紀永添專欄:太空爭霸的序曲──太空無人機與高能雷射

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隨著科技的進步,武器的嬗遞與發展也不斷加快。冷兵器使用了上千年,樣式改變不大,但槍械發明後,才短短幾百年,已經歷過數代的革命。巨砲戰艦出現才剛百年,就被航空母艦所取代,戰機更在不到百年之間,從簡陋的木製飛行器變成先進的超音速匿蹤資訊平台。可以預見,未來戰場的改變會更快,武器系統與作戰邏輯將不斷出現翻天覆地的進化。特別是目前世界各國紛紛在積極發展的太空軍、無人機(UAV)與高能量武器(High energy weapons),已經讓我們可以預見高科技戰爭的樣貌。雖然現在這幾個領域看起來關連性還不大,但在各自發展成熟後,將會出現能快速進入地球軌道並自由換軌的太空無人機,並搭載高能量武器,徹底改變人類對戰爭形態的認知。這彷彿是科幻電影般的畫面,距離成真只剩下一步之遙。

太空作戰的三個階段

一般認為太空作戰的發展,將會有三個階段。第一個階段是太空武器還無法直接攻擊敵方的傳統軍事目標,最多就是干擾或擊落對方的衛星系統,以破壞敵人的通訊、全球定位或偵照能力。第二個階段是太空武器可以攻擊敵方目標,不過威力還不足以摧毀敵方的所有部隊,特別是擁有裝甲或反制系統的單位,但已經可以牽制敵方活動,形成局部的戰術優勢。第三個階段是太空武器能完全主宰各個戰場,決定雙方勝負,成為關鍵性的戰略武器。而各國所成立的太空部隊,目前正逐步進入第一階,開始具備干擾或擊殺敵方衛星的能力。不過現在的攻擊效率還不佳,原因在於從地表發射的反衛星飛彈(ASAT),攻擊低軌道衛星的成功率較高,但攻擊高軌道衛星則較為困難。若直接在軌道上部署殺手衛星,除了技術難度較大,也非常昂貴。

不過隨著無人機的快速發展,與各種進入地球軌道的技術正逐漸成熟,太空無人機的出現,只是時間早晚的問題。太空無人機有幾個非常特別的優勢,首先是不必考慮維生系統,過去太空任務非常昂貴的原因之一,在於必需花費極大的資源在太空人的維生系統上,為了確保這些維生系統能安全無虞,測試的時間漫長又瑣碎,讓太空任務的發展緩慢又充滿限制。但沒有操作人員的太空無人機,沒有這方面的問題,不用擔心發生意外,會折損寶貴的生命,可以大膽執行更有挑戰性的危險任務。同時,太空無人機不必顧及操作人員的生理限制,在太空中執行任務的時間可以大幅延長,不用頻繁的發射與回收,大幅降低操作成本。就以美國目前實驗中的X-37B太空無人機為例,已屢屢打破在地球軌道上連續執行任務的最長時間記錄。

美國目前實驗中的X-37B太空無人機。(湯森路透)

無人機已朝向便宜、可消耗性發展

此外,無人機已慢慢朝向便宜、可消耗性的方向發展,不一定要再回收。太空任務中重返地球的過程是最危險的,因為太空飛行器與大氣層的高速摩擦,將產生高熱,一不小心就會燒毀太空飛行器。為了避免這樣的問題,要設計各種隔熱或減速裝置,而能直接拋棄的太空無人機,不只大幅降低建造成本,在超過使用期限後,可像廢棄的人造衛星一樣,直接在沒有保護的狀態下重返地球,在大氣層中完全燒毀。同時,目前各國也正在全力研究,要如何以人工智慧來輔助操作無人機,相信未來很快就會應用在太空無人機上。這能讓地面控制站的工作變的更為簡單,不必像現在一樣,必需耗費龐大的人力與物力。這些發展會讓發展太空部隊的門檻降低,有可能打破過去太空領域被少數幾國壟斷的情況,使太空戰場變成兵家必爭之地。

美國目前實驗中的X-37B太空無人機。(湯森路透)

至於高能量武器並不僅僅侷限於雷射,還包括高能微波、電漿武器等,也被通稱為定向能量武器(Directed energy weapon)。目前高能雷射已被安裝在大型軍艦與軍機上,用來進行各種作戰測試。高能微波有攻擊範圍大的特點,能一次對付大批無人機的蜂群攻擊,電漿武器可在瞬間以高溫破壞目標,攻擊力驚人。這類型武器的最大特點,是用來攻擊的能量波是沒有重量、沒有聲音的,甚至有些肉眼還看不到。這對於運送任何一公斤物品上太空都要斤斤計較,或讓任何物體從地球軌道上重返地表,都充滿風險的作戰環境來說,是幾乎完美的武器。不過現在電漿武器還不成熟,高能微波的破壞範圍大,唯一最可行的是高能雷射。特別是雷射的特性,可以隨意合併或分散雷射光束,以控制威力的強弱,攻擊的精準度也是別種武器難以企及的。

高能雷射比反衛星飛彈更有效率

安裝在地面上的高能雷射,可以用來干擾或擊毀太空軌道上的敵方衛星,遠比反衛星飛彈更有效率。而安裝在太空無人機上的高能雷射,除了一樣能對付敵方的衛星外,還有居高臨下的優勢,能擔任反飛彈預警與防禦的任務。尤其是速度更快的極音速(Hypersonic)飛彈已逐漸成為最具威力的攻擊武器,超過五倍音速的速度,目前傳統的地對空飛彈很難有效攔截。只有速度更快,達到光速的高能雷射,才比較有辦法反制。直接從太空中擊毀來襲的極音速飛彈,恐怕會是未來最有效的方法。高能雷射這種能量武器,只需要有電就能作戰,不需要一直補充彈藥,更是極大的優點。唯一的問題是如何在太空中取得充足的電力,目前的人造衛星多數依賴太陽能或是燃料電池,但這兩種方式都沒有辦法提供高能雷射所需要的龐大電力。

