不再發(fā)射新衛(wèi)星，美軍“黑杰克”星座大縮水

最近，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局與SpaceX公司合作，通過“運(yùn)輸者-8號(hào)”拼單任務(wù)發(fā)射了“黑杰克”計(jì)劃的4顆衛(wèi)星。此舉引起了人們的關(guān)注，因?yàn)樵撚?jì)劃原本是要構(gòu)建由20顆衛(wèi)星組成的星座用于演示驗(yàn)證，但如今規(guī)模大大縮水，這是為何？“黑杰克”計(jì)劃是否還有繼續(xù)推進(jìn)的必要？

性價(jià)比超高的軍用星座

軍事衛(wèi)星是美軍作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵。為了能夠持久監(jiān)視地球上的情況，這類衛(wèi)星向來都是部署在地球同步軌道。但在對(duì)抗日益激烈的太空，這些昂貴且龐大的系統(tǒng)很容易成為攻擊目標(biāo)，如果遭到干擾或破壞，可能需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能補(bǔ)換。而且這些系統(tǒng)研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，很難甚至無法快速應(yīng)對(duì)新的威脅。不過隨著商業(yè)航天的發(fā)展，低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星成為可能，而且在成本上還具有規(guī)模效應(yīng)。

在這樣的背景下，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局在2017年提出“黑杰克”軍用衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃。與SpaceX公司直接主導(dǎo)的“星鏈”計(jì)劃不同，“黑杰克”計(jì)劃是由美國國防部主導(dǎo)，由民營(yíng)企業(yè)提供各種衛(wèi)星平臺(tái)和發(fā)射支持。這些軍用衛(wèi)星與商業(yè)衛(wèi)星拼單發(fā)射，很難通過追蹤火箭發(fā)射來分辨哪些是“黑杰克”計(jì)劃的軍用衛(wèi)星，哪些是真正的商業(yè)衛(wèi)星，從而構(gòu)建出具有超高性價(jià)比的、高度彈性化的軍用低軌星座，并使之成為同時(shí)在尖端軍事和尖端科研領(lǐng)域擁有可持續(xù)發(fā)展和超強(qiáng)生存能力的太空基礎(chǔ)設(shè)施。

這也正是“黑杰克”計(jì)劃名字的由來，“黑杰克”又被譯作“21點(diǎn)”，是一種撲克牌游戲，“黑杰克”計(jì)劃構(gòu)建的低軌星座，與賭場(chǎng)天花板上由球形監(jiān)控裝置構(gòu)成、用來提醒賭場(chǎng)管理者有誰在作弊并起到持續(xù)威懾作用的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)非常類似，因而得名。

“黑杰克”計(jì)劃注重研發(fā)具有較小尺寸、較低重量和功耗及成本的低軌軍事通信與監(jiān)視衛(wèi)星，包括低成本衛(wèi)星有效載荷和商業(yè)化衛(wèi)星平臺(tái)。衛(wèi)星雖然在低軌運(yùn)行，但能力與目前在地球同步軌道上運(yùn)行的軍事通信系統(tǒng)相似，而成本只有后者的一小部分。

該計(jì)劃還將研發(fā)驗(yàn)證在低地球軌道進(jìn)行衛(wèi)星組網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，重點(diǎn)是使民用衛(wèi)星平臺(tái)和低成本、可互換、設(shè)計(jì)周期短、技術(shù)更新頻繁的軍用有效載荷適配，并對(duì)有效載荷進(jìn)行優(yōu)化，使其適用于多個(gè)平臺(tái)。

與所有的美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局項(xiàng)目一樣，“黑杰克”系統(tǒng)從來不應(yīng)該是一個(gè)操作平臺(tái)。相反，它可以用于開發(fā)和展示供其他機(jī)構(gòu)或部隊(duì)使用的新技術(shù)。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局成功的項(xiàng)目技術(shù)，可用于啟動(dòng)或促進(jìn)其他項(xiàng)目。

“黑杰克”計(jì)劃意在驗(yàn)證低軌小衛(wèi)星的軍事用途

計(jì)劃一再延遲

“黑杰克”計(jì)劃最初設(shè)想分3個(gè)階段完成：一是確定衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的需求；二是為兩顆衛(wèi)星的在軌演示驗(yàn)證研發(fā)衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷；三是在低軌對(duì)擁有兩個(gè)軌道平面的系統(tǒng)進(jìn)行6個(gè)月的演示驗(yàn)證。

未來用于演示驗(yàn)證的星座將包含20顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星擁有一個(gè)或多個(gè)有效載荷。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局原本計(jì)劃在2021年先發(fā)射2顆衛(wèi)星，隨后在2022年中期之前完成20顆衛(wèi)星的星座建設(shè)，而“黑杰克”項(xiàng)目最終可能會(huì)發(fā)射60～200顆衛(wèi)星。

