《空間碎片減緩要求》主要變化及建議

唐明亮,王穎,古艷峰

(上海宇航系統工程研究所,上海201109)

1 引言

近年來,隨著國內外商業航天的蓬勃發展,多家公司均推出了數量巨大的衛星星座計劃,尤其是近地軌道 (LEO)類型的商業發射次數明顯增多,參見圖1。

由于每年發射進入太空的火箭和衛星數量大幅增加,因此空間碎片也相應增加。截至2019年4月初,在編的空間碎片 (直徑一般大于10cm)數目近2萬個,參見圖2。國際上對遏制空間碎片快速增長的呼聲也逐漸升高。其中,固體運載火箭和大幅采用工業級元器件的小衛星以其低成本優勢,增幅明顯。由于固體火箭發動機在推力下降段容易產生較多的固體熔渣,微小衛星本體尺寸和變軌能力普遍較小,有效運行壽命較短,因此對地面跟蹤監視和其他LEO高價值衛星正常運行提出更高要求。

圖1 LEO發射次數統計[1]Fig.1 LEO launch statistics[1]

圖2 空間物體編目數量變化圖[2]Fig.2 Variation of number of catalogued space objects[2]

圖3 停留和穿越LEO的空間物體數量隨軌道高度分布圖[1]Fig.3 Distribution of the number of space objects residing and traversing LEO with orbital altitude[1]

目前停留和穿越LEO區域的空間碎片分布情況見圖3。

ISO TC20/SC14/WG7負責編制的ISO 24113《空間碎片減緩要求》[3]是ISO空間碎片減緩標準體系的頂層標準,在國際航天界擁有很大的影響力。部分國家政府將其視作規范本國航天活動的法律。相當多的國家在制定本國相應標準時基本等同采用該標準。按照ISO相關規定,ISO TC20/SC14/WG7負責編制的ISO 24113《空間碎片減緩要求》自2011年發布第二版后,近年進行了第三版修訂階段。在新版標準修訂過程中,為遏制空間碎片的快速增長,并保持標準本身的先進性,WG7工作組加嚴了空間碎片減緩的相關要求。目前,新版已進入 Final Draft International Standard(FDIS)階段,即將正式發布。為維護我國作為負責任航天大國的形象,國內航天界有必要針對空間碎片減緩相關要求的變化及時調整相關發展策略,采取必要的改進措施。

2 主要變化及其背景

相比上一版本ISO 24113:2011,對該標準最新版的要求和建議的主要變化及其背景作如下分析:

背景:為限制運載火箭單次發射可釋放空間碎片的總數量。相比原版本,對于多星發射,限制了支承艙數量。此處的空間碎片包含運載火箭留軌級及其釋放出的支承艙和頭罩等物體。該項變化旨在鼓勵運載火箭末級采用并聯布局方式執行一箭多星發射。對于末級具備離軌能力的運載火箭,則可以使用2個支承艙。對于單次發射產生2個火箭留軌級的情況,則不能再釋放支承艙等其他空間碎片。

(2)熔渣限制要求。固體火箭在地球靜止軌道 (GEO)和LEO保護區均不得排放超過1mm的熔渣的約束。

背景:經相關分析,若LEO內的空間碎片直徑超過1mm,就具備足夠能量對在軌航天器造成嚴重損傷[4]。在真空環境中,對于常見的采用潛入式擺動噴管設計的固體發動機,其推力下降段形成的噴出物的直徑基本上介于100μm～5cm之間,質量占整個裝藥量的0.04%～0.65%,噴出速度為0～100m/s,足以對航天器構成空間碎片威脅[5]。因此,增設該項內容的目的是限制固體火箭大顆粒燃燒熔渣在LEO的排放,從而降低與航天器的碰撞風險。

(3)防碰撞要求。停留在GEO的航天器應具備可重復的變軌機動能力;對于具備可重復變軌機動能力的航天器,應設計成能夠主動實施碰撞風險管理,并在運行階段加以落實;航天器在設計階段須完成遭受空間碎片或流星體碰撞導致解體的風險評估。

背景:為了避免碰撞引起航天器解體,增加上述要求。考慮到運載火箭留軌級一般有效運行壽命較短,且不具備可重復變軌能力,因此未對其作防碰撞要求。

(4)成功處置概率要求。航天器或運載火箭留軌級的成功處置概率0.9不再是條件概率,而是全概率。

背景:新要求加嚴了成功處置概率。主要背景是經相關推演仿真,需要提高處置概率,才能有效延緩空間碎片增長,考慮到當前各國的工業水平,已作一定程度的妥協。

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(5)再入風險建議。明確建議空間碎片再入對地面人員構成的傷亡風險上限值為10-4。

背景:空間碎片再入過程中,120km高度對應位置可視為再入點,并且一般會在80km高度附近解體。隨后,各碎片因面值比不同,墜地時距離再入點的射程也遠近不同,一般在500～1200km范圍內。大部分低密度材料可在墜落過程中燒毀,但仍有部分碎片仍然能夠在返回過程中幸存,對地面人員財產構成威脅。當碎片動能超過15J時,就被視為對人員有較大威脅。

新建議主要是為了加強對運載火箭或航天器的再入風險管控。當無控再入對應的傷亡風險超過要求值,則需要改為受控再入,且受控再入的失效概率與傷亡概率的乘積不得超過傷亡風險上限值。目前,美、歐、日等航天界均采用該數值。

