里的轨道高度。如果再用30秒部署弹头和诱饵上升段将在约300公里高度结束见图1。图1射程10000公里导弹的标准弹道。助推器在发射后3分钟燃烧结束假设上升段在3.5分钟结束。圆点表示每30秒间隔的位置。拦截卫星拦截卫星由三部分组成1杀伤飞行器用于寻的并撞击目标导弹或弹头。它携带传感器和制导系统以及自身的推进器和推进剂用于接近目标时机动以实施碰撞。2火箭助推器用于将杀伤飞行器从轨道位置加速向目标估计拦截点。助推器燃烧结束后与杀伤飞行器分离。我们将杀伤飞行器和助推器的组合称为“拦截器”。3“救生衣”用于保护拦截器免受太空环境影响并携带太阳能电池板以提供电力以及拦截器发射后不需要的其他设备有时称为“宿主卫星”或“支持卫星”。我们将拦截器和救生衣的组合称为“卫星”。当拦截器加速离开轨道向拦截点飞行时救生衣被留在后面。正常情况下拦截卫星沿可预测轨道运动。如果系统探测到导弹发射它将确定哪些拦截器会足够接近导弹预测弹道以尝试拦截。²³ 该拦截器随后点燃其助推器改变轨迹离开其原轨道位置飞向拦截点。它可以从轨道位置移动的距离取决于其携带加速推进剂的多少以及到达拦截点的时间。接下来我们估算针对固体推进剂导弹进行助推段或上升段拦截所需的拦截卫星质量并将其与“智能蜂群”提议的40至80公斤卫星质量进行比较。如我们将显示的拦截器的大部分质量来自其必须携带的推进剂量。不含推进剂和贮箱的杀伤飞行器质量博思艾伦将“智能蜂群”描述为能够在上升段、中段以及助推段进行拦截。由于在上升段和中段目标没有明亮尾焰因此除了助推段寻的所需传感器外杀伤飞行器传感器系统必须包括类似美国GMD系统中“大气层外杀伤飞行器”EKV所用的长波红外LWIR传感器。为了在远距离探测昏暗目标EKV携带一个孔径20厘米、估计质量约15公斤的传感器。²⁴ 我们假设“智能蜂群”可改用“克莱门汀”计划中的轻量级LWIR传感器版本但按比例放大至20厘米光学系统和两个LWIR波段的更大传感器阵列见附录A。如前所述杀伤飞行器还必须携带适合助推段跟踪波长的传感器以及很可能一个LIDAR系统也是“克莱门汀”传感器之一用于在传感器寻的助推器尾焰时探测助推器弹体。²⁵ 我们假设这整套传感器质量为6.6公斤见附录A。如果系统仅设计用于助推段拦截则不需要LWIR传感器传感器套件可减轻约3公斤。偏置推进器是未加注燃料杀伤飞行器中最重的组件。我们假设杀伤飞行器使用四台推进器呈十字形布局与EKV以及博思艾伦网站上“智能蜂群”拦截器示意图所示一致。²⁶过去的研究确定为了有足够推力拦截助推器推进器必须在最后10秒寻的期间产生15克加速度。²⁷ 这一要求排除了使用质量极低的推进器。我们在附录A中指出市售能提供足够推力的最轻双组元推进器四台质量约为13公斤。加上偏置和姿态控制系统DACS所需的其他组件将进一步增加质量。因此该系统质量似乎与2003年APS研究假设的DACS 14.5公斤相似但略大该研究认为当时不可能但未来可能。在我们的分析中我们也假设14.5公斤。杀伤飞行器还必须包括惯性测量单元IMU、航空电子设备包、通信设备、电池以及在助推段拦截所需的高加速机动中保持这些系统在一起的结构。在下面的计算中我们假设杀伤飞行器质量不包括杀伤飞行器推进剂和贮箱约为30公斤见附录A。²⁸此外由于“金穹”的目标是在未来几年内建造防御系统它们必须依赖现有的、经过太空验证的技术而非可能的未来系统。为此并为了降低成本博思艾伦新闻发布会上的发言人讨论使用卫星的现成组件而非高端军用组件。