美國《國家軌道碎片研究與發展計劃》要點闡述

王洪飛 趙學明（中國人民解放軍63729部隊）

2021年1月，美國白宮科學與技術政策辦公室（OSTP）發布了《國家軌道碎片研究與發展計劃》，該文件分析了當前空間軌道碎片的現狀，指出了主動清除軌道碎片方面的許多挑戰，提出了美國未來應對軌道碎片風險的研發活動計劃，確定了3個基本要素共14個優先領域，并對美國國家航空航天局（NASA）、商務部（DoC）、國防部（DoD）、交通部（DoT）、國務院（DoS）和內政部（DoI）等職能部門進行了職責分配。

1 發布背景

在特朗普政府執政末期發布《國家軌道碎片研究與發展計劃》（以下簡稱《計劃》），旨在指導限制、追蹤、修復或再利用地球軌道中碎片的研發工作，為未來美國應對地球軌道碎片風險提供了指南。《計劃》認為，隨著地球軌道變得越來越擁擠，軌道碎片對航天活動的安全構成了越來越大的危害。目前大約有23000個大小為10cm或更大的碎片，已編入目錄并進行追蹤，以防發生碰撞。另外，估計大約有50萬個物體大小為1cm或更大，而超過1億個碎片物體的大小至少為0.1cm。小于5cm的物體即使在低地球軌道（LEO）中也很難單獨跟蹤。因此，軌道碎片的規模估計嚴重依賴統計抽樣和建模技術。《計劃》還指出，雖然在地球周圍的整個空間環境中都存在軌道碎片，但編目物體最集中的區域在2000km以下的LEO軌道，約為3000t。LEO軌道到地球同步軌道（GSO）間的高度約為35800km，約有8000t的軌道碎片。

《計劃》分析了碎片造成的風險，指出近地軌道上碎片的平均撞擊速度為10km/s，對空間資產和航天員造成了較大危險。對任務中的衛星而言，大于10cm的碎片更是會對其產生災難性的后果，而與毫米級碎片的碰撞會影響任務目標的實現，縮短任務壽命，甚至導致任務失敗。無論是活動物體還是非活動物體之間的碰撞，都會產生額外的碎片，從而增加碎片的整體危害。另外，反衛星武器的科學試驗，也大幅增加了軌道碎片。因此必須妥善管理軌道碎片帶來的風險，以確保正在進行的和未來的空間飛行任務的安全。

太空時代開始以來可跟蹤碎片物體的增長趨勢

《計劃》指出，美國有多個機構參與軌道碎片的風險管理，NASA使用雷達望遠鏡和現場測量，對軌道碎片進行統計取樣，還牽頭制定了美國政府《軌道碎片緩減標準做法》（ODMSP），該標準做法直接適用于美國政府運營商和非美國政府運營商。聯邦航空管理局（FAA）、國家海洋和大氣管理局（NOAA）和聯邦通信委員會（FCC）都制定了限制碎片產生或積累的政策或法規。此外，美國發布的《航天政策3號令》（SPD－3）也確立了減緩軌道碎片的國家政策，指示更新現有的軌道碎片緩減準則和做法，以便能夠更有效地遵守并建立可在國際上采用的標準。

2 應對風險研發活動的優先領域

《計劃》提出了美國支持軌道碎片風險的研發活動計劃，確定了碎片風險管理的3個基本要素共14個優先領域。

要素一：通過設計限制碎片的產生

《計劃》認為限制新碎片產生是管理軌道碎片風險最具成本效益的辦法。各機構應重點關注以下領域：

減少航天發射任務過程中產生的碎片。立方體衛星和小衛星星座等小型衛星有效載荷的部署裝置和航天器的推進劑都是形成碎片的來源，各機構應當研究改進有效載荷分離和部署的機制，以減緩在航天任務發射過程中產生多余碎片。另外，為減少航天器推進劑形成的碎片，相關機構應該支持化學研究，以清除可能由固體廢氣顆粒形成的碎片。

