一、太空作战中的目标侦测方式
想要作战,首先便是要能找到敌人,其次则是要防止自己被敌人找到。至于在太空中如何侦测目标呢?基于环境与匿踪的需求,主要会以电子光学监视系统的被动侦测为主,而不会是目前的电波雷达。使用电波会有两个问题:
(1)失效的机率极大
即使是在今天,结构外型与电波吸收材料的发展已经使电波的索敌能力大幅弱化。而将来这方面的进展则会更明显。此外太空船外型没有航空机之类的气动限制,因此能够以匿踪为设计时第一优先需求,无所不用其极地降低RCS(雷达反截面积) ,故使用雷达可能根本侦察不到目标。
(2)泄漏己方位置
雷达波一去一回,在己方能接收到足够强度雷达波以判定目标的距离之前,敌方会先以此来定位己舰的位置。假如雷达侦测范围是10光秒的话,来回即为20光秒,这表示敌方在20光秒外便可接收到相同强度的讯号从而得知己方的位置。
基于以上两个原因,雷达的唯一效用可能只剩航道陨石搜索闪避的功能,并且主要装在民用船只上。至于作战用的军舰则会使用被动的电子光学监视系统。
所谓电子光学监视系统,事实上就是一种电子光学望远镜。一般的望远镜必须将目标拍成照片,但照片的数码化需要人力介入故难以进行持续监测。而电子光学望远镜乃是使用大量的 CCD阵列(注)构成的望远镜。此种望远镜获得的的分辨率取决于 CCD的质量与数量,扫瞄到的资料直接以数码档案的结构储存并以计算机进行全自动的处理。配合强力的计算机,此类系统可以对广大宙域进行长期的全时监视侦测扫瞄。此外,军舰除了电子光学望远镜外,也会装备其它的光学望远镜,比如用以侦测中红外线与远红外线的系统。
注:CCD,Charge Coupled Device电荷耦合元件,用来作数码相机、望远镜的基本感光构成元素,其感应范围为波长在400——800nm的可见光以及波长800——1200nm的近红外线区段。目前最新型的CCD有更大的感测范围,除原本频带外,红外频谱感测范围可以增加到1200nm——1500nm, 也就是涵盖近红外线的全部频宽。此外也已经出现可以侦测波长在350nm——100nm的紫外线频谱CCD。
电子光学监视系统基于其可以长期监视大范围面积的特性,于70年代就开始被用在需要24小时监视地表的早期预警卫星上。如美国的DSP 国防支持计画里的早期预警卫星便是使用电子光学技术,目前的 DSP卫星携带一组口径3.6公尺,拥有6000个CCD元素的望远镜,可以从三万六千公里的同步轨道上侦测到地表飞弹发射时的尾焰。而用以接替DSP卫星的次代系统名为SBIRS(Space Based Infrared System,天基红外线系统),分成高轨与低轨两个次系统,拥有更强的能力。除了可以侦测飞弹外,还可以侦测喷射机的尾流,甚至可以侦测轨道上已与推进段分离,温度极低的飞弹弹头。并且其由于同时配置了IR扫瞄阵列与凝视阵列,使其能够在扫描一个较宽区域的同时集中探测一个较小的区域。当有导弹发射时, SBIRS高轨道卫星的扫描阵列可迅速侦测导弹排出的尾焰,而凝视阵列则能持续跟踪尾焰,此种方法使其能连续精确地跟踪导弹的轨迹。
另一个例子是美国的陆基远太空光电监视系统(Ground-Based Electro-Optical Deep Space Surveillance,GEODSS)。 GEODSS是美国专门用来监视地球轨道上所有人造飞行物,特别是高轨卫星的侦测站。此系统为在地球纬度相近的地区建立5个光电观测站以组成一个全球光电空间监视网,这5个工作站分别设在白沙(新墨西哥)、毛伊(夏威夷)、大邱(韩国)、迪亚哥加西亚岛(印度洋)、葡萄牙南部地区。GEODSS系统使用电子扫描技术,将望远镜观测到的图象转变成电信号,经计算机处理,滤掉目标周围的星体,在电视监视器上以光纹线形式显示目标。此一系统所使用之主望远镜为口径一公尺,由4096x4096个CCD元件组成的阵列,可以在同步轨道上(三万六千公里)侦获篮球大小的目标,效率远高于雷达或旧式的光学望远镜。
值得一提的是, GEODSS系统在经过1996至1998年的改装,换装新型CCD元件后,投入近地物体监视计画( Near-Earth Object Program)以侦测可能对地球造成威胁的小行星体。期间内连续发现数个新的小行星,并且在任务中证实了其威力:改装后的GEODSS主望远镜可以在 1AU(一亿五千万公里或500光秒,地球到小行星带前端的距离)之内侦察到直径100公尺等级的小行星体。