我们注意到试图设计质量低于30公斤的杀伤飞行器可能会降低拦截器寻的和命中目标的能力从而降低防御效能。例如使用更小的推进器会降低飞行器命中助推导弹的机动性。如前所述仅设计用于助推段拦截的系统可以稍轻因为它不需要LWIR传感器和寻的昏暗目标所需的光学系统。²⁹含推进剂和贮箱的杀伤飞行器质量物理撞击助推导弹的要求设定了杀伤飞行器在寻的过程中必须能够执行的机动量。几项技术分析确定空基杀伤飞行器需要2.5公里/秒的速度变化速度和/或方向来进行机动以便可靠地命中助推段的固体推进剂导弹——假设拦截器的助推器已将杀伤飞行器带到足够接近目标。³⁰ 设计机动能力低于此值的杀伤飞行器会降低其命中并摧毁导弹的能力。³¹根据所需速度变化杀伤飞行器推进剂和燃料箱的质量可以通过基本物理计算。著名的火箭方程表明产生2.5公里/秒速度变化所需的推进剂和燃料箱质量是杀伤飞行器其余部分质量的两倍多见附录B。假设未加注燃料的杀伤飞行器质量为30公斤则助推段拦截的杀伤飞行器总质量含推进剂和燃料箱约为95公斤。注意虽然卫星行业受益于组件的小型化但杀伤飞行器尺寸受限于其某些组件。例如LWIR传感器必须具有足够大的光学系统以收集足够的红外辐射使拦截器能在助推段结束后探测并寻的昏暗目标。减小光学系统尺寸会严重削弱拦截器能力。类似地通过限制推进器尺寸或杀伤飞行器机动推进剂量可降低杀伤飞行器质量但这样做会显著降低防御能力。拦截器助推器质量拦截卫星质量的很大一部分是火箭助推器它将拦截器从轨道位置加速向拦截点。所需推进剂量将取决于星座中拦截器的数量和布置这决定了所需速度变化量详见下文。为了提供这一速度变化我们假设拦截器助推器可提供平均15克加速度147米/秒²以将杀伤飞行器加速到所需速度。³² 我们注意到加速度过高可能导致拦截器助推器达到所需速度的燃烧时间非常短。在燃烧期间助推器可根据导弹弹道更新信息机动将杀伤飞行器指向更新后的拦截点方向。因此助推器燃烧时间短可能需要杀伤飞行器携带更多偏置燃料以补偿来袭导弹的机动。³³对于需要大速度变化的情况我们假设拦截器助推器为两级这可以降低质量。在本分析中我们假设速度变化小于3公里/秒时为单级助推器大于此值为两级助推器。选择3公里/秒对我们的结果影响很小。救生衣质量过去的研究估计由于其必须执行的所有功能救生衣质量大约是其携带的拦截器质量的50%。³⁴ 在下面的估算中我们假设较低的比例——40%。这一数值可能低估了救生衣质量因此是对防御有利的。“智能蜂群”系统博思艾伦在2025年3月27日的新闻发布会上描述了“智能蜂群”系统。³⁵ 公司代表没有提供更多细节以回答后续问题称发布会上提供的一些具体细节可能会改变。³⁶ 然而发言人提供了足够的信息来分析所描述系统的潜在能力。该活动的一位发言人是退役中将Trey Obering他在2004至2008年期间领导导弹防御局。他曾任执行副总裁现为博思艾伦高级顾问。如上所述发言人表示“智能蜂群”拦截卫星的质量为40至80公斤远小于其他专家估计的助推段拦截所需质量。这些拦截器的极小尺寸被宣传为该系统的优势——例如需要更少的太空发射器将系统送入轨道。然而上述分析表明对于旨在实现“智能蜂群”所宣传功能的系统仅加注燃料的杀伤飞行器质量就超过80公斤而拦截器助推器和救生衣将进一步显著增加质量。这意味着质量为40至80公斤的拦截器无法执行“智能蜂群”的既定目标。作为比较我们在下面估算可能具有这种能力的拦截卫星质量。过去的天基防御提案发现拦截器质量大约为1000公斤或更多。拦截器助推器中推进剂的质量将取决于轨道中拦截器的数量和布置。