治理空間碎片"任重道遠(yuǎn)"-專訪空間碎片研究專家韓增堯

本刊記者 徐菁

治理空間碎片"任重道遠(yuǎn)"-專訪空間碎片研究專家韓增堯

本刊記者 徐菁

空間碎片是人類航天活動(dòng)對(duì)空間環(huán)境的污染物,俗稱"太空垃圾",也是人類須共同面臨的環(huán)境問(wèn)題.人類有責(zé)任找出有效的治理方法,給后人留下潔凈的空間,而且解決空間碎片問(wèn)題需要各航天國(guó)家的共同努力.2014年5月12日,第32屆機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC)會(huì)議在北京召開,與會(huì)各成員國(guó)和機(jī)構(gòu)的專家們就空間碎片問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而深入的探討.為此,本刊記者專訪了空間碎片研究專家韓增堯研究員.

記者:人類對(duì)空間碎片的研究開始于什么時(shí)候?當(dāng)時(shí)空間碎片狀況是怎樣的?近年來(lái),空間碎片的狀況有哪些變化?

韓增堯:自從1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星,空間碎片問(wèn)題就開始存在.20世紀(jì)60年代至80年代,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)航天發(fā)射次數(shù)處于巔峰時(shí)期,基本保持在每年100次以上,而這些航天活動(dòng)又沒(méi)有采取必要的減緩措施,于是出現(xiàn)了大量火箭上面級(jí)或航天器爆炸解體的事件,使空間碎片問(wèn)題變得日益突出,因而逐步引起國(guó)際社會(huì)的關(guān)注.

幾十年來(lái),人類的航天活動(dòng)一共產(chǎn)生了4萬(wàn)多個(gè)可編目的空間碎片(俗稱大碎片),其中有2萬(wàn)多個(gè)已經(jīng)隕落.2000年以前,可編目空間碎片數(shù)量大體以每年250個(gè)左右的速度遞增,并在2000年突破1萬(wàn)個(gè),之后,有明顯加速趨勢(shì).截止到2014年3月,根據(jù)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,其數(shù)量已接近17000個(gè).

記者:請(qǐng)您談?wù)効臻g碎片的危害性.如果人類任由空間碎片的發(fā)展,若干年后會(huì)導(dǎo)致什么局面?

韓增堯:人類越來(lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到空間碎片的危害性.首先,隨著空間碎片數(shù)量的不斷增加,對(duì)在軌正常運(yùn)行的航天器造成的威脅會(huì)越來(lái)越大,一旦在軌航天器受到碎片撞擊,可能會(huì)造成粉碎性解體,比如2009年發(fā)生的美俄衛(wèi)星相撞事件直接造成衛(wèi)星解體,瞬間產(chǎn)生了2000多個(gè)碎片.其次,在軌航天器幾乎無(wú)法規(guī)避微小空間碎片的撞擊,會(huì)對(duì)航天器造成一定的隱患.一個(gè)直徑1mm的碎片可以輕易擊穿衛(wèi)星的壁板,對(duì)衛(wèi)星內(nèi)部造成損傷.美國(guó)曾發(fā)射過(guò)一個(gè)"長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)裝置"(LDEF),這個(gè)裝置在太空中飛行了69個(gè)月,然后由航天飛機(jī)帶回地面,科學(xué)家對(duì)其表面進(jìn)行了詳細(xì)的研究,發(fā)現(xiàn)其上看得見(jiàn)的撞擊坑有34000多個(gè),大于0.5mm的撞擊坑有5000多個(gè).每年,美國(guó)航空航天局都有"國(guó)際空間站"表面遭微小碎片撞擊的報(bào)道.在航天飛機(jī)退役前,每次執(zhí)行任務(wù)返回后,技術(shù)人員都會(huì)對(duì)航天飛機(jī)表面進(jìn)行詳細(xì)檢查,被撞擊的痕跡少則幾十處,多則上百處,并因此多次更換受損的舷窗.此外,每年都會(huì)有一定數(shù)量的空間碎片隕落大氣層.在空間碎片隕落過(guò)程中,大部分會(huì)燒蝕殆盡,但也會(huì)有一些耐燒蝕部件殘留,如果隕落到地面,可能會(huì)對(duì)地面上的人員財(cái)產(chǎn)安全造成威脅;如果殘留部分具有放射性,則需要采取嚴(yán)格的防護(hù)措施.

