大型星座的空間碎片減緩措施進展

劉靜 王東方

（1 國家航天局空間碎片監測與應用中心 2 中國科學院國家天文臺 3 中國科學院大學）

隨著大型小衛星星座熱潮的到來，航天發射次數和在軌衛星數目以及空間碎片的數量都將急劇增長，這對航天飛行安全和航天活動可持續性構成的威脅不容忽視。在航天活動中積極采取空間碎片減緩措施，是遏制空間碎片數量增長、保持外空環境潔凈、維護航天活動長期可持續發展的重要途徑。本文介紹了大型星座的發展背景及減緩措施研究情況，討論了機構間空間碎片協調委員會（IADC）針對大型星座的最新空間碎片減緩要求，以及當前國際大型星座運營商針對其星座采取的空間碎片減緩措施，并對大型星座必須重點考慮的減緩措施提出了建議。

1 引言

空間碎片環境背景情況

近年來，大型衛星星座快速發展，航天發射和在軌衛星數量呈井噴式增長。迄今為止，已發布計劃的國外大型星座衛星總數近10 萬顆，部分星座計劃已經開展了部署實施。根據UCS Satellite Database 發布的數據，2021 年全年共入軌衛星1757 顆，其中“一網”（OneWeb）衛星284 顆（約占2021 年衛星發射總數的16%），“星鏈”（Starlink）衛星989 顆（約占2021 年衛星發射總數的56%）。CelesTrak 發布的數據表明，截至2022 年3 月16 日，地球軌道在軌衛星共8525 顆，其中“星鏈”衛星2011 顆，“一網”衛星428 顆。目前國際尚未形成公認的大型星座的定義。2019年發布的第二版《美國軌道碎片減緩標準實踐》將大型星座定義為“可工作航天器數目不少于100 顆的衛星星座”。近期研究中所側重的大型星座，一般指以“星鏈”“一網”等為代表的新型低軌衛星星座。

空間碎片是航天活動的產物。運載器、航天器任務結束后即成為空間碎片，其在軌期間一旦發生意外爆炸、碰撞，將產生成百上千顆大尺寸空間碎片，對航天活動構成威脅。當前大型衛星星座急速發展，航天發射頻次和在軌物體數量增加，使得空間碎片問題更加突出，將對空間物體的安全入軌和飛行，以及運行穩定性造成巨大影響。空間碎片減緩是在航天器及運載器設計、研制、運行、任務后處置等過程中采取各種手段以限制空間碎片的產生、數量增加以及保護太空環境持續可利用的一系列措施。在當前形勢下，針對大型星座開展減緩需求研究并積極落實減緩措施迫在眉睫。

大型星座對空間碎片環境威脅分析研究

空間碎片環境長期演化模型是考慮空間碎片增長和衰減機制、用于預測空間碎片環境長期演化規律的數學模型。模型包含未來發射、在軌碰撞、軌道預報、自然隕落、任務后處置策略、主動碎片清除等，從而對碰撞次數、空間碎片數量、密度分布等情況進行長期預測。演化模型可實現大型星座、減緩措施等對未來空間碎片環境長期發展趨勢影響的評估。

隨著大型星座的快速發展，各國多家機構先后開展了大型星座對空間碎片環境長期影響的分析研究。2017 年，歐洲航天局（ESA）利用3 個演化模型—DAMAGE、LUCA、SDM 分析了1100km 軌道高度上1080 顆衛星對空間碎片環境的長期影響。分析過程綜合考慮了多種減緩措施，最終結論是，針對大型小衛星星座，必須在常規的空間碎片減緩手段外，增加額外的減緩措施。

2019 年，美國國家航空航天局（NASA）利用演化模型LEGEND，針對在軌道高度340 ～550km范圍部署6600 顆衛星的場景進行仿真，分析了它們對空間碎片環境的長期影響。分析表明，控制減小大型星座中衛星自身的解體概率十分重要。上述仿真場景下，如果星座單星爆炸概率為1%，則在軌道高度200 ～600km 內，解體碎片對該范圍所有空間目標總數占比將達到50%～70%。值得一提的是，根據歷史統計規律，歷史航天器平均爆炸解體概率約3%。

2020 年，中國科學院國家天文臺利用自主研發的演化模型SOLEM 對大型星座部署方案及其減緩措施對空間碎片環境的影響進行了仿真和分析。仿真場景包括在500km、800km、1100km 或1400km 軌道高度部署由1080 顆衛星組成的星座。仿真結果表明，星座部署于500km 高度時，對未來空間碎片環境演化的影響最小。但一般而言，為了實現任務目標，衛星會選擇高度稍高的軌道，因為低軌衛星軌道維持成本相對較高。

