美國(guó)《國(guó)家軌道碎片研究與發(fā)展計(jì)劃》要點(diǎn)闡述

王洪飛 趙學(xué)明（中國(guó)人民解放軍63729部隊(duì)）

2021年1月，美國(guó)白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室（OSTP）發(fā)布了《國(guó)家軌道碎片研究與發(fā)展計(jì)劃》，該文件分析了當(dāng)前空間軌道碎片的現(xiàn)狀，指出了主動(dòng)清除軌道碎片方面的許多挑戰(zhàn)，提出了美國(guó)未來應(yīng)對(duì)軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)活動(dòng)計(jì)劃，確定了3個(gè)基本要素共14個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域，并對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、商務(wù)部（DoC）、國(guó)防部（DoD）、交通部（DoT）、國(guó)務(wù)院（DoS）和內(nèi)政部（DoI）等職能部門進(jìn)行了職責(zé)分配。

1 發(fā)布背景

在特朗普政府執(zhí)政末期發(fā)布《國(guó)家軌道碎片研究與發(fā)展計(jì)劃》（以下簡(jiǎn)稱《計(jì)劃》），旨在指導(dǎo)限制、追蹤、修復(fù)或再利用地球軌道中碎片的研發(fā)工作，為未來美國(guó)應(yīng)對(duì)地球軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)提供了指南?！队?jì)劃》認(rèn)為，隨著地球軌道變得越來越擁擠，軌道碎片對(duì)航天活動(dòng)的安全構(gòu)成了越來越大的危害。目前大約有23000個(gè)大小為10cm或更大的碎片，已編入目錄并進(jìn)行追蹤，以防發(fā)生碰撞。另外，估計(jì)大約有50萬個(gè)物體大小為1cm或更大，而超過1億個(gè)碎片物體的大小至少為0.1cm。小于5cm的物體即使在低地球軌道（LEO）中也很難單獨(dú)跟蹤。因此，軌道碎片的規(guī)模估計(jì)嚴(yán)重依賴統(tǒng)計(jì)抽樣和建模技術(shù)。《計(jì)劃》還指出，雖然在地球周圍的整個(gè)空間環(huán)境中都存在軌道碎片，但編目物體最集中的區(qū)域在2000km以下的LEO軌道，約為3000t。LEO軌道到地球同步軌道（GSO）間的高度約為35800km，約有8000t的軌道碎片。

《計(jì)劃》分析了碎片造成的風(fēng)險(xiǎn)，指出近地軌道上碎片的平均撞擊速度為10km/s，對(duì)空間資產(chǎn)和航天員造成了較大危險(xiǎn)。對(duì)任務(wù)中的衛(wèi)星而言，大于10cm的碎片更是會(huì)對(duì)其產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，而與毫米級(jí)碎片的碰撞會(huì)影響任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，縮短任務(wù)壽命，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。無論是活動(dòng)物體還是非活動(dòng)物體之間的碰撞，都會(huì)產(chǎn)生額外的碎片，從而增加碎片的整體危害。另外，反衛(wèi)星武器的科學(xué)試驗(yàn)，也大幅增加了軌道碎片。因此必須妥善管理軌道碎片帶來的風(fēng)險(xiǎn)，以確保正在進(jìn)行的和未來的空間飛行任務(wù)的安全。

太空時(shí)代開始以來可跟蹤碎片物體的增長(zhǎng)趨勢(shì)

《計(jì)劃》指出，美國(guó)有多個(gè)機(jī)構(gòu)參與軌道碎片的風(fēng)險(xiǎn)管理，NASA使用雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，對(duì)軌道碎片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)取樣，還牽頭制定了美國(guó)政府《軌道碎片緩減標(biāo)準(zhǔn)做法》（ODMSP），該標(biāo)準(zhǔn)做法直接適用于美國(guó)政府運(yùn)營(yíng)商和非美國(guó)政府運(yùn)營(yíng)商。聯(lián)邦航空管理局（FAA）、國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）和聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）都制定了限制碎片產(chǎn)生或積累的政策或法規(guī)。此外，美國(guó)發(fā)布的《航天政策3號(hào)令》（SPD－3）也確立了減緩軌道碎片的國(guó)家政策，指示更新現(xiàn)有的軌道碎片緩減準(zhǔn)則和做法，以便能夠更有效地遵守并建立可在國(guó)際上采用的標(biāo)準(zhǔn)。

