美國“高層大氣研究衛星”隕落事件分析

朱魯青（北京空間科技信息研究所）

□□美國航空航天局（NASA）發布消息稱，已報廢的“高層大氣研究衛星”（UARS）在沒有人為控制的情況下，于美國東部時間2011年9月23日墜入地球大氣層。該衛星國際編號為1991－063B，已于2005年報廢。

1 UARS概況及解體過程

UARS特性

UARS質量為6.5t，是1991年從發現號航天飛機上發射的衛星。2005年，UARS因燃料耗盡而報廢。UARS項目耗資約7500萬美元，旨在通過測量氣體濃度和分布狀態，研究地球大氣層及其與太陽的交互作用。

UARS再入風險評估

2005年6月，UARS雖因燃料耗盡而報廢，但衛星上仍有6臺儀器可以工作。2005年12月，衛星利用最后剩余的推進劑降軌進入短壽命處置軌道。2010年10月26日，“國際空間站”與廢棄的UARS近距離相遇，為避免與衛星發生相撞，“國際空間站”實施了軌道機動。

目前，美國戰略司令部所屬的聯合空間運行中心負責對失控外空物體進行跟蹤，并對外發布外空物體跟蹤和撞擊預測信息，信息發布的時間間隔為4天、3天、2天、1天、12h、6h、2h。在最后2h才能確定衛星的再入時間（誤差在25min左右），并將再入地點確定在12000km范圍內。

因在設計時UARS還沒有實施空間碎片減緩標準，因此NASA對UARS再入非常關注。早在2002年就對UARS再入風險進行了詳細的評估，為后續的衛星墜落處置作好了充分的準備。目前，公布的各種風險評估數據和報道均基于2002年進行的UARS再入風險評估研究的結論。

UARS特性

2002年NASA對UARS再入風險進行了詳細評估。

· 再入后殘存的潛在危險物體：26個；

· 殘存物體的總質量：532kg；

· 預計人員傷亡風險：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星發生解體的高度。78km之后，衛星上的主要部件將與衛星主體分離，分別墜落地球表面。

根據NASA的建議，機構間空間碎片委員會（IADC）將UARS列入其2011年IADC再入風險物體監測目錄，根據IADC的監測和風險評估結果，認為UARS的再入風險沒有達到IADC對危險物體的定義。

航天器解體的典型過程

由于受殘存大氣的影響，低軌道上的失控衛星或其他失控航天器，其軌道高度以每天數百米的速度逐漸衰減。當降低到100～120km左右高度時，由于大氣密度較大，軌道高度迅速降低，同時衛星在氣動熱作用下加熱，此時可以認為衛星再入大氣層。在氣動熱和氣動力的雙重作用下，衛星發生解體，解體的一般過程如下。

（1）太陽翼、天線等星上大型設備的分離解體

在進入大氣層初期，太陽翼、大型天線等設備在大氣阻力作用下開始撕裂，與衛星本體分離。這個過程一般發生在100km高度左右。

（2）星體解體

隨著衛星溫度繼續升高，在高溫和大氣阻力的雙重作用下，衛星結構失效，星體內外部設備陸續與衛星發生分離。若衛星攜帶有較多剩余燃料，甚至可能發生爆炸，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加熱燒蝕，還有可能再次發生解體。根據經驗，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結構圖

UARS落地后的碎片

（4）到達地面或燒盡

碎片在墜落過程中熔化或燃燒，質量逐漸減小，一些較大的部件則會殘留一部分，直到撞擊地面。若撞擊到人員、財物，則會構成傷害。其他大部分碎片在到達地面前就已經燒盡，不會撞擊地面。還有一些質量更小的碎片，在燒盡前已經降到較低速度，不再燒蝕，最終飄落到地面。

由于阻力不同，面積/質量的比值較大的碎片飛行距離較近，反之則飛行較遠。所有的碎片沿衛星的軌跡方向散布在一個狹長的區域。散落區域長度一般在數千千米內，寬度約數百千米。