我们将博思艾伦新闻发布会上发言人描述的“智能蜂群”配置称为“原始博思艾伦星座”。它包括2000颗卫星分布在20个轨道平面每个轨道平面100颗卫星以五颗为一组“飞行”。每个位置有五颗拦截器原则上允许系统同时拦截从同一区域发射的多枚导弹这是对齐射攻击和卫星攻击威胁的认识。卫星将在300至600公里高度运行发言人称它们将处于太阳同步轨道这几乎是极地轨道。³⁷由于中国拥有机动导弹且伊朗正在建造美国必须能够拦截从中国和伊朗几乎所有地点发射的导弹其南部边界位于北纬20至25度。因此防御必须提供北纬约25度以上区域的全面防御覆盖。这样的防御还将提供对任何更高纬度包括俄罗斯和朝鲜发射导弹的全面覆盖。中国的大型井基导弹发射场位于北纬40度附近朝鲜导弹也是如此。³⁸我们假设卫星在300公里高度轨道以便最接近助推导弹。每个轨道中的20组五颗卫星沿轨道间隔约2100公里。在赤道轨道间隔约1050公里在高纬度间距减小在北纬25度轨道间隔约950公里。图2显示了原始博思艾伦配置的一个版本包含2000颗卫星在300公里轨道。垂直线表示轨道每个圆点代表一个轨道中一组五颗拦截卫星。圆圈代表一组拦截器能够防御的区域即拦截器可到达通过该圆圈的导弹。圆的大小我们称为拦截器的“覆盖区域”取决于拦截器的速度以及拦截器在拦截点到达导弹的时间。图2原始博思艾伦“智能蜂群”星座的一个版本包括2000颗卫星在20个轨道由垂直线表示和每个轨道中20组五颗拦截器由圆点表示。圆圈显示单个飞行拦截器在圆心中间的覆盖区域。对于300公里高度轨道拦截器组沿轨道间隔2100公里赤道轨道间距1050公里北纬25度间距950公里。一旦防御系统探测到导弹发射并跟踪足够长时间以确定其弹道它便估计拦截点并计算哪个拦截器在估计拦截时间最接近该点。该拦截器随后点燃火箭助推器从轨道位置移出飞向估计拦截点。拦截器到达拦截点的可用时间实际上少于导弹助推或上升时间。早期预警卫星无法在发射后约30秒内可靠探测固体推进剂导弹直到其达到约7公里高度。一旦探测到导弹防御需要额外时间跟踪导弹以充分估计其弹道和拦截点拦截器应飞向该点。³⁹ 目前最佳评估是在探测到导弹后需要15秒才能形成可靠的拦截点估计。⁴⁰因此约45秒被认为是防御系统能计算出“发射方案”的最早时间该方案确定哪些拦截器可在估计拦截点和时间到达导弹。但防御系统在此时间可以发射并不意味着应该发射。这样做意味着在首次确定发射方案后没有决策时间。在30至45秒之间导弹在高度和射程上飞行不到10公里为防御系统提供关于导弹类型及其最终弹道的非常有限信息。由于防御系统在正确位置只有极少空基拦截器尝试拦截过早发射拦截器可能会浪费在一枚不会构成严重威胁的导弹上。此外虽然对尽早发射拦截器有兴趣但研究表明过早发射会适得其反因为导弹方向和拦截点位置仍存在很大不确定性。补偿这些不确定性将需要拦截器额外机动燃料进一步增加其质量。⁴¹因此尽管博思艾伦新闻发布会上发言人似乎认为使用AI的“先进跟踪”将使“智能蜂群”能够非常早地发射拦截器但这样做不太可能是一种有效策略即使可能。在导弹发射后75秒——这将允许30秒决策时间——导弹已飞行约70公里如果是固体推进剂已燃烧了40%的时间对拦截点位置施加了相当大的约束。此外此时固体推进剂助推器的第一级已燃烧完毕确认导弹是液体还是固体推进剂这对估计其助推弹道很重要。下面我们计算假设无决策时间和30秒决策时间即在导弹发射后45秒和75秒发射拦截器的结果。