張世杰 段晨陽 蘇杭

自1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來,航天事業(yè)取得了巨大的成就,世界各國已通過5000余次發(fā)射活動將6500余顆各類型航天器送入軌道,并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、資源、城市管理、環(huán)境保護、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急救援以及軍事斗爭等領(lǐng)域,取得了顯著經(jīng)濟和社會效益,國民經(jīng)濟建設(shè)和國家安全對衛(wèi)星的依賴性不斷增強.隨著航天活動的日益頻繁,空間呈現(xiàn)出“公地悲劇”的特征[1?2],空間安全問題日益突出,特別是空間環(huán)境惡化、空間資源稀缺以及空間武器化威脅,嚴重威脅著在軌航天器的安全運行,由于自然或人為因素導(dǎo)致的空間環(huán)境惡化嚴重制約了人類空間技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展,人類進軍太空不知不覺中又走上了“先污染、后治理”的老路.

空間安全問題涉及空間環(huán)境、資源與安全問題,是“自然”與“人為”因素的相互交織.空間競爭使得航天器面臨來自空間碎片之外的人為威脅,反衛(wèi)星技術(shù)試驗產(chǎn)生了大量空間碎片,進一步惡化空間碎片環(huán)境,“自然”與“人為”因素的相互交織使得空間安全問題日益復(fù)雜化.“自然”特征的問題可以通過技術(shù)發(fā)展來解決,而“人為”特征問題涉及國際政治斗爭,是一個比較難以解決的問題.但需要注意的是,空間資源是人類的共同財富,任何一個參與國在空間的行動都會對軌道環(huán)境和所有其他空間參與國的活動造成影響.建立空間環(huán)境的穩(wěn)定性和可持續(xù)性,確保所有國家的共同利益繼續(xù)探索并利用空間,是對世界各國都有益的事情.

為合理利用和保護有限的空間資源,緩解空間各類安全威脅,本文將綜述空間自然環(huán)境和人為安全威脅等對航天活動的影響及減緩措施,以期為我國制定空間主被動安全威脅緩建策略,確?？臻g活動可持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 空間主被動安全威脅及危害

空間凝聚著巨大的國家利益,空間安全的重要性隨之日益凸顯.空間安全是指“空間系統(tǒng)可自由、安全地往返太空并在其中運行,不受或有能力預(yù)防和保護空間系統(tǒng)免遭自然或人為因素的干擾和破壞”[3].根據(jù)其來源和性質(zhì),可將空間安全威脅分為兩類:一類源于自然環(huán)境因素,如空間碎片威脅;另一類則來自人為威懾和威脅,如反衛(wèi)星武器等.

1.1 空間碎片威脅及現(xiàn)狀

航天器數(shù)量與日俱增,空間碎片的不斷產(chǎn)生對有限的軌道資源構(gòu)成了嚴重損害.由于空間碎片與航天器的平均撞擊速度約10km/s,具有很大的破壞力,尤其是當某一軌道高度的碎片密度達到一個臨界密度時,有可能產(chǎn)生“雪崩”效應(yīng),數(shù)量急劇增加,將會造成軌道資源的永久性破壞[4].

近30年來,隨著空間碎片數(shù)量的劇增,空間碎片造成的事故和災(zāi)難屢見不鮮.2009年2月,美國衛(wèi)星Iridium33和俄羅斯衛(wèi)星Kosmos2251發(fā)生碰撞,這是人類航天史上首次發(fā)生空間衛(wèi)星相撞事故,且事故發(fā)生在衛(wèi)星最為稠密的太陽同步軌道,凸顯了低軌空間碎片環(huán)境惡化的嚴峻狀況[4].

已有研究表明目前碎片比較集中在軌道資源為太陽同步軌道和地球靜止軌道(見圖1),2009年的美俄衛(wèi)星相撞事件也印證了低地球軌道日益嚴峻的空間碎片威脅.尤其是近年來隨著微納衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展,每年一百多顆微納衛(wèi)星發(fā)射入軌,Google公司更是提出要發(fā)射4000顆納衛(wèi)星構(gòu)成的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座,尤其是這些微納衛(wèi)星并不具備軌道機動能力,失效后只能任由其自然衰減墜毀大氣層,但這個過程隨軌道高度增大需要數(shù)十年或更長時間,使日益嚴峻的低軌空間碎片環(huán)境雪上加霜.

