本刊記者 徐菁

治理空間碎片"任重道遠"-專訪空間碎片研究專家韓增堯

本刊記者 徐菁

空間碎片是人類航天活動對空間環(huán)境的污染物,俗稱"太空垃圾",也是人類須共同面臨的環(huán)境問題.人類有責(zé)任找出有效的治理方法,給后人留下潔凈的空間,而且解決空間碎片問題需要各航天國家的共同努力.2014年5月12日,第32屆機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)會議在北京召開,與會各成員國和機構(gòu)的專家們就空間碎片問題進行了廣泛而深入的探討.為此,本刊記者專訪了空間碎片研究專家韓增堯研究員.

記者:人類對空間碎片的研究開始于什么時候?當(dāng)時空間碎片狀況是怎樣的?近年來,空間碎片的狀況有哪些變化?

韓增堯:自從1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星,空間碎片問題就開始存在.20世紀60年代至80年代,美國、俄羅斯等國航天發(fā)射次數(shù)處于巔峰時期,基本保持在每年100次以上,而這些航天活動又沒有采取必要的減緩措施,于是出現(xiàn)了大量火箭上面級或航天器爆炸解體的事件,使空間碎片問題變得日益突出,因而逐步引起國際社會的關(guān)注.

幾十年來,人類的航天活動一共產(chǎn)生了4萬多個可編目的空間碎片(俗稱大碎片),其中有2萬多個已經(jīng)隕落.2000年以前,可編目空間碎片數(shù)量大體以每年250個左右的速度遞增,并在2000年突破1萬個,之后,有明顯加速趨勢.截止到2014年3月,根據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,其數(shù)量已接近17000個.

記者:請您談?wù)効臻g碎片的危害性.如果人類任由空間碎片的發(fā)展,若干年后會導(dǎo)致什么局面?

韓增堯:人類越來越深刻地認識到空間碎片的危害性.首先,隨著空間碎片數(shù)量的不斷增加,對在軌正常運行的航天器造成的威脅會越來越大,一旦在軌航天器受到碎片撞擊,可能會造成粉碎性解體,比如2009年發(fā)生的美俄衛(wèi)星相撞事件直接造成衛(wèi)星解體,瞬間產(chǎn)生了2000多個碎片.其次,在軌航天器幾乎無法規(guī)避微小空間碎片的撞擊,會對航天器造成一定的隱患.一個直徑1mm的碎片可以輕易擊穿衛(wèi)星的壁板,對衛(wèi)星內(nèi)部造成損傷.美國曾發(fā)射過一個"長期暴露實驗裝置"(LDEF),這個裝置在太空中飛行了69個月,然后由航天飛機帶回地面,科學(xué)家對其表面進行了詳細的研究,發(fā)現(xiàn)其上看得見的撞擊坑有34000多個,大于0.5mm的撞擊坑有5000多個.每年,美國航空航天局都有"國際空間站"表面遭微小碎片撞擊的報道.在航天飛機退役前,每次執(zhí)行任務(wù)返回后,技術(shù)人員都會對航天飛機表面進行詳細檢查,被撞擊的痕跡少則幾十處,多則上百處,并因此多次更換受損的舷窗.此外,每年都會有一定數(shù)量的空間碎片隕落大氣層.在空間碎片隕落過程中,大部分會燒蝕殆盡,但也會有一些耐燒蝕部件殘留,如果隕落到地面,可能會對地面上的人員財產(chǎn)安全造成威脅;如果殘留部分具有放射性,則需要采取嚴格的防護措施.

正是由于空間碎片的危害性非常大,如果我們現(xiàn)在還不采取措施,任由其發(fā)展,有科學(xué)家估計到2050年在低地球軌道上會發(fā)生"鏈?zhǔn)?反應(yīng),有可能像美國大片《地心引力》一樣,碎片相撞產(chǎn)生更多碎片,然后連鎖發(fā)生更多的相撞,使碎片數(shù)量急劇增加,最終出現(xiàn)人類無法控制,導(dǎo)致低地球軌道資源不可用的局面.

空間碎片已成為一個全球性問題.1988年召開的第44屆聯(lián)合國大會上,第一次在決議中列入了空間碎片問題;1993年聯(lián)合國大會把空間碎片問題作為一個專題;1995年聯(lián)合國將其作為一個優(yōu)先審議的項目;2005年聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(以下簡稱聯(lián)合國外空委)技術(shù)小組起草了《空間碎片減緩指南》,并于2007年表決通過.

