本文编译自米切尔研究所发布的一篇研究报告——《小型卫星：响应太空优势的号召》。该文指出了发展小型卫星对美国实现“竞争耐力”和争夺太空优势的重要性，并多次提出了有关中俄的太空威胁论，最后对小型卫星的发展方向和优化提出了几项关键建议。
俄罗斯和中国进击太空的雄心正受到高度关注，他们意在抵消美国在太空中的关键优势。鉴于当前的环境威胁以及美国的对手在正以惊人速度提升其太空实力，美国国防领导层现在已认识到并承认，美国需要争夺并维持太空优势。
为了达到实现太空优势所需的水平，美国国防部和国会必须授权太空部队获得必要的资源和权限，以充分挖掘小型卫星的潜力。这意味着未来要大量增加小型卫星的数量以提高太空架构的弹性，从而“抵御先发优势”。除此之外，要实现太空优势还需要以多种方式来利用小型卫星的潜力。
近期的转变，主要是认识到太空是一个战争领域，卫星技术的进步、发射成本的降低、以及发射节奏的加快使得部署小型卫星变得更加可行和实用。领导人认识到，美国需要确保其在太空上的优势，以应对日益增长的威胁，这即是国家支持太空部队和美国太空司令部的主要原因。支撑这一转变的一个驱动因素是，人们愈加认识到，太空优势是一个越来越重要的条件，必须被有意地保护和维护——就像我们努力通过空中优势来维持对地球上其他区域的通连一样。正如前战略司令部指挥官凯文•奇尔顿将军解释的：
这种范式转变所带来的挑战是独特的，特别是考虑到中国和俄罗斯都在多年前就已经开始挑战太空领域，而美国才意识到威胁性质的变化。对美国太空司令部来说，好消息是存在快速调整和发展太空能力以适应威胁和任务需求的选项。为此，该部必须致力于充分发挥新一代小型卫星的全部潜力。由于计算能力的提升和发射成本的下降，这些因素显著降低了准入门槛，小型卫星现在成为了可行的作战平台。许多新市场参与者和传统公司已经展示了小型卫星的创新能力和成本效益高的运用策略，提供了包括遥感、通信、导航、地面环境监测、导弹跟踪和区域态势感知在内的广泛服务。在政策方面，工业界也应该被允许发展进攻和防御能力，以争夺并保持太空优势。
采取行动的必要性很明确。中国和俄罗斯并未因美国缺乏太空优势能力而安于现状，反而因美国传统太空架构的脆弱性而感到斗志昂扬。这两国都在部署各种动能和非动能反卫星武器（ASAT）2。能够摧毁卫星并产生长期存在的碎片的动能武器尤其成问题，并对其他卫星和航天器构成了严重威胁。事实上，某国在2007年的反卫星导弹发射试验产生了3000多块太空碎片，其中大部分仍然存在，并将在轨道上停留数十年3。这些陆基反卫星导弹最有可能用于打击近地轨道（LEO）目标，但某国在2013年发射的一个物体达到了30000千米的高度，这意味着其可能潜在触及远至地球同步轨道（GEO）的卫星。那里是美国许多精密传统卫星系统的轨道——包括其早期预警和通信卫星4。当前，某国正持续发展动能反卫星武器能力5。
俄罗斯同样加速了其反太空项目，并提升了其直接上升和共轨反卫星能力。例如，在2019年，俄罗斯部署了一个“俄罗斯套娃”卫星来跟踪一个敏感的美国国家安全卫星。除了其能够追踪和监视美国太空设施的能力外，人们还担心这种能力可能会故意与美国卫星相撞以，进行动能杀伤6。在2021年11月15日，俄罗斯还使用直接上升反卫星武器击落了其在近地轨道的Cosmos 1408号卫星，这产生了超过1500块太空碎片7。在2024年2月，有报道称俄罗斯正在开发一种核反卫星武器，推测目标是针对日益增长的美国在近地轨道的卫星架构。此外，在4月，俄罗斯否决了一项呼吁成员国遵守《外空条约》禁止在轨道上部署核武器的联合国决议，致使在欧洲持续的战争中造成了更紧张的局势，并引发了对核反卫星武器的担忧8。正如前国防部负责太空事务的助理部长约翰•普拉姆博士在2024年5月指出，太空中的核武器是“一种无差别的武器；没有国界；并不会区分军用卫星、民用卫星或商业卫星。”9
