大型星座的空間碎片減緩措施進展

劉靜 王東方

（1 國家航天局空間碎片監(jiān)測與應用中心 2 中國科學院國家天文臺 3 中國科學院大學）

隨著大型小衛(wèi)星星座熱潮的到來，航天發(fā)射次數(shù)和在軌衛(wèi)星數(shù)目以及空間碎片的數(shù)量都將急劇增長，這對航天飛行安全和航天活動可持續(xù)性構成的威脅不容忽視。在航天活動中積極采取空間碎片減緩措施，是遏制空間碎片數(shù)量增長、保持外空環(huán)境潔凈、維護航天活動長期可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文介紹了大型星座的發(fā)展背景及減緩措施研究情況，討論了機構間空間碎片協(xié)調委員會（IADC）針對大型星座的最新空間碎片減緩要求，以及當前國際大型星座運營商針對其星座采取的空間碎片減緩措施，并對大型星座必須重點考慮的減緩措施提出了建議。

1 引言

空間碎片環(huán)境背景情況

近年來，大型衛(wèi)星星座快速發(fā)展，航天發(fā)射和在軌衛(wèi)星數(shù)量呈井噴式增長。迄今為止，已發(fā)布計劃的國外大型星座衛(wèi)星總數(shù)近10 萬顆，部分星座計劃已經(jīng)開展了部署實施。根據(jù)UCS Satellite Database 發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021 年全年共入軌衛(wèi)星1757 顆，其中“一網(wǎng)”（OneWeb）衛(wèi)星284 顆（約占2021 年衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的16%），“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星989 顆（約占2021 年衛(wèi)星發(fā)射總數(shù)的56%）。CelesTrak 發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，截至2022 年3 月16 日，地球軌道在軌衛(wèi)星共8525 顆，其中“星鏈”衛(wèi)星2011 顆，“一網(wǎng)”衛(wèi)星428 顆。目前國際尚未形成公認的大型星座的定義。2019年發(fā)布的第二版《美國軌道碎片減緩標準實踐》將大型星座定義為“可工作航天器數(shù)目不少于100 顆的衛(wèi)星星座”。近期研究中所側重的大型星座，一般指以“星鏈”“一網(wǎng)”等為代表的新型低軌衛(wèi)星星座。

空間碎片是航天活動的產(chǎn)物。運載器、航天器任務結束后即成為空間碎片，其在軌期間一旦發(fā)生意外爆炸、碰撞，將產(chǎn)生成百上千顆大尺寸空間碎片，對航天活動構成威脅。當前大型衛(wèi)星星座急速發(fā)展，航天發(fā)射頻次和在軌物體數(shù)量增加，使得空間碎片問題更加突出，將對空間物體的安全入軌和飛行，以及運行穩(wěn)定性造成巨大影響?？臻g碎片減緩是在航天器及運載器設計、研制、運行、任務后處置等過程中采取各種手段以限制空間碎片的產(chǎn)生、數(shù)量增加以及保護太空環(huán)境持續(xù)可利用的一系列措施。在當前形勢下，針對大型星座開展減緩需求研究并積極落實減緩措施迫在眉睫。

大型星座對空間碎片環(huán)境威脅分析研究

空間碎片環(huán)境長期演化模型是考慮空間碎片增長和衰減機制、用于預測空間碎片環(huán)境長期演化規(guī)律的數(shù)學模型。模型包含未來發(fā)射、在軌碰撞、軌道預報、自然隕落、任務后處置策略、主動碎片清除等，從而對碰撞次數(shù)、空間碎片數(shù)量、密度分布等情況進行長期預測。演化模型可實現(xiàn)大型星座、減緩措施等對未來空間碎片環(huán)境長期發(fā)展趨勢影響的評估。