注意,此例中的系统是位于大气中的陆基系统,且NEOP计画里查找目标是本身不发热的小行星。同样规模的系统拉到太空中以免除大气干扰,加上以具有动力会产生废热的人造飞行体为目标,则侦测能力将有可能提升五至十倍左右。
注:美国空军太空司令部介绍GEODSS的网页,其中有白沙站的照片。
而将来类似但更先进的系统也会被配置在太空船上,成为太空船的主要侦测系统。在太空军舰上将会把使用宽频谱的光感元件阵列,或者也有可能混装不同频谱不同性能的元件组合构成整个阵列,这些元件阵列将以环带的型状布设在船壳上,并以光纤将收到的资料集中到舰内计算机中处理。而计算机将根据资料库滤除所有恒星、行星、小行星体与拥有固定航线的商船讯号,只留下不明的资料。此外,也有可能出现专职的侦察舰,即将舰体表面完全布满光感元件,以较高的元件数量来得到较大的单舰侦测分辨率。
不过,把光感元件直接暴露在外可能有易于受损的顾虑。此时也可能会稍微改良一下,将光感元件完全收到船体内,船壳外改布设单纯的光接收器阵列版(可能是光纤端子一类的),然后使用光纤线路将光子讯号收到船内,经过光量检测器、滤光镜(选择性路径)、分光装置等,最后再投射到光感元件上。如此不但可以物理上保护光感元件,还可在遭遇强光状态时,使入光先透过滤镜让能量降低至安全水平内,让系统能在强光环境下持续运作。最后更可以透过分光装置让光线同时进入对于不同波段敏感,或具有不同性能的不同光感元件或光学镜头内,以对入光进行全频谱的同步扫瞄处理。这种选择性的路径通过是电子光学系统的独门特技,目前已被运用在美国为NMD/TMD系统所发展的的最新型光学侦测仪器上。
底下是一个分散式全频谱同步扫瞄处理系统的简单流程示意图:
在宙域扫瞄策略上,则会将全天球划分成数百个区域,而光感阵列环带亦以一定数量的阵列构成群组,各群组分别负责各自的扫瞄责任区以进行全天球的目标扫瞄侦测,并在侦测到可疑目标时集中辨识加强分辨率,或使用大口径的望远镜执行进一步的目标辨识作业。
例如假设舰体某面阵列有共10k*10k的侦测元件阵列,则可以切成100个1k*1k 扫瞄群分别对各自负责的空域实施扫瞄,但在某空域发现某目标时,立即集中此面所有元件对此目标实施高精度辨识,此时对此目标的识别能力等于一口气提升为分别扫瞄时的 100倍。当然,群组分配比例可以视需求决定。
另外若是以舰队为侦测基础,更可以划分各舰负责的责任区各自扫瞄以增加反应速度,或是在需要时令全舰队针对指定区域集中扫瞄来构成具有巨大口径的多舰组合侦测阵列以提升侦测距离与分辨率。而舰与舰之间会以资料链统合整理舰队的侦测情报资料。一但侦获可疑目标,舰队可以指定不同的两艘船同时追踪目标,以三角定位来精确计算目标距离。以上这些动作都可以完全自动化,不需任何人工的介入。
例如目前ESA构想中的达尔文(Darwin)计画便是使用六具直径1.5公尺的小型太空望远镜组成的红外线干涉阵列望远镜,其等效观测能力相当于口径50——500公尺(平均约为250m)的单一大型望远镜。若使用更多的望远镜组成阵列,侦测能力自然也就会越高。
注:达尔文计画的网址
需注意的是,这类监视系统乃是一种被动侦测系统。不会有电波雷达主动拍发讯号的缺点。但如果有需要的话,仍然可以使用雷射主炮╱副炮以低功率发射光束照射指定区域,再用侦测阵列接收其反射光来判定目标精确位置。不过大部分的情况下是不需要这么做的。
在这里我们必需考虑所谓的热力学第二定律:在自然界的过程里,热能只会从较高温处往较低温处传递。而将热能转换成动力的机器(例如太空船引擎)称为「热机」。无论任何热机,都只能将部份的热能转换成机械功,而其余的部分就会成为无法利用的废热流失。世界上没有百分之一百效率的热机,必然会在能量的转换过程中产生废热。
这个定律指出一件事,即太空船在引擎运转的时候必然会产生废热。而这个热讯号在电子光学监视系统的屏幕上将会呈现一个明亮的讯号。因此我们可以这么说:热力学第二定律注定太空船无法不主动放出讯号,也就注定其必然会被侦测到。