此外要使助推段拦截有效它必须在燃烧结束前大约5秒以上摧毁导弹助推器以防止助推器将弹头加速到达到预定目标所需的速度。⁴² 这将助推段拦截可用时间额外减少5秒。最后虽然我们假设助推段持续180秒但一些消息来源报告朝鲜火星-18的燃烧时间为170秒这将进一步减少助推段和上升段拦截的可用时间。在助推段或上升段进行拦截的要求接下来我们计算博思艾伦星座中的天基拦截器如果要在这些阶段提供导弹防御所需的条件。图3显示了图2所示星座中若干组五颗拦截器的覆盖区域其中每组拦截器覆盖区域的半径设置为提供对北纬25度及以上纬度发射导弹的完全覆盖。为了完全覆盖考虑到指定星座中拦截器的间距圆圈必须足够大使它们之间没有空隙我们称之为拦截器的“所需覆盖区域”。在此配置中一些圆圈会重叠这意味着某些区域由两组拦截器覆盖。每颗卫星因此每个圆形区域将沿轨道运行拦截器必须使用其助推器从圆点处的轨道位置移动以到达整个圆形区域内或其上方或下方的拦截点。图3图2所示原始博思艾伦“智能蜂群”星座的一个版本但圆圈显示拦截器为提供完全防御覆盖所需的覆盖区域。圆圈大小设定为确保星座覆盖无空隙。对于300公里高度轨道拦截器组沿轨道间隔2100公里北纬25度轨道间距950公里。每个拦截器必须在飞行到拦截导弹的时间内能到达半径950公里的圆形区域以及拦截点高于或低于300公里的距离。在北纬25度轨道间隔约950公里这即为每个拦截器所需覆盖区域的半径见图3。如果导弹朝圆形区域中部飞去到达拦截点的距离将小于950公里但完全覆盖要求拦截器能在导弹助推/上升时间内从其轨道位置飞行约950公里。通常拦截器还需要在拦截时飞越高于或低于其轨道高度的垂直距离。在助推段拦截固体推进剂导弹要拦截射程10000公里、助推时间三分钟的固体推进剂导弹假设拦截器在30秒决策时间后发射并在燃烧结束前5秒撞击拦截器将有100秒3分钟 – 5秒 – 75秒到达拦截点。导弹在助推段结束时高度为200公里低于卫星轨道100公里见图1。要在助推段结束时拦截拦截器必须飞行955公里——略大于其覆盖区域半径950公里因为它还必须飞行低于其轨道高度100公里。⁴³如前所述我们假设拦截器助推器可提供15克加速度使拦截器离开轨道位置并加速到所需速度。然而即使在这样的加速度下拦截器也无法在100秒内到达955公里用有限加速度计算所需速度变化的方程见附录C。在无决策时间的情况下即拦截器在导弹发射后45秒发射拦截器将需在130秒内飞行955公里助推器必须提供9.9公里/秒的速度变化。我们上面已表明如果无推进剂杀伤飞行器质量为30公斤则加注燃料后杀伤飞行器质量为95公斤。火箭方程要求为了给95公斤杀伤飞行器提供9.9公里/秒速度变化拦截器质量将超过14吨卫星质量近20吨见表1和附录B。我们注意到即使导弹燃烧时间为5分钟可能适用于朝鲜液体推进剂导弹拦截器也需飞行980公里因为导弹在燃烧时高出拦截器约250公里。这将需要4.2至4.8公里/秒的速度变化分别对应0和30秒决策时间导致卫星质量为780至1030公斤。因此能够在整个所需覆盖区域内进行助推段拦截的拦截卫星将比“智能蜂群”提议的卫星大许多倍。如果拦截器仅需在上升段结束时拦截导弹情况会如何变化在上升段拦截固体推进剂导弹假设上升段在导弹发射后三分半钟结束如果拦截器在30秒决策时间后发射它将有135秒3.5分钟 – 75秒——而非助推段的100秒——到达拦截点。在发射后三分半钟导弹高度即拦截高度约为300公里与轨道高度相同见图1。从拦截器到覆盖区域外边缘拦截点的距离为950公里。