为什么不在太空中部署核武器?

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为什么不在太空中部署核武器?

图片:WikiImages / CC0

知乎用户,前工程师

分两种情况。

第一种

也就是一般人理解的,平时部署在轨道上对地面形成威慑的核武器,好像还有人美其名曰「达摩克利斯之剑」?

很多人以为这东西它平时飘在别人头上,想落就落,实际上他们根本不明白星下点的意义。

许多人眼里的天基平台
实际上的卫星星下点轨迹

要让自己随时有核武器挂在可能的敌人「上空」吗?好的!您需要组网。

什么是组网?

卫星组网示例

为了能够快速响应并攻击目标,我们设定卫星轨道高度为 500km,且为极轨,这样的卫星消耗占自身质量 25-40% 的推进剂,可以达到 0.7-1km/s 的 dv,并于 10-15 分钟内抵达地面。此时,战斗部只占在轨质量的 60-75%,当然我们姑且先认为这个损失是值得的,也是可以接受的。

接下来,我们如果需要在决定发出攻击命令的 12 小时内就能有 1 颗卫星处于目标上方,那么这个时候,只要一颗卫星就能够实现目标。当然,这个命令可以是突然的,可以等到核武器飞到别人头顶的时候突然发出命令让它下降,打对手一个措手不及。但是,如果两个国家之间的战争征候非常明确,采用导弹的一方先发射了弹道导弹,预计 30-45 分钟就能飞抵目标,而采用天基平台的一方,它的大杀器还需要 10 个小时才能到达对方上空,这不是很尴尬吗?

又或者我们平时只是隐藏其真实目的,只为了那一次袭击。但是这样就有另一个问题,这样的一个核武库,一个隐蔽的核武库,是低威胁甚至可以说是无威胁的,它只能用于核实战,无法进行核威胁。而其实战效果又实在值得商榷。

因为对于那些有能力防御弹道导弹,所以不得不通过这种方式才有机会对其发动先制打击的国家(主要指美苏)而言,这个实战的效果相当有限,因为这两个国家都可以做到在遭受彼此外加其他有核国家的全力的几乎完美的先制核打击的情况下发动反击,并对敌国造成「不可接受的」损失,同时还能对第三国保持核威慑(请注意,在这种情况下,核武器打完毫无疑问是一件非常尴尬而且糟心的事情)。有关核战略的问题可以回去看 @JK JK 大神的回答,我就不在这里多说了。

如果我们需要达成一般的 ICBM 的作用,即在 30-45 分钟内将核弹投放到地球上任意位置,那么一颗卫星(或是一个天基平台)就不够了。我们需要组网。

一颗位于 500km 极轨的卫星,可以覆盖到北纬 90 度到南纬 90 度之间的任意位置,其轨道周期约 90 分钟,每一圈星下点沿赤道向西移动约 2600km,我们在和第一颗卫星的轨道面成 90 度的轨道面上布置一颗卫星,则攻击时间可以减半,缩短至 6 小时。我们假设单颗卫星拥有 1300km 的天顶星横向覆盖带,则 8 颗卫星可以覆盖全球,并在 90 分钟内对任意地区发动攻击。可惜现实中没有真空中的球形鸡,也暂时没有这么天顶星的覆盖带。于是,我们稍微退而求其次,假设卫星的覆盖带有 650km,那么 16 个轨道面可以实现 90 分钟内做好攻击准备,加上离轨道所需的 10-15 分钟,那么实现对地球上任意一点的攻击就需要 100-110 分钟。

布置更多卫星可以大幅缩短攻击时间,例如每个轨道面均匀布置 6 颗,则准备时间缩短至 15 分钟,总攻击时间可以做到 25-30 分钟。

这样一个拥有小天顶星横向机动能力的星座,可以在 30 分钟内攻击地球上任意一点,包含 96 颗卫星。如果需要同时或者比较接近的时间内可以有两颗卫星对一个区域发动攻击,那么星座规模就需要再翻一番,192 颗。

我们设一个导弹所携带的弹头的质量为 m,那么根据先前的数据,即离轨所需推进剂占总质量的 25-40% 来算,我们需要足足 256m-320m 的在轨质量,才能实现两颗洲际导弹的功能。

相同运力的导弹,可以将质量 n 的载荷投送至 10000 千米外目标,或是将 2/3n 的载荷送入近地轨道,即每单位在轨质量所需运力是洲际导弹的 1.5 倍,那么我们实际上就需要 384-480 次发射,才能实现和 2 枚导弹相同的目的。