圖1 地球軌道的空間碎片[5]

地球靜止軌道狀況并沒有更好一些.由于地球靜止軌道的唯一性和特殊性,軌位成為一種稀缺資源.當前,地靜止軌道上充滿了通信、中繼、氣象等各種類型的上千顆衛(wèi)星,而且每年還在以大約二、三十顆的速度增長(見圖2).地球靜止軌道的擁擠狀況已經(jīng)引起許多空間機構(gòu)的關(guān)注,一方面,重視擁擠狀況造成衛(wèi)星之間發(fā)生物理碰撞的潛在危險,以及無線電頻率相同或者相近造成無線電信號干擾;另一方面,靜止軌道空間碎片沒有消減因素,會持續(xù)存在下去,如果不加以處置,不僅會對航天器造成威脅,而且會占用稀有的軌道資源和定點位置,因此,必須采取相應(yīng)措施,減緩空間碎片增長速度.

2002年,由機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)制定并通過的《空間碎片減緩指南》明確指出針對地球靜止軌道物體設(shè)置棄置區(qū)和末期處置,在軌運行航天器的推進劑量臨界推離要求時,要及時終止空間系統(tǒng)運行,實施鈍化、離軌,將衛(wèi)星推入“墳?zāi)管壍馈?然而,仍有不少地球靜止軌道衛(wèi)星因來不及進行鈍化、離軌等處理而失效,不再具備變軌能力.由于受地球攝動影響,軌道會脫離原軌道,而后可能會某個時候回位,碰撞現(xiàn)有衛(wèi)星而造成災(zāi)難.

圖2 GEO軌道物體分布狀況[6]

除了空間碎片、退役廢棄衛(wèi)星外,正常運行的衛(wèi)星也首次發(fā)生突然失去控制、威脅其他在軌航天器的事故.2010年4月5日,國際通信衛(wèi)星公司(INTELSAT)所屬的銀河-15通信衛(wèi)星與地面失去聯(lián)系,但衛(wèi)星轉(zhuǎn)播信號功能正常,不影響其轉(zhuǎn)發(fā)器天線指向地球和太陽翼指向太陽的能力,因而能夠繼續(xù)接收和傳送信號[7].地面人員無法關(guān)閉其通信有效載荷或進行軌道保持控制.銀河-15衛(wèi)星沿著地球靜止軌道帶向東緩慢漂移,可能會對美國通信衛(wèi)星-11的廣播造成干擾,并將在接下來的時間里經(jīng)過其他衛(wèi)星,沿途可能造成更多干擾(見圖3).2011年2月銀河15衛(wèi)星才恢復(fù)正常并重新定點原來軌位.

圖3 銀河-15衛(wèi)星無線電信號干擾示意圖

更重要的是,由于靜止軌道空間碎片沒有消減因素,會持續(xù)存在下去,且當前人類并沒有針對靜止軌道空間碎片進行主動離軌操作的工程能力,使得地球靜止軌道資源更為稀缺,影響這一寶貴資源的可持續(xù)利用,并給正常運行的地球靜止軌道衛(wèi)星帶來碰撞威脅.

1.2 空間對抗現(xiàn)狀及影響

由于人類活動對空間系統(tǒng)的依賴日益增強,發(fā)展反衛(wèi)星武器和開展衛(wèi)星攻防技術(shù)戰(zhàn)略研究成為各國開展空間競爭的重點,并由此引發(fā)了嚴重的空間安全問題.正因如此,即使面臨國際社會的強烈反對,美國依然態(tài)度強硬地宣布“美國有權(quán)自衛(wèi),保護國家太空利益,并能夠阻止對手使用敵對太空能力”[8].

反衛(wèi)星試驗摧毀衛(wèi)星過程中產(chǎn)生大量空間碎片,對空間環(huán)境造成明顯和長期的沖擊,是空間碎片的第二大來源.由于反衛(wèi)星所產(chǎn)生的碎片最終將集中在相同的區(qū)域,這必然加劇被摧毀衛(wèi)星所在軌道高度的碎片問題.美國、俄羅斯和中國都曾用這種方法銷毀廢棄衛(wèi)星.蘇聯(lián)在20世紀70、80年代的ASAT銷毀了一顆衛(wèi)星,產(chǎn)生了700多塊大碎片,其中的300塊至今仍留在軌道上.美國在1985年9月也進行了一次ASAT試驗,這次試驗產(chǎn)生的最后一片碎片直到2004年才從軌道上消失[9].中國在2007年1月試驗了利用動能ASAT摧毀老化衛(wèi)星,增加了約2000個碎片,使碎片總數(shù)增加了35%.

