在军事领域,侦查卫星可能是最神秘也是外界知道最少的。作为高边疆存在的天眼,它有最高的技术含量。
因为要用昂贵的火箭发射到几百乃至上万公里的太空中,同时要在太空恶劣的环境下展开工作,既有尺寸和重量的限制,又有严苛的技术要求,每一颗军用卫星的价值都非同寻常。
12月10号,美国佛罗里达州卡纳维拉尔角,一颗绝密卫星被德尔塔4重型火箭送入太空。该卫星造价超过120亿人民币,相当于我国一艘航空母舰的造价。
卫星定轨在赤道上空,距离地面36,000公里的地球同步轨道。
这颗卫星最大的看点,有一个直径高达100米的天线,覆盖面积超过7000平方米。
有些人认为由于美国在波多黎各的阿雷西博望远镜损坏了,所以发射一颗卫星去替代,但是实际上这是不可能的。
阿雷西博望远镜的口径是350米,比卫星上的天线口径要大很多,射电望远镜依靠长波电磁波工作,这些电磁波可以穿透大气层。
德尔塔四重型火箭发射一次的合同成本价超过28亿元人民币,如果是仅仅对太空观测,没有把大型天线送到外太空的动力。
阿雷西博天眼的指向是外太空,这颗绝密卫星天线的指向是地球。
很显然,这是一颗军用雷达侦察卫星,使用可见光以外的电磁波工作。
只有可见光无法探测之处,才需要雷达波,这颗军用雷达侦察卫星是探测某种神秘访客的。
根据经典的电磁波理论,天线的长度=光速/2倍频率,也就是半个波长。这种被称为半波振子的天线是最基本的无线电发射单位。
电磁波的频率越低,波长越长,所需要的天线越长。
电磁波的传播虽然不需要介质,但是在介质中,电磁波的传播会受到影响。
即使在晴朗的日子里,空气中也会保持湿度。所有三种状态的水都可以在大气中自然找到:液体(雨、雾和云)、固体(雪花、冰晶)和气体(水蒸气)。水在任何状态下都是电磁波传播环节中的障碍物。
当电磁波穿过水粒子时,它的一部分能量被吸收,一部分被散射。由于雨、雾和云造成的衰减会导致无线、移动、卫星和其他通信的干扰。另一个问题是大气的折射率,它会影响电磁波路径的曲率,会导致雷达覆盖范围的误差。
在海水中传播电磁波,衰减会更加严重。因为海水具有很高的介电常数(80)和高电阻率(182 kΩ·m²/m),从而形成驻波。海水中的含盐量越高,电磁波的衰减越严重。
电磁波的本质,是大量光子的统计之和。光子的能量量子数对应于电磁波的电场分量,而频率量子数对应于电磁波的磁场分量。
电磁波在不同介质中的衰减,是光子和组成介质的粒子作用的结果。而这个作用取决于介质的粒子密度、性质,以及光子的康普顿散射半径。
光的能量越高,散射半径越大,越容易和微观粒子碰撞而失去能量。电磁波的频率越低,对应的光子能量越小,康普顿散射半径越小,越不容易和介质中的粒子发生反应。
由于光子的能量和电磁波波长成反比,所以只有波长很长的电磁波才能深入海水当中。
美国发射的这颗绝密侦察卫星,就是用来探测隐匿在大洋深处潜艇的,尤其是中、俄两国的核潜艇。
核潜艇具有无限的动力,只要里面的人能受得了,几乎可以无限制地呆在水面之下。由于现代潜艇技术的进步,用水声方法已经很难侦测到潜艇。
雷达侦查卫星站得高看得远,扫描范围大,在探测潜艇方面具有显著的优势,但是也有很高的技术难度。
在这方面,我国和美国相比如何?
当然这是属于军事机密,没有办法获得准确的消息,但是我国的电磁波应用领域已进入了自由王国阶段,从我国相控阵雷达的发展上就可以看出来。
目前我们国家055导弹巡洋舰上的雷达就是世界上最先进的氮化鎵主动相控阵雷达。传说对F22的发现距离可以达到400公里之远,也就是说F22从地平线上一露头就可以被捕捉到。
由此可以反推出我国雷达侦察卫星的水平绝不在美国之下。而且,用于探测潜艇的雷达侦测卫星,我国比美国要领先发射。
但是中国也有相应的问题,反而是那些“低端”的机械加工问题拖了中国军用设备的后腿。
所以我们国家的军用雷达侦察卫星上面的天线没有美国这么大。
在太空中能够展开的大尺寸天线一般被称为张力网状天线。
这种天线要在卫星进入太空之前折叠收藏,在太空中依靠自身的张力展开。我国目前民用级别公开的最大伞状天线,用在嫦娥4号和地球的中继通信卫星鹊桥上,口径为4.2米。
当然军用的可能会大一些,但是达不到美国那个程度。
电磁波探测的角分辨率和天线的口径是呈正比的,所以天线的口径越大,探测精度也越高。这是我国需要努力的地方。