在这种情况下拦截器所需速度变化为9.1公里/秒。为95公斤杀伤飞行器提供9.1公里/秒速度变化的拦截器助推器将使总拦截器质量为7810公斤。加上拦截器质量40%的救生衣卫星质量为10900公斤见表1。假设拦截器在无决策时间时发射它将有165秒到达950公里需要6.7公里/秒速度变化拦截器质量为1870公斤卫星质量为2620公斤。30秒决策时间0秒决策时间速度变化 (km/s)拦截器质量 (kg)卫星质量 (kg)速度变化 (km/s)拦截器质量 (kg)卫星质量 (kg)助推段拦截---9.914,20019,900上升段拦截9.17,81010,9006.71,8702,620表1原始博思艾伦星座的拦截器质量。为提供完全覆盖拦截器必须在100或130秒内飞行955公里分别对应30秒和0秒决策时间用于助推段拦截以及135或165秒内飞行950公里用于上升段拦截。对每种情况显示了拦截器助推器所需速度变化及由此产生的拦截器质量。假设拦截器提供15克加速度。卫星质量包括拦截器和救生衣假设为拦截器质量的40%。此分析表明为在上升段提供完全覆盖原始博思艾伦星座中的拦截卫星如同助推段将需要比“智能蜂群”卫星提议的80公斤大得多的质量。替代星座的能力如前所述博思艾伦表示2025年3月新闻发布会上给出的“智能蜂群”星座细节可能会改变。因此我们考虑一种替代星座同样有2000颗卫星分布在20个轨道、高度300公里但卫星沿轨道均匀分布而非五颗一组。在这种情况下每个轨道内单个卫星之间的距离为420公里而原始星座为2100公里。图4中的星座似乎为2000颗拦截器在20个近极轨道中给出了最小的每拦截器所需覆盖区域。每个拦截器所需覆盖区域半径约为500公里而原始星座为950公里。下面我们估算在此覆盖区域内提供助推段和上升段防御所需拦截器质量。通过2000颗拦截器实现图4中较小的拦截器间距要求图4中每个圆点只有一颗拦截器而非图3中的五颗。因此这种布置将减少任何位置的拦截器数量相对于原始星座。对于导弹穿过圆圈不重叠的区域它只由单个拦截器提供覆盖攻击者可通过跟踪卫星知道这些区域的位置。在圆圈重叠的区域系统原则上可由两到三颗拦截器提供覆盖。图4替代星座。此星座同样有2000颗卫星在20个轨道由垂直线表示轨道间距与图3相同北纬25度950公里。在此情况下圆点代表单个拦截器而非图3中的一组五颗。每个轨道内100颗拦截器的间距为420公里300公里高度轨道。为使拦截器覆盖无空隙每个拦截器必须在飞向目标导弹的时间内能到达约500公里半径的圆形区域——相比原始星座的950公里——以及拦截点高于或低于300公里的距离。在此星座中只有单个拦截器能到达穿过圆圈不重叠区域的导弹。在助推段拦截固体推进剂导弹我们再次假设射程10000公里、助推时间三分钟的固体推进剂导弹。如上所述假设30秒决策时间拦截器将有100秒飞行时间到达拦截点。由于所需覆盖区域半径为500公里且拦截点低于卫星轨道100公里拦截器必须能在100秒内飞行约510公里以到达穿过其所需覆盖区域的任何导弹。如果拦截器助推器提供15克加速度这需要6.6公里/秒的速度变化。能向95公斤杀伤飞行器提供6.6公里/秒速度变化的两级助推器质量为1680公斤使拦截器质量为1775公斤卫星质量为2490公斤见表2。如果拦截器在无决策时间导弹发射后45秒发射它需在130秒内飞行510公里。这将需要4.4公里/秒速度变化导致拦截器质量610公斤卫星质量855公斤。