秦子浩，方進勇

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在政府、軍方、商業(yè)市場用戶需求的牽引和創(chuàng)新技術的推動下，小衛(wèi)星進入了實用化、業(yè)務化、規(guī)?；陌l(fā)展階段，一方面為對地觀測、通訊等傳統(tǒng)應用帶來了創(chuàng)新性的解決方案，另一方面也在空間安全、空間科學等領域實現(xiàn)了重要突破。小衛(wèi)星作為“新航天”浪潮的重要組成部分，近年來發(fā)展如火如荼，據(jù)統(tǒng)計，2018年500kg以下的小衛(wèi)星發(fā)射量占年度發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的近70%[1]。

根據(jù)預測，未來十年小衛(wèi)星將進一步崛起，各國將在低、中地球軌道部署超過40個小衛(wèi)星星座，比如，美國SpaceX，Oneweb等創(chuàng)新型企業(yè)紛紛打造的由低軌小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)。建設巨型小衛(wèi)星星座已經成為當前航天發(fā)展的一個重要方向。但是，大量小衛(wèi)星的發(fā)射使得衛(wèi)星軌道資源緊張，衛(wèi)星使命完成后，將使空間碎片持續(xù)增加，碰撞概率和頻率將大大增加，太空安全將面臨巨大的挑戰(zhàn)[2-4]。如何評估和應對巨型小衛(wèi)星星座對空間碎片環(huán)境的影響，規(guī)范和促進巨型小衛(wèi)星星座合理有序發(fā)展，成為國際社會共同關注的熱點問題。

1 巨型小衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代小衛(wèi)星一般是指重量在500kg以下的人造衛(wèi)星，由于現(xiàn)代小衛(wèi)星采用全新設計理念和大量高新技術，使其性能空前提高，既能以單顆小衛(wèi)星廉價、快速完成相關任務，又能以多顆衛(wèi)星組成協(xié)同工作的衛(wèi)星網(wǎng)絡(即小衛(wèi)星星座)來完成多項空間任務。除此之外，小衛(wèi)星還具有重量輕、體積小、研制周期短等諸多優(yōu)點，其發(fā)展為世界各國所矚目[5]。

小衛(wèi)星的涌現(xiàn)，降低了衛(wèi)星技術和市場的準入門檻。一些航天起步國家亦依靠小衛(wèi)星敲開了航天的大門，各航天大國也都紛紛提出了自己的小衛(wèi)星星座計劃，如表1所示。

表1 小衛(wèi)星星座計劃

美國太空探索技術公司(SpaceX)計劃建設一個由近1.2萬顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，也就是“星鏈”計劃(Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座)，由分布在1150km高度的4425顆小衛(wèi)星低軌星座和分布在340km左右的7518顆小衛(wèi)星的甚低軌星座構成。2019年底，美國聯(lián)邦通信委員會代表SpaceX又向國際電信聯(lián)盟提交了3萬顆低軌道運行的小型微型衛(wèi)星計劃，這意味著，加上這次提交的計劃，“星鏈”計劃最終會形成近42000顆衛(wèi)星的超巨型星座。截止2020年2月24日，SpaceX已發(fā)射了302顆Starlink衛(wèi)星，其中有5顆未能實現(xiàn)在軌正常運行，可能成為空間碎片。

OneWeb衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由原O3b創(chuàng)始人格雷格·惠勒(Greg Wyler)創(chuàng)建的OneWeb公司提出，計劃部署近三千顆低軌衛(wèi)星，星座初期計劃發(fā)射720顆衛(wèi)星，軌道高度1200km，2018年底將初期星座規(guī)模重新定位為600顆，并于2019年2月成功發(fā)射了首批6顆“一網(wǎng)”衛(wèi)星[6]。

目前俄羅斯也啟動了“球體”(Sfera)全球衛(wèi)星星座計劃，利用低軌小衛(wèi)星星座為任意地點提供實時移動通信和觀測服務?！扒蝮w”計劃將部署約640顆衛(wèi)星，于3年內發(fā)射首批6顆衛(wèi)星，并于2026年建成[1]。

除此之外，無論是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信公司還是新興的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)公司均提出了很多有特色的小衛(wèi)星星座計劃，如：LeoSat衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，星座Globalstar系統(tǒng)，ORBCOMM系統(tǒng)，“鴻雁”星座和銥(Iridium)衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