(6)變軌處置要求。不再允許將位于LEO內的火箭或航天器升軌至LEO和GEO之間區域的處置方式。

背景:在空間碎片演化仿真時,為確保在未來100年內能有效控制空間碎片增長,停留或穿越LEO、GEO以及二者之間區域的所有空間物體均須滿足25年限制條件。因此,不再允許將軌道高度在1400～2000km之間的火箭留軌級或航天器從LEO抬升至2000km以上的處置做法。

需要說明的是,對于有變軌機動能力的空間物體,其留軌壽命的起始點是主任務完成時刻,而非離軌操作結束時刻,這是為了避免將較長離軌時間排除在留軌壽命之外。比如某衛星采用氣動增阻裝置進行被動離軌,其被動離軌的時間應算作留軌壽命的一部分。

3 我國現狀

(1)多星布局

目前,對于尺寸較大的衛星,國內現役運載火箭在執行一箭多星發射時,往往不得不采用多星串聯布局。在星箭分離正常操作時,可能需要釋放多個支承艙 (載荷艙)。

(2)固體發動機熔渣問題

雖然目前固體火箭發射次數較少,且采用液體動力進行末修,發動機工作段噴出的殘渣不一定能形成留軌的空間碎片。但固體火箭末級關機入軌后,仍可能飄出一些較大顆粒的殘渣形成空間碎片。若入軌高度較高,則對太空環境影響較大。

(3)留軌壽命問題

目前,我國現役大中型液體運載火箭不具備再次點火受控離軌能力。任務高度超過700km的LEO航天器則出于延長使用壽命的目的,一般不進行受控離軌操作。因此,對于700km以上LEO發射任務,我國大部分火箭留軌級和航天器并不滿足25年留軌壽命的限制條件。

(4)航天器防碰撞問題

目前,我國已能進行運載火箭發射前的碰撞預警分析,航天器在運行階段也能針對較大的空間碎片進行防碰撞分析。哈工大發布的SDEEM2015空間碎片環境模型[6],可在航天器設計階段對空間碎片的碰撞風險的評估和應對。

(5)再入風險問題

由于對再入風險重視程度不夠,且缺少必要的再入風險評估通用軟件,因此,在大部分的火箭末級和航天器研制過程中,欠缺為降低再入風險而調整設計的經驗。

在空間碎片再入預報方面,由于缺乏足夠及時的跟蹤數據、準確的臨近空間數據和精確的再入解體模型,無控再入預報的精度有待進一步提高。

4 措施建議

(1)多星布局限制

為盡量避免分離載荷艙,對于微小衛星的多星發射,鼓勵制定微小衛星行業規范,對衛星外形尺寸和接口形式作相應約束,便于運載火箭末級采用中央支撐筒并聯布局方式整合來自不同公司的多顆衛星,參見圖4;對于來自同一家公司的大中型衛星的一箭多星發射,建議采用衛星自串聯布局方式,參見圖5。

圖4 衛星并聯布局Fig.4 Satellite parallel layout

圖5 衛星自串聯布局Fig.5 Satellite self-series layout

(2)小顆粒碎片限制

盡量減少爆炸螺栓/固體反推火箭火工品的使用,轉而采用氣動執行機構、冷氣噴射、彈簧等實現低沖擊解鎖分離。對于固體火箭末級,應增加液體動力末修段時長,確保工作段噴出的熔渣處于亞軌道;應取消潛入式矢量噴管設計,改用二次噴射等矢量控制技術,避免末級自旋穩定方式,大幅減少大顆粒熔渣數量;

(3)留軌壽命限制

加強對航天器設計和運行階段的留軌壽命評審和監督。在設計階段,若航天器不具備離軌能力,則需將其運行軌道的初始高度限制在600km以下;在運行階段,若航天器剩余推進劑達到離軌門限值,及時安排受控離軌。

為提高運載火箭留軌級離軌能力,應提高中大型液體推進劑火箭推進劑管理及再次點火、受控離軌能力;

對于無法控制熔渣尺寸和數量的固體運載火箭,則應限制其發射軌道,確保留軌壽命遠小于25年限制。

對于目標圓軌高度超過600km的衛星發射任務,若火箭末級無再次點火離軌能力,建議先由運載火箭送入遠地點為目標軌道高度,近地點高度小于500km的橢圓轉移軌道,衛星再自行變軌圓化。相比常規圓軌直接發射,采用橢圓發射新策略,一方面可大幅縮短火箭末級留軌壽命,甚至可以省去運載末級的再次啟動,從而提高發射可靠度。另一方面可以大幅提高衛星入軌質量。以某型火箭為例,對于1100km SSO任務,采用橢圓發射軌道后,衛星入軌質量可增大約30%,而末子級留軌壽命不足2年。衛星可增加推進劑攜帶量。新增的推進劑除了可用于變軌圓化外,還可延長運行壽命,以及任務后的離軌處置。

(4)跟蹤監視

對于正常運行必須釋放的微小空間碎片,采用RCS雷達回波增強設計,便于地面跟蹤。研發空間碎片監視衛星系統。提高空間碎片跟蹤監視能力。

(5)再入風險

研發和推廣再入風險評估軟件,運載火箭留軌級和航天器采用再入生存率低材料和設計。

5 結束語

通過對比新舊版本的標準,本文列出了主要變化內容及其相應的背景,并結合工程實際提出了若干建議。隨著航天商業化浪潮的到來,空間碎片減緩方面的國際標準要求將逐步提高,我國航天界需要未雨綢繆,以更嚴的規范進行自我約束,加大相關技術研發力度,開發并推廣相關分析軟件,從而推動碎片減緩技術的發展和應用,提高我國在空間碎片減緩方面的話語權。