記者:您能否給我們介紹一下機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會?我國加入該委員會后開展了哪些工作?

韓增堯:機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會是目前唯一一個從事空間碎片研究和協(xié)調(diào)的非政府組織.該委員會于1993年成立,當(dāng)時我國以觀察員身份參加,1995年國家航天局代表我國政府參加.目前,委員會有包括中國、美國、俄羅斯、歐洲航天局等在內(nèi)的12個成員,基本上包括了世界主要的航天國家.機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會下設(shè)5個組,其中,指導(dǎo)組由各國政府和航天機構(gòu)的官方代表參加,主要指導(dǎo)4個技術(shù)組的工作,這4個技術(shù)組包括觀測組、環(huán)境和數(shù)據(jù)庫組、防護組及減緩組,分別針對不同的領(lǐng)域開展工作,同時還進行合作交流和研究,共同商討治理空間碎片的對策.

機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會成立21年來,組織完成了很多次關(guān)于空間碎片的相關(guān)合作研究.比如,對空間碎片的聯(lián)合觀測,無論是光學(xué)觀測手段,還是雷達觀測手段,各個國家或地區(qū)所處地理位置都有一定局限性,只能觀測到自身區(qū)域上空的碎片,要想掌握全球范圍內(nèi)的空間碎片數(shù)據(jù)和信息,就必須建立全球空間碎片監(jiān)測網(wǎng),通過多個國家的參與來提高空間碎片觀測的精確度.另外,該委員會還組織開展地面超速撞擊試驗,由于空間碎片的飛行速度很快,在低軌的空間碎片飛行速度為7.6km/s,平均碰撞速度可達10km/s,撞擊帶來的危害是很大的,因此我們需要在地面模擬撞擊效應(yīng)試驗,以便對航天器采取必要的防護措施,并評估防護效果.

機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會的作用是比較明顯的,作為聯(lián)合國外空委科技小組的一個技術(shù)支撐組織,發(fā)揮著越來越重要的作用.聯(lián)合國發(fā)布的《空間碎片減緩指南》就是在機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會制定的指南的基礎(chǔ)上形成的.

我國加入機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會以后,全面參與了5個組的工作,比如紫金山天文臺每年都參加聯(lián)合觀測太空危險目標(biāo)的隕落,并對其進行預(yù)報,而且我國的預(yù)測精度在各成員國的排名比較靠前.我國還參與了多國聯(lián)合地面撞擊試驗,通過地面超高速撞擊試驗,對各國試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進行比較,驗證各國超高速撞擊設(shè)備的能力和水平.我國研究的防護工具和方法在機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會中有比較好的反響,并成功應(yīng)用于天宮-1目標(biāo)飛行器的空間碎片防護設(shè)計上.

記者:目前觀測空間碎片采取什么手段?我國有衛(wèi)星來觀測空間碎片嗎?

韓增堯:現(xiàn)在,國際上觀測空間碎片的手段還是以地基觀測為主,包括無線電手段和光學(xué)手段,對于低軌道的空間碎片主要是采用"電磁籬笆"、雷達進行觀測;而對高軌道空間碎片的觀測則以光學(xué)手段為主.

地基與天基觀測各有不同的優(yōu)勢,它們互相補充.地基觀測設(shè)備可以把光學(xué)望遠鏡口徑和雷達功率做得很大,但是,由于地基觀測受到地域條件的限制,難以實現(xiàn)全球布網(wǎng).而天基手段可以覆蓋全球,但因航天器平臺資源有限,所以探測距離和精度也會受到限制.

目前,我國還沒有在軌衛(wèi)星用于碎片觀測,不過,有理由相信,未來我國必將發(fā)展天基觀測手段,為獲取空間碎片的數(shù)據(jù)提供更多途徑.

記者:目前,世界主要航天國家在空間碎片研究方面取得了哪些重要成果?如何減緩空間碎片的產(chǎn)生?是否會制定相關(guān)公約?

