軌道碎片現(xiàn)狀及清除措施研究

徐凱凱 白軍輝 楊紀(jì)偉 牛威

（1中科星圖（西安）測(cè)控技術(shù)有限公司 2中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）

隨著人類太空探索活動(dòng)不斷增加，軌道碎片呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，直接影響人類在外層空間的活動(dòng)，對(duì)航天器發(fā)射和應(yīng)用、空間站在軌運(yùn)營(yíng)，以及航天員的生命造成嚴(yán)重威脅，軌道碎片已經(jīng)成為各國(guó)商業(yè)和科學(xué)以及利益相關(guān)者關(guān)注的全球性問(wèn)題。分析軌道碎片的現(xiàn)狀及形成原因，以及不同大小碎片對(duì)航天任務(wù)的影響，梳理國(guó)際上為減少并制止軌道碎片增長(zhǎng)所采取的重要對(duì)策，對(duì)未來(lái)太空可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 引言

軌道碎片（Orbital debris）指地球軌道上的人造碎片，是太空中不再有用途的人造物體，包括失效的航天器、已報(bào)廢的火箭末子級(jí)、航天任務(wù)產(chǎn)生的拋棄物，以及衛(wèi)星碰撞事件產(chǎn)生的碎片等。這些碎片環(huán)繞地球運(yùn)行，其速度可達(dá)8046.72m/s(幾乎是子彈速度的7倍)，足以對(duì)航天器造成嚴(yán)重?fù)p害，而這些具有威脅性的軌道碎片將在地球大氣層上空滯留數(shù)十年甚至上百年。研究表明，停留在600km以下軌道的碎片通常會(huì)在幾年內(nèi)落回地球；800km處的軌道碎片，其軌道衰變的時(shí)間通常是幾十年；而在1000km以上的軌道碎片，通常會(huì)繼續(xù)環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)1個(gè)世紀(jì)或更久。在軌滯留期間，碎片很有可能發(fā)生解體或與其他物體碰撞，迭代產(chǎn)生更多的碎片，威脅著外層空間的可持續(xù)性和地球的安全。

2 軌道碎片現(xiàn)狀及其威脅

軌道碎片現(xiàn)狀及形成原因

聯(lián)合國(guó)外層空間事務(wù)辦公室（UNOOSA）的數(shù)據(jù)顯示，自1957年第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)入太空開(kāi)始，人類社會(huì)至少已經(jīng)發(fā)射了10305顆衛(wèi)星(截至2020年12月31日)。隨著太空探索活動(dòng)的增加，軌道碎片的數(shù)量也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

軌道碎片的形成原因大致為以下兩點(diǎn)：

1）來(lái)自全球各地的公共、民用和私營(yíng)實(shí)體發(fā)射的衛(wèi)星等空間目標(biāo)數(shù)量不斷積累和增加，加劇了碰撞產(chǎn)生軌道碎片的可能性。近20年來(lái)，人類對(duì)太空的探索活動(dòng)激增，特別是大規(guī)模低軌小衛(wèi)星星座部署，大幅度增加了軌道空間目標(biāo)的數(shù)量。如太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）星座計(jì)劃部署42000顆衛(wèi)星，一網(wǎng)公司（ONEWEB）的“一網(wǎng)”（OneWeb）星座計(jì)劃部署6400顆衛(wèi)星，巨型星座的密集發(fā)射是近年來(lái)衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量劇增的主要原因。此外，立方體衛(wèi)星(CubeSats)等小型衛(wèi)星的發(fā)展大大降低了衛(wèi)星進(jìn)入空間的成本，發(fā)射數(shù)量也由此增長(zhǎng)，衛(wèi)星碰撞產(chǎn)生碎片的可能性隨之增加。

2）意外和人為航天器爆炸或碰撞產(chǎn)生大量碎片。例如，2019年3月，印度進(jìn)行反衛(wèi)星試驗(yàn)，用導(dǎo)彈摧毀了本國(guó)的衛(wèi)星，造成大量碎片。此外，一些失控的退役航天器也對(duì)空間環(huán)境構(gòu)成威脅。