接著,由于太空中3k的背景温度和太空船的废热呈现一个巨大的反差,远高于地球表面目标和环境的温差,因此严重凸显了太空船本身的讯号,使太空船更易于被侦测。这使拥有巨大的电子光学监视元件阵列的太空船对于船舰目标拥有极高的被动侦测距离。以前述的GEODSS系统所展现出来的侦测能力等级来推估,配置于太空船上的大规模电子光学监视系统的侦测距离将可以达到数千光秒之谱。举个浅显的例子,这相当于一艘位于地球轨道的太空船可以使用其侦察系统搜获正位于土星轨道上的一艘长一百公尺的太空船(平均距离约十三亿公里,4300光秒)!而该太空船若以每秒一百公里的速度穿越这个距离则总共需时约为150天,即五个月。 且如果使用舰队的集团整合侦察,则侦察距离可以再延长数倍。此外,从热源分布型态上可以大致辨识出目标太空船的型号。
由以上资料可以很清楚的发现一件事,太空船舰,特别是拥有先进侦测系统的军舰的侦测能力将会远远高于其武器射程与船只航程,这在过去的地球上是没有任何前例的。过去从来没有任何侦察单位能够在一个月以上的时间距离外侦测到敌人部队的情况,通常只有数小时的时间距离,只有构成完整组织的军团级、国家级侦察网统合协力下才能勉强获得数天到一周的侦察时间距离/预警时间,周以上的时间距离则通常只能由侦察以外的情报手段才能获得。而太空船舰几乎是每艘军舰都是单舰就具有这种超长程侦察能力,这完全是由于太空特殊的背景环境所导致的结果。
最后再提一下,这里所提到的侦测系统只有电子光学望远镜,不包含其它的系统,比如重力侦检器这一类东西。未来可能还会有其它更有效的东西出现,不过光只这一项,太空战舰就可以用的很高兴了。
又,基于能自动化运作、拥有长时间的宽广空域大量目标监视能力等特性,上述系统除装在太空战舰上,也会装在轨道卫星、太空站、浮游工厂或任何大型的太空平台上。其目的是为了要侦察接近的小行星体以防止自己遭到撞击。而各太空站的侦察平台将会互相分享资料,构成完整的的远太空小行星监视网,并在有需要时对各单位发出小行星体接近警告。此外,对于高速的微流星体、小型碎片与大型尘埃颗粒等防护则将会使用微波雷达在大约五千到一万公里的半径以内进行扫瞄,并使用雷射炮执行清除作业。
以上所说的是军舰使用本身的舰体感测阵列实施侦察的状况。除此之外,也有在必要时使用无人侦察装置实施长程搜索的方法。最简单的方法就是把飞弹拆掉弹头,换装侦察头(较小的球型感测阵列)与通讯装置,并发射到遥远的距离外实施侦察作业。此法可以弥补舰体侦察器的不足。
例如假设舰体感测阵列侦察范围是4000光秒,若想要对于8000光秒外的宙域实施侦察而派出秒速一百公里的侦察舰,需时五个月才能抵达能将目标区纳入侦察范围的位置。若是使用秒速一万公里的侦察飞弹,则大约在发射后70hr后就可以获得目标区的一些资料。虽然侦察飞弹的小型侦察头侦察能力远比不上军舰舰体传感器阵列,可能只能扫瞄飞弹外围数十光秒的区域,但三天后可以得到的少量资料无论如何都比五个月后才能得到的详细资料来的有用。
而敌人的点防御系统虽然有能力拦截飞弹,但距离要近到一两光秒内才有可能,因此若侦察飞弹真的被摧毁,在之前一定可以先发现敌人。
总而言之,这是一种无人的小型高速长程战略侦察机的概念。地球上的长程战略侦察机一定很大,可是宇宙中只要是自动飞船的话,航程就是无限的,因此一两百吨的小行飞弹就可以达到长程侦测的效果。
二、反侦测的策略
相对于太空战舰的强大侦测能力,其反侦测能力就比较低了。
关于雷达匿踪部分几乎可以视为100%,也就是说,宇宙军舰是绝不可能被雷达侦测到的。这不是什么神奇技术,就在今日的地球上,匿踪技术便已经进步到非常接近此种理想的等级。目前世界海军最新型匿踪舰是2001年下水的瑞典 Visby级飞弹巡逻舰,其匿踪能力强大到即使在海象良好的情况下,也要接近到22km才会雷达发现,恶劣海象下搜获距离则会减至13km,如果再配合电子反制措施,上述两种情况下被雷达发现的距离分别进一步降至11km与8km 。这四个数字都低于其上所携带的武器射程,甚至也低于目视距离。而未来在太空战舰上,雷达匿踪能力只会更好不会更差。
最大问题在于对于被动光电侦测系统的匿踪与反侦测。受限于热力学第二定律的根本理论限制,这个问题是无法可解的。所谓天要下雨,娘要嫁人,天意如此,谁都没办法。
有人可能会这么问:「任何定律都可能被推翻,说不定哪里一天热力学定律被推翻,或者出现了新的定律那也未可知啊?」
这个问题问的好,答案是如果哪里一天热力学定律被推翻,那么我们也不需要搞什么宇宙战舰光学匿踪了。因为若是热力学定律被推翻,则死人就可以复活了,到时还匿什么踪打什么仗?