“自然”與“人為”因素的相互交織使得空間安全問題及其緩解日益復(fù)雜化.國際社會已對正常空間活動制定了碎片清除指南,但在試驗或使用武器摧毀在軌衛(wèi)星方面還沒有法律約束.摧毀衛(wèi)星時會產(chǎn)生大量碎片,如何規(guī)范這類行動應(yīng)該優(yōu)先考慮.中國將在堅持和平開發(fā)利用太空的原則上,與國際社會通力合作,繼續(xù)反對太空武器化和太空軍備競賽.

2 空間自然環(huán)境危害減緩對策

減緩空間自然危害,尤其是空間碎片危害,保護在軌航天器正常運行的對策主要有3類:軌道規(guī)避、碎片防護和環(huán)境控制.

由于大、中等空間碎片動量很大,任何航天器與其撞擊都將產(chǎn)生毀滅性的破壞后果.因此任何防護措施都是徒勞的,唯一有效的方法就是對這些大、中等空間碎片進行規(guī)避.對于毫米級和微米級的小空間碎片,由于體積太小并且數(shù)量太多,無法對其進行測量,進而實施機動策略躲避其撞擊,只能采取對航天器進行防護設(shè)計的方法提高自身的抗撞擊能力,提高在軌生存能力.

當前,世界各航天國家在空間碎片減緩方面都做出了巨大的努力,制定并通過了《空間碎片減緩指南》.指南要求停止人為太空爆炸、杜絕太空拋物、對廢棄運載工具及航天器進行鈍化和消能處理等,大大減緩了空間碎片的增長速度.但正如Kessler于1978年所預(yù)言,由于空間碎片的持續(xù)增多,在數(shù)量達到一定程度后,空間碎片將發(fā)生聯(lián)級碰撞效應(yīng),使空間碎片的數(shù)量急劇增加[10],即所謂的凱斯勒現(xiàn)象(Kessler syndrome).NASA(National Aeronautics and Space Administration)的研究顯示目前所有的空間碎片減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產(chǎn)生,但是不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定,如果不采取主動措施,未來70年內(nèi)LEO軌道內(nèi)的空間碎片將達到超臨界狀態(tài),發(fā)生空間物體之間的級聯(lián)碰撞反應(yīng)[11].如果開展空間碎片主動清除,則能大大遏制空間碎片級數(shù)增長,保障空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定性[12].

垃圾是放錯地方的資源.由于傳統(tǒng)衛(wèi)星都是一次使用的,缺乏可維修的設(shè)計,發(fā)射后一旦任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者燃料耗盡都將導(dǎo)致整個系統(tǒng)喪失功能,成為一類空間垃圾.報廢衛(wèi)星雖然整星失去功能,但通過在軌加注燃料、模塊更換或升級等技術(shù)途徑和措施可以恢復(fù)衛(wèi)星功能,或者重用某些高價值組部件,如大型天線、光電探測設(shè)備等.目前遺棄在地球靜止軌道附近有大量報廢衛(wèi)星,是一個亟待開發(fā)的太空寶庫,可通過衛(wèi)星延壽和組部件重用降低空間碎片數(shù)量.

2.1 空間碎片規(guī)避和防護策略

如前所述,對于大于10cm的空間碎片撞擊任何航天器都將產(chǎn)生毀滅性的破壞后果,不但使航天器受到損失,還會產(chǎn)生體積更小的空間碎片,任何防護措施都是徒勞的,唯有規(guī)避.國際空間站是目前建造的最大航天器,因此受空間碎片威脅也最大.截至2014年底,國際空間站共進行了19次針對空間碎片的規(guī)避機動[13],僅2014年就進行了3次機動規(guī)避.

