文/ 龔自正

國(guó)際空間碎片研究之父、美國(guó)宇航局空間碎片計(jì)劃首任首席科學(xué)家凱斯勒曾于1978年提出“凱斯勒災(zāi)難”的概念。他指出，當(dāng)近地軌道上的衛(wèi)星碎片等太空垃圾多到一定程度，人造衛(wèi)星和航天器會(huì)時(shí)常遭到撞擊，由此滾雪球般產(chǎn)生更多碎片，最終將迫使人類不得不放棄繼續(xù)發(fā)射衛(wèi)星到這一區(qū)域。據(jù)專家估算，地球周邊的太空中直徑大于10厘米的碎片已經(jīng)超過(guò)2.3萬(wàn)個(gè)。人類已處于“凱斯勒災(zāi)難”的邊緣，清理太空垃圾刻不容緩。

空間碎片移除勢(shì)在必行

文/ 龔自正

急劇增長(zhǎng)的空間碎片

在LEO區(qū)域，厘米級(jí)空間碎片由2005年的30萬(wàn)個(gè)增長(zhǎng)到2015年的50萬(wàn)個(gè)，年增長(zhǎng)率達(dá)15%。凱斯勒對(duì)2020年后無(wú)發(fā)射活動(dòng)條件下LEO區(qū)域10厘米以上碎片數(shù)量增長(zhǎng)預(yù)測(cè)如右圖所示，推算認(rèn)為在LEO區(qū)域70年后碎片密度將達(dá)到一個(gè)臨界值，將發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)，近地空間將徹底不可用，這也就是我們前面提到的“凱斯勒災(zāi)難”。

在GEO區(qū)域，目前在軌空間物體為1396個(gè)，其中可編目物體1142個(gè)，其他254個(gè)，可控物體436個(gè)，非可控物體960個(gè)。原則上講GEO區(qū)域最多可容納的在軌空間物體為1800個(gè)（0.2一個(gè)軌位），按照目前的占位速度，30年后軌位將飽和，無(wú)新的軌位資源可用。

空間碰撞風(fēng)險(xiǎn)不斷攀升

空間碎片數(shù)量急劇增加的同時(shí)在軌衛(wèi)星數(shù)量也在不斷增加，使得空間碰撞風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。美國(guó)宇航局統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，空間碎片撞擊占空間環(huán)境引發(fā)各類衛(wèi)星在軌失效事件的比例，已從早期（1960～1984年）25年內(nèi)的10.6%上升到1990～1999年10年內(nèi)的27.3%，上升了2.5倍。據(jù)歐空局估算，引起失效或喪失部分功能的碰撞次數(shù)從2015的每年2次將增長(zhǎng)到2075年的每年10次。

對(duì)我國(guó)在軌衛(wèi)星近年來(lái)碰撞預(yù)警分析顯示，紅色預(yù)警（碰撞概率大于10-4且交會(huì)距離小于1公里）次數(shù)5年內(nèi)上升了2.5倍。2016年我國(guó)已有170余顆在軌衛(wèi)星，100米以內(nèi)危險(xiǎn)交會(huì)達(dá)100余次/年。

▲ 2020年后無(wú)發(fā)射活動(dòng)條件下LEO區(qū)域10厘米以上碎片數(shù)量增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

現(xiàn)有的對(duì)策及面臨的挑戰(zhàn)

目前應(yīng)對(duì)空間碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)有三個(gè)途徑：一是空間碎片減緩，即控制、減少碎片產(chǎn)生；二是碰撞規(guī)避，主動(dòng)規(guī)避降低碰撞概率，從而減少碎片產(chǎn)生；三是主動(dòng)移除，徹底控制碎片數(shù)量增長(zhǎng)，清潔外層空間。

航天器鈍化和任務(wù)后處置（PMD）主要包括限制發(fā)射過(guò)程產(chǎn)生碎片、機(jī)動(dòng)規(guī)避防止碰撞產(chǎn)生碎片、任務(wù)后鈍化防止在軌爆炸解體產(chǎn)生碎片及任務(wù)后離軌。聯(lián)合國(guó)、國(guó)際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)、美國(guó)、歐洲、中國(guó)等已經(jīng)頒布的減緩指南都要求LEO區(qū)域航天器任務(wù)后在軌壽命不得超過(guò)25年，25年后必須主動(dòng)進(jìn)入大氣層燒毀；GEO區(qū)域航天器任務(wù)后主動(dòng)抬高軌道200公里以上，進(jìn)入墳?zāi)管壍馈?/p>

碰撞規(guī)避（COLA）能夠降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，從而也能減少碎片產(chǎn)生，能降低碎片數(shù)量增長(zhǎng)速度。但任務(wù)后處置、碰撞規(guī)避都不能遏制碎片數(shù)量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，碎片數(shù)量在某個(gè)時(shí)間還是會(huì)達(dá)到臨界值。