当然我们可以不考虑成本问题。又或者↓

我们假设你用这玩意达成目的

那么天基系统的另一个问题就来了,它极易受到攻击。对于任何天基对地攻击系统,其轨道高度均不能太高,因而地面对其定轨和追踪便非常容易,对其发动打击也变得格外简单。即使类似于鑫这样的技术条件,也能使用 600-1000km 的短程导弹改造成简陋的反卫星武器对天基平台发动攻击,就更不用说某个前两天刚刚试射了正经反卫星武器的朋友了。无论是真正的反卫星武器,还是造价相对低廉的短程导弹改造的反卫星武器,都可以在短时间内在星座上制造出足够的缺口,瘫痪星座拥有国通过天基平台进行核打击的能力。

除此以外,天基平台的核武器,其退役和维护也是一个比较严重的问题,服役期间用于轨道维持的推进剂,退役时用于「正常」再入并回收的结构(或是专门用于回收的航天器),都需要消耗(浪费)更多的运力,而能达到的效果却并不理想。

总结一下,就是天基平台形成和洲际导弹相同的战力需要大规模组网,成本惊人,同时还易受攻击。维护和退役都是问题,在轨道上出故障问题还更严重。

因此,这种依靠天基部署的核武器,在今天和可以预见的将来,其价值对于主要有核国家而言都并不高。

说完第一种,我们来谈谈↓

第二种

就是毛子曾经试着玩过,但是没过多久就不再具有优势,并且最终被条约禁止了的部分轨道轰炸系统(FOBS)

首先大致解释一下什么是部分轨道轰炸系统。

冷战初期,美苏双方均使用大型相控阵弹道导弹预警雷达系统对洲际导弹进行探测和预警,当导弹上升到预警雷达视线中,雷达便可以对其进行追踪。

而这种雷达是漏洞的:一是它主要针对跨过北极的弹道(因为射程所限,苏联的洲际弹道导弹几乎不会从美国南方发起攻击);二是它的视野范围有限,只适合探测洲际导弹。

初期的 BMEWS 预警范围极为有限

在这种情况下,贴着地球弧度飞行而不是高高升起再落下,且射程几乎无限的 FOBS 便有了用武之地。它可以通过其他方向甚至是南极弹道攻击敌国,而不是只能走北极弹道,从而绕过先前建立的针对性的预警雷达。另一方面,即使通过北极攻击,由于弹道高度低,雷达对于 FOBS 的探测距离将大大缩短,相对的,预警时间也因此变得捉襟见肘(洲际弹道导弹的远地点往往高达 1000-1500 公里,而 FOBS 的远地点小于 200 公里,近地点更是只有 150 公里左右)。

FOBS 轨道示意图

但是 FOBS 也并没有想象中的那么美好,随着时间推移,越来越多的问题也暴露出来:

1.发射和再入的时候折腾的这么一下是需要消耗更高的运力的,据分析,同等运力大约只能投送 1/2-2/3 质量的弹头。

2.随着美国的导弹预警系统特别是后来的天基预警系统建立完成,FOBS 已经失去了其设计初期的优势。

3.美国应对苏联核打击的手段并不是大规模部署的导弹防御系统,而是核制胜战略(你尽管打我,我保证都能扛下来,但是之后,我这一拳下去你可能会死)。

值得注意的是,1967 年的《外空条约》并未限制 FOBS(不转完一圈就不算入轨)的发展,而只限制了部署于轨道上的核武器。直到 1979 年的SALT II之后,FOBS 才被明确禁止。

这其实在一定程度上反映出了一个在我们现在看来可能有些难理解的事实:即使是 1967 年,美国对于 FOBS 本身也不是特别担心(核制胜战略的影响),而更不可思议的是,基于同样的战略,时任国防部长的麦克纳马拉甚至在《外空条约》背景下捍卫苏联的部分轨道轰炸系统。

当然,除了核制胜战略本身(ps.当时美国在洲际导弹上有着显著优势)的影响以外,美国自 1963 年起开始建立的超视距雷达系统可以使预警时间提高到 30 分钟,这在一定程度上也填补了初期在雷达系统上的漏洞。