電力供應是高能雷射的最大瓶頸,小型戰機與船艇無法安裝高能雷射,就在於沒有空間安裝大型發電機,提供充足的電源,人造衛星或太空無人機就更難以達到供給電力的最低門檻了。不過就像許多新型武器剛剛出現時,都笨重又效率不佳一樣,高能雷射未來一定會朝緊緻化、節能化發展,會變的更小、更省錢,能安裝在小型戰機與船艇上。同時隨著太空科技的快速發展,各國也正在努力研究如何為太空飛行器提供充足電源。除了研發更有效率的太陽能板與燃料電池,也嘗試利用雷射或微波,對人造衛星進行遠距離無線充電。美國則計畫發展使用核動力引擎的太空飛行器,並已跟三家民間公司簽約,展開初期的研究工作。採用核動力引擎也代表幾乎無限的電力供應,安裝高能雷射將不再是夢想,這些技術會在不遠的未來快速成真。

在全世界搶進太空之際,曾經登月成功的美國,擁有最雄厚的科技基礎,其蓬勃發展的民間太空公司,是他國所難以望其項背的重要資產。如最為著名的太空探索技術公司(SpaceX),由馬斯克(Elon Musk)所創辦,在火箭回收使用的技術上獨步全球,目前已開始承攬許多衛星發射工作,如台灣的福衛五號與福衛七號衛星,都是委由該公司發射。由世界首富貝佐斯(Jeffrey Bezos)所創立的藍色起源公司(Blue Origin),則致力於太空旅行,已完成人類歷史上第一次的商業太空之旅。另外如維珍銀河(Virgin Galactic)、螢火蟲航太(Firefly Aerospace)等民間公司,也都致力於研發新技術,以爭取太空商機。更不用說美國強大的軍事工業集團,如波音(Boeing)、洛克希德.馬丁(Lockheed Martin)等,早就涉足各種太空技術與軍用人造衛星領域。

維珍集團(Virgin Group)創辦人布蘭森(Richard Branson)搭乘維珍銀河號(Virgin Galactic)上太空並順利返回。(湯森路透)

美國太空軍擁有充沛的技術支援

美國如此自由的發展環境,甚至讓民間太空公司的部份技術,開始領先美軍與航太總署,也讓美國剛剛成立的太空軍,擁有充沛的技術支援。別的國家完全靠政府的力量與資源來發展太空部隊,或許在某幾個特定領域,可以取得領先,但在長期競爭上,則處於非常不利的位置。一旦太空產業能形成商業規模,那目前的許多技術問題,一定會快速被克服。太空無人機的發展,也將完全超越我們的傳統認知。如目前正在發展中的計畫,就有利用低軌道太空無人機,來取代人造衛星的想法,其成本遠較發射人造衛星要低許多。或是利用大型無人機在高空中發射太空無人機,直接進入地球軌道,進一步節省發射火箭的成本。而正要起步的極音速飛機(Hypersonic plane),也一定會推動高空極音速無人機的發展,甚至直接突破大氣層的限制。

回顧美蘇冷戰,是以太空競賽為起點,兩國比拚國力,不止促使許多科技領域快速萌芽,也徹底改變了世界。今日的美中新冷戰,似乎也以太空高地的爭奪戰拉開序幕。美國成立了太空軍,中國則將太空戰的領域,劃入剛成立的解放軍戰略支援部隊(SSF),雙方都投入龐大資源來爭取領先地位。美國不斷圍堵中國取得最新科技的管道,已經從晶片、通訊等領域,來到了航太材料、生物技術、人工智慧、無人機等。最新的發展是宣布將制裁中國的大疆創新(DJI),這也是目前全球最大的民用無人機製造商。美國指稱大疆創新不只協助中國在新疆迫害維吾爾族,也與解放軍有很深的關係。中國一向以「軍民合用」的方式來加速其軍事發展,這並不令人意外。美國的制裁勢必會影響大疆創新的未來,間接打擊中國的民用與軍用無人機發展。

知名無人機廠商大疆,被美國政府列入「貿易黑名單」。(湯森路透)

對台灣來說,不太可能參與美中兩強的太空競逐,甚至也沒有足夠的能力,籌建太空部隊。不過隨著美國開始將中國公司逐出供應鏈,製造業基礎雄厚的台灣就有了新的機會。過去台灣錯過了無人機的發展,在太空產業上也未能跟上國外的腳步,非常可惜。雖然政府宣誓未來十年將積極打入太空產業供應鏈,卻沒有一個明確的方向。或許可以考慮太空無人機這個可能性,嘗試展開布局,因為這將在下一階段,成為結合無人機與太空產業的明日之星。不止做為軍事使用,也將改變民用市場。太空無人機的次系統,如高能量雷射元件、燃料電池、導航通訊設備、可承受太空環境的高性能晶片,都是台灣可以投資的項目。甚至在探空火箭計畫結束後,在下個階段展開自己的太空無人機研發計畫,搶先一步在這個領域卡位,不要再錯過機會。

※作者為軍事研究者

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