空間碎片主動(dòng)移除（ADR）是指通過(guò)人為作用，使LEO區(qū)域碎片進(jìn)入大氣層燒毀，或使GEO區(qū)域碎片軌道抬高進(jìn)入墳?zāi)管壍溃瑥亩_(dá)到保護(hù)在軌航天器不受碎片撞擊。上圖給出了從2020年開(kāi)始每年不移除、移除2個(gè)和移除5個(gè)碎片時(shí)空間碎片增長(zhǎng)趨勢(shì)對(duì)比，可見(jiàn)每年移除2個(gè)碎片可使碎片數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著下降；每年移除5個(gè)碎片可使碎片數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。因此，只有主動(dòng)移除才能徹底遏制碎片數(shù)量的增長(zhǎng)。

目前國(guó)際社會(huì)的普遍共識(shí)是：空間碎片主動(dòng)移除是確?？臻g長(zhǎng)期可持續(xù)的必然選擇和唯一出路。但是，空間碎片主動(dòng)移除不僅涉及技術(shù)問(wèn)題，而且涉及空間政策與法律法規(guī)和國(guó)際合作問(wèn)題。

▲ 主動(dòng)移除效果圖

微小衛(wèi)星星座帶來(lái)的新挑戰(zhàn)

重量在150 千克以下的微小衛(wèi)星由于其技術(shù)新、響應(yīng)快、應(yīng)用靈活、成本低等特點(diǎn)，1995年以來(lái)，以薩里大學(xué)、軌道科學(xué)公司為代表，國(guó)外現(xiàn)代小衛(wèi)星的發(fā)展風(fēng)起云涌。2000～2004年，工業(yè)界高性能小衛(wèi)星和大學(xué)技術(shù)驗(yàn)證類微小衛(wèi)星的發(fā)展并駕齊驅(qū)。2005～2009年，小衛(wèi)星全面進(jìn)入實(shí)用化，同時(shí)，微小衛(wèi)星應(yīng)用開(kāi)始嶄露頭角。2010～2014年，形成小衛(wèi)星體系化應(yīng)用，并開(kāi)辟快響衛(wèi)星等新領(lǐng)域，同時(shí)皮納衛(wèi)星發(fā)展迅猛。2015年至今，國(guó)際上不斷豐富拓展小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，微納衛(wèi)星發(fā)射活動(dòng)和發(fā)射計(jì)劃爆炸式增長(zhǎng)。

2015年英國(guó)一網(wǎng)（One Web）公司和美國(guó)太空探索（Space X）公司等啟動(dòng)了巨型微小衛(wèi)星星座計(jì)劃。One Web公司計(jì)劃在LEO區(qū)域1200公里高度部署720顆微小衛(wèi)星，這些微小衛(wèi)星分布在18個(gè)不同的軌道面上，用于全球高速通信。Space X公司計(jì)劃在LEO區(qū)域1100公里高度部署4025顆微小衛(wèi)星，用于全球高速網(wǎng)絡(luò)通信。

國(guó)際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)、美國(guó)宇航局、歐空局對(duì)巨型微小衛(wèi)星星座數(shù)量激增帶來(lái)的碎片環(huán)境分析指出，按照目前的趨勢(shì)，2050年10厘米以上碎片數(shù)量將超過(guò)5萬(wàn)個(gè)，2100年將超過(guò)10萬(wàn)個(gè)，使得LEO區(qū)域衛(wèi)星碰撞數(shù)增加6倍。微小衛(wèi)星星座迅猛發(fā)展使得典型軌道區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星密集度急劇增加，使軌道和頻率資源日趨緊張，更重要的是微小衛(wèi)星不具備主動(dòng)離軌能力，其所處的軌道高度將使其任務(wù)后在軌超過(guò)數(shù)百年，將使空間碰撞概率劇增，給空間碎片減緩指南的實(shí)施和空間交通管理帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。為此，國(guó)際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)已經(jīng)連續(xù)三年在聯(lián)合國(guó)外空委大會(huì)發(fā)表有關(guān)立場(chǎng)聲明。

空間碎片環(huán)境治理

空間碎片環(huán)境治理（Space debris environmental governance）是指在對(duì)空間碎片精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，以某種技術(shù)手段對(duì)空間碎片進(jìn)行離軌操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的高效移除，達(dá)到凈化空間碎片環(huán)境（Clean-Space）的目的，保障空間長(zhǎng)期可持續(xù)使用。

空間碎片已經(jīng)對(duì)人類空間資產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)威脅，是空間交通管理的焦點(diǎn)問(wèn)題，是全世界面臨的重大挑戰(zhàn)。空間碎片環(huán)境治理是構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的重要內(nèi)容，對(duì)空間事業(yè)可持續(xù)發(fā)展舉足輕重、刻不容緩。★

夏丹