韓增堯:以美國為主的航天國家在空間碎片方面開展的工作,主要也是圍繞機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會所涉及的4個層面展開.首先是通過地基和天基手段進行碎片觀測,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;然后是碎片數(shù)據(jù)庫的管理,如美國的北美防空司令部對空間碎片數(shù)據(jù)進行管理,并在此基礎(chǔ)上開展碰撞預(yù)警的相關(guān)研究和工程應(yīng)用;第三是防護,即應(yīng)采取怎樣的防護措施,來提高航天器抵御空間碎片撞擊的能力,如美國針對"國際空間站"的主要艙段采取了嚴格的防護措施,確保"國際空間站"在壽命期間能滿足防護要求;第四是減緩,減少軌道上空間碎片的數(shù)量,由于美國造成的空間碎片數(shù)量是最多的,而且其對衛(wèi)星的依賴程度也比較高,因此對于治理空間碎片這一問題,美國無論是研究方面,還是工程應(yīng)用方面,以及制定相應(yīng)的國際規(guī)則等方面都表現(xiàn)得比較積極.

減少空間碎片的產(chǎn)生主要通過以下幾個手段:一是避免發(fā)生在軌的解體,這就要求運載火箭和衛(wèi)星在任務(wù)結(jié)束后采取鈍化措施,如排空剩余推進劑;二是避免發(fā)生在軌的碰撞,這就要求在軌航天器能夠躲避空間碎片的撞擊;三是減少運載火箭和航天器任務(wù)期間釋放的操作性空間碎片,如星箭分離使用的包帶、爆炸螺栓帽等.

由于目前聯(lián)合國通過的《空間碎片減緩指南》沒有太多約束力,所以,未來國際社會不排除會制定相關(guān)公約,以有約束力的法律條文來約束航天活動.

記者:我國現(xiàn)在有哪些單位在進行空間碎片的研究?近年來在碎片研究方面有什么進展?

韓增堯:目前,我國有包括工業(yè)部門、科研院所、高校等單位在內(nèi)的數(shù)十家單位對空間碎片進行研究,近年來在這方面做出了不少成績.

在空間碎片的監(jiān)測預(yù)警方面,我國的地面監(jiān)測設(shè)備參與了神舟-6~10飛船、嫦娥-1~3探測器的發(fā)射預(yù)警任務(wù),為載人航天和空間探測任務(wù)提供了技術(shù)保障.在防護方面,我們自主研制了空間碎片風(fēng)險評估工具,利用該工具來評估飛行器壽命期間各個部位遭受撞擊的風(fēng)險,并在天宮-1目標(biāo)飛行器上有針對性地采取了防護措施.現(xiàn)在,天宮-1已經(jīng)完成2年的預(yù)定任務(wù),整個狀態(tài)良好,表明我們采取的防護設(shè)計是可靠的.在減緩方面,"長征"系列火箭上針對空間碎片減緩問題實施了鈍化措施,包括剩余推進劑的排空、任務(wù)完成后火箭儲能部件的消能;而且我國已有多顆地球靜止軌道衛(wèi)星在任務(wù)完成后實施離軌,彰顯負責(zé)任航天大國的形象.在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范方面,我國制定了多個空間碎片標(biāo)準(zhǔn),與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)接軌.

我國政府也加強了對空間碎片的管理工作.2009年12月1日,國家航天局正式發(fā)布了《空間碎片減緩與防護管理暫行辦法》,用來約束我國工業(yè)部門、用戶及研制單位的行為,以利于空間碎片的減緩和防護工作有序開展.

2013年10月,我國召開了第7屆全國空間碎片學(xué)術(shù)交流會,對研究進展和成果進行了廣泛的交流. 2014年在北京舉辦的第32屆機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會會議,不僅可以樹立我國政府在空間碎片領(lǐng)域負責(zé)任大國的形象,而且對促進國際間交流合作、引領(lǐng)我國空間碎片研究向縱深發(fā)展有積極作用.

記者:在空間碎片減緩方面存在的主要困難是什么?是否找到有效的解決途徑?這種途徑什么時候能夠投入實際應(yīng)用?

韓增堯:空間碎片減緩問題一直是各國都感到棘手的問題.一方面,如果不采取一定的減緩措施,在軌解體事件必然會頻發(fā),進而產(chǎn)生更多的空間碎片;另一方面,如果采取措施的話,就會給研制部門、用戶帶來額外的負擔(dān),會犧牲某些代價.比如,對于地球靜止軌道衛(wèi)星,在其任務(wù)完成后要離軌,而離軌需要燃料,如果不離軌衛(wèi)星可以延長一些壽命,帶來一定的經(jīng)濟效益.此外,以往火箭和衛(wèi)星的研制流程是較為成熟的,要改變它的設(shè)計狀態(tài)和流程,可能會帶來一定的風(fēng)險,所以無論從單純的設(shè)計部門還是從用戶,都不情愿去做這件事.這也是空間碎片減緩工作不好推進的原因之一.

