秦子浩，方進(jìn)勇

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在政府、軍方、商業(yè)市場(chǎng)用戶需求的牽引和創(chuàng)新技術(shù)的推動(dòng)下，小衛(wèi)星進(jìn)入了實(shí)用化、業(yè)務(wù)化、規(guī)?；陌l(fā)展階段，一方面為對(duì)地觀測(cè)、通訊等傳統(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)了創(chuàng)新性的解決方案，另一方面也在空間安全、空間科學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重要突破。小衛(wèi)星作為“新航天”浪潮的重要組成部分，近年來(lái)發(fā)展如火如荼，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年500kg以下的小衛(wèi)星發(fā)射量占年度發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的近70%[1]。

根據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)十年小衛(wèi)星將進(jìn)一步崛起，各國(guó)將在低、中地球軌道部署超過(guò)40個(gè)小衛(wèi)星星座，比如，美國(guó)SpaceX，Oneweb等創(chuàng)新型企業(yè)紛紛打造的由低軌小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)。建設(shè)巨型小衛(wèi)星星座已經(jīng)成為當(dāng)前航天發(fā)展的一個(gè)重要方向。但是，大量小衛(wèi)星的發(fā)射使得衛(wèi)星軌道資源緊張，衛(wèi)星使命完成后，將使空間碎片持續(xù)增加，碰撞概率和頻率將大大增加，太空安全將面臨巨大的挑戰(zhàn)[2-4]。如何評(píng)估和應(yīng)對(duì)巨型小衛(wèi)星星座對(duì)空間碎片環(huán)境的影響，規(guī)范和促進(jìn)巨型小衛(wèi)星星座合理有序發(fā)展，成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 巨型小衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代小衛(wèi)星一般是指重量在500kg以下的人造衛(wèi)星，由于現(xiàn)代小衛(wèi)星采用全新設(shè)計(jì)理念和大量高新技術(shù)，使其性能空前提高，既能以單顆小衛(wèi)星廉價(jià)、快速完成相關(guān)任務(wù)，又能以多顆衛(wèi)星組成協(xié)同工作的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(即小衛(wèi)星星座)來(lái)完成多項(xiàng)空間任務(wù)。除此之外，小衛(wèi)星還具有重量輕、體積小、研制周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展為世界各國(guó)所矚目[5]。

小衛(wèi)星的涌現(xiàn)，降低了衛(wèi)星技術(shù)和市場(chǎng)的準(zhǔn)入門(mén)檻。一些航天起步國(guó)家亦依靠小衛(wèi)星敲開(kāi)了航天的大門(mén)，各航天大國(guó)也都紛紛提出了自己的小衛(wèi)星星座計(jì)劃，如表1所示。

表1 小衛(wèi)星星座計(jì)劃

美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)計(jì)劃建設(shè)一個(gè)由近1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，也就是“星鏈”計(jì)劃(Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座)，由分布在1150km高度的4425顆小衛(wèi)星低軌星座和分布在340km左右的7518顆小衛(wèi)星的甚低軌星座構(gòu)成。2019年底，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)代表SpaceX又向國(guó)際電信聯(lián)盟提交了3萬(wàn)顆低軌道運(yùn)行的小型微型衛(wèi)星計(jì)劃，這意味著，加上這次提交的計(jì)劃，“星鏈”計(jì)劃最終會(huì)形成近42000顆衛(wèi)星的超巨型星座。截止2020年2月24日，SpaceX已發(fā)射了302顆Starlink衛(wèi)星，其中有5顆未能實(shí)現(xiàn)在軌正常運(yùn)行，可能成為空間碎片。

OneWeb衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由原O3b創(chuàng)始人格雷格·惠勒(Greg Wyler)創(chuàng)建的OneWeb公司提出，計(jì)劃部署近三千顆低軌衛(wèi)星，星座初期計(jì)劃發(fā)射720顆衛(wèi)星，軌道高度1200km，2018年底將初期星座規(guī)模重新定位為600顆，并于2019年2月成功發(fā)射了首批6顆“一網(wǎng)”衛(wèi)星[6]。

