空間碎片與空間交通管理

江海,劉靜

(1.中國科學院國家天文臺,北京100012;2.國家航天局空間碎片監測與應用中心,北京100012)

1 引言

隨著科技的不斷進步,航天技術在越來越多的方面引領著科學研究、經濟形勢、社會生活的發展,太空作為人類新的活動疆域,太空資源成為同陸地、海洋、水和空氣一樣重要的戰略資源。

當前的空間狀況不容樂觀,目前外空環境發展表現為:小衛星和大型星座迅速發展,空間物體數量持續增加;典型軌道區域衛星密集,軌道和頻率資源緊張;空間碰撞事件頻繁發生,空間交通亟需進行管理。

截至2019年初,估計地球附近由人造物體形成的空間碎片規模已超過7000噸,其中能被美國空間監測網編目的空間物體數目超過2.3萬個,對外公開編目的空間碎片數量超過1.8萬個,據模型估計能對在軌運行的航天器造成致命破壞的、尺寸介于1～10cm的空間碎片超過70萬個。

2 空間交通現狀

2.1 小衛星和大型星座迅速發展

隨著科技的不斷進步,進入太空的門檻不斷降低,衛星應用在民用和商用領域不斷拓展,微納衛星數量急劇增多,從圖1中可以看出2014年微納衛星的數量首次超過了其它任何一類衛星,并且最近幾年一直保持著高速增長的趨勢。

2014年 《俄羅斯2030軍事技術裝備發展戰略》提出,其面臨的主要軍事威脅之一是 “主要國家加緊發展包括以各種 (作戰、偵察、電子壓制)小型衛星和微納衛星為基礎的航天技術”。美國航天基金會在2014年6月發布的 《2014年航天報告》中指出,未來幾年小衛星將占據更多的市場份額。

圖1 2010年以來小衛星發射統計Fig.1 Statistics of small satellite launches since 2010

未來各種大型星座計劃將廣泛開展,表1統計了目前公布的大型衛星星座計劃。根據對照歷史數據并參照衛星發展計劃,分析了未來幾年小衛星發射數量的預估,估計未來10年發射的小衛星的總數將超過1萬顆,這些發射到空間的小衛星星座將會對空間的在軌空間物體造成極大的碰撞風險。

表1 衛星星座發射計劃Tab.1 Satellite constellation launch plan

2.2 空間軌道和頻率資源緊張

空間碎片的分布并不均勻,主要集中在高度在2000km以下的低軌區域和高度在36000km附近的地球同步軌道區域。目前GEO軌道區域衛星密集,截至2019年3月底,在軌工作的GEO衛星約為554顆,C頻段已近飽和,Ku頻段也很擁擠,衛星登記數量還在逐年遞增。在大部分在軌航天器工作的低軌區域,空間碎片分布更為密集,是空間突發事件的密集區域。

2.3 空間碰撞事件頻繁發生

自人類進入太空以來,共發生了200多次在軌解體事件。近年來空間碰撞事件發生更加頻繁。2007年歐洲的地球同步氣象衛星Meteosat-8被未編目的碎片擊中,導致軌道改變。同年,失效的美國高層大氣研究衛星UARS被未編目的碎片擊中,產生了許多新碎片。2009年俄羅斯廢棄的軍用電子通信衛星宇宙-2251與美國銥星-33相撞,產生大量的空間碎片。2013年,厄瓜多爾立方體衛星飛馬座與1985年發射的蘇聯火箭S14燃料箱殘骸碎片相撞,導致衛星壽命終結。這些頻繁發生的空間碰撞解體事件產生了成千上萬的空間碎片,其中最為嚴重的是2009年的美俄碰撞事件,目前已編目2269個這次碰撞解體事件產生的碎片,這些碎片大幅提升了低地球軌道區域的空間密度,尤其是對800km以下的低軌道區域影響更為明顯,這些碎片每年都將會與在軌航天器之間產生成千上萬次的近距離交會。

解體事件產生的碎片還會繼續在軌道中運行相當長的一段時間。一些主要的航天機構都建立了碎片演化模型對空間碎片未來的分布情況進行了仿真,結果表明即使在不再發射的前提下,未來空間碎片還會繼續增長。圖2給出用NASA的LEGEND模型仿真的未來不再發射、未來繼續發射不進行任務后處理和未來繼續發射并進行90%的任務后處理的三種不同條件下的結果。結果表明即使未來沒有任何新的發射,不斷增長的空間碎片將導致到2050年左右LEO區域將發生8～9次碰撞,其中一半是類似于2009年銥星-宇宙碰撞一樣的災難性碰撞。