以上这可是千真万确,不是说著玩的。不要以为这是在开玩笑啊^^
闲话休提。虽然做不到被动侦测的光学匿踪,不过也有增加敌方侦测难度的方法。但是需要注意一点,不管再怎么侦测,效果都很有限。绝不会像雷达匿踪一样能达到数千数万分之一,甚至完全匿踪的地步,能把对方的侦测效率降低一半就已经很了不起了。其策略大致如下:
(1)以背著恒星、行星的角度攻向敌人
这是最直接的想法的。这种战术自从飞机发明以来,是蛮受欢迎的战术。不过执行这种战术得要有个先决条件:必须知道敌人的位置,至少大致知道其来向。只有这样才能让自己移动到与恒星和敌人成一直线的位置。也就是说,得先侦测到敌人,或是设定对方行动路线才行。
这虽然有一些难度,但还是有可能的。因为光学系统还是会受到某种程度的逆光影响,因此位置的不同,背光与逆光的差异会让两方的侦测距离产生一些差距。而这不必完全背对恒星行星,相对位置够就会有一些影响。
需要注意的是,这种方法有使用限制,一般只能在火星以内的近日行星使用,即使在火星轨道,日照也只剩地球轨道的一半而已。在远一点的行星轨道,太阳的效果就会降低。而日照的威力是随距离的平方而下降的,在冥王星轨道看太阳时,只不过是一颗比较亮的星星而已。这在航海家二号飞过冥王星后,转身对太阳系作最后回顾时所拍的照片里面可以清楚的看出。
其次就是,即使一艘船在近日行星背著太阳,但不会就因此而使对方看不见自己。侦测系统仍然可以搜获背对太阳的目标,最简单的方法就是使用掩星效果。玩过天文望远镜人应该会知道拍摄所谓「水星凌日」的方法,那就是将望远镜对准太阳,放张纸片在观测位置上,则当水星横越太阳时,其遮住太阳的影子也会跟著投影在纸片上,这就可以清楚的看见「水星凌日」的效果。这种观察阴影的技术就是侦测背对恒星、行星目标的理论基础。
人类不能或是很难用肉眼看见背对太阳的目标,但这可不表示机器办不到。大部分人应该都看过在太空中直接拍摄的巨大太阳的照片,这些照片的存在本身就是最大的证据。
现实中存在有所谓的「太阳观测卫星」,主要工作就是专门拍摄太阳的照片以研究太阳。这一类卫星有NASA的先锋五号(Pioneer-5)、OSO系列一至八号(Orbiting Solar Observatory,轨道太阳观测台),SMM(Solarmax,太阳峰年)、TRACE(Transition Region and Coronal Explorer),NASA和ESA(欧洲太空局)的国际共同合作的SOHO(Solar and Heliospheric Observatory)、尤里西斯 (Ulysses),日本的阳光号等等,甚至连太空实验室(Skylab)都拍了15000多张太阳的照片。
注:NASA的太阳观测卫星SOHO的网站,其中有许多太阳照片
事实上,观测太阳是有必要的。因为观察太阳表面、黑子与日珥的任务是预测太阳风暴的重要程序。太阳风暴会干扰通讯与电子仪器,影响信息流通与交通,特别是民航航线、卫星与太空飞行任务等受到的影响最大。目前NASA与各国的天文台、气象局都会在需要时对一些单位如民航单位、太空单位甚至电信单位等发布太阳风暴警告。而这些警告的主要资料来源就是太阳观测卫星。同样的,太空船舰也需要知道这类信息,而他们的资料来源就是自己观察。
一般要拍摄太阳相片的方法,就是以特殊滤镜挂在望远镜头上拍摄。而光感阵列的电子光学系统则会使用特殊的元件的阵列来拍摄,或者也可以让入射光先透过滤镜。前面曾提到的全频谱同步扫瞄处理流程中就可以同时包含滤镜和特殊光感元件这两种元素。当面对太阳、行星时,入光量检测器会改变线路让入光进入强光对应路径。而背对太阳、行星的目标,就会在明亮背景上留下清楚的影子。
因此背对太阳的方案虽然有其效果,但最多也只能使太空船在这个方向的侦测距离降低一两个百分点而已。不过即使是一个百分点,也总比完全没有好。特别是在双方距离十分遥远,正在进行战略机动的时候,此法还是会有点用处。因此在可能的情况下还是会使用此种战术的。
(2)近距离核爆闪光干扰
因为太阳本身就是一个无与伦比的超级大核弹,因此前述的强光对应机制也可以应用在此种情况下。不过极近距离核爆的辐射线、热能可能会破坏船壳上的某些光接收器(但这不属于干扰而应属于战损)。因此太空船表面会常驻有自动或遥控的机器人修理队,以在需要时即时抽换的方式随时替换修理坏掉的光接收器阵列元件。当然,这些机器人同时也会修补船壳破洞与其它外部受损的系统(如果有的话)。