目前只能監(jiān)視那些體積大于10cm左右的空間物體,無法對毫米級和微米級的小空間碎片進行測量監(jiān)測,只能采取對航天器進行防護設(shè)計的方法提高自身的抗撞擊能力.微小碎片防護結(jié)構(gòu)通常采用防護屏[14],其基本原理為:受碎片超高速撞擊緩沖屏所形成沖擊波的作用,碎片和緩沖屏破碎、熔化甚至氣化,在防護屏后面形成包含碎片材料和緩沖屏材料的碎片云,會在緩沖屏后墻形成面積很大的損傷區(qū)域,將空間碎片撞擊由點能源變成面能源,降低了對后墻的損傷.目前已應(yīng)用于“和平號”空間站、國際空間站、航天飛機、重要衛(wèi)星等航天器.

2.2 空間碎片主動清除技術(shù)

減緩空間碎片及其危害的措施主要包括預(yù)防和治理.在預(yù)防方面,目前已形成并應(yīng)用了多種鈍化或離軌方案.在治理方面,形成了多種主動清除或在軌資源再應(yīng)用的方案.在軌資源再利用是指針對報廢衛(wèi)星,通過在軌加注燃料、模塊更換或升級等技術(shù)途徑,恢復(fù)衛(wèi)星或部分高價值組部件的功能,從而降低空間碎片數(shù)量.

毋庸置疑,空間碎片的主動清除相比于空間碎片的自然消減,在維持太空可持續(xù)發(fā)展方面是更為有效的手段.尤其是對于靜止軌道空間碎片的消減,只能采用主動清理技術(shù).另外,由于大部分空間碎片主動清理技術(shù)能夠直接用于空間攻防和反衛(wèi)星任務(wù),引起了世界各國航天機構(gòu)的極大關(guān)注,提出了許多創(chuàng)新的碎片清除概念,部分空間碎片方法正由概念設(shè)想逐步走向工程應(yīng)用.

2.2.1 捕獲式清除方法

使用捕獲方式進行空間碎片清除是最早應(yīng)用的技術(shù),美國通過航天飛機進行過多次航天員捕捉、回收衛(wèi)星行動.近年來,捕捉方式開始逐步轉(zhuǎn)向自主在軌捕獲模式,依據(jù)采用的捕獲方式不同,分別提出了包括機械手[15?17]、拋射網(wǎng)[18?20]和太空魚叉[21]、太空輔助離軌[22?24]等多種解決方案(見圖4～7).

圖4 機械手抓取空間目標[16]

圖5 空間垃圾圍捕低地球軌道修復(fù)(Rustler)在軌效果圖

圖6 太空魚叉

圖7 太空牧羊犬

上述各種方法主要針對大型空間碎片,需要對空間目標進行識別、定位和捕獲,且只能應(yīng)用于一個或少量幾個廢棄衛(wèi)星或大型空間碎片的清除.而對于中、小型空間碎片,上述方法工程上不可行,經(jīng)濟成本上不劃算.為此,不同研究機構(gòu)提出了磁網(wǎng)[25]、膠合成垃圾回收軌道球(Astros)粘性球(見圖8)等面向中、小型空間碎片清除方法.

圖8 Astros粘性球在軌效果圖[26]

2.2.2 增阻主動清除方法

低軌空間碎片由于受稀薄大氣阻力的影響,或早或晚會再入大氣層燒毀,但對于軌道較高的空間碎片會需要數(shù)十年時間才能離軌,需要通過增加阻力的辦法縮短空間碎片的滯空時間.與花費高額的太空垃圾回收費用相比,對于新研制的低軌衛(wèi)星可增加無動力離軌裝置,從源頭上避免產(chǎn)生空間垃圾.無動力離軌裝置的基本原理是將軌道能量加速轉(zhuǎn)換為熱能(如大氣阻力[27]),或者電能(如電動力系繩,見圖9),使軌道高度逐步衰減.

圖9 電動力繩系離軌[28]

上述各種方法主要針對大型空間碎片或新研制衛(wèi)星.而對于已在軌的中、小型空間碎片并不適用.為此,不同研究機構(gòu)提出了太空霧[29](見圖10)、空間碎片清除(SpaDE)“脈沖”空氣炮[30](見圖11)等面向中、小型空間碎片清除方法,基本思路是增加空間碎片運行軌道上的阻力,縮短滯空時間,加速其離軌.

2.2.3 激光主動清除方法

使用激光清除空間碎片根據(jù)效果可分為燒灼和推進.其中燒灼是利用強大的連續(xù)波激光照射碎片,使其溫度升高直至升華,實現(xiàn)碎片的清除;推進是利用高能脈沖激光束照射碎片表面,產(chǎn)生類似于火箭推進的“熱物質(zhì)射流”,為碎片提供一定的速度增量來降低近地點高度,達到縮短碎片軌道壽命的目的.激光清除太空垃圾可采用不同的平臺,包括地基激光清除和天基激光清除,如圖12和13所示.

