ESA 持續發布《太空環境報告》，致力空間環境治理

劉璐 龔君 王浩

歐洲航天局（ESA）長期致力于太空環境跟蹤與空間碎片治理。自2016 以來，ESA 空間碎片辦公室持續發布年度《太空環境報告》，以透明的方式概述全球空間活動，闡釋國際碎片減少措施在改善航天飛行長期可持續性方面的效果。歷年報告呈現出以國際準則為依據、年度空間活動為核心、空間碎片碰撞預算方法為目標的體系特征。2019 年，報告重點關注了國際標準化組織（ISO）對《空間碎片減緩要求》的修改及機構間空間碎片協調委員會（IADC）對《空間碎片減緩指南》的修改；2021 年，隨著太空探索技術公司（SpaceX）“星鏈”（Starlink）項目“一箭多星”越來越成為常態，報告重點分析了近年來不同太空活動時期，避碰風險解決方案的演變歷程，增加了對聯合國發射到外層空間物體登記冊的審查，以詮釋空間參與者的多樣化；2022 年，針對空間環境指標進一步細化，報告更新了空間碎片碰撞預測方法，同時，更加重視對較小體積空間碎片活動的跟蹤。

2023 年6 月12 日，ESA 簽發《太空環境報告2023》，通過采用大量圖表，輔以文字說明的形式，對太空環境進行了年度匯總研究。報告通過統計不同軌道區域的不同質量、面積及空間物體計數，重點關注太空環境變化的主要趨勢，特別強調了護區概念；擬制了衡量全球遵守空間碎片減緩準則的指標，以估計全球太空活動對空間環境影響。

1 “不可持續”的全球太空行動

本年度報告指出，地球軌道環境是有限資源，但近年來各國搶占太空軌道的活動呈現井噴式增長，2022 年全球衛星發射數量比以往任何一年都多。具有經濟價值的近地軌道商業衛星星座的數量和規模不斷增加，而已到達設計壽命的衛星因無法回收、處理，仍然在軌，使得軌道呈現嚴重擁擠趨勢。同時，任務結束后仍留在軌道上的衛星有可能碎裂并形成危險的碎片云，在軌徘徊數年。上述因素將對在役衛星的安全運行造成極大的影響，必須執行越來越多的避碰機動，以躲避其他衛星和空間碎片的威脅。報告認為，盡管各國都在制定并采取空間碎片減緩措施，但遠遠趕不上新衛星和碎片的增長速度。目前，全球太空行為可視為“不可持續”的。

2 太空環境變化的主要趨勢

新發射衛星數量同比持續增加且運行軌道相似

2022 年，全球共有2409 個新的有效載荷（主要是衛星）進入繞地軌道，數量比以往任何時候都多，且新發射衛星幾乎全部在于近地軌道運行。各國爭相搶占軌道資源，建立或擴大商業衛星星座，這些星座的發射目的是提供全球通信等服務，但只有窄帶軌道適合這些目的。因此，這些軌道區域的碰撞或破碎給類似軌道上的其他衛星，以及在前往更遙遠目的地的途經衛星或載人航天器構成很大危險。

近地軌道碎片加劇，碰撞風險增大

目前已發現大于10cm 的空間碎片約3 萬余塊，其中一半以上散落在2000km 以下近地軌道（不包括尚未跟蹤或因太小無法跟蹤到的對象）。根據ESA的模型預測，地球軌道上尺寸大于1cm 的物體總數或超過一百萬個。不同于600km 以下低軌衛星的可操作性，上述衛星更需要運營商之間良好的協調和數據交換，以確保不與衛星分裂碎片相撞。

再入大氣層物體數量創新高，并將持續上升

2022 年，從太空墜落的人造物體數量創歷史新高，主要包括大量因反衛星測試造成的“有效載荷碎片”（PF）墜落等。同年發射的星座衛星中，80%以上衛星已進入軌道，一旦不再運行或失去推進力，或將于兩年內逐漸發生軌道衰變。同時，大多數非星座衛星所進入的軌道在國際準則和標準規定的最長25 年之內也會發生自然衰變。因此，預計未來幾年再入大氣層的衛星數量將繼續增加。