2 應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)研發(fā)活動(dòng)的優(yōu)先領(lǐng)域

《計(jì)劃》提出了美國(guó)支持軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)活動(dòng)計(jì)劃，確定了碎片風(fēng)險(xiǎn)管理的3個(gè)基本要素共14個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域。

要素一：通過設(shè)計(jì)限制碎片的產(chǎn)生

《計(jì)劃》認(rèn)為限制新碎片產(chǎn)生是管理軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)最具成本效益的辦法。各機(jī)構(gòu)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下領(lǐng)域：

減少航天發(fā)射任務(wù)過程中產(chǎn)生的碎片。立方體衛(wèi)星和小衛(wèi)星星座等小型衛(wèi)星有效載荷的部署裝置和航天器的推進(jìn)劑都是形成碎片的來源，各機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)研究改進(jìn)有效載荷分離和部署的機(jī)制，以減緩在航天任務(wù)發(fā)射過程中產(chǎn)生多余碎片。另外，為減少航天器推進(jìn)劑形成的碎片，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)該支持化學(xué)研究，以清除可能由固體廢氣顆粒形成的碎片。

提高航天器表面彈性。衛(wèi)星表面會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，受微流星體和軌道碎片的撞擊以及帶電粒子、紫外線輻射、原子氧和熱循環(huán)的影響，會(huì)產(chǎn)生毫米級(jí)和更小尺寸的碎片。長(zhǎng)期暴露在空間環(huán)境中也可能改變航天器的材料特性，使其更容易因撞擊而產(chǎn)生碎片。各機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)研發(fā)提高航天器表面性能的材料，以防止因航天器老化而產(chǎn)生毫米級(jí)或更小尺寸的碎片。

提高航天器屏蔽性能和抗沖擊性能。開展新保護(hù)技術(shù)和新屏蔽方法的研發(fā)工作，有助于為未來空間任務(wù)安全運(yùn)行提供保護(hù)措施，各機(jī)構(gòu)研發(fā)重點(diǎn)應(yīng)放在以下3個(gè)方面：一是開發(fā)新的多功能防護(hù)罩，研究低成本、高效、多用途的衛(wèi)星軌道碎片撞擊防護(hù)技術(shù)；二是對(duì)新型屏蔽材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高速碰撞分析和試驗(yàn)，開發(fā)新型多功能屏蔽材料，滿足航天器耐輻射以及防護(hù)軌道碎片的要求；三是依據(jù)碰撞分析和試驗(yàn)，研究航天器易損性與碎片大小、質(zhì)量、材料密度、形狀、速度和撞擊角的關(guān)系。

開發(fā)減少或限制碎片化過程的設(shè)計(jì)。大多數(shù)碎片為運(yùn)載火箭上面級(jí)和航天器意外爆炸產(chǎn)生的碎裂碎片，各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持對(duì)意外爆炸原因的研究與開發(fā)，鼓勵(lì)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商與空間機(jī)構(gòu)共享碎片和異常情況數(shù)據(jù)，使研究與開發(fā)人員能夠了解并獲得事件發(fā)生的性質(zhì)。各機(jī)構(gòu)還應(yīng)支持研發(fā)改進(jìn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和運(yùn)行，以限制未來運(yùn)載火箭上面級(jí)和航天器部署及運(yùn)行期間的意外爆炸。

提高機(jī)動(dòng)性能力。具有機(jī)動(dòng)能力的衛(wèi)星可使用推進(jìn)劑來避免碰撞和脫軌，提高機(jī)動(dòng)性是自主避碰的關(guān)鍵。各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持進(jìn)一步提高燃料效率、降低小型推進(jìn)系統(tǒng)成本的研究，以降低小型衛(wèi)星的操作風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還應(yīng)支持自動(dòng)避碰領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

將任務(wù)結(jié)束辦法納入航天器和任務(wù)設(shè)計(jì)，以盡量減少碎片。為幫助應(yīng)對(duì)航天器任務(wù)結(jié)束前過早失效或操作受損的挑戰(zhàn)，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)支持研發(fā)相關(guān)技術(shù)，使受損航天器能夠充分恢復(fù)，以便按照計(jì)劃?rùn)C(jī)動(dòng)至更安全的軌道?？紤]實(shí)施其他安全模式程序，以降低進(jìn)一步產(chǎn)生碎片的風(fēng)險(xiǎn)。各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持研發(fā)在受控狀態(tài)下，航天器快速向安全軌道機(jī)動(dòng)的技術(shù)方案，減少關(guān)鍵軌道中的碎片產(chǎn)生。