圖10 太空霧工作效果圖[29]

圖11 空氣炮工作效果圖

圖12 地基激光清除示意圖[31]

2.3 在軌服務(wù)和失效衛(wèi)星再利用技術(shù)

一般情況下,衛(wèi)星被發(fā)射到軌道上,燃料耗盡或發(fā)生故障后就會被棄用.造成資源的大量浪費,而且還將成為太空垃圾.許多被棄用的衛(wèi)星本身功能完好,若能夠從報廢的衛(wèi)星中獲取有價值的零部件,通過更換零件、添加燃料等方式對即將退役或報廢的衛(wèi)星延壽,將能夠降低制造新衛(wèi)星的成本,減少廢舊航天器的數(shù)量.

在整星重利用方面,施滸立等探索了退役同步通信衛(wèi)星的再利用問題[33],把退役同步通信衛(wèi)星演變?yōu)樾A角同步傾斜軌道衛(wèi)星,并用于無源衛(wèi)星導(dǎo)航,實現(xiàn)壽命末期同步通信衛(wèi)星的再利用.在有重要價值組部件再利用方面,美國于2011年啟動“鳳凰計劃”,該項目旨在研發(fā)并展示從太空中退役、不運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星上獲取并重新利用有價值零部件的技術(shù),以及顯示以大幅降低的成本制造新太空系統(tǒng)的能力[34],如圖14所示.

圖14 “鳳凰計劃”之衛(wèi)星在軌工作效果圖

3 空間人為安全威脅及應(yīng)對策略

進入新世紀以來,世界主要大國無不把太空視為增強國家綜合實力和提高軍事戰(zhàn)略能力的重要依托,紛紛制定和調(diào)整國家太空戰(zhàn)略,“空間信息化、空間武器化、空間戰(zhàn)場化”趨勢明顯,太空資產(chǎn)與生俱來的一個缺點就是對物理和非物理攻擊具有相當?shù)拇嗳跣?由此引發(fā)了嚴重的人為安全問題.

為應(yīng)對日益嚴峻的空間人為安全威脅,一方面應(yīng)呼吁國際社會共同關(guān)注太空安全,反對太空武器化和太空軍備競賽.另一方面,在空間系統(tǒng)構(gòu)建時采取有限防護的原則,即防護的目的在于提高空間系統(tǒng)在受到攻擊后的生存概率及恢復(fù)或重建速度,并增加敵方攻擊的技術(shù)難度和經(jīng)濟成本.

2013年,美空軍航天司令部發(fā)布《彈性與分散式空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)》白皮書[35?36],白皮書認為,分散式空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是提高空間系統(tǒng)彈性的重要途徑.“分散式空間系統(tǒng)”是指將天基任務(wù)、功能或傳感器分散部署到多個系統(tǒng)之上,橫跨一個或多個軌道、平臺、宿主衛(wèi)星或作戰(zhàn)域.通過將空間能力“分散”到多個平臺或系統(tǒng)上增加目標的數(shù)量,可以幫助空間系統(tǒng)規(guī)避風(fēng)險,提高空間系統(tǒng)的生存能力,增加對手實施攻擊決策的困難,為威脅環(huán)境下的能力重構(gòu)、恢復(fù)或運行提供保障.白皮書同時給出了實現(xiàn)空間系統(tǒng)“彈性”的結(jié)構(gòu)分離、功能分解、有效載荷搭載、多軌道分散,以及多作戰(zhàn)域分解等5種途徑[37?39].

4 結(jié)論

空間碰撞頻繁發(fā)生,空間競爭日益嚴峻,空間碎片和人為威脅已對航天活動形成嚴重威脅.目前所有的空間碎片減緩措施雖然能夠減少空間碎片的產(chǎn)生,但不足以保持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定,空間碎片主動清除勢在必行;分散式空間系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)能夠提高空間系統(tǒng)彈性,增加對手實施空間攻擊的困難,但卻無法防范所有的人為安全威脅.空間安全是全球性的問題,空間安全問題的解決需要全球共同的努力,增強國際間的密切合作、發(fā)揮聯(lián)合國的作用意義重大.