美国的对手也在迅速部署非动能反卫星武器，包括激光、干扰器和网络武器，这些可以在不造成物理损害的情况下暂时或永久地使卫星瘫痪。自21世纪初以来，中国人民解放军已经在两个地点部署了至少两套陆基激光系统，能够暂时关闭或永久瘫痪卫星10。2006年，解放军故意照射了一颗美国国家侦察办公室（NRO）的卫星，美国官员称这是一次“测试”。同样，广泛发展的下行和上行卫星干扰技术也已“经过测试”11；俄罗斯在乌克兰对星链卫星进行了广泛的局部下行链路干扰，据报道俄罗斯的Tirada-2移动电子战系统可以对通信卫星进行上行链路干扰，这可能导致永久性损毁12。网络攻击或许是针对太空系统最严重的非动能攻击方式。因此，正如太空发展局的图涅尔博士指出的，无论该卫星群是否扩大，网络攻击都可以成为整个卫星群的“常见故障模式”13。这些威胁加在一起，强调了改变太空作战范式的必要性，必须建立一个更有稳定性和灵活性的太空架构，增强反应能力和实力。
随着威胁的增长，应对它们的手段也在增加。生产能力和计算机处理能力的进步、发射成本的降低以及蓬勃发展的太空工业界，使得用小型卫星建造一个弹性架构在技术上和经济上都是可行的。新的太空能力现在可以以前所未有的速度加速开发、测试和部署。这在轨道上带来了快速发展和升级。
为了更好地理解小型卫星如何保持竞争耐力和太空优势，需要了解小型卫星是什么以及它能提供什么优势。小型卫星是一类比传统卫星小得多、轻得多的航天器。这个看似简单的定义掩盖了它们所带来的全部功能。例如，大多数小型卫星通常重约100-200千克，当然，也存在非常轻（小于1千克）和非常重（600-1200千克）的小型卫星。小型卫星的大小可以从信用卡大小到标准冰箱大小不等14。像天基红外系统（SBIRS）导弹预警卫星或Milstar通信卫星这样的传统防御卫星通常有校车那么大，重量可达2500千克或更多15。仅大小的差异就与更易生产和更低成本有着根本的相关性16。
许多小型卫星也遵循标准化的形式因素（即大小和形状），这有助于快速组装，并简化发射和部署过程。将卫星设计为通用的外形尺寸以降低进入门槛，使小型卫星的建造速度更快、更具成本效益。随着小型卫星技术的不断进步，这些标准化的外形尺寸将越来越能够执行重要作战任务。
第一个促使小型卫星大规模生产的通用形式因素是立方星（CubeSats），它们遵循标准化的大小和形状，使用每边10厘米的“单元”。一个单元，或1U立方星，仅重约1-1.5千克（2-2.5磅）。这种标准化的形式因素以及随后发展的多微型卫星轨道部署器（P-POD）的开发，可以很容易地安装到发射载具上，使得立方星能够广泛部署在通常用于将更大、更传统的卫星送入轨道的发射器上17。因此，自1998年引入以来，全球已发射了超过4000颗立方星18。此外，立方体形式的模块化使卫星建造者能够在一系列灵活的设计方案中快速、经济地建造卫星，从1U扩展到27U19。这彻底改变了太空经济的关键部分。
小型卫星与传统卫星的大小对比
来源：Mitchell Institute and Air & Space Forces Magazine
改进型一次性运载火箭（EELV），首次于2002年发射，为小型卫星创造了另一种被称为改进型一次性运载火箭次级有效载荷适配器（ESPA）的共享发射机会20。最初的ESPA设计在其周边有6个端口，每个端口可以承载多达180千克（396磅）。较小的卫星也可以在一个半ESPA配置中共享一个ESPA端口。这些ESPA级别的卫星有效载荷具有标准化规格，使得集成化更容易，并能够让小型卫星独立于主卫星和运载火箭进行设计和制造21。这种方法的首次使用是在2007年的太空测试计划STP-1任务中，该任务将6颗实验卫星送入两个不同的轨道。