2 相關國際法規、慣例和損害賠償案例

截止目前，美國戰略司令部空間監測網監測目錄中共有36700個外空物體，已監測到21800個人造物體再入大氣。這些航天器中的絕大部分在進入大氣層時已經解體并燃燒殆盡，因此對地面僅造成了很小的威脅。但實際上，平均每天都有1個航天器返回，同時每星期還有1～2個半徑大約為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

空間活動是高風險活動，當出現外空物體因發生事故或其他原因造成損害時，需要為外空物體造成損害的賠償責任制定有效的國際規則和程序。1967年的《外空條約》確立了國家責任和賠償責任原則，1971年又締結了《外空物體所造成損害之國際責任公約》（簡稱《責任公約》），建立了外空物體損害賠償制度。《責任公約》于1971年11月29日聯合國大會通過，1972年3月29日開放簽署，1972年9月1日生效。中國于1988年12月加入該公約。

因沒有變軌機動能力及太陽黑子活動頻繁引起大氣膨脹，美國“天空實驗室”（Skylab）于1979年7月墜入大氣層

根據《責任公約》的規定，發射國對其發射的外空物體對第三國所造成的損害負有賠償責任。發射國不但包括發射外空物體的國家，還包括促使發射外空物體的國家和從其領土上發射外空物體的國家，所有這些國家對外空物體造成的損害負有共同的賠償責任。發射國對其外空物體在地球表面或給飛行中的飛機造成損害，應負有賠償的絕對責任；對在地球表面以外的其他地方造成損害，除飛行中的飛機外，只承擔過失賠償責任。損害賠償額應按國際法和公正合理的原則來確定，以便對損害所作的賠償能使提出賠償要求的自然人或法人、國家或國際組織把損害恢復到未發生前的原有狀態。賠償損害的要求，應通過外交途徑向發射國提出。在通常情況下，賠償損害的要求須于損害發生之日起，或判明應負賠償責任的發射國之日起1年內向發射國提出。若賠償要求未能在上述期限內通過外交途徑解決，有關各方應于任一方提出請求時，成立求償委員會。

歸還發射到外空物體的協定

外層空間營救制度是空間法的一項重要制度，是就營救航天員和歸還外空物體等問題制定的專門的國際公約，其內容包含在《營救航天員、送回航天員和歸還射入外層空間的物體的協定》（簡稱《營救協定》）中。1967年12月19日聯合國大會通過該協定，1968年4月24日開放簽署，1968年12月3日生效。中國于1988年12月加入該協定。其中，關于歸還發射到外空物體的相關協議包括以下幾方面。

· 每個締約國獲悉或發現外空物體或其組成部分返回地球，并落在該國所管轄的區域內、公海，或不屬于任何國家管轄的其他任何地方時，應通知發射當局和聯合國秘書長。

· 每個締約國若在其管轄的區域內發現外空物體或其組成部分時，應根據發射當局的要求，并如有請求，在該當局的協助下，采取它認為是切實可行的措施，來保護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射當局管轄的區域以外發現，應在發射當局的要求下歸還給該發射當局的代表，或交給這些代表支配。如經請求，這些代表應在物體或其組成部分歸還前，提出證明資料。

· 如果締約國有理由認為在其管轄的區域內出現的外空物體或其組成部分是危險的和有害的時候，則可以通知發射當局在該締約國的領導和監督下，立即采取有效措施，消除可能造成危害的危險。

· 履行保護和歸還外空物體或其組成部分的義務所花費的費用，應由發射當局支付。

德國“倫琴衛星”（ROSAT）于2011年10月23日失控墜入地球大氣層

蘇聯宇宙－954衛星墜落索賠案例

1978年1月，蘇聯的核動力源衛星—宇宙－954墜入加拿大境內，對加拿大的環境造成了損害。加拿大依據《責任公約》向蘇聯政府索賠600萬加元。雙方經過談判，最終確定賠償額為300萬加元。