另外需注意的是,此种干扰方式只在两方交火之后才会发生,或者说属于作战时的附加效果。当两方都处于战前索敌状态,连对方的影子都还没看到时,缺乏射核弹的目标,如此自然是无从对敌加以干扰的。而前述的与星球相对位置的干扰效果则视双方战略位置而定,有可能在交火前就能发挥效用。
(3)释放烟幕干扰
在太空中使用烟幕?这可不是简单的打开瓶盖就好了。首先在超真空的环境中,气体会以极高的速度扩散稀释。其次由于太空船是以极高速度前进,在我们的设定中是秒速一百公里,这一来烟幕需要覆盖的空间就小不下来,连带的量也会十分庞大。
很多SF与FHN(比如钢弹、银英传)里面都有粒子散布的场景,其实其设定里面最大的问题就是粒子密度的问题。比如米诺夫斯基粒子、指向性杰服粒子这些的,到底需要多少才能产生效果?大家不妨计算一下构成粒子烟幕的条件,看看一方公里的空间中需要释放几吨的粒子才能达到需求。若是在一万「公里立方」的「极小规模」战场空间又需要多少吨的粒子。
我们不知各种粒子「战斗浓度散布」的浓度是多少,姑且以地球表面空气密度为基准,标准大气的海平面密度为其质量为每 1.225公斤/立方公尺。以这个密度在一立方公里的空间内平均散布粒子,总共需要 1,225,000吨重的粒子质量。
银英传里的战舰重量多少?查不到资料。不过钢弹倒是有的。鼎鼎有名的原祖飞马级强袭登陆母舰白色基地,全长250公尺,重量68000吨。换句话说,要在一公里立方的空间中释放米诺夫司基粒子,使其达到一般大气空气的密度,所需的质量相当于18台白色基地。
不要忘记,宇宙战舰会以高速前进,所以在小区域内释放粒子是没有用的。假设有一万艘秒速100km的战舰以100公里间隔构成一个垂直正方形。整个阵型在100秒内将会航行前进10000km扫过的体积为一万公里立方,则要在这个方块以标准空气的密度来填满粒子,不管是烟幕、杰服或是米诺夫斯基粒子都行。总共需要几吨的粒子呢?答案是1.225e16,也就是 1.225乘十的十六次方公吨的质量。
我们把标准放宽,把粒子密度降到标准空气的一亿分之一好了。这样可以减去八个零,剩下1.2250亿吨而已。从这个计算,我们可以简单看出在太空中施放烟幕/粒子的可能性非常低。
简单来讲,太空之所以称为「空」,是有他的理由的。
(4)指向光束主动干扰
就是直接用强力光束去干扰敌舰。其性质类似于电波雷达时代使用指向电波实施压制性干扰。此方案的前提条件也是要先侦测到敌人,而且要有足够的目标精确度才行,不然干扰光束无从对准敌舰。故一般只能用在交战时。
一般而言,与其说这是太空战舰主要的作战干扰方式,不如说是也只剩这几个方法而已。此法在执行层面上需注意几个问题:
首先,需要有射控等级甚至以上的精确度。使用雷射主炮对敌人实施干扰,必然是在大于标准的攻击射程的时后。因为如果在射程内,则直接使用主炮打破敌舰就好了,没有必要浪费时间去干扰敌方。反过来想,就是因为敌我距离超出主炮破坏射程无法实施破坏性攻击,所以只能稍微加宽光束试图进行干扰。而虽然光束可以加宽,但距离也变远了,对于精度上的要求将不亚于主炮的射击。一般而言,此种干扰的应该在光束武器破坏距离的两倍之内,大约不会超过10光秒。
其次,每艘船一次只能干扰一艘敌舰。在武器篇曾经提到过,太空中不管敌我舰队,舰与舰之间都会数百上千公里的间隔距离。而战舰等级出力的雷射主炮如果改变焦点把光束放的太宽,则能量密度当然就会降到太过稀薄,无法对敌方产生干扰效果的情况。而雷射光束的能量密度,与光束口径是成平方比的关系。
举个简单的例子,假设某舰雷射主炮实施攻击于一光秒外命中敌舰时,其光束为直径一公尺的正圆形。同样的距离下改变焦点把光束口径增加到一百公尺,则面积将变为原先的一万倍,单位能量投掷密度将会降低到原本的万分之一,若口径增加到一公里,则能量密度更会降低到一百万分之一。显然若光束太宽,能量密度就会低到无足轻重,甚至不能迫使对方的传感器进入强光对应机制。因此只能实施一对一的干扰。
最后,由于双方的军舰传感器都会有强光对应机制,因此这种方法的效果和背对太阳一样,只能降低对方几个百分点的感测距离。又由于非得在近距离使用不可,所以实际上的用处甚至比背对太阳还小,是一个典型的有效果但没用处的例子。
最明显的例子就是,假设敌舰侦测距离是两千光秒,则背对太阳可能让对方侦测距离减少个几十上百光秒,在双方距离遥远时还有点用处。可是当双方距离只有十几光秒即将要交战的时候,再怎么干扰都没什么用处,就算很神奇的能让对方侦测距离少一半好了,可是两千光秒的侦测距离减掉一半也还剩一千光秒,而目前敌我距离却只有十几光秒....