正是由于空間碎片的危害性非常大,如果我們現(xiàn)在還不采取措施,任由其發(fā)展,有科學(xué)家估計(jì)到2050年在低地球軌道上會(huì)發(fā)生"鏈?zhǔn)?反應(yīng),有可能像美國(guó)大片《地心引力》一樣,碎片相撞產(chǎn)生更多碎片,然后連鎖發(fā)生更多的相撞,使碎片數(shù)量急劇增加,最終出現(xiàn)人類無(wú)法控制,導(dǎo)致低地球軌道資源不可用的局面.

空間碎片已成為一個(gè)全球性問(wèn)題.1988年召開的第44屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上,第一次在決議中列入了空間碎片問(wèn)題;1993年聯(lián)合國(guó)大會(huì)把空間碎片問(wèn)題作為一個(gè)專題;1995年聯(lián)合國(guó)將其作為一個(gè)優(yōu)先審議的項(xiàng)目;2005年聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱聯(lián)合國(guó)外空委)技術(shù)小組起草了《空間碎片減緩指南》,并于2007年表決通過(guò).

記者:您能否給我們介紹一下機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)?我國(guó)加入該委員會(huì)后開展了哪些工作?

韓增堯:機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)是目前唯一一個(gè)從事空間碎片研究和協(xié)調(diào)的非政府組織.該委員會(huì)于1993年成立,當(dāng)時(shí)我國(guó)以觀察員身份參加,1995年國(guó)家航天局代表我國(guó)政府參加.目前,委員會(huì)有包括中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、歐洲航天局等在內(nèi)的12個(gè)成員,基本上包括了世界主要的航天國(guó)家.機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)下設(shè)5個(gè)組,其中,指導(dǎo)組由各國(guó)政府和航天機(jī)構(gòu)的官方代表參加,主要指導(dǎo)4個(gè)技術(shù)組的工作,這4個(gè)技術(shù)組包括觀測(cè)組、環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)組、防護(hù)組及減緩組,分別針對(duì)不同的領(lǐng)域開展工作,同時(shí)還進(jìn)行合作交流和研究,共同商討治理空間碎片的對(duì)策.

機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)成立21年來(lái),組織完成了很多次關(guān)于空間碎片的相關(guān)合作研究.比如,對(duì)空間碎片的聯(lián)合觀測(cè),無(wú)論是光學(xué)觀測(cè)手段,還是雷達(dá)觀測(cè)手段,各個(gè)國(guó)家或地區(qū)所處地理位置都有一定局限性,只能觀測(cè)到自身區(qū)域上空的碎片,要想掌握全球范圍內(nèi)的空間碎片數(shù)據(jù)和信息,就必須建立全球空間碎片監(jiān)測(cè)網(wǎng),通過(guò)多個(gè)國(guó)家的參與來(lái)提高空間碎片觀測(cè)的精確度.另外,該委員會(huì)還組織開展地面超速撞擊試驗(yàn),由于空間碎片的飛行速度很快,在低軌的空間碎片飛行速度為7.6km/s,平均碰撞速度可達(dá)10km/s,撞擊帶來(lái)的危害是很大的,因此我們需要在地面模擬撞擊效應(yīng)試驗(yàn),以便對(duì)航天器采取必要的防護(hù)措施,并評(píng)估防護(hù)效果.

機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)的作用是比較明顯的,作為聯(lián)合國(guó)外空委科技小組的一個(gè)技術(shù)支撐組織,發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.聯(lián)合國(guó)發(fā)布的《空間碎片減緩指南》就是在機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)制定的指南的基礎(chǔ)上形成的.

我國(guó)加入機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)以后,全面參與了5個(gè)組的工作,比如紫金山天文臺(tái)每年都參加聯(lián)合觀測(cè)太空危險(xiǎn)目標(biāo)的隕落,并對(duì)其進(jìn)行預(yù)報(bào),而且我國(guó)的預(yù)測(cè)精度在各成員國(guó)的排名比較靠前.我國(guó)還參與了多國(guó)聯(lián)合地面撞擊試驗(yàn),通過(guò)地面超高速撞擊試驗(yàn),對(duì)各國(guó)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行比較,驗(yàn)證各國(guó)超高速撞擊設(shè)備的能力和水平.我國(guó)研究的防護(hù)工具和方法在機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)中有比較好的反響,并成功應(yīng)用于天宮-1目標(biāo)飛行器的空間碎片防護(hù)設(shè)計(jì)上.

