美國(guó)“高層大氣研究衛(wèi)星”隕落事件分析

朱魯青（北京空間科技信息研究所）

□□美國(guó)航空航天局（NASA）發(fā)布消息稱，已報(bào)廢的“高層大氣研究衛(wèi)星”（UARS）在沒有人為控制的情況下，于美國(guó)東部時(shí)間2011年9月23日墜入地球大氣層。該衛(wèi)星國(guó)際編號(hào)為1991－063B，已于2005年報(bào)廢。

1 UARS概況及解體過程

UARS特性

UARS質(zhì)量為6.5t，是1991年從發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上發(fā)射的衛(wèi)星。2005年，UARS因燃料耗盡而報(bào)廢。UARS項(xiàng)目耗資約7500萬美元，旨在通過測(cè)量氣體濃度和分布狀態(tài)，研究地球大氣層及其與太陽的交互作用。

UARS再入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2005年6月，UARS雖因燃料耗盡而報(bào)廢，但衛(wèi)星上仍有6臺(tái)儀器可以工作。2005年12月，衛(wèi)星利用最后剩余的推進(jìn)劑降軌進(jìn)入短壽命處置軌道。2010年10月26日，“國(guó)際空間站”與廢棄的UARS近距離相遇，為避免與衛(wèi)星發(fā)生相撞，“國(guó)際空間站”實(shí)施了軌道機(jī)動(dòng)。

目前，美國(guó)戰(zhàn)略司令部所屬的聯(lián)合空間運(yùn)行中心負(fù)責(zé)對(duì)失控外空物體進(jìn)行跟蹤，并對(duì)外發(fā)布外空物體跟蹤和撞擊預(yù)測(cè)信息，信息發(fā)布的時(shí)間間隔為4天、3天、2天、1天、12h、6h、2h。在最后2h才能確定衛(wèi)星的再入時(shí)間（誤差在25min左右），并將再入地點(diǎn)確定在12000km范圍內(nèi)。

因在設(shè)計(jì)時(shí)UARS還沒有實(shí)施空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)，因此NASA對(duì)UARS再入非常關(guān)注。早在2002年就對(duì)UARS再入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估，為后續(xù)的衛(wèi)星墜落處置作好了充分的準(zhǔn)備。目前，公布的各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)和報(bào)道均基于2002年進(jìn)行的UARS再入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的結(jié)論。

UARS特性

2002年NASA對(duì)UARS再入風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)估。

· 再入后殘存的潛在危險(xiǎn)物體：26個(gè)；

· 殘存物體的總質(zhì)量：532kg；

· 預(yù)計(jì)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)：1∶2800（2011年修正為1∶3200）。

UARS再入大氣的高度為122km，將在78km處開始解體。該高度也是大部分衛(wèi)星發(fā)生解體的高度。78km之后，衛(wèi)星上的主要部件將與衛(wèi)星主體分離，分別墜落地球表面。

根據(jù)NASA的建議，機(jī)構(gòu)間空間碎片委員會(huì)（IADC）將UARS列入其2011年IADC再入風(fēng)險(xiǎn)物體監(jiān)測(cè)目錄，根據(jù)IADC的監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，認(rèn)為UARS的再入風(fēng)險(xiǎn)沒有達(dá)到IADC對(duì)危險(xiǎn)物體的定義。

航天器解體的典型過程

由于受殘存大氣的影響，低軌道上的失控衛(wèi)星或其他失控航天器，其軌道高度以每天數(shù)百米的速度逐漸衰減。當(dāng)降低到100～120km左右高度時(shí)，由于大氣密度較大，軌道高度迅速降低，同時(shí)衛(wèi)星在氣動(dòng)熱作用下加熱，此時(shí)可以認(rèn)為衛(wèi)星再入大氣層。在氣動(dòng)熱和氣動(dòng)力的雙重作用下，衛(wèi)星發(fā)生解體，解體的一般過程如下。