(5)以诱饵混淆
这个是比较实际的方法。充气模型做的好的话,会有相当程度的效果。但需要注意不能用单纯的充气模型,要能有相应的放热能力,否则在红外频谱的侦测时就会曝光了。另外,也不能用什么热焰弹,这不要说在未来,就是现在也骗不过新型的焦平面凝视阵列寻标头。至于金属片则是用来干扰雷达的,对于不用雷达的家伙就象是垃圾一样。诱饵一定得做的有模有样才行。
比较大的问题是,当对方以全频谱感测将资料互相比对时,模型就很容易露出马脚。全频谱感测除了使用全频宽带元件之外,也可能是在阵列中整合了分别涵盖各频段的不同元件,在之前的侦测系统构成的描述中有提及。
其实这是个人类常犯的想当然尔的问题。因为在人眼来看,只要形状颜色一样,其它的就分不出来了。不幸的是,机器的眼睛并没人的肉眼那么逊。人类肉眼可见光波段在400——800nm,使用波段在 800——1500nm的近红外线以及350nm——100nm紫外线频谱,就可以在一定程度下看出物体的热源与材质特质。换句话说,诱饵除了要有可见光波段的伪装外,还得在针对另外这两个频段区域进行伪装。而最大的问题是,这种伪装方法并不容易。
这是因为在化学里面,有种叫做光谱分析的技术,常被用在天文观测上。此种技术是观测物体发射或反射的光线,其学术名称叫做「发射与吸收谱线」,从差异中检查出其构成元素、温度,有时甚至可以从光谱红移或蓝移规模估计出目标的速度与方向。几十年来人们使用此种技术来分析数千万光年的星系构成的物质,要分析数百上千光秒外的物体构成当然是轻而易举。而发射、吸收谱线是物质的一种物理特性,只根据观察目标的构成元素而定,因此是无法伪装的。
换句话说,诱饵不但形状大小与发热量要与真货相仿,连表面材质也要一样才行。最坏的情况是,你需要为诱饵准备一个外壳。虽然很薄,但材质却要与己方的舰艇相同,这会造成诱饵的制造、携带与布放难度大增。
不过,也不是完全没有机会。有个构想就是在所有船舰表面上一律漆上指定涂料,而诱饵则是用模型气球喷漆。这一来就可以使模型诱饵表面的材质反射率与真货一致化,如此就能有某种程度的鱼目混珠的可能性。
当然,模型诱饵里面热源产生器等辅助装备是必要不可缺少的,而且放热特性、热源分布必须与模拟的真实舰非常类似,否则是马上就会被看穿,不是随便放个怀炉在里面就可的。因此模型诱饵的重量与成本都会达到某个程度,携带数量就会受到很大的限制。
附带一提,环境对于模型的使用也会有很大的影响。比如在内行星区域就必需考虑恒星照射对军舰与模型诱饵的加热程度差异问题。这也会影响模型诱饵的运用。
需注意的是,使用模型诱饵对降低被侦测率没有任何帮助,它只能增加敌人的目标,帮忙分散敌人的炮火而已。所以通常只能用在交战或即将进入交战时。如果在敌人还没出现就放出模型,从整个舰队的角度来看等于热点增加,反而会增加舰队的被侦测机率。
在这里必须提到一件事,地球环境中有所谓的「热辐射匿踪」的考量。因为热辐射也是(或者将是)导致被侦测的重要因素。在大气环境中有所谓的「大气窗口」,也就是某些波长的电波/辐射线可以传播很远的距离,而其它波长的电波辐射则会很容易被吸收,无法传播很远。而匿踪载具应尽量避免在窗口波长释放辐射,可能的话,最好将辐射波长特性改变,使其偏移窗口而能很快被大气吸收,如此方能不虞被远方敌人侦测。
故美国在匿踪飞机上除了设法降低排气温度外,往往也会使用特殊材料或涂料来喷涂热点。此法不会降低热能辐射总量(此值只受温度影响,是理论限制),但有可能改变辐射的波长,使其产生偏离大气窗口的效果。这就是所谓的「抗红外线涂料」的运作原理。不止飞机,目前许多军舰、战甲车都有使用这一类的涂料来提高对抗红外侦测的隐身性。
不幸的是,太空中没有大气,因此也就没有可以吸收特定波长的窗口可言。故太空船抗红外线涂料就算涂得再多也无法降低被侦测率。这也是太空中匿踪困难的另一个重要因素。
最后诱饵除战斗时用以欺敌外,拿来执行战略层级的欺敌作业也是可以的,这是太空环境的特点。整只诱饵舰队只要放出去排好阵型,就会持续惯性前进,这时主力舰队可以转弯走别的路线进袭。这种作业一般应该会在数十至上百光秒外执行,也有可能在数千光秒外实施,以将敌人舰队引诱至错误的方向。
(6)主动热能转向储存系统
这是可行性与效果比较高的匿踪方法。其所依据的理论一样是热力学第二定律。热力学第二定律里除了提到热机外,还有另一种相反过程的装置叫做致冷机(Refrigerators)。 其操作程序为外界对它做功,让它能由较低温的热库吸取热量,并将它完全排放到较高温的热库中。与没有100%的热机相同,我们也不可能制造出理想的致冷机,整个过程只是从较低温处吸取热量,并将它完全排放至较高温处而已。致冷机的最简单例子就是电冰箱与冷气。