多數衛星開始遵守國際準則，但受控衛星較少

有效處置達到服役年限的衛星是保持近地軌道安全最重要的措施之一。根據國際空間碎片減緩指南規定，衛星應在使用結束后25 年內離開受保護軌道。《太空環境報告2023》指出，全球早期衛星的合規性非常低，而近十年發射的衛星合規性約為100%。

然而，大多數衛星在結束任務時被關閉，以不受控制的方式墜落、燃燒、再入大氣層，運營者無法對其降落位置等進行控制。目前，火箭主體“受控再入”技術已逐漸提升，為運營者更好地控制太空人造物體再入地點、時間、方式和著陸奠定了一定的基礎，為衛星能夠在受控狀態下更快、更安全的撤離保護區提供依據、指明方向。2023 年7 月，ESA 任務控制中心（ESOC）研究團隊首次利用“風神”（Aeolus）衛星在大西洋和南極洲無人區進行了燃燒時“輔助再入”實驗，以協助舊衛星重返大氣層，從而提高其安全性。

3 倡導空間“零碎片”目標

在持續跟蹤太空環境動態，針對年度空間環境問題進行統計分析的基礎上，ESA 還特別重視太空環境治理，致力于空間碎片減緩措施的制定與實施。作為ESA 在歐洲太空標準協會（ECSS）、國際標準化組織（ISO）及機構間空間碎片協調委員會（IADC）的空間碎片減緩工作組代表，獨立安全辦公室 (ESA TEC-QI)設立了空間碎片治理重要職能，包括：維護ESA 碎片減緩政策，獨立監督驗證及報告 ESA項目中有關空間碎片減緩政策的實施狀況等。同時，ESA 頒布多項政策、標準以及指南性文件，旨在減緩在軌空間碎片，以實現空間可持續性，例如：《ESA項目空間碎片減緩政策》《空間碎片減緩技術標準》《空間碎片減緩要求合規性指南》等。

2023 年6 月22 日，ESA 公布《零碎片憲章》倡議，旨在防止空間碎片的急劇產生及就實現安全和可持續性太空運營的技術解決方案等問題形成全球共識。預計，ESA 將組織一系列研討會，與歐洲國家及其他太空行動方共同確定具體目標，并制定《零碎片憲章》內容。目前，該倡議已得到空客防務與航天公司（ADS）、布萊梅軌道高技術公司（OHB）以及泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）等商業太空技術公司支持。

《零碎片憲章》的目標是到2030 年，實施空間零碎片政策，確保ESA 太空活動不在軌道上產生新的空間碎片。倡議文件概述了包括碎片環境、標準和準則、技術和實施水平在內的當前太空環境狀況，針對“零碎片”目標擬定路線圖，在充分考慮技術可行性及ESA 未來太空任務的基礎上，提出分階段實施日程表。同時，該倡議文件還提出具體建議，以完善“零碎片”目標實現途徑。包括：在發生在軌故障的情況下，為累積碰撞概率大于千分之一的所有任務提供強制性主動碎片清除服務；衛星任務結束后五年內清理高價值軌道區域，并保證任務結束時累積碰撞概率保持在千分之一以下；通過衛星健康監測、故障預測、屏蔽不可追蹤碎片等手段，提高機載系統彈性；提高防撞準確性及效率，降低主動任務風險；根據衛星飛行數據、預測方法、定期評估等方式，更新成功處置概率，精準輔助決策過程；將GNSS 全球導航衛星系統軌道視為高價值軌道區域，加強區域內清理與保護。在技術方面，根據ESA 空間清潔計劃，此次倡議還擬廣泛開發相關技術，以確保所屬衛星能夠通過脫軌或再入新軌等方式，在不產生碎片的情況下，成功運行至設計壽命。

4 結語

近年來，ESA 持續關注并發布《太空環境報告》，并在其內部不斷更新空間碎片緩解標準，探索空間碎片減緩措施，逐步加強相關碎片治理與防范技術，以期鼓勵合作伙伴共同應對太空環境治理問題。目前，ESA 已委托瑞士初創公司——“清潔空間”公司（ClearSpace SA）實施其“空間清潔計劃”第一階段任務（ClearSpace-1），以研發和展示主動清除碎片所需技術。未來，ESA 將根據其空間清潔計劃確定“零碎片”目標所需技術和執行標準，并開展相關研究和技術開發。