隨著大型星座的快速發(fā)展，各國多家機構先后開展了大型星座對空間碎片環(huán)境長期影響的分析研究。2017 年，歐洲航天局（ESA）利用3 個演化模型—DAMAGE、LUCA、SDM 分析了1100km 軌道高度上1080 顆衛(wèi)星對空間碎片環(huán)境的長期影響。分析過程綜合考慮了多種減緩措施，最終結論是，針對大型小衛(wèi)星星座，必須在常規(guī)的空間碎片減緩手段外，增加額外的減緩措施。

2019 年，美國國家航空航天局（NASA）利用演化模型LEGEND，針對在軌道高度340 ～550km范圍部署6600 顆衛(wèi)星的場景進行仿真，分析了它們對空間碎片環(huán)境的長期影響。分析表明，控制減小大型星座中衛(wèi)星自身的解體概率十分重要。上述仿真場景下，如果星座單星爆炸概率為1%，則在軌道高度200 ～600km 內，解體碎片對該范圍所有空間目標總數(shù)占比將達到50%～70%。值得一提的是，根據(jù)歷史統(tǒng)計規(guī)律，歷史航天器平均爆炸解體概率約3%。

2020 年，中國科學院國家天文臺利用自主研發(fā)的演化模型SOLEM 對大型星座部署方案及其減緩措施對空間碎片環(huán)境的影響進行了仿真和分析。仿真場景包括在500km、800km、1100km 或1400km 軌道高度部署由1080 顆衛(wèi)星組成的星座。仿真結果表明，星座部署于500km 高度時，對未來空間碎片環(huán)境演化的影響最小。但一般而言，為了實現(xiàn)任務目標，衛(wèi)星會選擇高度稍高的軌道，因為低軌衛(wèi)星軌道維持成本相對較高。

減緩措施的合理性和有效性對遏制空間碎片數(shù)量的增長、安全實施航天活動、保證外空活動的長期可持續(xù)發(fā)展具有深遠的意義。大型星座計劃的實施使得傳統(tǒng)航天活動規(guī)律發(fā)生了顯著變化，使得對空間碎片減緩要求更高，目前國際相關平臺已將減緩措施的改進和升級提上議事日程。減緩措施需要更加細化、定量化，以利于更加可操作、可實施。

2 IADC 指南及新要求

IADC 是國際上以空間碎片問題研究和應對為主題的唯一政府間機構，于1993 年由美國、俄羅斯、ESA、日本發(fā)起成立，中國國家航天局于1995 年正式加入IADC。目前，IADC 有13 個成員國（美國、俄羅斯、ESA、中國、日本、意大利、法國、加拿大、德國、印度、烏克蘭、英國、韓國）。IADC 的宗旨是交換成員機構之間的碎片研究活動信息，為成員機構之間的空間碎片合作研究創(chuàng)造機會，檢查合作活動進展，確認空間碎片減緩措施選擇。

IADC 空間碎片減緩指南

IADC 成立后，積極響應國際組織相關空間碎片問題需求，制定權威的空間碎片術語定義，開展空間碎片聯(lián)測活動，比較研究空間碎片工程模型和演化模型，并以量化模型和數(shù)據(jù)分析支持評估減緩措施的有效性，先后制定了多條得到國際社會公認的空間碎片減緩措施，2002 年匯集成《IADC 空間碎片減緩指南》，提交聯(lián)合國外空委后，于2007 年獲聯(lián)合國大會決議通過，成為《聯(lián)合國空間碎片減緩指南》。目前，以該減緩指南為基礎的一系列空間碎片環(huán)境減緩措施，成為各國航天活動設計和實施過程的重要參考和審核依據(jù)。

IADC 針對大型星座的新要求

2015 年3 月召開的第33 屆IADC 會議上，大型星座部署問題受到重視。之后星座衛(wèi)星對空間碎片環(huán)境所帶來的影響，成為IADC 重點關注的問題之一。IADC 經(jīng)過兩年的聯(lián)合研究和討論，2017 年發(fā)布了針對低地球軌道（LEO）大型星座的減緩指南《IADC關于LEO 大型星座的聲明》；2021 年7 月6 日，該聲明修訂版發(fā)布，從星座設計、衛(wèi)星設計、運載器軌道級設計、星座在軌操作四個方面提出了推薦性建議。