記者:目前觀測(cè)空間碎片采取什么手段?我國(guó)有衛(wèi)星來(lái)觀測(cè)空間碎片嗎?

韓增堯:現(xiàn)在,國(guó)際上觀測(cè)空間碎片的手段還是以地基觀測(cè)為主,包括無(wú)線電手段和光學(xué)手段,對(duì)于低軌道的空間碎片主要是采用"電磁籬笆"、雷達(dá)進(jìn)行觀測(cè);而對(duì)高軌道空間碎片的觀測(cè)則以光學(xué)手段為主.

地基與天基觀測(cè)各有不同的優(yōu)勢(shì),它們互相補(bǔ)充.地基觀測(cè)設(shè)備可以把光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑和雷達(dá)功率做得很大,但是,由于地基觀測(cè)受到地域條件的限制,難以實(shí)現(xiàn)全球布網(wǎng).而天基手段可以覆蓋全球,但因航天器平臺(tái)資源有限,所以探測(cè)距離和精度也會(huì)受到限制.

目前,我國(guó)還沒(méi)有在軌衛(wèi)星用于碎片觀測(cè),不過(guò),有理由相信,未來(lái)我國(guó)必將發(fā)展天基觀測(cè)手段,為獲取空間碎片的數(shù)據(jù)提供更多途徑.

記者:目前,世界主要航天國(guó)家在空間碎片研究方面取得了哪些重要成果?如何減緩空間碎片的產(chǎn)生?是否會(huì)制定相關(guān)公約?

韓增堯:以美國(guó)為主的航天國(guó)家在空間碎片方面開展的工作,主要也是圍繞機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)所涉及的4個(gè)層面展開.首先是通過(guò)地基和天基手段進(jìn)行碎片觀測(cè),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;然后是碎片數(shù)據(jù)庫(kù)的管理,如美國(guó)的北美防空司令部對(duì)空間碎片數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,并在此基礎(chǔ)上開展碰撞預(yù)警的相關(guān)研究和工程應(yīng)用;第三是防護(hù),即應(yīng)采取怎樣的防護(hù)措施,來(lái)提高航天器抵御空間碎片撞擊的能力,如美國(guó)針對(duì)"國(guó)際空間站"的主要艙段采取了嚴(yán)格的防護(hù)措施,確保"國(guó)際空間站"在壽命期間能滿足防護(hù)要求;第四是減緩,減少軌道上空間碎片的數(shù)量,由于美國(guó)造成的空間碎片數(shù)量是最多的,而且其對(duì)衛(wèi)星的依賴程度也比較高,因此對(duì)于治理空間碎片這一問(wèn)題,美國(guó)無(wú)論是研究方面,還是工程應(yīng)用方面,以及制定相應(yīng)的國(guó)際規(guī)則等方面都表現(xiàn)得比較積極.

減少空間碎片的產(chǎn)生主要通過(guò)以下幾個(gè)手段:一是避免發(fā)生在軌的解體,這就要求運(yùn)載火箭和衛(wèi)星在任務(wù)結(jié)束后采取鈍化措施,如排空剩余推進(jìn)劑;二是避免發(fā)生在軌的碰撞,這就要求在軌航天器能夠躲避空間碎片的撞擊;三是減少運(yùn)載火箭和航天器任務(wù)期間釋放的操作性空間碎片,如星箭分離使用的包帶、爆炸螺栓帽等.

由于目前聯(lián)合國(guó)通過(guò)的《空間碎片減緩指南》沒(méi)有太多約束力,所以,未來(lái)國(guó)際社會(huì)不排除會(huì)制定相關(guān)公約,以有約束力的法律條文來(lái)約束航天活動(dòng).

記者:我國(guó)現(xiàn)在有哪些單位在進(jìn)行空間碎片的研究?近年來(lái)在碎片研究方面有什么進(jìn)展?

韓增堯:目前,我國(guó)有包括工業(yè)部門、科研院所、高校等單位在內(nèi)的數(shù)十家單位對(duì)空間碎片進(jìn)行研究,近年來(lái)在這方面做出了不少成績(jī).