30秒决策时间0秒决策时间速度变化 (km/s)拦截器质量 (kg)卫星质量 (kg)速度变化 (km/s)拦截器质量 (kg)卫星质量 (kg)助推段拦截6.61,7752,4904.4610855上升段拦截4.15357453.2360500表2替代星座的拦截器质量。为提供完全覆盖拦截器必须在100或130秒内飞行510公里分别对应30秒和0秒决策时间用于助推段拦截以及135或165秒内飞行500公里用于上升段拦截。对每种情况显示了拦截器助推器所需速度变化及由此产生的拦截器质量。假设拦截器提供15克加速度。卫星质量包括拦截器和救生衣假设为拦截器质量的40%。在上升段拦截固体推进剂导弹如果目标是在导弹发射后3.5分钟内——即上升段结束前——拦截任何经过拦截器所需覆盖区域的导弹假设30秒决策时间拦截器将有135秒到达拦截点。到覆盖边缘导弹的拦截点距离为500公里因为其高度与卫星轨道相同。这种情况需要4.1公里/秒速度变化导致拦截器质量535公斤卫星质量745公斤。即使在无决策时间发射有165秒飞行500公里所需速度变化为3.2公里/秒拦截器质量360公斤卫星质量500公斤。与原始博思艾伦星座一样在助推段和上升段拦截所需的卫星质量远大于“智能蜂群”卫星提议的40至80公斤。即使部署了上述大质量拦截器在大部分天空区域只有一两颗拦截器能够尝试拦截。由于对天基系统的标准反制措施是从同一区域同时发射多枚导弹以在局部压倒防御防御者需要在图4中每个圆点处部署多颗拦截卫星以提供理论上有效的防御。如博思艾伦在其原始星座中提议在每一点部署五颗拦截器以使太空每个区域至少有五颗拦截器这将使此星座的卫星总数增加到10000颗。240公斤卫星的防御覆盖上述分析说明了能够在整个所需覆盖区域内进行助推段拦截的拦截卫星所需的大质量。比这些更小的天基拦截器会成为美国防御的有用补充吗比上述讨论的更小质量的助推段拦截器携带较少的推进剂以加速拦截器至拦截点因此只能在其所需完全覆盖区域的一部分尝试助推段拦截。例如考虑一颗质量为240公斤的拦截卫星——是最提议“智能蜂群”卫星最大质量的三倍。假设救生衣质量为拦截器的40%则拦截器质量为171公斤。对于加注燃料杀伤飞行器质量95公斤这给拦截器助推器留下约76公斤它能给杀伤飞行器提供约1.45公里/秒的速度变化。假设15克加速度该速度变化允许杀伤飞行器在100秒内30秒决策时间到达140公里在无决策时间下到达180公里。由于拦截器必须向下飞行100公里以到达助推导弹这分别给出了30秒决策时间和无决策时间情况下轨道高度覆盖圆盘半径为100公里和150公里。在中纬度45°240公斤拦截器在原始博思艾伦星座中若能达到150公里半径其覆盖的天空面积不到5%见附录D。即使在替代星座中这些拦截器在这些纬度也只能覆盖不到四分之一的天空见图5。图5圆圈显示在密集替代星座图4所示中240公斤天基拦截器在北纬45°、假设无决策时间的助推段覆盖区域。每个圆点代表一颗拦截器在由垂直线表示的300公里高度轨道上。在此星座中只有单个拦截器能到达穿过圆圈内区域的导弹。覆盖区域仅占该纬度天空的23%。在助推段和上升段拦截中留下天空空隙实际上等同于不提供任何助推段或上升段防御原因如下。拦截器可覆盖的天空区域会随卫星沿轨道运动而移动。然而卫星沿可预测路径运行通过跟踪拦截器位置攻击者可知晓任何时刻哪些天空区域未受防御并可通过未防御区域发射导弹。任何能建造远程导弹的对手都能进行此类跟踪。