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

加拿大認為，蘇聯在該衛星可能進入和即將進入加拿大上空大氣層時沒有通知加拿大，蘇聯也沒有就加拿大提出的有關該衛星的問題做出及時、全面的答復。在所搜集的衛星殘片中，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《責任公約》，蘇聯作為發射國對該衛星給加拿大造成的損害負有絕對賠償責任。危險的放射性殘片對加拿大的領土和環境造成了放射性危害，此外，衛星進入加拿大領空和放射性殘片散布在其領土上還侵犯了其主權。加拿大向蘇聯提出600萬加元的賠償。蘇聯則明確拒絕承擔賠償責任。蘇聯認為，由于設計了使衛星上的核反應堆在重返大氣層時完全燒毀的功能，因此其殘片不應具有嚴重危險，在墜落地區引起環境污染的可能性很小。衛星墜落并沒有造成加拿大人員傷亡，也未造成實際財產損失，因此沒有發生《責任公約》范圍內的“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

本案件爭論的焦點在于是否發生了《責任公約》所定義的損失。按照《責任公約》第1條，導致賠償責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，以及國家、自然人、法人的財產或國際政府間組織的財產損失或損害。至于像放射性物質引起的環境污染是否也屬于《責任公約》定義的損害，則不明確。正因為《責任公約》有這一缺漏，蘇聯才拒絕承擔責任。由于核動力衛星所含放射性物質對人體和環境均有危害，所以宇宙－954衛星墜落事件引起了國際社會對在外層空間使用核動力源問題的嚴重關切，這直接導致聯合國外層空間委員會（COPUOS）制定這方面的法律規定。1992年，聯合國大會通過了《關于在外層空間使用核動力源的原則》。

1981年4月2日，雙方通過協商達成協議，蘇聯最后同意“善意性”支付加拿大300萬加元，作為加拿大清理衛星殘片的費用，但仍拒絕負有賠償責任，認為加拿大聲稱的損害不屬于《責任公約》范疇內的損害。

3 結論和建議

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，還沒有發生過外空物體再入造成人員傷亡的事件。

2）根據歐洲航天局（ESA）、NASA制定的空間碎片標準規定，衛星碎片再入大氣造成人員傷亡的概率應小于1∶10000。但UARS設計時還沒有實施上述標準。為此，NASA 對UARS再入進行了充分的風險評估，使衛星墜落發生時，NASA能從容應對。

3）外空物體再入是每個月都會發生的常規性事件。美國對外空物體的再入監測和預報已經形成了一個常規的機制，美國空間監測網在衛星再入前按照4天→3天→2天→1天的時間間隔向用戶和公眾發布衛星再入信息，從衛星再入前24h進入最高級別的監測狀態，開始以12h→6h→2h的時間間隔進行信息通報。根據美國目前的監測能力，在衛星再入前1h，衛星再入時間和再入地點的預報精度可達到1/3軌。如果物體有可能落入美國或北美，美國戰略司令部將告知美國聯邦應急管理局和加拿大公共安全部門，啟動相應處理機制。我國亦通過美國衛星隕落事件的相關準備和處置過程等實踐，變例外和應急為例行和常規，對此類事件形成一種例行化、常規化的處理機制。

4）此次UARS墜落，美國沒有像2008年2月USA－193衛星墜落時那樣采用導彈攔截擊毀，也再一次驗證了2008年2月美國用導彈擊落再入衛星的真正目的是為了進行反衛星武器試驗。

5）鑒于目前我國空間目標監視能力明顯不足，在對目標的分辨能力以及實時跟蹤能力等方面遠遠落后于美國，并落后于俄羅斯、歐洲等國家和地區，建議加大投入，重視和加強對空間目標（包括碎片）監測技術的研究和基礎設施的建設。

6）我國于1988年12月加入了《責任公約》和《營救協定》。作為締約國，在處理外國衛星墜落我國境內的問題時，應嚴格按照國際法的條款，對所造成的損害積極主動地準備賠償預案；同時也要遵照《營救協定》的內容，對再入殘骸進行處置時采取必要的策略。■