1）高度間隔。建議在星座各部分之間設計足夠的高度間隔，以盡量減少星座衛(wèi)星之間潛在的碰撞風險。

2）運行軌道。衛(wèi)星運行環(huán)境與任務后處置成功率、預警、避碰等工作之間存在密切聯(lián)系。應考慮運行及任務后處置階段的碰撞風險，優(yōu)化運行軌道。

3）航天器數(shù)量和結構。為星座設置任務后處置成功率最小閾值。閾值考慮星座質量、高度、碰撞概率、數(shù)量和補發(fā)率。成功率須大于90%，能達到99%更好，任務后在軌壽命應低于25 年。

1）任務后處置。單個衛(wèi)星的處置成功率應遠大于90%，并設計任務后處置性能監(jiān)控功能。

2）優(yōu)化衛(wèi)星設計。在任務期間以及處置階段能盡量避免解體。

3）地面風險?？紤]航天器設計方案，完全消除或顯著減少那些撞擊地面有害碎片的數(shù)量和大小。

4）結構完整性。提高航天器整體可靠性，最大限度避免運行期間發(fā)生意外爆炸，并提高任務后處置成功率。

5）可跟蹤性。提高星座衛(wèi)星的可跟蹤能力，將對監(jiān)測預警工作起到積極的作用。同時，建議在星座衛(wèi)星軌道機動之前，提供其目標軌道信息，并定期更新。

《IADC 關于LEO 大型星座的聲明》主要框架

火箭上面級的運行高度接近星座高度時，也將面臨減緩問題；上面級無控再入也可能引起地面安全問題。星座運載器軌道級設計應予以考慮。

1）避碰。星座衛(wèi)星運行及任務后處置階段，均應具備避碰能力，并將避碰計劃傳達給相關方。

2）處置策略。IADC 減緩指南確定的任務后在軌壽命為25 年。對星座衛(wèi)星而言，應考慮進一步縮短軌道壽命。定期監(jiān)控任務后處置功能是否可用，一旦任務后處置成功率降至臨界水平，即使未達到設計壽命，也應立即啟動處置操作。

3）發(fā)射及前期操作。在將航天器提升到目標軌道之前，應考慮將其部署于空間碎片密度低、軌道壽命短、運行利用率低的過渡軌道區(qū)域，以便進行前期運行及測試。

3 典型星座的空間碎片減緩措施考慮

星座用戶或運營者，通過針對性設計星座和其衛(wèi)星的空間碎片減緩措施，將其對環(huán)境的影響降到最低，是在星座設計初期必須開展的工作。以下以典型大型星座為例，分析其運行者在設計時對空間碎片減緩措施的考慮。

“星鏈”星座

作為大型星座的典型代表，“星鏈”衛(wèi)星部署伊始即受到各界的高度關注。太空探索技術公司（SpaceX）也采取了一系列應對措施。

2020 年10 月27 日，低軌實驗室公司（LeoLabs）宣布了其與SpaceX 公司達成的商業(yè)協(xié)議。從2021年3 月開始，LeoLabs 公司將為“星鏈”衛(wèi)星提供初始入軌、在軌運行階段的跟蹤監(jiān)測服務，并在“星鏈”衛(wèi)星入軌初期提供快速的識別和定軌支撐。

2021 年1 月7 日，SpaceX 公 司與NASA 簽署空間法，聲明一旦“星鏈”衛(wèi)星與NASA 所運行的衛(wèi)星發(fā)生危險交會，“星鏈”衛(wèi)星需根據(jù)其自動星載風險評估及避碰能力執(zhí)行避碰。在“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射前，需向NASA 提交發(fā)射參數(shù)，以降低在入軌初期尚未編目，且“星鏈”衛(wèi)星尚不能自動避碰的階段發(fā)生危險交會的可能性。