減緩措施的合理性和有效性對遏制空間碎片數量的增長、安全實施航天活動、保證外空活動的長期可持續發展具有深遠的意義。大型星座計劃的實施使得傳統航天活動規律發生了顯著變化，使得對空間碎片減緩要求更高，目前國際相關平臺已將減緩措施的改進和升級提上議事日程。減緩措施需要更加細化、定量化，以利于更加可操作、可實施。

2 IADC 指南及新要求

IADC 是國際上以空間碎片問題研究和應對為主題的唯一政府間機構，于1993 年由美國、俄羅斯、ESA、日本發起成立，中國國家航天局于1995 年正式加入IADC。目前，IADC 有13 個成員國（美國、俄羅斯、ESA、中國、日本、意大利、法國、加拿大、德國、印度、烏克蘭、英國、韓國）。IADC 的宗旨是交換成員機構之間的碎片研究活動信息，為成員機構之間的空間碎片合作研究創造機會，檢查合作活動進展，確認空間碎片減緩措施選擇。

IADC 空間碎片減緩指南

IADC 成立后，積極響應國際組織相關空間碎片問題需求，制定權威的空間碎片術語定義，開展空間碎片聯測活動，比較研究空間碎片工程模型和演化模型，并以量化模型和數據分析支持評估減緩措施的有效性，先后制定了多條得到國際社會公認的空間碎片減緩措施，2002 年匯集成《IADC 空間碎片減緩指南》，提交聯合國外空委后，于2007 年獲聯合國大會決議通過，成為《聯合國空間碎片減緩指南》。目前，以該減緩指南為基礎的一系列空間碎片環境減緩措施，成為各國航天活動設計和實施過程的重要參考和審核依據。

IADC 針對大型星座的新要求

2015 年3 月召開的第33 屆IADC 會議上，大型星座部署問題受到重視。之后星座衛星對空間碎片環境所帶來的影響，成為IADC 重點關注的問題之一。IADC 經過兩年的聯合研究和討論，2017 年發布了針對低地球軌道（LEO）大型星座的減緩指南《IADC關于LEO 大型星座的聲明》；2021 年7 月6 日，該聲明修訂版發布，從星座設計、衛星設計、運載器軌道級設計、星座在軌操作四個方面提出了推薦性建議。

1）高度間隔。建議在星座各部分之間設計足夠的高度間隔，以盡量減少星座衛星之間潛在的碰撞風險。

2）運行軌道。衛星運行環境與任務后處置成功率、預警、避碰等工作之間存在密切聯系。應考慮運行及任務后處置階段的碰撞風險，優化運行軌道。

3）航天器數量和結構。為星座設置任務后處置成功率最小閾值。閾值考慮星座質量、高度、碰撞概率、數量和補發率。成功率須大于90%，能達到99%更好，任務后在軌壽命應低于25 年。

1）任務后處置。單個衛星的處置成功率應遠大于90%，并設計任務后處置性能監控功能。

2）優化衛星設計。在任務期間以及處置階段能盡量避免解體。

3）地面風險?？紤]航天器設計方案，完全消除或顯著減少那些撞擊地面有害碎片的數量和大小。

4）結構完整性。提高航天器整體可靠性，最大限度避免運行期間發生意外爆炸，并提高任務后處置成功率。

5）可跟蹤性。提高星座衛星的可跟蹤能力，將對監測預警工作起到積極的作用。同時，建議在星座衛星軌道機動之前，提供其目標軌道信息，并定期更新。

《IADC 關于LEO 大型星座的聲明》主要框架

火箭上面級的運行高度接近星座高度時，也將面臨減緩問題；上面級無控再入也可能引起地面安全問題。星座運載器軌道級設計應予以考慮。

1）避碰。星座衛星運行及任務后處置階段，均應具備避碰能力，并將避碰計劃傳達給相關方。

2）處置策略。IADC 減緩指南確定的任務后在軌壽命為25 年。對星座衛星而言，應考慮進一步縮短軌道壽命。定期監控任務后處置功能是否可用，一旦任務后處置成功率降至臨界水平，即使未達到設計壽命，也應立即啟動處置操作。