要素二：跟蹤并描述碎片特征

《計(jì)劃》指出，空間物體跟蹤和表征能力是應(yīng)對(duì)軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地跟蹤和描述碎片大小，是了解碎片生成過程、保護(hù)關(guān)鍵航天器部件、避免碎片碰撞，以及減輕其對(duì)軌道影響的關(guān)鍵。各機(jī)構(gòu)應(yīng)將重點(diǎn)放在與減輕碎片對(duì)軌道影響相關(guān)的5個(gè)研發(fā)主題領(lǐng)域。

確定軌道碎片和太空環(huán)境的特征。各機(jī)構(gòu)應(yīng)繼續(xù)審查所有國(guó)家機(jī)構(gòu)現(xiàn)行碎片數(shù)量的模型，并與其他國(guó)家和機(jī)構(gòu)的空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)協(xié)商；支持使用地基和天基傳感器，以改進(jìn)對(duì)碎片的探測(cè)和表征；支持利用實(shí)驗(yàn)來更好地描述小碎片的物理特性。

發(fā)展改進(jìn)軌道碎片跟蹤和表征的技術(shù)。提高軌道碎片測(cè)量能力，無論是地面測(cè)量還是原位測(cè)量，對(duì)于評(píng)估限制碎片數(shù)量技術(shù)的可行性和有效性至關(guān)重要。各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持原位傳感器技術(shù)的研發(fā)，記錄碎片撞擊并捕獲小碎片信息，從而有助于生成和保持準(zhǔn)確的狀態(tài)向量。各機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮研發(fā)改進(jìn)的地基光學(xué)和雷達(dá)傳感器，為目標(biāo)跟蹤和特征描述提供更高精度的數(shù)據(jù)。

減少軌道中碎片數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的不確定性。各機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮通過改進(jìn)碎片數(shù)量模型的設(shè)計(jì)，以提供更準(zhǔn)確的信息，減少碎片數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的不確定性，并支持衛(wèi)星所有者和運(yùn)營(yíng)商對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。各機(jī)構(gòu)還應(yīng)當(dāng)考慮提供更頻繁的跟蹤，從而最大限度地減少累積誤差。此外，各機(jī)構(gòu)應(yīng)開展改進(jìn)碰撞概率計(jì)算的研發(fā)工作，以便在整個(gè)近距離接觸過程中做出更一致的估計(jì)。

改進(jìn)碎片目錄的數(shù)據(jù)處理、共享和過濾。隨著空間跟蹤能力的多樣化，更多的空間軌道碎片被確定和跟蹤，更多的用戶依賴碎片目錄的數(shù)據(jù)，解決碎片目錄中與數(shù)據(jù)處理有關(guān)的挑戰(zhàn)對(duì)于保持其完整性和實(shí)用性非常重要。各機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)對(duì)改進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)融合的方法進(jìn)行研究和開發(fā)；各機(jī)構(gòu)還應(yīng)研發(fā)用于獲取和整合各種可用數(shù)據(jù)源的架構(gòu)；另外，隨著更多傳感器（包括商業(yè)公司傳感器）提供的數(shù)據(jù)被整合到數(shù)據(jù)庫中，各機(jī)構(gòu)必須開發(fā)技術(shù)來保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，還應(yīng)該檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)糾正交叉標(biāo)記以減少數(shù)據(jù)庫錯(cuò)誤的方法進(jìn)行研究和開發(fā)；各機(jī)構(gòu)還應(yīng)該利用人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行研究和開發(fā)，改進(jìn)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的流程；最后，各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持自主通信研究，以實(shí)現(xiàn)碎片探測(cè)和自主避碰能力。

將碎片跟蹤和表征轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)能力。各機(jī)構(gòu)應(yīng)把對(duì)軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)的研究轉(zhuǎn)化為識(shí)別、跟蹤和預(yù)測(cè)碎片位置及動(dòng)向的改進(jìn)操作。隨著軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)研究領(lǐng)域的發(fā)展，各機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮研究結(jié)果與實(shí)際操作之間的聯(lián)系，并與衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商開展合作，在飛行任務(wù)中提供更好的協(xié)調(diào)。