（1）太陽翼、天線等星上大型設(shè)備的分離解體

在進(jìn)入大氣層初期，太陽翼、大型天線等設(shè)備在大氣阻力作用下開始撕裂，與衛(wèi)星本體分離。這個(gè)過程一般發(fā)生在100km高度左右。

（2）星體解體

隨著衛(wèi)星溫度繼續(xù)升高，在高溫和大氣阻力的雙重作用下，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)失效，星體內(nèi)外部設(shè)備陸續(xù)與衛(wèi)星發(fā)生分離。若衛(wèi)星攜帶有較多剩余燃料，甚至可能發(fā)生爆炸，從而加快解體速度。解體高度一般在80km左右。

（3）二次解體

解體后的碎片在墜落過程中繼續(xù)加熱燒蝕，還有可能再次發(fā)生解體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，星體解體和二次解體一般均在80km高度左右完成。

大如旅行巴士的UARS結(jié)構(gòu)圖

UARS落地后的碎片

（4）到達(dá)地面或燒盡

碎片在墜落過程中熔化或燃燒，質(zhì)量逐漸減小，一些較大的部件則會(huì)殘留一部分，直到撞擊地面。若撞擊到人員、財(cái)物，則會(huì)構(gòu)成傷害。其他大部分碎片在到達(dá)地面前就已經(jīng)燒盡，不會(huì)撞擊地面。還有一些質(zhì)量更小的碎片，在燒盡前已經(jīng)降到較低速度，不再燒蝕，最終飄落到地面。

由于阻力不同，面積/質(zhì)量的比值較大的碎片飛行距離較近，反之則飛行較遠(yuǎn)。所有的碎片沿衛(wèi)星的軌跡方向散布在一個(gè)狹長(zhǎng)的區(qū)域。散落區(qū)域長(zhǎng)度一般在數(shù)千千米內(nèi)，寬度約數(shù)百千米。

2 相關(guān)國(guó)際法規(guī)、慣例和損害賠償案例

截止目前，美國(guó)戰(zhàn)略司令部空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)目錄中共有36700個(gè)外空物體，已監(jiān)測(cè)到21800個(gè)人造物體再入大氣。這些航天器中的絕大部分在進(jìn)入大氣層時(shí)已經(jīng)解體并燃燒殆盡，因此對(duì)地面僅造成了很小的威脅。但實(shí)際上，平均每天都有1個(gè)航天器返回，同時(shí)每星期還有1～2個(gè)半徑大約為1m、面積大于1m2的航天器再入，而這種航天器有著較大的殘存可能性。

外空物體損害賠償制度

空間活動(dòng)是高風(fēng)險(xiǎn)活動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)外空物體因發(fā)生事故或其他原因造成損害時(shí)，需要為外空物體造成損害的賠償責(zé)任制定有效的國(guó)際規(guī)則和程序。1967年的《外空條約》確立了國(guó)家責(zé)任和賠償責(zé)任原則，1971年又締結(jié)了《外空物體所造成損害之國(guó)際責(zé)任公約》（簡(jiǎn)稱《責(zé)任公約》），建立了外空物體損害賠償制度。《責(zé)任公約》于1971年11月29日聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過，1972年3月29日開放簽署，1972年9月1日生效。中國(guó)于1988年12月加入該公約。

因沒有變軌機(jī)動(dòng)能力及太陽黑子活動(dòng)頻繁引起大氣膨脹，美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”（Skylab）于1979年7月墜入大氣層