目前俄羅斯也啟動(dòng)了“球體”(Sfera)全球衛(wèi)星星座計(jì)劃，利用低軌小衛(wèi)星星座為任意地點(diǎn)提供實(shí)時(shí)移動(dòng)通信和觀測(cè)服務(wù)?！扒蝮w”計(jì)劃將部署約640顆衛(wèi)星，于3年內(nèi)發(fā)射首批6顆衛(wèi)星，并于2026年建成[1]。

除此之外，無(wú)論是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信公司還是新興的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)公司均提出了很多有特色的小衛(wèi)星星座計(jì)劃，如：LeoSat衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，星座Globalstar系統(tǒng)，ORBCOMM系統(tǒng)，“鴻雁”星座和銥(Iridium)衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

2 巨型小衛(wèi)星星座部署對(duì)空間碎片環(huán)境的影響

2.1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施

截止2020年1月，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)(Space Surveillance Net，SSN)編目空間物體數(shù)量已達(dá)到23000顆(尺寸大于10cm)，尺寸在1cm～10cm之間的碎片約為50萬(wàn)，1mm～1cm之間的碎片數(shù)量超過(guò)1億顆，總質(zhì)量也已超過(guò)8000噸?？臻g碎片環(huán)境的形成是一個(gè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)積累的過(guò)程，并且處于不斷演化與變動(dòng)之中。新的航天發(fā)射將有效載荷、運(yùn)載火箭末級(jí)以及相關(guān)操作性物體送入太空，在軌航天器或運(yùn)載火箭末級(jí)爆炸和空間物體之間相互碰撞是空間碎片數(shù)量增長(zhǎng)的重要因素。目前，美國(guó)空間監(jiān)測(cè)網(wǎng)編目的各國(guó)在軌物體數(shù)量如表2所示。

表2 各國(guó)在軌物體數(shù)量(2020年4月1日)[7]

同時(shí)，空間碎片數(shù)量還會(huì)在自然因素與某些人為因素影響下逐漸減少。其中，高層大氣阻力、太陽(yáng)輻射壓力、地球扁率及日月引力攝動(dòng)等是引起空間碎片數(shù)量減少的自然因素；而人類主動(dòng)從軌道上進(jìn)行空間物體的回收、實(shí)施各種減緩措施等則是空間碎片數(shù)量減少的人為因素。

空間碎片數(shù)量的日益增長(zhǎng)已經(jīng)嚴(yán)重影響到人類利用太空資源的可持續(xù)性，為此，各航天大國(guó)、國(guó)際組織在航天活動(dòng)中采取了多種措施，以期達(dá)到減少空間碎片、保護(hù)空間環(huán)境的目的。對(duì)空間碎片進(jìn)行探測(cè)、碰撞規(guī)避和加強(qiáng)航天器本身的防護(hù)在很大程度上可以保障航天活動(dòng)的安全性，但是這不能從根本上治理日益嚴(yán)峻的空間碎片環(huán)境。對(duì)于已存在的空間碎片必須采取有效的主動(dòng)清除措施，主要包括推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌及自主離軌等技術(shù)。任務(wù)后處理(Post-Mission Disposal，PMD)通過(guò)減少航天活動(dòng)過(guò)程中或結(jié)束后產(chǎn)生的空間物體的數(shù)量或者通過(guò)壽命末期變軌等任務(wù)后處理措施將空間物體移出受保護(hù)的軌道區(qū)域，能夠有效預(yù)防新空間碎片的產(chǎn)生[8-11]。

2.2 巨型小衛(wèi)星星座對(duì)空間碎片環(huán)境的影響評(píng)估

目前，很多商業(yè)公司提出的電信通信星座計(jì)劃主要由部署在低軌(LEO，低于2000km的區(qū)域)的100-300kg航天器構(gòu)成，這些計(jì)劃一旦順利實(shí)施，將極大程度地改變當(dāng)前的LEO軌道環(huán)境。當(dāng)前的軌道質(zhì)量分布如圖1所示，其中，藍(lán)色折線是空間物體總質(zhì)量分布，下面的三條曲線分別指航天器、火箭箭體和其它空間物體。航天器和上面級(jí)(火箭箭體)在質(zhì)量分布上占據(jù)了主導(dǎo)地位(95%)。從1100km到1300km軌道高度上的黃色部分代表了預(yù)估的8000個(gè)150kg級(jí)或者4000個(gè)300kg級(jí)大型星座航天器。從其涉及的大量質(zhì)量很明顯可以看出，大型星座的部署、運(yùn)行以及頻繁的離軌和補(bǔ)網(wǎng)會(huì)極大地加劇現(xiàn)存的空間碎片環(huán)境問(wèn)題。