根據(jù)憂思科學(xué)家聯(lián)盟(UCS)截至2021年1月1日更新的數(shù)據(jù)庫(kù)，目前太空中運(yùn)行的衛(wèi)星總數(shù)為3372顆，但是軌道上的碎片數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于衛(wèi)星數(shù)量，尤其是低地球軌道（LEO）碎片污染相對(duì)嚴(yán)重，有數(shù)百萬(wàn)的碎片存在，至少有26000個(gè)大于10cm甚至更大的碎片，50多萬(wàn)個(gè)大小為1～10cm像彈球大小的碎片，超過(guò)1億個(gè)小于1mm相當(dāng)于一個(gè)鹽粒大小的碎片。

軌道碎片威脅

根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）數(shù)據(jù)，太空中的碎片質(zhì)量已經(jīng)超過(guò)8000t，分布于各軌道，特別是在軌道傾角為82.5(°) ～83.5(°)、高度為900～1050km的區(qū)域內(nèi)。各種大小的碎片對(duì)人類空間飛行和航天任務(wù)帶來(lái)不同程度的危害。與毫米級(jí)的碎片超高速撞擊可能造成衛(wèi)星局部損壞或使衛(wèi)星的子系統(tǒng)癱瘓；與大于1cm的碎片相撞可能使正在運(yùn)行的衛(wèi)星失靈，或使衛(wèi)星解體；與超過(guò)10cm的碎片撞擊可導(dǎo)致航天器完全毀滅，并產(chǎn)生碎片云。研究還表明，小顆粒碎片超高速撞擊是影響衛(wèi)星電力系統(tǒng)性能退化的重要原因。

LEO軌道碎片的大小、數(shù)量和潛在風(fēng)險(xiǎn)

軌道碎片對(duì)空間任務(wù)造成巨大危害，僅在2020年，“國(guó)際空間站”（ISS）就進(jìn)行了3次避碰操作。日益增多的碎片還會(huì)引起“凱斯勒現(xiàn)象”（Kessler Syndrome）：當(dāng)LEO軌道物體的密度達(dá)到一定程度時(shí)，這些物體在碰撞后產(chǎn)生的碎片能夠形成更多的新撞擊，從而形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)，意味著LEO軌道將被碎片所覆蓋。一旦積累到臨界點(diǎn)會(huì)造成大爆發(fā),人類或?qū)⒃跀?shù)百年內(nèi)無(wú)法進(jìn)入太空。

3 軌道碎片威脅應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)軌道碎片帶來(lái)的威脅，目前國(guó)際上主要采取3種措施，即減緩 (限制產(chǎn)生更多碎片)、移除(將碎片從軌道上清除)和空間態(tài)勢(shì)感知與碰撞預(yù)警。

減緩是指試圖通過(guò)對(duì)航天器的針對(duì)性設(shè)計(jì)、在軌運(yùn)行期間操作控制、退役報(bào)廢前離軌控制等，確保它們不發(fā)生爆炸解體，不與其他物體碰撞，報(bào)廢退役后不再長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，盡量減少不必要碎片的產(chǎn)生；移除是指采用不同技術(shù)手段主動(dòng)清除具有爆炸可能性或者碰撞威脅性較大的在軌空間目標(biāo)，避免產(chǎn)生大量空間碎片對(duì)太空軌道環(huán)境造成污染；空間態(tài)勢(shì)感知與碰撞預(yù)警是指跟蹤監(jiān)視太空目標(biāo)，感知并預(yù)警碰撞風(fēng)險(xiǎn)，支持航天器實(shí)施避碰控制。

減緩措施

減緩的目標(biāo)主要是控制碎片的產(chǎn)生和減緩其增長(zhǎng)，減少未來(lái)發(fā)生碰撞的可能性。很多國(guó)家和組織都制定了自己的軌道碎片緩減準(zhǔn)則，旨在控制LEO軌道和地球靜止軌道（GEO）等主要軌道區(qū)域日益擁擠的問(wèn)題，以保持太空軌道資源的商業(yè)和科學(xué)價(jià)值。這其中，空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（IADC）與聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)（COPUOS，簡(jiǎn)稱聯(lián)合國(guó)外空委）分別于2002年和2007年公布了其減緩準(zhǔn)則，要點(diǎn)包括：