简而言之,太空船动力系统属于热机的一种,其散出的废热将使其极易遭受侦测。若在太空船上针对某些热点装设致冷机吸取其热能,并将热能储存在船舰内的热库中,则太空船对外散出的热能就会降低,从而降低其被侦测的可能性。例如假设太空船启动致冷机之前,船本身的热平衡使船外壳平均温度达到320k,启动致冷机之后,则有可能将船外壳平均温度降低到300k。此时船体的辐射热将会降低,可降低己舰遭到侦测的可能性。
但此种致冷程序将会造成一个现象,即将外壳热点维持在一个较低水平的同时,舰内热热库所储存的热能(即其温度)将会逐渐提高,当热库温度越高时,致冷效率将会逐渐下降,所需投入的能量将会越来越多。而到一个极限时将会需要关闭致冷机,实施放热作业将热库能量一次放出。此时船舰的平均温度将会在短时间提高很多。
简而言之,这是一个主动的热能转向系统。可以投入能源的代价在一个时间区段内暂时储藏热量以降低船舰的被侦测性,并在时间结束后将热能全部放出。换句话说,这是一个限时的有限程度匿踪系统,效用维持时间视船体与装备的不同,应该在数小时到十数小时左右。
此种匿踪系统的最佳开启时期应该在船舰加速到最高巡航速度并将航向指向预定目标后,关闭主引擎(或使之维持低功率运转)实施惯性飞行一段时间,此时船体热平衡温度将低于加速时期。在这时使用超导电池所储存的能量来驱动致冷机,使船体温度与热讯号进一步降低,在致冷机运转的时间内争取潜进目标与及早发现敌舰的机会。并在双方交火或己方确定被侦测后,才关闭致冷机实施放热作业,并重新启动主引擎。
需注意致冷机的效果有其限制,当热库与冷库温度越高时,效率将会越低。同时也不可能把一艘平均温度在320k(摄氏46.5度)的太空船冷却一两百度到220k,因为有热库相对质量容量限制的缘故。一般对一艘大型军舰而言,至多降低数十度,并维持十个小时左右。
至于温度下降获得的效果,可参考热辐射公式:
Eb=αT^4α=Stefan-Boltzmann constant
从公式可以看出,同一物体之辐射热能与温度的四次方成正比。假设主动热能转向储存系统将船壳平恒温度降低20度,从320k降至300k,辐射量将降为原先的77.24%。若能降低40度,则辐射量将降为原先的58.6%
从以上的公式亦可看出,起始温度对于效果也有重大的影响。例如若维持同样的降幅,但起始温度从320k提升至420k,则温度降低20度与40度带来的新辐射热量将分别为82.27%与67% ,可看出虽然温度降幅相同,但辐射量减少的效果明显降低了。这种情况指出一个重点,即在近日行星附近的日照强烈使船壳温度大增的情况下,主动热能转向储存系统的效能将会受到很大的影响。
而这一类主动热能转向储存系统一般只能装备在具有较多的超导电池与较大热库容量的中大型军舰中。基本上越大型的军舰,除电池与热库容量较高带来的较长热能转向时间外,亦可提升致冷机的效率使船体平衡温度降的更低。基本上这就象是大冰箱通常能够比小冰箱来的冷一样。
需注意的是,是,军舰在降温前的平均温度不会因为大小不同而有太大的差异,因为较大的军舰虽然需要消耗较高的能量,但同时也有较大的质量来平均吸收废热使船壳温度不致大幅提升。简单的例子是甲乙两桶水,甲桶一公升,乙桶十公升,两者质量相差十倍。假设对甲输入热量一千卡,乙桶输入一万卡。虽然输入的能量有十倍差距,经由质量差距加以平均,两桶将同样上升一度。
事实上,如果就能量使用效率来分析,一条十万吨等级军舰平时运转消耗的能量将不会达到一万吨等级军舰的十倍。因为规模的增加不只增加消耗的能量,同时也会使能量利用效率也跟著增加。这是工程学与经济学上的有趣现象。当然这指的是平常航行时,而不是装备特殊武器并予以发射的情况。在平常的情况下,一条大船的温度可能反而会比小船低一点点,差个一度半度左右。
到此我们可以大致描述使用此种主动热能转向储存系统的效果。从对方侦测系统看来,较大的军舰可能是轮廓大而黯淡模糊的光点,较小的军舰则会是较小而较亮较明显的光点。因此而会出现较小的船舰反而比较大的船舰容易被侦测到的奇异状况。
最后,此种主动热能转向储存系统在运转时所能获得的匿踪优势,应该直接正比于其降低的辐射热量。在遭到侦测距离的降低效果视环境而言,大约在10%至40%之间。最后必须再强调一次,由于需要把储存几小时的热量在相对较短的时间内放出,此系统启动超过时间限制后的强制散热作业会反过来把被侦测距离提升数倍之谱。
综合以上的方案,在战斗前的索敌阶段,大约只有(1)(6)两项可以同时实施,并使被侦测距离减少10%至40%之间(但有时间限制),或许亦可以因此而获得一个先开火(使用飞弹)的机会。战斗发生后,则执行(2)(5)两项以欺敌,降低自己被击中的机率。其中(5) 具有战略性欺敌的意义,也可能提早使用让舰队获得战术乃至于战略优势。至于(3)(4)则不切实际或是意义不大。