圖1 當(dāng)前LEO環(huán)境的質(zhì)量分布(2018年1月1日)

巨型小衛(wèi)星星座任務(wù)后處理(PMD)的成功率和意外爆炸(Accidental explosion)的概率是決定其對(duì)空間碎片環(huán)境影響程度的兩個(gè)主要因素。為了更好的研究和分析這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)，以LEO軌道上大于10cm的空間碎片為研究對(duì)象，利用美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)空間碎片項(xiàng)目辦公室(Orbital Debris Program Office,ODPO)的近地軌道-地球靜止軌道環(huán)境碎片模型(LEO-to-GEO environment debris,LEGEND)來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估未來(lái)200年巨型小衛(wèi)星星座對(duì)LEO軌道環(huán)境的影響。在仿真分析中，采用蒙特卡羅100次計(jì)算，航天器發(fā)射量和頻率以2008-2015年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，空間編目物體及爆炸情況以2015年前記錄的歷史數(shù)據(jù)為參考。

無(wú)巨型小衛(wèi)星星座時(shí)空間環(huán)境演化情況

為獲得一個(gè)評(píng)估巨型星座對(duì)LEO軌道環(huán)境影響的參考基準(zhǔn)，我們先考慮一個(gè)沒(méi)有巨型星座的場(chǎng)景。在這種情況下，假設(shè)航天器和上面級(jí)具有一定的意外爆炸概率，這個(gè)概率由歷史爆炸事件統(tǒng)計(jì)決定，并且它們?cè)谌蝿?wù)結(jié)束后留在任務(wù)軌道，而不是遵守25年的軌道壽命減緩標(biāo)準(zhǔn)。LEO軌道空間編目物體數(shù)目和災(zāi)難性碰撞(沖擊動(dòng)能和靶目標(biāo)質(zhì)量之比超過(guò)40J/g)累積次數(shù)隨著時(shí)間的變化情況如圖2(a)和(b)所示。圖2(a)中歷史曲線(灰色曲線)圖反映了1957年至2015年之間所記載的發(fā)射和爆炸解體事件情況，其中，2007年和2009年的階躍性跳變主要原因是中國(guó)的反衛(wèi)實(shí)驗(yàn)以及美國(guó)Iridium33和俄羅斯Cosmos2251的意外相撞。從圖2中可以看出，沒(méi)有任何減緩措施將直接導(dǎo)致空間碎片和災(zāi)難性碰撞次數(shù)急劇上升，在從2016年至2215年的200年間空間物體數(shù)量增長(zhǎng)了約330%，災(zāi)難性碰撞次數(shù)可達(dá)61次(紅色曲線)；采取90%成功率PMD技術(shù)措施后，空間物體的增長(zhǎng)減緩將為110%，災(zāi)難性碰撞次數(shù)降為27次(黑色虛線)；如果不考慮爆炸解體影響，且采取90%成功率PMD技術(shù)措施，空間物體增長(zhǎng)約為40%，災(zāi)難性碰撞次數(shù)為21次(藍(lán)色虛線)。

圖2 無(wú)大型小衛(wèi)星星座時(shí)LEO軌道環(huán)境演化情況[12]