2 巨型小衛(wèi)星星座部署對空間碎片環(huán)境的影響

2.1 空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀及應對措施

截止2020年1月，美國空間監(jiān)測網(wǎng)(Space Surveillance Net，SSN)編目空間物體數(shù)量已達到23000顆(尺寸大于10cm)，尺寸在1cm～10cm之間的碎片約為50萬，1mm～1cm之間的碎片數(shù)量超過1億顆，總質量也已超過8000噸。空間碎片環(huán)境的形成是一個長期動態(tài)積累的過程，并且處于不斷演化與變動之中。新的航天發(fā)射將有效載荷、運載火箭末級以及相關操作性物體送入太空，在軌航天器或運載火箭末級爆炸和空間物體之間相互碰撞是空間碎片數(shù)量增長的重要因素。目前，美國空間監(jiān)測網(wǎng)編目的各國在軌物體數(shù)量如表2所示。

表2 各國在軌物體數(shù)量(2020年4月1日)[7]

同時，空間碎片數(shù)量還會在自然因素與某些人為因素影響下逐漸減少。其中，高層大氣阻力、太陽輻射壓力、地球扁率及日月引力攝動等是引起空間碎片數(shù)量減少的自然因素；而人類主動從軌道上進行空間物體的回收、實施各種減緩措施等則是空間碎片數(shù)量減少的人為因素。

空間碎片數(shù)量的日益增長已經嚴重影響到人類利用太空資源的可持續(xù)性，為此，各航天大國、國際組織在航天活動中采取了多種措施，以期達到減少空間碎片、保護空間環(huán)境的目的。對空間碎片進行探測、碰撞規(guī)避和加強航天器本身的防護在很大程度上可以保障航天活動的安全性，但是這不能從根本上治理日益嚴峻的空間碎片環(huán)境。對于已存在的空間碎片必須采取有效的主動清除措施，主要包括推移離軌、增阻離軌、捕獲離軌及自主離軌等技術。任務后處理(Post-Mission Disposal，PMD)通過減少航天活動過程中或結束后產生的空間物體的數(shù)量或者通過壽命末期變軌等任務后處理措施將空間物體移出受保護的軌道區(qū)域，能夠有效預防新空間碎片的產生[8-11]。

2.2 巨型小衛(wèi)星星座對空間碎片環(huán)境的影響評估

目前，很多商業(yè)公司提出的電信通信星座計劃主要由部署在低軌(LEO，低于2000km的區(qū)域)的100-300kg航天器構成，這些計劃一旦順利實施，將極大程度地改變當前的LEO軌道環(huán)境。當前的軌道質量分布如圖1所示，其中，藍色折線是空間物體總質量分布，下面的三條曲線分別指航天器、火箭箭體和其它空間物體。航天器和上面級(火箭箭體)在質量分布上占據(jù)了主導地位(95%)。從1100km到1300km軌道高度上的黃色部分代表了預估的8000個150kg級或者4000個300kg級大型星座航天器。從其涉及的大量質量很明顯可以看出，大型星座的部署、運行以及頻繁的離軌和補網(wǎng)會極大地加劇現(xiàn)存的空間碎片環(huán)境問題。

圖1 當前LEO環(huán)境的質量分布(2018年1月1日)

巨型小衛(wèi)星星座任務后處理(PMD)的成功率和意外爆炸(Accidental explosion)的概率是決定其對空間碎片環(huán)境影響程度的兩個主要因素。為了更好的研究和分析這個問題的本質，以LEO軌道上大于10cm的空間碎片為研究對象，利用美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)空間碎片項目辦公室(Orbital Debris Program Office,ODPO)的近地軌道-地球靜止軌道環(huán)境碎片模型(LEO-to-GEO environment debris,LEGEND)來預測和評估未來200年巨型小衛(wèi)星星座對LEO軌道環(huán)境的影響。在仿真分析中，采用蒙特卡羅100次計算，航天器發(fā)射量和頻率以2008-2015年的數(shù)據(jù)為基礎，空間編目物體及爆炸情況以2015年前記錄的歷史數(shù)據(jù)為參考。