不过客观来看,减掉一二十个百分比,甚至假设能减掉五十个百分比的被侦察距离,并不会因此而获得多少的优势。这是因为初始基数太大的关系。例如十三亿公里,4300光秒的被侦察距离就算减半,也还剩下至少六亿公里/2000光秒,七十天的航行距离。此时固然可以先敌侦测、发射飞弹,但也有可能因此而被发现,因为飞弹发射的加力燃烧阶段将会放出相当大的热讯号。
飞弹上当然不可能装设大规模的冷却系统,但是小规模的或许做的到,如使用瓶装液态氦释放的方式可以提供某种程度的降温冷却效果。当然这也是有其限度的。且携带液态氦会占去一定程度的酬载重量。
最后提一下现代军舰、战机的雷达匿踪效果以做为比较参考。第一代匿踪舰拉法叶的设计使其RCS降为传统军舰的5%左右,最新第二代的Visby则降为0.001%。至于空军方面,新一代战机设计可使RCS降为传统的10%,匿踪强国老美新型机F/A-18 E/F降为传统机的%1,最先进匿踪机F-22则降到传统机的0.01%以下。至于红外线匿踪效果就差了许多。
附带一提,由之前的讨论中也可发现出一个有趣的事实,也就是即使不使用主动热能转向储存系统或是其它任何反侦测作为,一般太空船随著位置的不同,其被侦察率就会有很大的差别。比如说前述的420k(摄氏146.5度 )与320k(摄氏46.5度)两个温度基本上可以视为同一艘船分别在地球轨道与火星轨道时的船壳温度。而后者的热辐射量仅为前者的 33.7%。这也就是说,在近日行星因为恒星照射导致的船壳平衡温度上升,使船舰被侦察机会(或是被侦察的距离)可能达到位于远日行星轨道时的三倍之谱。距离恒星越远日照影响越少,则被侦察的机会就会下降(即使敌我距离依然相同)。但需要注意的是,这种下降的效果会递减,而且是有其极限的。因为当太空船完全排除日照加温的问题时,本身还是会有引擎废热产生的温度。就算把引擎关掉,也必须用电池维持维生系统继续运作,否则船员就会死亡,所以仍然会有废热散出(当然这会比开引擎时的温度更低)。而完全没有热量散出的船显然就是幽灵船了.....
三、太空中的长程通讯
如何在广大的空间中进行通讯始终是一个问题,特别是基于军事需求的通讯更是如此。除了要使想通知的对象知道自己在说什么之外,还得防止不想通知的对象知道自己在说什么,而讯息的内容又要穿越广大的空间。在星球上通讯可能会受到天候地形等因素的影响,但在太空中,距离本身则是最大也是最主要的障碍。
举个简单的例子,地球距离月球约1.3 光秒,其间的通讯延迟已经明显到足以影响某些军事用途上的即时资料链传输了。且此种距离产生的通讯延迟问题是无法避免的。因此通讯延迟的问题会将舰队的疏散距离限制在某种程度内。基本上不会大于一光秒。
此外,除了通讯延迟之外,还有讯号随距离衰减的问题。不过考量前述对于微弱讯号的高度侦测能力(前面提到的对远方目标侦测能力,事实就是对目标反射/发射光讯号的侦测接收能力),以及太空船能够提供的出力,这方面问题并不大。
至于通讯的方式则会以指向无线电,或是指向光通讯为主。舰队里舰船间的联系会用低功率雷射,或许就直接用点防御的雷射炮塔来实施,以定时的光束通讯网的节点通讯将整个舰队连结起来。至于对星球、太空站这些固定基地长程通讯则两者都有可能。不过长程通讯容易被截听(即使是使用指向性电波、光束也是如此)而导致泄密,因此应该会尽量避免。
至于长程通讯的距离,事实上可以轻易跨越整个恒星系。最近的例子就是离开太阳系的航海家二号,它在飞越冥王星之后,仍能接受地球来的通讯,并将最后拍摄的照片传回 110亿公里以外的地球。而此时其所使用的钸电池仅剩下数瓦的功率输出,相当于一支手电筒的出力。当然地球方面在接收此种功率时,必须使用位于波多黎各,口径达三百公尺的超大型射电天文望远镜,甚至考虑使用地面台与卫星同步接收以产生具有超大口径接收器的接收效果。换成是太空船的话,则没有电力不足的问题,可以使用数百上千瓦的指向天线在整个星系内实施直接通讯。
此外,要对远方舰队提供战略性的指示,也有可能使用改装的通信用飞弹来实施,以减少遭通信内容遭截收的可能性。所以说飞弹的应用层面是很广的。将原本设定中的50/100吨级、秒速一万公里的飞弹拆除攻击用弹头,装上小型指向电波/通信天线,则由于弹头重量大幅减轻带来的质量比增加,速度有可能进一步提升。而这一类飞弹可以在数十个小时*到数千上万光秒距离外,与附近的舰队进行资料链接传送信文。信文传送完毕后,通信飞弹可以定时或在舰队遥控下就地引爆以保持电讯内容的秘密。
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