2021 年4 月27 日，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）發(fā)布聲明要求SpaceX 公司必須每6 個月提交報告，報告內容需包括“星鏈”衛(wèi)星危險交會次數(shù)、避碰次數(shù)、失效衛(wèi)星數(shù)目、再入衛(wèi)星數(shù)目等信息。

“一網(wǎng)”星座

2017 年6 月，F(xiàn)CC 批準了“一網(wǎng)”720 顆小衛(wèi)星星座的申請。作為第一批獲FCC 發(fā)射許可的小衛(wèi)星星座，“一網(wǎng)”與“星鏈”一樣受到相關領域的高度關注。出于對空間碎片環(huán)境減緩的考慮，“一網(wǎng)”衛(wèi)星采取的措施包括：利用星載 GPS 提高定位精度；采用電推動方式機動，具備可靠的任務后處置能力；采用高可靠性的離軌組件，并設計可適應未來非合作抓捕的機械裝置；盡量采用再入易燒毀材料，降低對地面人員財產(chǎn)構成的威脅；具備避碰能力，入軌及運行階段，與其他運營商共享數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生危險交會可協(xié)調機動；選擇空間碎片較為稀疏的1200km 高度作為運行軌道；任務完成后5 年內主動離軌等。

2021 年3 月30 日，36 顆“一網(wǎng)”衛(wèi)星入軌5 天后，美國太空部隊第18 控制中隊發(fā)布了“一網(wǎng)”衛(wèi)星與“星鏈”衛(wèi)星的危險交會“紅色警報”。據(jù)估計，二者碰撞概率達1.3%。“一網(wǎng)”衛(wèi)星通過軌道機動，避免了潛在的碰撞風險。隨著大型小衛(wèi)星星座的密集部署，不難推斷此類事件極有可能再次重演。而星座運營商之間的即時、有效溝通，是雙方安全運行的重要保障。

“柯伊伯”星座

2019 年7 月4 日，亞馬遜公司（Amazon）向FCC 提交申請，擬在軌道高度590km、610km 和630km 部署3236 顆“柯伊伯”（Kuiper）星座衛(wèi)星。其衛(wèi)星將在任務后355 天之內主動離軌。

2019 年9 月18 日，Amazon 公 司 向FCC 提 交聲明稱，為保證運行安全，同一高度層內的“柯伊伯”衛(wèi)星兩兩之間距離將保持在50km 以外。同時，為保證載人航天的安全，“柯伊伯”衛(wèi)星初始發(fā)射軌道將低于“國際空間站”運行軌道。衛(wèi)星運行全過程將采取碰撞規(guī)避，以避免碰撞事件的發(fā)生。

4 建議

為保證大型星座的順利發(fā)展，從空間碎片環(huán)境減緩角度，對大型星座的設計及運行提出幾點建議：

1）星座目標軌道的選取，應充分考慮當前空間碎片分布規(guī)律及航天活動發(fā)展趨勢，盡量規(guī)避空間碎片密集區(qū)域，并與其他星座系統(tǒng)保持安全距離。進入目標軌道之前，可先選擇軌道高度較低的位置作為過渡軌道，并在過渡軌道上對入軌衛(wèi)星進行測試。過渡軌道的選取應低于載人航天的軌道高度，以免失效衛(wèi)星對載人航天構成威脅。

2）星座衛(wèi)星的監(jiān)測，應充分考慮其可監(jiān)測性，以便于監(jiān)測預警工作的開展。一旦遇到危險交會，應及時與相關運營商溝通協(xié)調。

3）星座衛(wèi)星的避碰，在星座衛(wèi)星的運行及任務后處置階段，建議維持避碰能力，盡量減小對空間環(huán)境的威脅。

4）星座衛(wèi)星的操作設計，應充分考慮衛(wèi)星操作可靠性，提高任務后離軌和鈍化等減緩措施的處置成功率。