無巨型小衛(wèi)星星座時空間環(huán)境演化情況

為獲得一個評估巨型星座對LEO軌道環(huán)境影響的參考基準，我們先考慮一個沒有巨型星座的場景。在這種情況下，假設航天器和上面級具有一定的意外爆炸概率，這個概率由歷史爆炸事件統(tǒng)計決定，并且它們在任務結束后留在任務軌道，而不是遵守25年的軌道壽命減緩標準。LEO軌道空間編目物體數(shù)目和災難性碰撞(沖擊動能和靶目標質量之比超過40J/g)累積次數(shù)隨著時間的變化情況如圖2(a)和(b)所示。圖2(a)中歷史曲線(灰色曲線)圖反映了1957年至2015年之間所記載的發(fā)射和爆炸解體事件情況，其中，2007年和2009年的階躍性跳變主要原因是中國的反衛(wèi)實驗以及美國Iridium33和俄羅斯Cosmos2251的意外相撞。從圖2中可以看出，沒有任何減緩措施將直接導致空間碎片和災難性碰撞次數(shù)急劇上升，在從2016年至2215年的200年間空間物體數(shù)量增長了約330%，災難性碰撞次數(shù)可達61次(紅色曲線)；采取90%成功率PMD技術措施后，空間物體的增長減緩將為110%，災難性碰撞次數(shù)降為27次(黑色虛線)；如果不考慮爆炸解體影響，且采取90%成功率PMD技術措施，空間物體增長約為40%，災難性碰撞次數(shù)為21次(藍色虛線)。

圖2 無大型小衛(wèi)星星座時LEO軌道環(huán)境演化情況[12]

有巨型小衛(wèi)星星座時空間碎片環(huán)境演化情況

首先，我們研究一下巨型星座在不同任務后處理成功率的情況下對空間環(huán)境的影響。假設有三個大型星座以不同的軌道傾角運行在1000km至1325km的軌道平面上，航天器總數(shù)為6700個，質量為150kg或300kg，航天器部署在500km軌道上，將其軌道提升至任務軌道運行5年后，然后進行任務后處理操作來降低運行軌道，使航天器在5年內自然衰減，并在50年內對星座進行持續(xù)補網(wǎng)。另外，考慮到星座航天器有意外爆炸的可能性，假設其在軌道壽命期間意外爆炸的概率為0.001。在這種場景下，LEO軌道空間編目物體數(shù)目和災難性碰撞累積次數(shù)隨著時間的變化情況如圖3(a)和(b)所示。從圖3中可以看出，將PMD成功率由90%提升到95%或99%時，空間物體數(shù)目增長率和災難性碰撞累積次數(shù)得到了明顯降低。然而，進一步將PMD成功率由99%提升到99.9%時，空間物體數(shù)目增長率僅由40%降為27%，災難性累積碰撞次數(shù)僅由40次降為32次，這雖然一定程度上降低了巨型星座對空間環(huán)境的影響，但是與達到99.9%成功率PMD所付出的代價是不成正比的。

(a)空間編目物體數(shù)目 (b)災難性碰撞累積次數(shù)

為評估大型星座航天器意外爆炸概率對LEO環(huán)境的影響，假定航天器任務后處理成功率為90%，航天器在5年任務壽命期內意外爆炸概率分別設定為0、0.01、0.001和0.0001這四種情況。200年內LEO軌道編目物體數(shù)目隨時間和200年后隨軌道高度的變化情況如圖4(a)和(b)所示。從圖4(a)中可以看出，相對于沒有巨型星座的情況，航天器意外爆炸概率為0.01時(紅色曲線)空間物體數(shù)目在200年內增加了10余倍；當航天器意外爆炸概率為0.001時，碎片的增長速度約減少了一半；更進一步減小意外爆炸概率至0.0001甚至0時，僅帶來了較小的改善。從圖4(b)可以看出，在不同爆炸概率的情況下，軌道高度為1000km和1200km之間的碎片分布相對于沒有大型星座的情況(黑色虛線)有2至3個數(shù)量級的變化，而當意外爆炸概率為0.001、0.0001和0時，它們三者所對應的碎片分布之間差異相對較少。這表明，當航天器意外爆炸概率減小到一定程度后，空間物體的增長速度主要取決于PMD成功率。如果星座航天器可以取得99%的任務后處理成功率，并且意外碰撞概率為0.001，那么它們對未來LEO軌道環(huán)境的影響是有限的，也是可以接受的，就像圖3(a)和(b)中綠色曲線所展示的一樣。

(a)空間編目物體數(shù)目 (b)200年后編目物體隨軌道高度的分布

3 巨型小衛(wèi)星星座對空間環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)和發(fā)展建議