技術(shù)障礙是空間碎片減緩工作中遇到的另一個困難.比如,前面提到的地球靜止軌道衛(wèi)星離軌問題,衛(wèi)星壽命到期時要求運行到地球靜止軌道以上300km左右的棄置軌道.然而,目前還沒有一種成熟的技術(shù)手段能非常精確地測量衛(wèi)星的剩余推進劑,既能確保衛(wèi)星離軌,也不浪費推進劑.目前,機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會還準(zhǔn)備出臺一個規(guī)定,只允許運載火箭和衛(wèi)星在任務(wù)完成后在軌滯留25年.如何推進這個規(guī)定也存在很大困難,因為衛(wèi)星要想離軌隕落所付出的代價是很高的,比如八九百千米軌道的衛(wèi)星,實施軌道機動直至隕落所需的推進劑能讓其在軌道上工作幾年時間.

現(xiàn)在,對于地球靜止軌道的空間碎片減緩工作還是做得比較好的,因為其所花費的代價不是很高,而且由于地球靜止軌道資源非常寶貴,目前這個軌道上已經(jīng)部署了400多顆衛(wèi)星,所以,相對來說各主要航天國家對此還是做得比較好的.

不同的軌道高度,在空間碎片減緩措施上所付出的代價不一樣,只有少數(shù)軌道的衛(wèi)星在嘗試采取減緩措施,還沒有形成一種強制性的規(guī)定.

有學(xué)者提出,未來可以形成這樣一種治理空間碎片的模式:由相關(guān)法律對航天活動進行約束,對于沒有能力治理空間碎片的國家或組織,由商業(yè)公司幫助清理,而責(zé)任人必須支付清理的費用.這種模式首先基于技術(shù)和商業(yè)運作的成熟程度,而且存在一定法律層面的問題,至于何時能夠付諸實施,恐還有很長的路要走.

記者:從您這些年對空間碎片的研究經(jīng)驗來看,我國未來空間碎片的研究和應(yīng)對措施應(yīng)該從哪些方面加大力度?

韓增堯:在政策標(biāo)準(zhǔn)層面,不僅要貫徹執(zhí)行《空間碎片減緩與防護管理暫行辦法》,而且應(yīng)加強技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定,為工作部門和用戶提供可具操作性的指導(dǎo)文件.

在空間碎片的監(jiān)測方面,我國的監(jiān)測設(shè)備與國外相比差距還比較大,在改進地基監(jiān)測手段的同時,要考慮發(fā)展天基監(jiān)測手段,為空間碎片的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的獲取提供支撐.

在預(yù)警數(shù)據(jù)庫方面,應(yīng)加強數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理,提高數(shù)據(jù)的品質(zhì)和時效性,為我國在軌100余顆衛(wèi)星的日常預(yù)警提供有效支撐.

在航天器防護方面,我國將要發(fā)展載人空間站,對空間碎片防護提出了更高的要求,我們應(yīng)加強先進防護結(jié)構(gòu)和防護材料的研究;對于大量的在軌衛(wèi)星,特別是低軌衛(wèi)星,遭遇空間碎片撞擊的風(fēng)險比較高,我國有必要對衛(wèi)星的重要部位采取一定的防護措施,提高衛(wèi)星在軌運行的可靠性.

在軌航天器上應(yīng)安裝一些監(jiān)測設(shè)備,實時對空間碎片的撞擊進行觀測.我國的空間站,由于長期需要有人照料,航天員滯留時間較長,一旦有空間碎片撞擊,航天員應(yīng)該能夠通過空間監(jiān)測設(shè)備在很短的時間內(nèi)獲知相關(guān)信息,并了解撞擊部位和撞擊程度,以便采取相應(yīng)的補救措施,或采取撤離等應(yīng)急響應(yīng),來保證航天員的安全.

在減緩方面,應(yīng)著重開展低軌運載火箭和衛(wèi)星任務(wù)后壽命不超過25年的技術(shù)措施研究和空間碎片清除研究.

正如地球表面上的環(huán)境一樣,地球軌道上的環(huán)境也未能逃脫先污染、后治理的命運,而且治理的難度更大,周期會更長.美國、歐洲、俄羅斯等國家都召開了多次空間碎片清除的研討會,提出了若干技術(shù)措施和手段,但整體看來,面對這些數(shù)量眾多、大小不一、高速飛行的空間碎片,無論是技術(shù)能力還是財政負擔(dān)都將是非常嚴峻的挑戰(zhàn).