ESPA提供的部署和承载选项的通用性增加了太空部队卫星作战的灵活性22。有效载荷可以在ESPA上保持连接并获取电力、通信和保持定点，或者它们可以作为自由飞行的小型卫星在ESPA上部署。ESPA级别的卫星或承载有效载荷可以留在主有效载荷附近或被放置在其他轨道上。还有一些设计有额外推进能力的ESPA变体。至少在2027年之前，太空系统司令部将继续在快速轨道太空技术评估环（ROOSTER）项目采取这种做法23。新兴的发射供应商正在探索类似的做法。
立方星和ESPA级别卫星的结合所实现的标准化，扩大了小型卫星的采用和发射机会。标准化的属性和接口对于小型卫星的快速开发和部署与较低的制造成本同样至关重要。它们未来还将作为混合架构的一部分融入新的任务领域。
通过几种标准化的立方体卫星配置，各种用户都获得了进入空间的权限
来源：Mitchell Institute and Air & Space Forces Magazine
另一个促进小型卫星增长的关键因素是更低的发射成本。在2010年代初，随着发射和在轨卫星总数的扩大，发射和卫星开发成本开始大幅下降。2015年，SpaceX实现了其首次成功的垂直着陆并回收火箭的第一阶段助推器，这是一个改变竞争规则的里程碑。由于助推器占据了发射成本的很大一部分，能够重复使用昂贵的工程和制造产品节省了大量的时间和资源，最终降低了每磅有效载荷的整体价格24。如今，“猎鹰”9号火箭能以每磅约1200美元的价格将有效载荷送入近地轨道。相比之下，2011年退役的航天飞机项目向近地轨道发射有效载荷的成本高达惊人的每磅3万美元25。虽然SpaceX的“猎鹰”重型和正在开发的超级重型火箭，如SpaceX的星际飞船、ULA的Vulcan和BlueOrigin的“新格伦”火箭旨在以低成本提供大规模运载力，但像RocketLab、Relativity和Astra等许多其他发射公司现在也在竞争着提供经济实惠、专用、且可短时间内通告的小型卫星发射服务。这一发展的积极影响不可低估——它改变了进入太空的意义。
降低发射成本，从而拓宽进入太空的渠道，已经刺激了工业增长，使得能够开发由相对小型、经济实惠的卫星组成的大型卫星群。例如，SpaceX已经为其星链宽带互联网网络发射了超过5000颗卫星，并计划最多发射42000颗26。Planet的地球观测星群最近超过了200颗卫星，而HawkEye 360旨在运营总共60颗卫星来地理定位射频信号，用于获取信号情报27。这些新功能，作为提供全球持久覆盖的大型卫星群的一部分，由于减少了冗余和一些子系统，比传统系统更精简，使得开发和生产时间线更短。随着更频繁的发射，这意味着能够快速整合以前难以想象和无法获得的新技术进步。较低的发射和卫星制造成本以及更短的开发时间线意味着小型卫星是实用且可取的。
过去20年发射成本的降低增加了小卫星的发射机会
持续小型化和商业化的启用技术——范围从卫星总线到微处理器和传感器——也正在催生比以往任何时候都更强大的小型卫星。因此，美国国家勘测局最近制造了整个有效载荷，其重量与10-15年前的一些传统卫星组件大致相同28。这对美国国家安全太空架构的重要性在于，无论是单独个体还是作为一个卫星群，小型卫星现在可以匹配十年前像巴士大小的卫星的能力。
降低发射成本和小型卫星如何改变卫星开发的范式
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