郭永富，高瑾博，韓洪波，王曉晨

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

自1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造航天器以來(lái)，截至2019年人類(lèi)共進(jìn)行了超過(guò)5000次的發(fā)射活動(dòng)，把不少于9000顆航天器送入了地球軌道[1-3]。這些在軌航天器迄今共發(fā)生了500余次的在軌爆炸、撞擊與解體，產(chǎn)生了數(shù)量巨大的空間碎片[4]。在地球軌道上，直徑1cm以上的在軌航天器與空間碎片總數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十萬(wàn)個(gè)[5-6]。

現(xiàn)在，SpaceX、Oneweb以及國(guó)內(nèi)多家新興商業(yè)航天公司正在規(guī)劃或已經(jīng)開(kāi)始發(fā)射由數(shù)千顆甚至數(shù)萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)[7]。這樣的超大星座部署完成后，地球軌道環(huán)境的擁擠程度、碰撞概率明顯提升。

空間交通管理是指在進(jìn)入空間、在軌運(yùn)行及再入過(guò)程中保障航天器安全和不受外界干擾的各種技術(shù)和政策規(guī)則法規(guī)，保障空間有序并可持續(xù)使用[8]?？臻g交通管理首先要保證在軌航天器的安全，同時(shí)保證后續(xù)對(duì)空間資源的合理、高效利用。

在軌航天器、碎片的快速增加可能會(huì)引起碰撞的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，形成正反饋，最終引起“凱斯勒災(zāi)難”[9]，那么人類(lèi)進(jìn)入太空的活動(dòng)將會(huì)受到很大的制約。國(guó)際社會(huì)在空間目標(biāo)的交通管理方面制定了一系列的規(guī)范，但在當(dāng)前航天發(fā)射活動(dòng)日益頻繁的形式下，我國(guó)也迫切需要開(kāi)展空間交通管理技術(shù)方面的工作。

1 當(dāng)前空間交通的嚴(yán)峻形勢(shì)

1.1 航天器發(fā)射情況

現(xiàn)在，世界上有10多個(gè)國(guó)家具備軌道發(fā)射能力，80多個(gè)國(guó)家/地區(qū)開(kāi)始利用衛(wèi)星服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展。1967年生效的《外層空間條約》又確立了太空“全球公地”的法律地位，越來(lái)越多的國(guó)家(機(jī)構(gòu))將航天作為重要戰(zhàn)略選擇；而且進(jìn)入太空的門(mén)檻不斷降低。2018年，世界實(shí)施114次發(fā)射任務(wù)，共有461顆航天器發(fā)射升空；2019年實(shí)施102次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射航天器492顆[1-3]。發(fā)射入軌航天器數(shù)量整體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。

國(guó)際、國(guó)內(nèi)的商業(yè)航天公司都提出了包含上萬(wàn)顆衛(wèi)星的巨型星座的發(fā)射計(jì)劃[5]。在此形勢(shì)下，一部分設(shè)計(jì)不充分、功能不全面的航天器有可能會(huì)進(jìn)入太空，如未預(yù)留離軌燃料甚至未考慮離軌能力的小型商業(yè)航天器，而且其故障分析、定位、處置具有很大的難度[10]，這可能會(huì)給太空交通管理帶來(lái)隱患。

1.2 空間碎片及在軌碰撞情況

截至2019年底，地球軌道物體總重量已經(jīng)達(dá)到約8400 t；已被跟蹤編目的尺寸在10 cm以上的空間碎片數(shù)量已達(dá)23000個(gè)，尺寸在1 cm～10 cm的碎片數(shù)量約為75萬(wàn)個(gè)，尺寸在1 mm～10 mm的碎片數(shù)量約為1億個(gè)，1 mm以下的碎片數(shù)量數(shù)以百億計(jì)，在未來(lái)50年間空間碎片數(shù)量每年將以10%的速度增長(zhǎng)[3-4]。

圖1 空間碎片分布示意圖

空間碎片與正常運(yùn)行的在軌航天器處于同一軌道環(huán)境中，發(fā)生碰撞時(shí)可能會(huì)損害航天材料的表面特性，擊穿太陽(yáng)翼，甚至使航天器發(fā)生解體或爆炸。

2009年，俄羅斯廢棄的電子通信衛(wèi)星“宇宙-2251”與美國(guó)“銥星-33”相撞，產(chǎn)生了大量碎片，這是其中最典型的一起[11-12]?？臻g環(huán)境中的碰撞威脅已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重。到2019年，國(guó)際上有公開(kāi)報(bào)道的因碎片撞擊而失效或異常的衛(wèi)星超過(guò)16顆，我國(guó)航天器因空間碎片撞擊失效事件也有發(fā)生[4]。