根據(jù)《責(zé)任公約》的規(guī)定，發(fā)射國(guó)對(duì)其發(fā)射的外空物體對(duì)第三國(guó)所造成的損害負(fù)有賠償責(zé)任。發(fā)射國(guó)不但包括發(fā)射外空物體的國(guó)家，還包括促使發(fā)射外空物體的國(guó)家和從其領(lǐng)土上發(fā)射外空物體的國(guó)家，所有這些國(guó)家對(duì)外空物體造成的損害負(fù)有共同的賠償責(zé)任。發(fā)射國(guó)對(duì)其外空物體在地球表面或給飛行中的飛機(jī)造成損害，應(yīng)負(fù)有賠償?shù)慕^對(duì)責(zé)任；對(duì)在地球表面以外的其他地方造成損害，除飛行中的飛機(jī)外，只承擔(dān)過失賠償責(zé)任。損害賠償額應(yīng)按國(guó)際法和公正合理的原則來確定，以便對(duì)損害所作的賠償能使提出賠償要求的自然人或法人、國(guó)家或國(guó)際組織把損害恢復(fù)到未發(fā)生前的原有狀態(tài)。賠償損害的要求，應(yīng)通過外交途徑向發(fā)射國(guó)提出。在通常情況下，賠償損害的要求須于損害發(fā)生之日起，或判明應(yīng)負(fù)賠償責(zé)任的發(fā)射國(guó)之日起1年內(nèi)向發(fā)射國(guó)提出。若賠償要求未能在上述期限內(nèi)通過外交途徑解決，有關(guān)各方應(yīng)于任一方提出請(qǐng)求時(shí)，成立求償委員會(huì)。

歸還發(fā)射到外空物體的協(xié)定

外層空間營(yíng)救制度是空間法的一項(xiàng)重要制度，是就營(yíng)救航天員和歸還外空物體等問題制定的專門的國(guó)際公約，其內(nèi)容包含在《營(yíng)救航天員、送回航天員和歸還射入外層空間的物體的協(xié)定》（簡(jiǎn)稱《營(yíng)救協(xié)定》）中。1967年12月19日聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過該協(xié)定，1968年4月24日開放簽署，1968年12月3日生效。中國(guó)于1988年12月加入該協(xié)定。其中，關(guān)于歸還發(fā)射到外空物體的相關(guān)協(xié)議包括以下幾方面。

· 每個(gè)締約國(guó)獲悉或發(fā)現(xiàn)外空物體或其組成部分返回地球，并落在該國(guó)所管轄的區(qū)域內(nèi)、公海，或不屬于任何國(guó)家管轄的其他任何地方時(shí)，應(yīng)通知發(fā)射當(dāng)局和聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)。

· 每個(gè)締約國(guó)若在其管轄的區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)外空物體或其組成部分時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)射當(dāng)局的要求，并如有請(qǐng)求，在該當(dāng)局的協(xié)助下，采取它認(rèn)為是切實(shí)可行的措施，來保護(hù)該外空物體或其組成部分。

· 射入外空物體或其組成部分若在發(fā)射當(dāng)局管轄的區(qū)域以外發(fā)現(xiàn)，應(yīng)在發(fā)射當(dāng)局的要求下歸還給該發(fā)射當(dāng)局的代表，或交給這些代表支配。如經(jīng)請(qǐng)求，這些代表應(yīng)在物體或其組成部分歸還前，提出證明資料。

· 如果締約國(guó)有理由認(rèn)為在其管轄的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的外空物體或其組成部分是危險(xiǎn)的和有害的時(shí)候，則可以通知發(fā)射當(dāng)局在該締約國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)和監(jiān)督下，立即采取有效措施，消除可能造成危害的危險(xiǎn)。

· 履行保護(hù)和歸還外空物體或其組成部分的義務(wù)所花費(fèi)的費(fèi)用，應(yīng)由發(fā)射當(dāng)局支付。

德國(guó)“倫琴衛(wèi)星”（ROSAT）于2011年10月23日失控墜入地球大氣層

蘇聯(lián)宇宙－954衛(wèi)星墜落索賠案例

1978年1月，蘇聯(lián)的核動(dòng)力源衛(wèi)星—宇宙－954墜入加拿大境內(nèi)，對(duì)加拿大的環(huán)境造成了損害。加拿大依據(jù)《責(zé)任公約》向蘇聯(lián)政府索賠600萬加元。雙方經(jīng)過談判，最終確定賠償額為300萬加元。