1）控制航天器正常運(yùn)行過(guò)程中釋放的碎片。如在衛(wèi)星服務(wù)、交會(huì)和近距離操作任務(wù)中不應(yīng)產(chǎn)生碎片。

2）通過(guò)航天器子系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大限度減少意外爆炸發(fā)生的概率。

3）選擇安全飛行和操作配置，最大限度減少意外碰撞。通過(guò)裝載額外的推進(jìn)劑，使航天器能夠避免與大型碎片和其他航天器發(fā)生碰撞。

4）對(duì)結(jié)束任務(wù)的航天器進(jìn)行處置。在航天器任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行鈍化處理，耗盡其所攜帶燃料以免產(chǎn)生爆炸；在航天器報(bào)廢退役前將其移出工作軌道或送入墳?zāi)管壍溃琇EO軌道航天器使其盡快隕落。

世界各國(guó)特別是航天大國(guó)都應(yīng)圍繞減少空間碎片產(chǎn)生制定并遵守規(guī)則,從航天器設(shè)計(jì)、在軌運(yùn)行、離軌等全壽命周期進(jìn)行控制, 從源頭遏制軌道碎片的激增。

移除措施

2005年，NASA軌道碎片項(xiàng)目辦公室（ODPO）一項(xiàng)研究表明，即使未來(lái)沒(méi)有新的發(fā)射，現(xiàn)有衛(wèi)星在軌發(fā)生碰撞產(chǎn)生10cm或更大碎片數(shù)量的速度，遠(yuǎn)大于衛(wèi)星依靠大氣阻力自然隕落的速度。NASA開(kāi)展的空間環(huán)境演化仿真研究結(jié)果還表明，如果每年除去5～10個(gè)風(fēng)險(xiǎn)較高的LEO軌道物體就可以穩(wěn)定LEO軌道長(zhǎng)期的碎片環(huán)境。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)，僅僅采取減緩措施不能根本解決軌道碎片問(wèn)題，最終需要采用碎片移除措施，即通過(guò)主動(dòng)清除空間碎片來(lái)修復(fù)現(xiàn)有的空間環(huán)境。

對(duì)于主動(dòng)清除碎片，首要任務(wù)是選擇被清除的對(duì)象。為了減少當(dāng)前正在運(yùn)行的航天器的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)著眼于清除小型、具有破壞性的碎片；而為了控制軌道碎片數(shù)量的長(zhǎng)期增長(zhǎng)，則應(yīng)著眼于清除可能產(chǎn)生爆炸的大型目標(biāo)。清除對(duì)象的選擇需遵循以下原則：①應(yīng)該具有較大質(zhì)量；②應(yīng)該在太空目標(biāo)密集的軌道區(qū)域；③應(yīng)該具有較大的橫截面積；④應(yīng)該在相對(duì)較高的軌道高度，因?yàn)檫@些目標(biāo)在軌壽命更長(zhǎng)。

捕獲碎片并將其從軌道移除的方案包括：飛網(wǎng)抓捕方案,電動(dòng)繩系方案,增大空氣動(dòng)力阻力方案，機(jī)械臂抓捕方案等?？傮w上看, 除機(jī)械式抓捕方案之外, 目前其他方案大多停留在論證階段, 進(jìn)入演示驗(yàn)證的項(xiàng)目并不多。

美國(guó)、歐洲和日本的軌道碎片清除技術(shù)研究起步較早，已提出了各自的碎片清除方案，部分關(guān)鍵技術(shù)在最近幾年已經(jīng)進(jìn)行了在軌演示驗(yàn)證。例如，美國(guó)諾格公司（NG）的兩次在軌衛(wèi)星服務(wù)任務(wù)[任務(wù)擴(kuò)展飛行器－1、2（MEV－1、2）]，分別使一顆報(bào)廢的衛(wèi)星重新開(kāi)始工作，也延續(xù)了另一顆衛(wèi)星的使用壽命，這兩次衛(wèi)星服務(wù)任務(wù)為后續(xù)開(kāi)展軌道碎片清除奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正致力于在2021年展示首次“空間碎片預(yù)防裝置”項(xiàng)目。在衛(wèi)星上安裝碳納米管(CNT)陰極和電動(dòng)力纜繩(EDT)的裝置，衛(wèi)星壽命結(jié)束前，星上釋放一條長(zhǎng)長(zhǎng)的纜繩通過(guò)電流使衛(wèi)星減速,以在短時(shí)間內(nèi)降低衛(wèi)星軌道加速其隕落?？傮w而言，碎片移除是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù), 將對(duì)整個(gè)空間科學(xué)的發(fā)展起到極大的牽引和推動(dòng)作用。