要素三：修復(fù)或重新利用碎片

碎片修復(fù)又稱主動(dòng)碎片清除，是指通過外部的手段強(qiáng)制改變碎片物體的軌跡，將物體完全從空間清除。碎片修復(fù)清除了可能在未來產(chǎn)生碎片的物體，從而為空間飛行任務(wù)的完成做出重要貢獻(xiàn)。美國(guó)應(yīng)將主動(dòng)碎片清除作為長(zhǎng)期確保關(guān)鍵軌道系統(tǒng)飛行任務(wù)安全的必要方法。各機(jī)構(gòu)應(yīng)將重點(diǎn)放在與碎片的補(bǔ)救和再利用有關(guān)的3個(gè)研發(fā)主題領(lǐng)域。

開發(fā)大型碎片的修復(fù)和再利用技術(shù)。大型碎片物體，如火箭箭體和報(bào)廢的衛(wèi)星，在整個(gè)軌道碎片質(zhì)量中所占百分比最高，通過碰撞或其他過程產(chǎn)生額外碎片的風(fēng)險(xiǎn)也最高，應(yīng)當(dāng)限制其在太空環(huán)境中的長(zhǎng)期存在，減少無意中產(chǎn)生額外碎片的風(fēng)險(xiǎn)。各機(jī)構(gòu)應(yīng)開發(fā)建模工具、實(shí)施地面測(cè)試，必要時(shí)進(jìn)行全系統(tǒng)原型演示測(cè)試，以證明各種方法的性能和成本效益。各級(jí)機(jī)構(gòu)應(yīng)支持研究和開發(fā)在軌重新利用或回收軌道碎片的方法，回收的材料可用作燃料或制造原料。

開發(fā)小碎片物體的修復(fù)技術(shù)。各機(jī)構(gòu)應(yīng)側(cè)重于研發(fā)毫米級(jí)軌道清除器，以解決近期軌道碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)，從而更好地保護(hù)未來空間任務(wù)。由于毫米級(jí)碎片沒有被單獨(dú)追蹤，數(shù)量約為1億個(gè)，各機(jī)構(gòu)應(yīng)該評(píng)估可能產(chǎn)生有益結(jié)果的大規(guī)模清除方法，研發(fā)的關(guān)鍵活動(dòng)應(yīng)包括識(shí)別、評(píng)估和開發(fā)可行的技術(shù)。

開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本效益分析模型。各機(jī)構(gòu)應(yīng)支持開發(fā)改進(jìn)的模型，分析與軌道碎片和補(bǔ)救方法有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)影響，制定相應(yīng)的解決方案。

3 推進(jìn)軌道碎片研發(fā)活動(dòng)的伙伴關(guān)系

《計(jì)劃》提出各機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在合作框架內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)，提高軌道碎片研發(fā)活動(dòng)的效率，有助于避免重復(fù)。

《計(jì)劃》還指出聯(lián)邦政府以外，包括工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和國(guó)際伙伴，都是研發(fā)活動(dòng)的潛在合作伙伴，加強(qiáng)合作可提供利用資源和能力的機(jī)會(huì)。

各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)后的研發(fā)主題領(lǐng)域

續(xù)表

4 結(jié)語

隨著全球航天活動(dòng)的日益頻繁，空間軌道碎片呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，世界主要航天大國(guó)都高度重視軌道碎片對(duì)航天器和空間安全運(yùn)行帶來的威脅。此次發(fā)布的《計(jì)劃》重點(diǎn)從3個(gè)基本要素14個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域提出了美國(guó)未來應(yīng)對(duì)軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)活動(dòng)計(jì)劃，包括：通過設(shè)計(jì)關(guān)鍵航天器子系統(tǒng)的可靠性來限制碎片的產(chǎn)生，從源頭減少碎片產(chǎn)生的數(shù)量；通過準(zhǔn)確地跟蹤和描述碎片特征，避免碎片碰撞并減輕其對(duì)軌道影響；通過開發(fā)碎片的修復(fù)和再利用技術(shù)進(jìn)行碎片的主動(dòng)清除等。此外，《計(jì)劃》有助于協(xié)調(diào)聯(lián)邦政府支持軌道碎片研究與發(fā)展工作，對(duì)參與軌道碎片研究的工作人員確定優(yōu)先事項(xiàng)提供了指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)更有效的軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)管理態(tài)勢(shì)，實(shí)施這一計(jì)劃預(yù)計(jì)可填補(bǔ)美國(guó)應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)管理挑戰(zhàn)所需的知識(shí)和能力方面的重大空白。