在空間碎片的監(jiān)測(cè)預(yù)警方面,我國(guó)的地面監(jiān)測(cè)設(shè)備參與了神舟-6~10飛船、嫦娥-1~3探測(cè)器的發(fā)射預(yù)警任務(wù),為載人航天和空間探測(cè)任務(wù)提供了技術(shù)保障.在防護(hù)方面,我們自主研制了空間碎片風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具,利用該工具來(lái)評(píng)估飛行器壽命期間各個(gè)部位遭受撞擊的風(fēng)險(xiǎn),并在天宮-1目標(biāo)飛行器上有針對(duì)性地采取了防護(hù)措施.現(xiàn)在,天宮-1已經(jīng)完成2年的預(yù)定任務(wù),整個(gè)狀態(tài)良好,表明我們采取的防護(hù)設(shè)計(jì)是可靠的.在減緩方面,"長(zhǎng)征"系列火箭上針對(duì)空間碎片減緩問(wèn)題實(shí)施了鈍化措施,包括剩余推進(jìn)劑的排空、任務(wù)完成后火箭儲(chǔ)能部件的消能;而且我國(guó)已有多顆地球靜止軌道衛(wèi)星在任務(wù)完成后實(shí)施離軌,彰顯負(fù)責(zé)任航天大國(guó)的形象.在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面,我國(guó)制定了多個(gè)空間碎片標(biāo)準(zhǔn),與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)接軌.

我國(guó)政府也加強(qiáng)了對(duì)空間碎片的管理工作.2009年12月1日,國(guó)家航天局正式發(fā)布了《空間碎片減緩與防護(hù)管理暫行辦法》,用來(lái)約束我國(guó)工業(yè)部門、用戶及研制單位的行為,以利于空間碎片的減緩和防護(hù)工作有序開展.

2013年10月,我國(guó)召開了第7屆全國(guó)空間碎片學(xué)術(shù)交流會(huì),對(duì)研究進(jìn)展和成果進(jìn)行了廣泛的交流. 2014年在北京舉辦的第32屆機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)會(huì)議,不僅可以樹立我國(guó)政府在空間碎片領(lǐng)域負(fù)責(zé)任大國(guó)的形象,而且對(duì)促進(jìn)國(guó)際間交流合作、引領(lǐng)我國(guó)空間碎片研究向縱深發(fā)展有積極作用.

記者:在空間碎片減緩方面存在的主要困難是什么?是否找到有效的解決途徑?這種途徑什么時(shí)候能夠投入實(shí)際應(yīng)用?

韓增堯:空間碎片減緩問(wèn)題一直是各國(guó)都感到棘手的問(wèn)題.一方面,如果不采取一定的減緩措施,在軌解體事件必然會(huì)頻發(fā),進(jìn)而產(chǎn)生更多的空間碎片;另一方面,如果采取措施的話,就會(huì)給研制部門、用戶帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān),會(huì)犧牲某些代價(jià).比如,對(duì)于地球靜止軌道衛(wèi)星,在其任務(wù)完成后要離軌,而離軌需要燃料,如果不離軌衛(wèi)星可以延長(zhǎng)一些壽命,帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益.此外,以往火箭和衛(wèi)星的研制流程是較為成熟的,要改變它的設(shè)計(jì)狀態(tài)和流程,可能會(huì)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn),所以無(wú)論從單純的設(shè)計(jì)部門還是從用戶,都不情愿去做這件事.這也是空間碎片減緩工作不好推進(jìn)的原因之一.

技術(shù)障礙是空間碎片減緩工作中遇到的另一個(gè)困難.比如,前面提到的地球靜止軌道衛(wèi)星離軌問(wèn)題,衛(wèi)星壽命到期時(shí)要求運(yùn)行到地球靜止軌道以上300km左右的棄置軌道.然而,目前還沒(méi)有一種成熟的技術(shù)手段能非常精確地測(cè)量衛(wèi)星的剩余推進(jìn)劑,既能確保衛(wèi)星離軌,也不浪費(fèi)推進(jìn)劑.目前,機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)還準(zhǔn)備出臺(tái)一個(gè)規(guī)定,只允許運(yùn)載火箭和衛(wèi)星在任務(wù)完成后在軌滯留25年.如何推進(jìn)這個(gè)規(guī)定也存在很大困難,因?yàn)樾l(wèi)星要想離軌隕落所付出的代價(jià)是很高的,比如八九百千米軌道的衛(wèi)星,實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)直至隕落所需的推進(jìn)劑能讓其在軌道上工作幾年時(shí)間.