1977年9月18日，蘇聯(lián)將宇宙－954衛(wèi)星發(fā)射入軌，并正式通知聯(lián)合國(guó)秘書長(zhǎng)。1978年1月24日，該衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)進(jìn)入加拿大西海岸夏洛特皇后群島北部的上空。在衛(wèi)星再入和解體過程中，衛(wèi)星殘片墜落到加拿大西北部4.6km2的區(qū)域內(nèi)。衛(wèi)星解體產(chǎn)生的大量放射性碎片給該地區(qū)造成了“永久性”的放射性污染。宇宙－954衛(wèi)星的墜落事件引起了加拿大人的萬分恐慌和憤怒，給其他國(guó)家也投下了巨大的陰影。據(jù)加拿大報(bào)紙報(bào)道，加拿大政府為搜集衛(wèi)星碎片耗費(fèi)了1700萬加元。在美國(guó)的支持下，加拿大共搜集了65kg的衛(wèi)星殘片。由于加拿大和蘇聯(lián)都是《責(zé)任公約》的締約國(guó)，在進(jìn)行了一系列外交交涉后，1979年1月23日，加拿大根據(jù)1972年《責(zé)任公約》對(duì)蘇聯(lián)衛(wèi)星進(jìn)入其領(lǐng)空和衛(wèi)星的有害放射性殘片散落在其領(lǐng)土上所引起的損害提出賠償要求。

加拿大認(rèn)為，蘇聯(lián)在該衛(wèi)星可能進(jìn)入和即將進(jìn)入加拿大上空大氣層時(shí)沒有通知加拿大，蘇聯(lián)也沒有就加拿大提出的有關(guān)該衛(wèi)星的問題做出及時(shí)、全面的答復(fù)。在所搜集的衛(wèi)星殘片中，大多具有放射性，其中有些殘片的放射性是非常致命的。根據(jù)《責(zé)任公約》，蘇聯(lián)作為發(fā)射國(guó)對(duì)該衛(wèi)星給加拿大造成的損害負(fù)有絕對(duì)賠償責(zé)任。危險(xiǎn)的放射性殘片對(duì)加拿大的領(lǐng)土和環(huán)境造成了放射性危害，此外，衛(wèi)星進(jìn)入加拿大領(lǐng)空和放射性殘片散布在其領(lǐng)土上還侵犯了其主權(quán)。加拿大向蘇聯(lián)提出600萬加元的賠償。蘇聯(lián)則明確拒絕承擔(dān)賠償責(zé)任。蘇聯(lián)認(rèn)為，由于設(shè)計(jì)了使衛(wèi)星上的核反應(yīng)堆在重返大氣層時(shí)完全燒毀的功能，因此其殘片不應(yīng)具有嚴(yán)重危險(xiǎn)，在墜落地區(qū)引起環(huán)境污染的可能性很小。衛(wèi)星墜落并沒有造成加拿大人員傷亡，也未造成實(shí)際財(cái)產(chǎn)損失，因此沒有發(fā)生《責(zé)任公約》范圍內(nèi)的“損害”。

因燃料耗盡，禮炮－7（Salyut－7）空間站于1991年2月失控墜入大氣層

本案件爭(zhēng)論的焦點(diǎn)在于是否發(fā)生了《責(zé)任公約》所定義的損失。按照《責(zé)任公約》第1條，導(dǎo)致賠償責(zé)任的外空物體所引起的損害是指生命損失、身體受傷或其他的健康損害，以及國(guó)家、自然人、法人的財(cái)產(chǎn)或國(guó)際政府間組織的財(cái)產(chǎn)損失或損害。至于像放射性物質(zhì)引起的環(huán)境污染是否也屬于《責(zé)任公約》定義的損害，則不明確。正因?yàn)椤敦?zé)任公約》有這一缺漏，蘇聯(lián)才拒絕承擔(dān)責(zé)任。由于核動(dòng)力衛(wèi)星所含放射性物質(zhì)對(duì)人體和環(huán)境均有危害，所以宇宙－954衛(wèi)星墜落事件引起了國(guó)際社會(huì)對(duì)在外層空間使用核動(dòng)力源問題的嚴(yán)重關(guān)切，這直接導(dǎo)致聯(lián)合國(guó)外層空間委員會(huì)（COPUOS）制定這方面的法律規(guī)定。1992年，聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過了《關(guān)于在外層空間使用核動(dòng)力源的原則》。