提高航天器表面彈性。衛星表面會隨著時間的推移而退化，受微流星體和軌道碎片的撞擊以及帶電粒子、紫外線輻射、原子氧和熱循環的影響，會產生毫米級和更小尺寸的碎片。長期暴露在空間環境中也可能改變航天器的材料特性，使其更容易因撞擊而產生碎片。各機構應當研發提高航天器表面性能的材料，以防止因航天器老化而產生毫米級或更小尺寸的碎片。

提高航天器屏蔽性能和抗沖擊性能。開展新保護技術和新屏蔽方法的研發工作，有助于為未來空間任務安全運行提供保護措施，各機構研發重點應放在以下3個方面：一是開發新的多功能防護罩，研究低成本、高效、多用途的衛星軌道碎片撞擊防護技術；二是對新型屏蔽材料和結構進行超高速碰撞分析和試驗，開發新型多功能屏蔽材料，滿足航天器耐輻射以及防護軌道碎片的要求；三是依據碰撞分析和試驗，研究航天器易損性與碎片大小、質量、材料密度、形狀、速度和撞擊角的關系。

開發減少或限制碎片化過程的設計。大多數碎片為運載火箭上面級和航天器意外爆炸產生的碎裂碎片，各機構應支持對意外爆炸原因的研究與開發，鼓勵衛星運營商與空間機構共享碎片和異常情況數據，使研究與開發人員能夠了解并獲得事件發生的性質。各機構還應支持研發改進子系統的設計、制造、測試和運行，以限制未來運載火箭上面級和航天器部署及運行期間的意外爆炸。

提高機動性能力。具有機動能力的衛星可使用推進劑來避免碰撞和脫軌，提高機動性是自主避碰的關鍵。各機構應支持進一步提高燃料效率、降低小型推進系統成本的研究，以降低小型衛星的操作風險，同時還應支持自動避碰領域相關技術研發。

將任務結束辦法納入航天器和任務設計，以盡量減少碎片。為幫助應對航天器任務結束前過早失效或操作受損的挑戰，相關機構應支持研發相關技術，使受損航天器能夠充分恢復，以便按照計劃機動至更安全的軌道。考慮實施其他安全模式程序，以降低進一步產生碎片的風險。各機構應支持研發在受控狀態下，航天器快速向安全軌道機動的技術方案，減少關鍵軌道中的碎片產生。

要素二：跟蹤并描述碎片特征

《計劃》指出，空間物體跟蹤和表征能力是應對軌道碎片風險管理的基礎，準確地跟蹤和描述碎片大小，是了解碎片生成過程、保護關鍵航天器部件、避免碎片碰撞，以及減輕其對軌道影響的關鍵。各機構應將重點放在與減輕碎片對軌道影響相關的5個研發主題領域。

確定軌道碎片和太空環境的特征。各機構應繼續審查所有國家機構現行碎片數量的模型，并與其他國家和機構的空間碎片協調委員會協商；支持使用地基和天基傳感器，以改進對碎片的探測和表征；支持利用實驗來更好地描述小碎片的物理特性。

發展改進軌道碎片跟蹤和表征的技術。提高軌道碎片測量能力，無論是地面測量還是原位測量，對于評估限制碎片數量技術的可行性和有效性至關重要。各機構應支持原位傳感器技術的研發，記錄碎片撞擊并捕獲小碎片信息，從而有助于生成和保持準確的狀態向量。各機構應考慮研發改進的地基光學和雷達傳感器，為目標跟蹤和特征描述提供更高精度的數據。

減少軌道中碎片數據預測的不確定性。各機構應考慮通過改進碎片數量模型的設計，以提供更準確的信息，減少碎片數據預測的不確定性，并支持衛星所有者和運營商對碰撞風險的評估。各機構還應當考慮提供更頻繁的跟蹤，從而最大限度地減少累積誤差。此外，各機構應開展改進碰撞概率計算的研發工作，以便在整個近距離接觸過程中做出更一致的估計。