圖2 利用NASA的LEGEND模型預測未來LEO區域的碰撞Fig.2 Prediction of collision in future LEO region by LEGEND model of NASA

3 空間碎片相關國際規則

從國際外空規則制定來看,目前多個組織積極推動國際規則立法,部分涉及到空間交通管理相關內容,與空間交通管理有著密切關系的國際法規主要有:聯合國 《空間碎片減緩指南》,包含空間碎片減緩的技術規則與規范; 《外層空間活動中的透明度和建立信任措施》,主要包含一些基本原則和方針; 《外空活動長期可持續性準則》討論一些空間交通管理的實施相關內容。目前國際上對空間碎片規則正在逐步深入制定,下面將分別介紹。

3.1 聯合國 《空間碎片減緩指南》

機構間空間碎片協調委員會 (IADC)將空間碎片減緩定義為 “通過與給定空間飛行任務的設計、制造、操作和處置階段有關的措施減少空間碎片產生的整體努力。”碎片減緩開始于地面和在航天器發射到軌道之前,這解釋了空間交通管理的概念理想地應該在廣義上解釋,包括任務設計和發展以及發射、操作和處置階段。

聯合國 《空間碎片減緩指南》匯總了修訂后的2002年形成的IADC《空間碎片減緩準則》關于空間碎片緩減各種技術準則和標準的基本要求,于2007年經由聯合國外空委員會提交并通過聯合國大會決議。

除了航天器設計和鈍化要求外,減少碎片的關鍵是從某些軌道,即所謂的 “受保護的軌道區域”,移除任務結束后的衛星。對于低地球軌道區域 (低于2000km的高度),IADC建議在25年內移除航天器,因此首選的解決方案是直接控制再入,其次是地面傷亡風險小于10-4不受控再入,最后是再回到2000km上方。對于GEO區域,建議非常相似,將任務后衛星機動到地球同步軌道高度保護區的±200km之外,相應的機動要求較低,需要11 m/s的δ-V(對應于300km,超過IADC但符合國際電信聯盟的規定),這相對于用于GEO軌道維持需要的燃料是相當少的。

3.2 《外空透明度和建立信任措施》

聯合國是 《外空透明度與建立信任措施》(TCBM)進程的主要推動者。聯大決議中強調了增強外空活動透明度的必要性,肯定了建立信任措施的重要性。2010年,根據聯大決議的要求,聯合國秘書長設立了政府專家組,對 “外空透明與建立信任措施”進行研究,并于2013年向第68屆聯大提交了最終報告,美、俄、中等主要空間國家均支持并積極參與該進程。聯合國和平利用外層空間委員會確定了能夠提高空間操作安全和利于空間活動的長期可持續性的建議。

報告中指出,首先要提高外層空間活動的透明度,特別關注與空間交通管理相關的活動,應注意下面有關降低風險的通知,其中包括:

(1)外層空間自然災害預測信息的交換;

(2)可能會對其他空間物體的飛行安全造成威脅的飛行機動的通知;

(3)通知和監控不受控制高風險再入事件;

(4)與自然的和人為的威脅空間物體飛行安全的相關緊急情況通知;

(5)故意軌道解體通知。

相關條約包含某些具有強制性本質的透明度和建立信任措施,但外層空間活動措施是不具法律約束力的措施,應補充現有關于外空活動的法律框架。聯合國大會將決定如何進一步推進TCBM,并為其提供包括參照和平利用外層空間委員會、裁軍審議委員會和裁軍談判會議審議的上述建議的一般考慮和支持的建議。此外,該組織建議成員國采取措施,盡可能落實由和平利用外層空間委員會和聯合國大會一致同意的基礎上簽署的原則和指導方針。

3.3 外空活動長期可持續性準則

外空活動長期可持續性議題 (LTS)是在法國的推動下,于2010年2月正式列入聯合國外空委科技小組委員會議程,并設立了外層空間活動的長期可持續性工作組。該工作組的目標是確定與空間活動長期可持續性相關的領域,并提出可以提高空間可持續利用的措施。這些措施建立在自愿的基礎上,不具約束力。為了準備其建議,設立了四個專家組分別審議以下議題:(1)可持續空間利用支持地球上的可持續發展;(2)空間碎片、空間操作和支持協同空間態勢感知的工具;(3)空間天氣;(4)在空間領域的行動者的監管制度和指導方針。