3）發射及前期操作。在將航天器提升到目標軌道之前，應考慮將其部署于空間碎片密度低、軌道壽命短、運行利用率低的過渡軌道區域，以便進行前期運行及測試。

3 典型星座的空間碎片減緩措施考慮

星座用戶或運營者，通過針對性設計星座和其衛星的空間碎片減緩措施，將其對環境的影響降到最低，是在星座設計初期必須開展的工作。以下以典型大型星座為例，分析其運行者在設計時對空間碎片減緩措施的考慮。

“星鏈”星座

作為大型星座的典型代表，“星鏈”衛星部署伊始即受到各界的高度關注。太空探索技術公司（SpaceX）也采取了一系列應對措施。

2020 年10 月27 日，低軌實驗室公司（LeoLabs）宣布了其與SpaceX 公司達成的商業協議。從2021年3 月開始，LeoLabs 公司將為“星鏈”衛星提供初始入軌、在軌運行階段的跟蹤監測服務，并在“星鏈”衛星入軌初期提供快速的識別和定軌支撐。

2021 年1 月7 日，SpaceX 公 司與NASA 簽署空間法，聲明一旦“星鏈”衛星與NASA 所運行的衛星發生危險交會，“星鏈”衛星需根據其自動星載風險評估及避碰能力執行避碰。在“星鏈”衛星發射前，需向NASA 提交發射參數，以降低在入軌初期尚未編目，且“星鏈”衛星尚不能自動避碰的階段發生危險交會的可能性。

2021 年4 月27 日，美國聯邦通信委員會（FCC）發布聲明要求SpaceX 公司必須每6 個月提交報告，報告內容需包括“星鏈”衛星危險交會次數、避碰次數、失效衛星數目、再入衛星數目等信息。

“一網”星座

2017 年6 月，FCC 批準了“一網”720 顆小衛星星座的申請。作為第一批獲FCC 發射許可的小衛星星座，“一網”與“星鏈”一樣受到相關領域的高度關注。出于對空間碎片環境減緩的考慮，“一網”衛星采取的措施包括：利用星載 GPS 提高定位精度；采用電推動方式機動，具備可靠的任務后處置能力；采用高可靠性的離軌組件，并設計可適應未來非合作抓捕的機械裝置；盡量采用再入易燒毀材料，降低對地面人員財產構成的威脅；具備避碰能力，入軌及運行階段，與其他運營商共享數據，一旦發生危險交會可協調機動；選擇空間碎片較為稀疏的1200km 高度作為運行軌道；任務完成后5 年內主動離軌等。

2021 年3 月30 日，36 顆“一網”衛星入軌5 天后，美國太空部隊第18 控制中隊發布了“一網”衛星與“星鏈”衛星的危險交會“紅色警報”。據估計，二者碰撞概率達1.3%。“一網”衛星通過軌道機動，避免了潛在的碰撞風險。隨著大型小衛星星座的密集部署，不難推斷此類事件極有可能再次重演。而星座運營商之間的即時、有效溝通，是雙方安全運行的重要保障。

“柯伊伯”星座

2019 年7 月4 日，亞馬遜公司（Amazon）向FCC 提交申請，擬在軌道高度590km、610km 和630km 部署3236 顆“柯伊伯”（Kuiper）星座衛星。其衛星將在任務后355 天之內主動離軌。

2019 年9 月18 日，Amazon 公 司 向FCC 提 交聲明稱，為保證運行安全，同一高度層內的“柯伊伯”衛星兩兩之間距離將保持在50km 以外。同時，為保證載人航天的安全，“柯伊伯”衛星初始發射軌道將低于“國際空間站”運行軌道。衛星運行全過程將采取碰撞規避，以避免碰撞事件的發生。

4 建議

為保證大型星座的順利發展，從空間碎片環境減緩角度，對大型星座的設計及運行提出幾點建議：

1）星座目標軌道的選取，應充分考慮當前空間碎片分布規律及航天活動發展趨勢，盡量規避空間碎片密集區域，并與其他星座系統保持安全距離。進入目標軌道之前，可先選擇軌道高度較低的位置作為過渡軌道，并在過渡軌道上對入軌衛星進行測試。過渡軌道的選取應低于載人航天的軌道高度，以免失效衛星對載人航天構成威脅。

2）星座衛星的監測，應充分考慮其可監測性，以便于監測預警工作的開展。一旦遇到危險交會，應及時與相關運營商溝通協調。

3）星座衛星的避碰，在星座衛星的運行及任務后處置階段，建議維持避碰能力，盡量減小對空間環境的威脅。

4）星座衛星的操作設計，應充分考慮衛星操作可靠性，提高任務后離軌和鈍化等減緩措施的處置成功率。