再之后,80 年代,PAVE PAWS 投入使用,进一步削弱了先制打击对于美国的战略核力量的威胁。

PAVE PAWS(蓝)和 BMEWS(红)覆盖对比

1983-1984 年,苏联退役了最后一批装载 FOBS 的弹道导弹,这一武器系统的历史也告一段落。

所以,为什么不在太空中部署核武器?希望你在阅读上文之后能够了解一些条约之外,大致算得上是技术层面的原因。


补充 1:使用航天飞机或是军用空天飞机等可重复使用的载具部署、检修及回收卫星时的消耗。

假设某一空间机动飞行器执行一项任务,需要将三个质量为 m 的相同卫星送入同一轨道面上的三个轨道,假设飞行器本身质量(不含载荷和推进剂)为 3 吨,在采用传统推力器的情况下它需要携带 315 千克左右的推进剂才能在释放卫星后离轨重返地球。

当飞行器被发射至第一颗卫星的轨道后,它需要释放卫星并机动进入第二颗卫星的轨道(或是卫星自身携带额外推进剂进入预定轨道),此时,需要被送入第二条轨道的质量为飞行器自重加离轨推进剂质量加剩余两颗卫星的质量和将第三颗卫星送入轨道所需的推进剂质量。当需要部署到不同轨道的载荷增加,飞行器本身所需的推进剂质量也会增加。

利用 0.1-0.2km/s 的 dv,运载器可以在 24 小时内将第二颗卫星释放到相同轨道上距离前一颗卫星 1/2 轨道长度的位置,当然,如果需要加快部署时间,消耗的 dv 也将会增加。

对于改变倾角的机动,在 500km 轨道高度上,1.0km/s 左右的 dv 只能将轨道倾角改变 7.5°左右,2km/s 的 dv 可以改变 15°,因此并不建议使用类似载具部署、维修或是回收多个轨道面上的卫星。

作为参考,俄罗斯的 Fregat 上面级质量为 7.4 吨,对于 1 吨的载荷可以提供超过 4km/s 的 dv。

如果使用机动飞行器给多颗卫星加注燃料或是检修卫星,其分析方法也是类似的。

补充 2:问题始终都不在于成本,而在于和其他投送手段相比,一个几十颗甚至上百颗卫星的星座在一定时间内提供的投送能力只相当于一两座发射井或是一艘潜艇能够提供的能力,条约能通过,一方面是因为这种武器的部署可能使不止一国对此种战略作出反应,研发并部署相同的武器,另一方面则是由于,已有技术如陆基和海基的洲际导弹成熟可靠而且某种意义上也更加有效。由于离轨到命中所需时间较短,轨道平台适合用于发起先制核打击,但是先制打击却不是必须使用轨道平台才能发动,同时,每 30 分钟就有平台进入攻击位置也意味着该平台进入了极易遭受攻击的位置。事实上,虽然公众关注较高,但是某国对于部署于外层空间的对地攻击武器的兴趣一直不大,其对于空间军事应用的焦点主要集中于保护本国卫星和开展太空活动的自由,阻碍敌国利用太空资源以及利用天基拦截弹道导弹三方面。

一般结论是天基化不适合利用动能,爆炸性武器以及核武器袭击地面目标,就目前的技术水平而言,这类任务从地面就能够很好或者更好的完成,对于相同的任务而言,从太空中获得快速打击能力所需要的成本显著提高。另外,和陆基武器不同的是,这种系统需要在无日常维护和缺乏紧急维护(低维护频率)的情况下时刻保持正常运转,这样的话,其可靠性就低一些,相比陆基武器,攻击者对于天基武器更缺乏把握能力,若处于正确攻击位置的天基武器失效,星座中的其它卫星虽然可以继续发起攻击,但却需要一段时间才能就位,因而无法达到相同的快速性。

在数百千米的高度制造核爆可以制造强烈的电磁脉冲,从而摧毁近地轨道上核爆视线上的无屏蔽卫星。而且核爆会产生持久的辐射环境,缓慢损坏其他位于 LEO 的无屏蔽卫星,并在数月到数年的时间里使高空卫星和地面站 之间通信困难。然而核爆导致的破坏程度并不确定,给卫星提供屏蔽往往只增加百分之几的成本,因此许多军用卫星在设计之初便考虑到了 EMP 和辐射防护的问题。这种攻击是无差别的,在近地轨道上有利害关系的组织或是一般通过敌对势力都不太可能采用,但是,由于其影响范围较大,辐射效果持久,拥有核武器和中程导弹的少数国家可能在太空中引爆核武器,进行高效的恐怖袭击。

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