任務(wù)擴(kuò)展飛行器提供在軌服務(wù)

空間態(tài)勢(shì)感知與碰撞預(yù)警

在通過(guò)減緩和移除措施改善軌道碎片狀況之前，加強(qiáng)空間態(tài)勢(shì)感知與碰撞威脅預(yù)警，主動(dòng)實(shí)施避碰控制，是確保在軌航天器免遭軌道碎片碰撞的根本保證。從廣義上講，空間態(tài)勢(shì)感知是對(duì)所有發(fā)生在空間的事件、威脅、活動(dòng)和狀態(tài)進(jìn)行感知，通過(guò)地基和天基監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)影響太空活動(dòng)的所有因素進(jìn)行認(rèn)知和分析，使操作人員獲取并維持空間優(yōu)勢(shì)。利用空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)持續(xù)跟蹤軌道衛(wèi)星與碎片并對(duì)其編目，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商可以提前預(yù)測(cè)碎片的軌道、預(yù)報(bào)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)航天器實(shí)施機(jī)動(dòng)操作，避免與空間碎片碰撞。

目前，全球空間勢(shì)態(tài)感知領(lǐng)域中，美國(guó)擁有強(qiáng)大的空間目標(biāo)編目和監(jiān)測(cè)能力，美國(guó)“空間監(jiān)視網(wǎng)”（SSN）擁有目前世界上性能最強(qiáng)的空間監(jiān)視裝備，SSN由地基搜索監(jiān)視雷達(dá)、地基跟蹤成像雷達(dá)、地基光學(xué)深空監(jiān)視系統(tǒng)、船載測(cè)量雷達(dá)、天基空間監(jiān)視系統(tǒng)，以及其他裝備組成,包括30多個(gè)地面雷達(dá)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，以及軌道上的天基監(jiān)視衛(wèi)星，地基和天基系統(tǒng)兩大部分相互補(bǔ)充與配合共同完成空間態(tài)勢(shì)感知任務(wù)。美軍聯(lián)合空間作戰(zhàn)中心（JICSpOC）負(fù)責(zé)管理SSN，并向世界各國(guó)政府和商業(yè)實(shí)體提供空間跟蹤數(shù)據(jù)，以及提供72小時(shí)的提前警報(bào)，對(duì)LEO衛(wèi)星1km范圍內(nèi)和GEO衛(wèi)星5km范圍內(nèi)的接近事件發(fā)出碰撞預(yù)警。此外，美國(guó)空間態(tài)勢(shì)感知商業(yè)市場(chǎng)也發(fā)展迅速,分析圖像公司（AGI）的商業(yè)空間運(yùn)營(yíng)中心（ComSpOC），低軌實(shí)驗(yàn)室公司（LeoLabs）的相控雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)，外部分析解決方案公司（ES）的全球望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（EGTN），都可以向衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商提供不同需求的空間態(tài)勢(shì)信息服務(wù)。

當(dāng)前，隨著人類對(duì)空間態(tài)勢(shì)感知能力需求越來(lái)越強(qiáng)烈，各國(guó)都相應(yīng)調(diào)整航天政策，以發(fā)展自身的空間態(tài)勢(shì)感知能力。

4 解決軌道碎片問(wèn)題的挑戰(zhàn)及建議

目前，國(guó)際社會(huì)對(duì)加強(qiáng)解決軌道碎片問(wèn)題已沒(méi)有爭(zhēng)議，但是圍繞著各種清除措施的實(shí)施，仍存在著一系列有待解決的重要國(guó)際法規(guī)和技術(shù)突破等問(wèn)題。