在替代星座中要填补具有150公里覆盖半径的拦截器的助推和/或上升覆盖空隙需要约14000颗拦截器——是提议2000颗的七倍然而在其大部分覆盖区域该星座一次只能拦截从同一位置发射的一枚导弹。中段防御能力上述分析表明“智能蜂群”提议尺寸的卫星无法提供助推段或上升段防御。如此小质量的拦截器必须设计为仅携带少量推进剂最多只能用于在中段攻击目标。然而这类拦截器在中段也无法提供有效防御。如上所述在中段拦截器面临诱饵和其他反制措施的问题。通过在助推段和上升段进行拦截来避免该问题正是最初将拦截器部署在太空的原因也是白宫关于“金穹”公告特别要求助推段防御的原因。博思艾伦指出俄罗斯和中国的导弹包括“先进反制措施、诱饵和再入飞行器”而美国中段防御“并非设计用于对抗这些近等对手威胁”。⁴⁴ 但将中段拦截器部署在太空并不能解决反制措施问题。事实上如果该系统试图在导弹中段轨迹早期进行拦截那将减少系统内传感器观测导弹释放物体的时间因此系统用于识别的信息甚至比地基中段防御系统更少。此外反制措施问题不仅限于俄罗斯和中国导弹。任何能建造远程导弹和足够小以由导弹携带的弹头的国家——如朝鲜——都能建造有效反制措施并可能从其他国家购买相关技术。⁴⁵“智能蜂群”20年成本在2025年新闻发布会上博思艾伦表示部署2000枚“智能蜂群”拦截器将耗资250亿美元包括系统研发成本。⁴⁶ 发言人指出建造可能与“智能蜂群”卫星相似的卫星成本约为每颗1000万美元这似乎是其总体成本数字的基础。所有卫星都有有限寿命尤其是极低轨道的卫星因为它们会耗尽用于抵消大气阻力引起轨道衰减的推进剂。博思艾伦表示卫星寿命为四五年这意味着整个星座每四五年必须更换一次导致持续的巨额成本。在20年内需要三到四组新卫星假设每颗卫星成本1000万美元每组成本约200亿美元。⁴⁷ 因此像“智能蜂群”这样的系统20年成本将为850亿至1050亿美元——而不仅仅是初期250亿美元。结论白宫关于发展天基助推段防御的呼吁引发了对这些系统的新兴趣。在导弹助推段和上升段进行拦截被认为是可取的因为这可以在导弹释放多弹头和反制措施之前将其摧毁。考虑到朝鲜以及俄罗斯和中国武库中弹道导弹的特性任何此类防御必须设计用于对付具有短燃烧和上升阶段且配备中段反制措施的固体推进剂导弹。我们的分析说明了天基助推段和上升段拦截器为摧毁此类导弹必须携带的大量推进剂这导致拦截器具有非常大的质量——大约半吨或更大。它表明通过使用非常轻量级卫星以相对较低成本提供全球助推段防御的提案无法执行此任务。特别是我们的分析发现“智能蜂群”以及任何由1000-2000颗低质量卫星组成的系统在助推段或上升段对现实导弹威胁基本上不提供任何防御能力。即使它原则上能在每个拦截卫星周围小区域内与助推导弹交战攻击国也可以跟踪轨道中的拦截器并计算其未来位置从而可通过未防御区域发射导弹。因此提供部分覆盖的天基防御实际上不提供任何防御。我们的分析表明即使使用质量为240公斤的拦截卫星——是提议“智能蜂群”拦截器质量的三倍——2000颗的星座也会在天空留下非常大的区域没有助推段或上升段拦截防御覆盖。因此该系统在助推段或上升段对导弹不提供防御。因此虽然“智能蜂群”被宣传为符合白宫对“金穹”要求的助推段能力但具有低质量拦截器的系统实际上将是一个事实上的中段防御系统。然而建设中段防御削弱了最初将拦截器部署在太空的理由即试图在助推段或上升段进行拦截以避免任何中段防御都将面临的诱饵和其他反制措施问题。反制措施仍然是中段防御未解决的脆弱性无论基于地面还是太空。基于这些原因像“智能蜂群”这样的系统在任何飞行阶段都无法有效防御导弹。