有巨型小衛(wèi)星星座時(shí)空間碎片環(huán)境演化情況

首先，我們研究一下巨型星座在不同任務(wù)后處理成功率的情況下對(duì)空間環(huán)境的影響。假設(shè)有三個(gè)大型星座以不同的軌道傾角運(yùn)行在1000km至1325km的軌道平面上，航天器總數(shù)為6700個(gè)，質(zhì)量為150kg或300kg，航天器部署在500km軌道上，將其軌道提升至任務(wù)軌道運(yùn)行5年后，然后進(jìn)行任務(wù)后處理操作來(lái)降低運(yùn)行軌道，使航天器在5年內(nèi)自然衰減，并在50年內(nèi)對(duì)星座進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)網(wǎng)。另外，考慮到星座航天器有意外爆炸的可能性，假設(shè)其在軌道壽命期間意外爆炸的概率為0.001。在這種場(chǎng)景下，LEO軌道空間編目物體數(shù)目和災(zāi)難性碰撞累積次數(shù)隨著時(shí)間的變化情況如圖3(a)和(b)所示。從圖3中可以看出，將PMD成功率由90%提升到95%或99%時(shí)，空間物體數(shù)目增長(zhǎng)率和災(zāi)難性碰撞累積次數(shù)得到了明顯降低。然而，進(jìn)一步將PMD成功率由99%提升到99.9%時(shí)，空間物體數(shù)目增長(zhǎng)率僅由40%降為27%，災(zāi)難性累積碰撞次數(shù)僅由40次降為32次，這雖然一定程度上降低了巨型星座對(duì)空間環(huán)境的影響，但是與達(dá)到99.9%成功率PMD所付出的代價(jià)是不成正比的。

(a)空間編目物體數(shù)目 (b)災(zāi)難性碰撞累積次數(shù)

為評(píng)估大型星座航天器意外爆炸概率對(duì)LEO環(huán)境的影響，假定航天器任務(wù)后處理成功率為90%，航天器在5年任務(wù)壽命期內(nèi)意外爆炸概率分別設(shè)定為0、0.01、0.001和0.0001這四種情況。200年內(nèi)LEO軌道編目物體數(shù)目隨時(shí)間和200年后隨軌道高度的變化情況如圖4(a)和(b)所示。從圖4(a)中可以看出，相對(duì)于沒(méi)有巨型星座的情況，航天器意外爆炸概率為0.01時(shí)(紅色曲線)空間物體數(shù)目在200年內(nèi)增加了10余倍；當(dāng)航天器意外爆炸概率為0.001時(shí)，碎片的增長(zhǎng)速度約減少了一半；更進(jìn)一步減小意外爆炸概率至0.0001甚至0時(shí)，僅帶來(lái)了較小的改善。從圖4(b)可以看出，在不同爆炸概率的情況下，軌道高度為1000km和1200km之間的碎片分布相對(duì)于沒(méi)有大型星座的情況(黑色虛線)有2至3個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，而當(dāng)意外爆炸概率為0.001、0.0001和0時(shí)，它們?nèi)咚鶎?duì)應(yīng)的碎片分布之間差異相對(duì)較少。這表明，當(dāng)航天器意外爆炸概率減小到一定程度后，空間物體的增長(zhǎng)速度主要取決于PMD成功率。如果星座航天器可以取得99%的任務(wù)后處理成功率，并且意外碰撞概率為0.001，那么它們對(duì)未來(lái)LEO軌道環(huán)境的影響是有限的，也是可以接受的，就像圖3(a)和(b)中綠色曲線所展示的一樣。

(a)空間編目物體數(shù)目 (b)200年后編目物體隨軌道高度的分布

3 巨型小衛(wèi)星星座對(duì)空間環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)和發(fā)展建議

小衛(wèi)星星座迅猛發(fā)展使得典型軌道區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星密集度急劇增加，使軌道和頻率資源日趨緊張，更重要的是大多數(shù)小衛(wèi)星目前不具備主動(dòng)離軌能力，任務(wù)完成被廢棄后還會(huì)在軌運(yùn)行超過(guò)數(shù)百年，這將使空間碰撞概率劇增，給空間碎片減緩指南的實(shí)施和空間交通管理帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。

針對(duì)小衛(wèi)星的治理工作，各大航天大國(guó)都在積極制定相對(duì)的減緩和清除措施。任務(wù)后處理和降低意外碰撞概率是一種比較可行的預(yù)防減緩措施，但是對(duì)小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、加工和防護(hù)技術(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求，而且需要足夠的燃料能源用于任務(wù)后處理軌道機(jī)動(dòng)和碰撞規(guī)避機(jī)動(dòng)。同時(shí)，小衛(wèi)星主動(dòng)清除技術(shù)近年來(lái)也獲得的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，歐空局于2019年2月相繼完成了小衛(wèi)星網(wǎng)捕和魚(yú)叉技術(shù)的演示驗(yàn)證，但是進(jìn)行拖拽帆實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，向航天器發(fā)送指令后，一直未檢測(cè)到其軌道的預(yù)期變化。雖然在小衛(wèi)星主動(dòng)清除技術(shù)上面取得了一定的成就，但是目前還都處于初期階段，面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，比如：相對(duì)目標(biāo)懸停后對(duì)翻滾目標(biāo)的識(shí)別、接近及同步運(yùn)動(dòng)；安全可靠且不產(chǎn)生新空間碎片的機(jī)械臂等剛性或飛網(wǎng)等柔性捕獲方法；捕獲后可控的變軌、離軌方式等技術(shù)。