1）減緩措施的推行存在深層矛盾制約。

現(xiàn)階段，國(guó)際社會(huì)尚未形成各國(guó)一致認(rèn)可且簽署的碎片減緩相關(guān)空間活動(dòng)規(guī)則，在空間開(kāi)展的各種航天活動(dòng)都由主權(quán)國(guó)家或集團(tuán)各自實(shí)施，具有鮮明的主權(quán)屬性和排他性。航天強(qiáng)國(guó)在太空軌道資源使用方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，且這種發(fā)展愈演愈烈，強(qiáng)國(guó)和弱國(guó)在航天領(lǐng)域很難達(dá)到利益訴求和發(fā)展目標(biāo)的一致性，使得太空活動(dòng)規(guī)則的制定、推行困難重重。

2）移除措施面臨諸多阻礙。

盡管關(guān)于碎片移除措施的研究不斷發(fā)展，但到目前為止，相關(guān)技術(shù)并未正式在軌道碎片清除任務(wù)中使用。由于碎片清除任務(wù)存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)，相關(guān)技術(shù)尚處于演示驗(yàn)證階段。此外，還存在許多其他非技術(shù)問(wèn)題的阻礙，如經(jīng)濟(jì)影響、政治和法律問(wèn)題等，特別是空間碎片移除技術(shù)具有潛在的軍事意義，可能被用于衛(wèi)星攻擊，所以具體實(shí)施起來(lái)存在一定阻力。

3）空間態(tài)勢(shì)感知與碰撞預(yù)警受到限制。

目前，各國(guó)對(duì)小型空間碎片還很難進(jìn)行搜索探測(cè)或保持持續(xù)跟蹤。即便建立起功能強(qiáng)大的空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，大量的避碰機(jī)動(dòng)也需要不斷消耗航天器燃料，可能會(huì)顯著減少航天器的運(yùn)行壽命。另外，目前世界多數(shù)國(guó)家（組織）在空間碰撞預(yù)警方面依賴于美國(guó)控制的空間態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)，這也引發(fā)了有關(guān)政治可靠性、數(shù)據(jù)共享方面的問(wèn)題。

軌道碎片清除的挑戰(zhàn)是世界性難題，需要世界各國(guó)攜手一致、共同解決。一是強(qiáng)化聯(lián)合國(guó)外空委職能，建立各航天大國(guó)間的協(xié)調(diào)機(jī)制，加快制定空間活動(dòng)法規(guī)制度，從源頭上減緩空間環(huán)境惡化速度，有效緩解軌道碎片危機(jī)。二是加快發(fā)展軌道碎片移除技術(shù)，協(xié)調(diào)制定軌道碎片移除任務(wù)公約，同步推進(jìn)軌道碎片移除商業(yè)化進(jìn)程，推動(dòng)構(gòu)建全球軌道碎片移除產(chǎn)業(yè)體系，真正為凈化空間軌道環(huán)境、保證人類永續(xù)使用太空提供技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支撐。三是持續(xù)改善航天器設(shè)計(jì)，發(fā)展航天器在軌自我防護(hù)和自主避碰技術(shù)，強(qiáng)制建立航天器全壽命健康評(píng)估、受控返回或離軌機(jī)制，有效降低航天器在軌爆炸、碰撞風(fēng)險(xiǎn)。四是大力發(fā)展空間態(tài)勢(shì)感知與預(yù)警能力，盡可能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)碎片的監(jiān)測(cè)能力和編目管理，為在軌航天器提供有效的碰撞預(yù)警支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

軌道碎片帶來(lái)的問(wèn)題日益嚴(yán)重。各國(guó)在大力發(fā)展航天產(chǎn)業(yè)的同時(shí)要負(fù)起維護(hù)太空可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任，減少分歧，加強(qiáng)合作。要圍繞空間碎片問(wèn)題制定并遵守減緩規(guī)則；提高空間目標(biāo)編目和監(jiān)測(cè)能力，從政府、商業(yè)、研究等多領(lǐng)域獲取數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)共享；重點(diǎn)關(guān)注LEO軌道自主清除碎片技術(shù)的發(fā)展，不斷推進(jìn)碎片移除技術(shù)的在軌演示驗(yàn)證，爭(zhēng)取盡早形成相關(guān)工程能力。