現(xiàn)在,對(duì)于地球靜止軌道的空間碎片減緩工作還是做得比較好的,因?yàn)槠渌ㄙM(fèi)的代價(jià)不是很高,而且由于地球靜止軌道資源非常寶貴,目前這個(gè)軌道上已經(jīng)部署了400多顆衛(wèi)星,所以,相對(duì)來(lái)說(shuō)各主要航天國(guó)家對(duì)此還是做得比較好的.

不同的軌道高度,在空間碎片減緩措施上所付出的代價(jià)不一樣,只有少數(shù)軌道的衛(wèi)星在嘗試采取減緩措施,還沒(méi)有形成一種強(qiáng)制性的規(guī)定.

有學(xué)者提出,未來(lái)可以形成這樣一種治理空間碎片的模式:由相關(guān)法律對(duì)航天活動(dòng)進(jìn)行約束,對(duì)于沒(méi)有能力治理空間碎片的國(guó)家或組織,由商業(yè)公司幫助清理,而責(zé)任人必須支付清理的費(fèi)用.這種模式首先基于技術(shù)和商業(yè)運(yùn)作的成熟程度,而且存在一定法律層面的問(wèn)題,至于何時(shí)能夠付諸實(shí)施,恐還有很長(zhǎng)的路要走.

記者:從您這些年對(duì)空間碎片的研究經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,我國(guó)未來(lái)空間碎片的研究和應(yīng)對(duì)措施應(yīng)該從哪些方面加大力度?

韓增堯:在政策標(biāo)準(zhǔn)層面,不僅要貫徹執(zhí)行《空間碎片減緩與防護(hù)管理暫行辦法》,而且應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定,為工作部門和用戶提供可具操作性的指導(dǎo)文件.

在空間碎片的監(jiān)測(cè)方面,我國(guó)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與國(guó)外相比差距還比較大,在改進(jìn)地基監(jiān)測(cè)手段的同時(shí),要考慮發(fā)展天基監(jiān)測(cè)手段,為空間碎片的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的獲取提供支撐.

在預(yù)警數(shù)據(jù)庫(kù)方面,應(yīng)加強(qiáng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理,提高數(shù)據(jù)的品質(zhì)和時(shí)效性,為我國(guó)在軌100余顆衛(wèi)星的日常預(yù)警提供有效支撐.

在航天器防護(hù)方面,我國(guó)將要發(fā)展載人空間站,對(duì)空間碎片防護(hù)提出了更高的要求,我們應(yīng)加強(qiáng)先進(jìn)防護(hù)結(jié)構(gòu)和防護(hù)材料的研究;對(duì)于大量的在軌衛(wèi)星,特別是低軌衛(wèi)星,遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險(xiǎn)比較高,我國(guó)有必要對(duì)衛(wèi)星的重要部位采取一定的防護(hù)措施,提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行的可靠性.

在軌航天器上應(yīng)安裝一些監(jiān)測(cè)設(shè)備,實(shí)時(shí)對(duì)空間碎片的撞擊進(jìn)行觀測(cè).我國(guó)的空間站,由于長(zhǎng)期需要有人照料,航天員滯留時(shí)間較長(zhǎng),一旦有空間碎片撞擊,航天員應(yīng)該能夠通過(guò)空間監(jiān)測(cè)設(shè)備在很短的時(shí)間內(nèi)獲知相關(guān)信息,并了解撞擊部位和撞擊程度,以便采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施,或采取撤離等應(yīng)急響應(yīng),來(lái)保證航天員的安全.

在減緩方面,應(yīng)著重開展低軌運(yùn)載火箭和衛(wèi)星任務(wù)后壽命不超過(guò)25年的技術(shù)措施研究和空間碎片清除研究.

正如地球表面上的環(huán)境一樣,地球軌道上的環(huán)境也未能逃脫先污染、后治理的命運(yùn),而且治理的難度更大,周期會(huì)更長(zhǎng).美國(guó)、歐洲、俄羅斯等國(guó)家都召開了多次空間碎片清除的研討會(huì),提出了若干技術(shù)措施和手段,但整體看來(lái),面對(duì)這些數(shù)量眾多、大小不一、高速飛行的空間碎片,無(wú)論是技術(shù)能力還是財(cái)政負(fù)擔(dān)都將是非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).