改進碎片目錄的數據處理、共享和過濾。隨著空間跟蹤能力的多樣化，更多的空間軌道碎片被確定和跟蹤，更多的用戶依賴碎片目錄的數據，解決碎片目錄中與數據處理有關的挑戰對于保持其完整性和實用性非常重要。各機構應當對改進數據存儲、數據關聯系統和數據融合的方法進行研究和開發；各機構還應研發用于獲取和整合各種可用數據源的架構；另外，隨著更多傳感器（包括商業公司傳感器）提供的數據被整合到數據庫中，各機構必須開發技術來保持數據的完整性，還應該檢查數據質量并進行數據挖掘，對糾正交叉標記以減少數據庫錯誤的方法進行研究和開發；各機構還應該利用人工智能（AI）和機器學習進行研究和開發，改進評估風險的流程；最后，各機構應支持自主通信研究，以實現碎片探測和自主避碰能力。

將碎片跟蹤和表征轉化為作戰能力。各機構應把對軌道碎片風險的研究轉化為識別、跟蹤和預測碎片位置及動向的改進操作。隨著軌道碎片風險研究領域的發展，各機構應考慮研究結果與實際操作之間的聯系，并與衛星運營商開展合作，在飛行任務中提供更好的協調。

要素三：修復或重新利用碎片

碎片修復又稱主動碎片清除，是指通過外部的手段強制改變碎片物體的軌跡，將物體完全從空間清除。碎片修復清除了可能在未來產生碎片的物體，從而為空間飛行任務的完成做出重要貢獻。美國應將主動碎片清除作為長期確保關鍵軌道系統飛行任務安全的必要方法。各機構應將重點放在與碎片的補救和再利用有關的3個研發主題領域。

開發大型碎片的修復和再利用技術。大型碎片物體，如火箭箭體和報廢的衛星，在整個軌道碎片質量中所占百分比最高，通過碰撞或其他過程產生額外碎片的風險也最高，應當限制其在太空環境中的長期存在，減少無意中產生額外碎片的風險。各機構應開發建模工具、實施地面測試，必要時進行全系統原型演示測試，以證明各種方法的性能和成本效益。各級機構應支持研究和開發在軌重新利用或回收軌道碎片的方法，回收的材料可用作燃料或制造原料。

開發小碎片物體的修復技術。各機構應側重于研發毫米級軌道清除器，以解決近期軌道碎片撞擊風險，從而更好地保護未來空間任務。由于毫米級碎片沒有被單獨追蹤，數量約為1億個，各機構應該評估可能產生有益結果的大規模清除方法，研發的關鍵活動應包括識別、評估和開發可行的技術。

開發風險和成本效益分析模型。各機構應支持開發改進的模型，分析與軌道碎片和補救方法有關的風險和經濟影響，制定相應的解決方案。

3 推進軌道碎片研發活動的伙伴關系

《計劃》提出各機構應當在合作框架內進行協調，提高軌道碎片研發活動的效率，有助于避免重復。

《計劃》還指出聯邦政府以外，包括工業界、學術界和國際伙伴，都是研發活動的潛在合作伙伴，加強合作可提供利用資源和能力的機會。

各機構協調后的研發主題領域

續表

4 結語

隨著全球航天活動的日益頻繁，空間軌道碎片呈指數級增長，世界主要航天大國都高度重視軌道碎片對航天器和空間安全運行帶來的威脅。此次發布的《計劃》重點從3個基本要素14個優先領域提出了美國未來應對軌道碎片風險的研發活動計劃，包括：通過設計關鍵航天器子系統的可靠性來限制碎片的產生，從源頭減少碎片產生的數量；通過準確地跟蹤和描述碎片特征，避免碎片碰撞并減輕其對軌道影響；通過開發碎片的修復和再利用技術進行碎片的主動清除等。此外，《計劃》有助于協調聯邦政府支持軌道碎片研究與發展工作，對參與軌道碎片研究的工作人員確定優先事項提供了指導，實現更有效的軌道碎片風險管理態勢，實施這一計劃預計可填補美國應對日益嚴峻的軌道碎片風險管理挑戰所需的知識和能力方面的重大空白。