1981年4月2日，雙方通過協(xié)商達(dá)成協(xié)議，蘇聯(lián)最后同意“善意性”支付加拿大300萬加元，作為加拿大清理衛(wèi)星殘片的費(fèi)用，但仍拒絕負(fù)有賠償責(zé)任，認(rèn)為加拿大聲稱的損害不屬于《責(zé)任公約》范疇內(nèi)的損害。

3 結(jié)論和建議

1）UARS已于2011年9月23日墜落地球，未造成地球上的人員傷亡。截至目前，還沒有發(fā)生過外空物體再入造成人員傷亡的事件。

2）根據(jù)歐洲航天局（ESA）、NASA制定的空間碎片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，衛(wèi)星碎片再入大氣造成人員傷亡的概率應(yīng)小于1∶10000。但UARS設(shè)計(jì)時(shí)還沒有實(shí)施上述標(biāo)準(zhǔn)。為此，NASA 對(duì)UARS再入進(jìn)行了充分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，使衛(wèi)星墜落發(fā)生時(shí)，NASA能從容應(yīng)對(duì)。

3）外空物體再入是每個(gè)月都會(huì)發(fā)生的常規(guī)性事件。美國(guó)對(duì)外空物體的再入監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)已經(jīng)形成了一個(gè)常規(guī)的機(jī)制，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)在衛(wèi)星再入前按照4天→3天→2天→1天的時(shí)間間隔向用戶和公眾發(fā)布衛(wèi)星再入信息，從衛(wèi)星再入前24h進(jìn)入最高級(jí)別的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，開始以12h→6h→2h的時(shí)間間隔進(jìn)行信息通報(bào)。根據(jù)美國(guó)目前的監(jiān)測(cè)能力，在衛(wèi)星再入前1h，衛(wèi)星再入時(shí)間和再入地點(diǎn)的預(yù)報(bào)精度可達(dá)到1/3軌。如果物體有可能落入美國(guó)或北美，美國(guó)戰(zhàn)略司令部將告知美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局和加拿大公共安全部門，啟動(dòng)相應(yīng)處理機(jī)制。我國(guó)亦通過美國(guó)衛(wèi)星隕落事件的相關(guān)準(zhǔn)備和處置過程等實(shí)踐，變例外和應(yīng)急為例行和常規(guī)，對(duì)此類事件形成一種例行化、常規(guī)化的處理機(jī)制。

4）此次UARS墜落，美國(guó)沒有像2008年2月USA－193衛(wèi)星墜落時(shí)那樣采用導(dǎo)彈攔截?fù)魵?，也再一次?yàn)證了2008年2月美國(guó)用導(dǎo)彈擊落再入衛(wèi)星的真正目的是為了進(jìn)行反衛(wèi)星武器試驗(yàn)。

5）鑒于目前我國(guó)空間目標(biāo)監(jiān)視能力明顯不足，在對(duì)目標(biāo)的分辨能力以及實(shí)時(shí)跟蹤能力等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國(guó)，并落后于俄羅斯、歐洲等國(guó)家和地區(qū)，建議加大投入，重視和加強(qiáng)對(duì)空間目標(biāo)（包括碎片）監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

6）我國(guó)于1988年12月加入了《責(zé)任公約》和《營(yíng)救協(xié)定》。作為締約國(guó)，在處理外國(guó)衛(wèi)星墜落我國(guó)境內(nèi)的問題時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)際法的條款，對(duì)所造成的損害積極主動(dòng)地準(zhǔn)備賠償預(yù)案；同時(shí)也要遵照《營(yíng)救協(xié)定》的內(nèi)容，對(duì)再入殘骸進(jìn)行處置時(shí)采取必要的策略?！?/p>