計(jì)劃的主要目標(biāo)有3個(gè)：一是研發(fā)有效載荷和任務(wù)級(jí)的自主軟件，采用自主在軌分布式?jīng)Q策處理器，有效載荷能夠自主運(yùn)行，在軌進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；系統(tǒng)能夠根據(jù)高級(jí)系統(tǒng)指令，在軌自主執(zhí)行共同任務(wù)。二是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的民用制造能力，“黑杰克”計(jì)劃將使用商業(yè)現(xiàn)成部件進(jìn)行高速制造，對(duì)單個(gè)航天器的驗(yàn)收篩選流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，并降低對(duì)單個(gè)航天器壽命的預(yù)期，任務(wù)保障將在星座級(jí)實(shí)現(xiàn)。三是在近地軌道演示衛(wèi)星有效載荷，目標(biāo)是展示近地軌道航天器的性能與目前地球同步軌道系統(tǒng)相當(dāng)，每個(gè)軌道節(jié)點(diǎn)的平臺(tái)、有效載荷及發(fā)射成本低于600萬美元，同時(shí)，有效載荷滿足民用平臺(tái)的尺寸、重量及功率限制。

“黑杰克”計(jì)劃的項(xiàng)目經(jīng)理斯蒂芬·福布斯是2017年加入美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局的。他此前曾供職于SpaceX公司、軌道科學(xué)公司和作為銥公司最初衛(wèi)星承造方的摩托羅拉公司。他在2020年接受《航天新聞》采訪時(shí)曾表示，“黑杰克”計(jì)劃之所以令人興奮，是因?yàn)槠溆锌赡軙?huì)顛覆傳統(tǒng)的星座建設(shè)理念。他說，該計(jì)劃的當(dāng)務(wù)之急是要兌現(xiàn)其既定目標(biāo)，以證明低軌系統(tǒng)能夠成為比美國國防部精致而昂貴的地球同步衛(wèi)星復(fù)原能力更強(qiáng)、費(fèi)用也更好承受的替代品。

“黑杰克”計(jì)劃的首次發(fā)射原本應(yīng)于2021年執(zhí)行，但直到2023年6月12日才進(jìn)行首度發(fā)射。元器件問題可能是發(fā)射延遲的原因之一，商用貨架產(chǎn)品是指可以采購到的具有開放式標(biāo)準(zhǔn)定義接口的軟件或硬件產(chǎn)品，商用貨架產(chǎn)品部件的使用有望降低衛(wèi)星的成本，并使政府能夠更快地建造它們，但與此同時(shí)也出現(xiàn)了可靠性差和故障多的問題。此外，下行數(shù)據(jù)能力有限也阻礙了“黑杰克”計(jì)劃的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。例如，在衛(wèi)星上進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能只需要兩個(gè)小時(shí)，但下載該實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)可能需要一周時(shí)間。如果測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)問題或需要進(jìn)一步改進(jìn)，就可能導(dǎo)致發(fā)射計(jì)劃的延遲。

不再發(fā)射新衛(wèi)星

此次發(fā)射的4顆“黑杰克”衛(wèi)星使用了美國雷神技術(shù)公司的子公司藍(lán)色峽谷技術(shù)公司制造的“土星級(jí)”商用衛(wèi)星平臺(tái)，每顆可以攜帶多達(dá)200公斤的有效載荷，最終目標(biāo)是證明低地球軌道系統(tǒng)的性能與目前地球同步軌道系統(tǒng)相當(dāng)，同時(shí)有效載荷滿足商業(yè)總線的尺寸、重量和功率限制。

然而，“黑杰克”計(jì)劃的規(guī)模目前已經(jīng)大大縮小，截至目前只發(fā)射了4顆衛(wèi)星。規(guī)?？s小的原因可以歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：一是供應(yīng)短缺，受新冠肺炎疫情影響，許多供應(yīng)鏈出現(xiàn)斷裂，團(tuán)隊(duì)沒能完全專注于“黑杰克”計(jì)劃的技術(shù)方面，而是不得不投入大量的時(shí)間和精力來獲得必要的材料，并且那些為特定硬件設(shè)計(jì)的軟件，可能無法與替代品完全兼容，這迫使軟件設(shè)計(jì)者廢止大段代碼并重新開始。二是需求減少，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局最初希望通過“黑杰克”計(jì)劃向五角大樓展示如何充分將商業(yè)航天的發(fā)展成果用于軍事用途，但隨著新成立的美國太空軍太空發(fā)展局為國防部開展部署低軌星座，這一發(fā)射計(jì)劃的優(yōu)先級(jí)在逐漸降低。

面對(duì)規(guī)?？s小和延遲發(fā)射等挑戰(zhàn)，我們需要評(píng)估“黑杰克”計(jì)劃是否有繼續(xù)推進(jìn)的必要。“黑杰克”計(jì)劃的項(xiàng)目經(jīng)理斯蒂芬·福布斯證實(shí)，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局預(yù)計(jì)不會(huì)在已發(fā)射的4顆衛(wèi)星之外再增加更多衛(wèi)星。他在給《航天新聞》的一份聲明中表示：“目前，這是我們?yōu)椤诮芸恕?jì)劃實(shí)施的唯一一次發(fā)射，這些衛(wèi)星經(jīng)過幾個(gè)月的調(diào)試后將抬升軌道，然后開始驗(yàn)證越來越多的衛(wèi)星系統(tǒng)之間的相互作用?！币簿褪钦f，“黑杰克”計(jì)劃不會(huì)再有下一步的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃了。（作者：陳哲 王昭磊 把關(guān)專家：中國航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）