小衛(wèi)星星座迅猛發(fā)展使得典型軌道區(qū)域內衛(wèi)星密集度急劇增加，使軌道和頻率資源日趨緊張，更重要的是大多數(shù)小衛(wèi)星目前不具備主動離軌能力，任務完成被廢棄后還會在軌運行超過數(shù)百年，這將使空間碰撞概率劇增，給空間碎片減緩指南的實施和空間交通管理帶來新的挑戰(zhàn)。

針對小衛(wèi)星的治理工作，各大航天大國都在積極制定相對的減緩和清除措施。任務后處理和降低意外碰撞概率是一種比較可行的預防減緩措施，但是對小衛(wèi)星的設計、加工和防護技術提出了更加嚴格的要求，而且需要足夠的燃料能源用于任務后處理軌道機動和碰撞規(guī)避機動。同時，小衛(wèi)星主動清除技術近年來也獲得的突飛猛進的發(fā)展，歐空局于2019年2月相繼完成了小衛(wèi)星網(wǎng)捕和魚叉技術的演示驗證，但是進行拖拽帆實驗驗證時，向航天器發(fā)送指令后，一直未檢測到其軌道的預期變化。雖然在小衛(wèi)星主動清除技術上面取得了一定的成就，但是目前還都處于初期階段，面臨著很多技術上的挑戰(zhàn)，比如：相對目標懸停后對翻滾目標的識別、接近及同步運動；安全可靠且不產生新空間碎片的機械臂等剛性或飛網(wǎng)等柔性捕獲方法；捕獲后可控的變軌、離軌方式等技術。

除了以上的各種關鍵技術問題以外，小衛(wèi)星清除還面臨著法律、政治及經濟等非技術障礙[13]。由于“空間碎片”定義不明確，以及責任和許可條例的復雜性，使得在公共和私有領域開展小衛(wèi)星清除面臨較高的風險，甚至引起國際糾紛。小衛(wèi)星主動清除技術具有太空武器化的可能性，會引發(fā)國際社會的普遍擔憂。小衛(wèi)星的主動清除除了要考慮技術成本，還要考慮該項活動所提供的價值。

基于以上情況，為保證可持續(xù)利用太空資源，在各航天大國競相發(fā)展巨型小衛(wèi)星星座時應該：1)加強小衛(wèi)星關鍵技術研究和驗證，提前對其進行處理，以提高小衛(wèi)星的任務后處理成功率和防護能力，降低其在軌意外爆炸解體概率；2)提高小衛(wèi)星主動清除技術的成熟度，對已經失效的小衛(wèi)星進行及時清理，降低其對其它航天活動的威脅，避免由于與其它空間物體碰撞產生新的碎片；3)加強國際交流和合作，規(guī)范小衛(wèi)星市場，實行太空交通管制，防止惡意競爭和搶占有限的近地軌道資源；4)加強小衛(wèi)星立法工作，根據(jù)小衛(wèi)星項目的目的、成本、收益和風險來設定第三者責任保險要求，規(guī)范小衛(wèi)星的登記實踐，明確相關方的權利和義務。

4 結束語

綜上所述，巨星小衛(wèi)星星座目前呈現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢，各航天大國/組織紛紛提出了自己的星座計劃，這勢必會給空間環(huán)境帶來極大的負面影響，比如：空間碎片、頻率和軌道資源占用分配及空間安全等問題。文中通過對巨型小衛(wèi)星星座進行參數(shù)化的研究和評估可知，將任務后處理成功率和降低意外爆炸概率提高到一定程度后(任務后處理成功率99%，意外碰撞概率0.001)，可以明顯緩解空間碎片環(huán)境惡化這一狀況，達到可以接受的程度，然而，進一步的提高雖然可以繼續(xù)降低和改善對空間環(huán)境的影響，但是這與所付出的代價是不成比例的?？臻g碎片環(huán)境的緩解和治理是一項國際難題，必須加強國際合作，保障小衛(wèi)星的正常發(fā)射和穩(wěn)定在軌運行，針對失效小衛(wèi)星大力發(fā)展在軌主動清除技術。中國作為航天大國，在巨型小衛(wèi)星星座發(fā)展和空間碎片治理方面有著重要的利益、權利和責任，應積極制定相關政策和計劃，加大研發(fā)力量，增加小衛(wèi)星關鍵技術儲備，促進小衛(wèi)星市場的健康穩(wěn)定發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)和平開發(fā)利用外空資源的目的。