2013年11月發布的第一份報告草案中提出了一套分別包含指導方針、解決政策、監管機制、國際合作和管理問題等33條組成的一系列措施。該政策方針包括,對空間活動開展的信息和專業知識更容易交流采取措施,還有通過政府和非政府機構的研究和開發,以促進長期可持續的空間活動。在監管機制方面,指導方針本質上要求通過采納監管框架和促進預定的自愿措施來增強空間活動安全和可持續性。

在國際合作框架下,該指導方針提倡增強技術合作,包括遵從不擴散的規范和原則的技術轉移,以及給予發展中國家必要的技術支持以進行能力建設。空間天氣信息、相關的數據交換和接入以及建模也是國際合作的重要組成部分。最后兩個準則要求開展空間活動合適的管理實體,確保其有更新的手段、相應的設備和組織文化以遵守政府和政府間框架。

目前LTS工作組已經結束,工作組的各國成員現已就其準則前言和21條準則達成一致意見,可作為各國開展相關工作的基礎,后續工作還在持續推進中。

4 空間交通管理發展現狀

空間交通管理是指一整套技術和條例規定,用以提升在進入外層空間、在外層空間運行以及從外層空間返回地球時的安全性,免遭物質的或電磁波的干擾。

空間交通管理與空間態勢感知密不可分,空間態勢感知是開展空間交通管理、制定空間交通規則的基礎,而空間交通管理則是空間態勢感知的成果體現,最終的目標都是為了維護外空和平、安全和可持續發展。

圖3 空間交通管理與空間態勢感知關系Fig.3 Correlation between space traffic management and space situation awarenesss

4.1 美國的發展歷程

2004年,美國國防部、NASA和美國聯邦航空管理局聯合設計并發布了航天器運營商的運營理念,詳細介紹了一個如何能為了處理我們今天看到的擁擠的和競爭的空間的目的,而把不同的機構放到一起的空間和空中交通管理系統 (SATMS)。

2010年,美國的空間交通管理行政部門分散在不同組織的獨立部門,各種條約和政策也松散地為目前的空間提供保護。除了空間操作有巨大的技術障礙外,美國的所有者/運營者必須了解圖4中每一個負責組織的要求和含義。隨后發布美國國家空間政策,行政部門組織召開會議研究美國STM能力深入需要和可能的設計。

圖4 美國空間交通管理概念發展中涉及的組織Fig.4 The organizations involved in the concept development of American space traffic management

2017年,特朗普政府時隔24年重啟航天委員會,并制定了全面的空間交通管理政策。新政策考慮到商業航天的快速發展,確定由商務部負責空間交通管理事務,指出商務部將根據國防部的空間目標編目,為公眾和私人實體提供基本的空間態勢感知服務,使得軍方能夠專注于保護和捍衛美國太空資產安全。新政策還將鼓勵商業航天企業與政府合作,制定數據共享系統、技術指南和安全標準,以便在國內實施并在國際上得到推廣,從而有助于減少碎片,避免航天器在發射期間和在軌道上發生碰撞。這項政策正在逐步完善。

4.2 其他國家的情況

近年來,歐盟也開始推進空間交通管理相關工作。2008年,歐盟制定的 《歐洲外空活動行為準則》逐步演變為 《國際外空活動行為準則》。經過幾次修改,目前的最新版本為2014年3月的版本,該準則分為目的、范圍和主要原則;外空活動的安全、保障和可持續發展;合作機制;組織方面四大部分,共分為10個小節111條詳細的準則。其中有專門的章節介紹空間交通管理的相關條款。盡管美國已同意歐盟推薦的概述的原則,但是它們的實現方法可能會妨礙美國國家安全的措施,雖然歐盟進行了多年的努力,但取得的進展非常少。其他國家和商業實體在發展STM能力中也取得了長足進步,但都沒有能夠進入一個成熟的規劃階段。

5 我國應對的建議

目前國際上的空間交通管理研究還處在起步階段,但已經成為國際熱點。我國開展空間交通管理實施時,首先需要加強國家監管,要求工業部門嚴格遵守碎片管理辦法的要求,減少碎片產生;其次要積極推進空間碎片監測基礎設施建設,提升空間態勢感知能力,并加強法律問題研究,積極參與外空國際規則制定;還應依托碎片中心等實體機構,開展空間交通管理服務系統建設,并在聯合監測、數據交換、避碰協調等方面開展實質性國際合作,深入開展空間交通管理框架體系和關鍵技術研究,支持空間交通管理相關技術標準的研究和制定,推動我國空間交通管理能力不斷發展壯大。