除了以上的各種關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題以外，小衛(wèi)星清除還面臨著法律、政治及經(jīng)濟(jì)等非技術(shù)障礙[13]。由于“空間碎片”定義不明確，以及責(zé)任和許可條例的復(fù)雜性，使得在公共和私有領(lǐng)域開(kāi)展小衛(wèi)星清除面臨較高的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引起國(guó)際糾紛。小衛(wèi)星主動(dòng)清除技術(shù)具有太空武器化的可能性，會(huì)引發(fā)國(guó)際社會(huì)的普遍擔(dān)憂。小衛(wèi)星的主動(dòng)清除除了要考慮技術(shù)成本，還要考慮該項(xiàng)活動(dòng)所提供的價(jià)值。

基于以上情況，為保證可持續(xù)利用太空資源，在各航天大國(guó)競(jìng)相發(fā)展巨型小衛(wèi)星星座時(shí)應(yīng)該：1)加強(qiáng)小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)研究和驗(yàn)證，提前對(duì)其進(jìn)行處理，以提高小衛(wèi)星的任務(wù)后處理成功率和防護(hù)能力，降低其在軌意外爆炸解體概率；2)提高小衛(wèi)星主動(dòng)清除技術(shù)的成熟度，對(duì)已經(jīng)失效的小衛(wèi)星進(jìn)行及時(shí)清理，降低其對(duì)其它航天活動(dòng)的威脅，避免由于與其它空間物體碰撞產(chǎn)生新的碎片；3)加強(qiáng)國(guó)際交流和合作，規(guī)范小衛(wèi)星市場(chǎng)，實(shí)行太空交通管制，防止惡意競(jìng)爭(zhēng)和搶占有限的近地軌道資源；4)加強(qiáng)小衛(wèi)星立法工作，根據(jù)小衛(wèi)星項(xiàng)目的目的、成本、收益和風(fēng)險(xiǎn)來(lái)設(shè)定第三者責(zé)任保險(xiǎn)要求，規(guī)范小衛(wèi)星的登記實(shí)踐，明確相關(guān)方的權(quán)利和義務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，巨星小衛(wèi)星星座目前呈現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢(shì)，各航天大國(guó)/組織紛紛提出了自己的星座計(jì)劃，這勢(shì)必會(huì)給空間環(huán)境帶來(lái)極大的負(fù)面影響，比如：空間碎片、頻率和軌道資源占用分配及空間安全等問(wèn)題。文中通過(guò)對(duì)巨型小衛(wèi)星星座進(jìn)行參數(shù)化的研究和評(píng)估可知，將任務(wù)后處理成功率和降低意外爆炸概率提高到一定程度后(任務(wù)后處理成功率99%，意外碰撞概率0.001)，可以明顯緩解空間碎片環(huán)境惡化這一狀況，達(dá)到可以接受的程度，然而，進(jìn)一步的提高雖然可以繼續(xù)降低和改善對(duì)空間環(huán)境的影響，但是這與所付出的代價(jià)是不成比例的?？臻g碎片環(huán)境的緩解和治理是一項(xiàng)國(guó)際難題，必須加強(qiáng)國(guó)際合作，保障小衛(wèi)星的正常發(fā)射和穩(wěn)定在軌運(yùn)行，針對(duì)失效小衛(wèi)星大力發(fā)展在軌主動(dòng)清除技術(shù)。中國(guó)作為航天大國(guó)，在巨型小衛(wèi)星星座發(fā)展和空間碎片治理方面有著重要的利益、權(quán)利和責(zé)任，應(yīng)積極制定相關(guān)政策和計(jì)劃，加大研發(fā)力量，增加小衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)儲(chǔ)備，促進(jìn)小衛(wèi)星市場(chǎng)的健康穩(wěn)定發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和平開(kāi)發(fā)利用外空資源的目的。