1.3 凱斯勒現(xiàn)象

空間目標(biāo)的數(shù)量持續(xù)增加，那么是否存在一個(gè)極限，之后的太空環(huán)境中將發(fā)生一系列的正反饋，導(dǎo)致產(chǎn)生碰撞級(jí)聯(lián)效應(yīng)，使空間目標(biāo)的數(shù)量更加快速地增長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展太空活動(dòng)。NASA專(zhuān)家凱斯勒(Kessler)首先對(duì)這種碎片的碰撞效應(yīng)進(jìn)行了研究，因此這種現(xiàn)象也就以他的名字命名為“凱斯勒現(xiàn)象”(Kessler Syndrome)[6]。

2 國(guó)際空間交通管理現(xiàn)狀

2.1 空間碎片探測(cè)手段

空間碎片探測(cè)手段包括地基雷達(dá)、地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、天基雷達(dá)等?？梢允褂玫鼗鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)高軌道目標(biāo)，用地基雷達(dá)探測(cè)低軌道目標(biāo)，對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)；天基監(jiān)視系統(tǒng)具有全天候的能力，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像效果好、定位精度高[13]。

圖2 空間碎片探測(cè)手段

圖3 美國(guó)地基裝備部署圖

美國(guó)已經(jīng)建立了覆蓋全球的太空監(jiān)視網(wǎng)，包括15個(gè)地點(diǎn)的27部地基太空監(jiān)視系統(tǒng)和至少10顆監(jiān)視衛(wèi)星，跟蹤的目標(biāo)超過(guò)20 000個(gè)，編目直徑大于10 cm的目標(biāo)達(dá)16 000多個(gè)[14]。

ESA建立起了歐洲空間操作中心(ESOC)和地基跟蹤網(wǎng)(ESTRACK)。

2.2 空間目標(biāo)碰撞規(guī)避策略

在空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，一旦發(fā)現(xiàn)有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，首先要進(jìn)行碰撞概率評(píng)估，然后制定碰撞規(guī)避策略[15]。制定規(guī)避策略使可同時(shí)考慮航天器自身的機(jī)動(dòng)能力、軌道控制需求等。

在近地空間航天器中，運(yùn)行在太陽(yáng)同步軌道上的航天器占44%。文獻(xiàn)[16]提出了太陽(yáng)同步軌道上不同軌道高度、升交點(diǎn)赤經(jīng)、相位航天器分布的高效策略。低軌航天器也要保證能夠在一定時(shí)限內(nèi)隕落，如25年[17]。

在地球靜止軌道上，可設(shè)置專(zhuān)門(mén)的軌道機(jī)動(dòng)區(qū)域，為衛(wèi)星的位置保持、軌位轉(zhuǎn)移提供空間。

2.3 空間交通法規(guī)制定情況

美國(guó)在2006年就發(fā)布了《國(guó)家空間政策》，歐盟在2007也制定了《歐盟空間政策》，對(duì)本國(guó)或本地區(qū)的空間活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)與約束[18]。

2017年，ESA發(fā)表了“實(shí)施歐洲外空交通管理制度”；2018年，美國(guó)發(fā)布了《國(guó)家外空交通管理政策》[19]。

2.4 空間碎片的清除

歐洲開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)門(mén)對(duì)付脫軌航天器的“太空拖船”，同時(shí)開(kāi)啟了“清潔太空計(jì)劃”[16]，首要目標(biāo)是大幅降低近地軌道的碎片數(shù)量。同時(shí)，ESA在此前測(cè)試?yán)每臻g捕網(wǎng)捕撈太空垃圾成功的基礎(chǔ)上，計(jì)劃于2021年在太空部署捕網(wǎng)。

圖4 用網(wǎng)捕捉廢棄的衛(wèi)星

3 我國(guó)空間交通管理發(fā)展設(shè)想

3.1 我國(guó)空間交通管理能力差距

3.1.1 空間碎片監(jiān)測(cè)能力

美國(guó)可對(duì)低軌10 cm以上、中高軌20 cm以上太空目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、編目；具有全球地基裝備+天基裝備，能夠在幾小時(shí)內(nèi)發(fā)現(xiàn)低軌目標(biāo)變軌、解體、碰撞等空間事件。國(guó)外已經(jīng)形成較為完善的空間碎片監(jiān)測(cè)體系，且在不斷提升能力。我國(guó)目前主要依靠地基雷達(dá)與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可對(duì)低軌15 cm以上、中高軌50 cm以上太空目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[20]；同時(shí)，由于受地緣因素影響，探測(cè)覆蓋空間范圍有限，還無(wú)法建立自主完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)測(cè)手段相對(duì)單一，缺少大型的空間碎片觀測(cè)設(shè)備，特別是全天候觀測(cè)設(shè)備。

3.1.2 法規(guī)制定

目前，我國(guó)從事、參與空間交通管理研究的單位主要為部分大學(xué)、企業(yè)與協(xié)會(huì)，政府機(jī)構(gòu)；后續(xù)可加強(qiáng)統(tǒng)一全面的組織、協(xié)調(diào)與管理。

3.1.3 空間碎片模型及碰撞預(yù)警算法

國(guó)外已經(jīng)建立了較為完善的空間碎片演化模型、空間碎片壽命計(jì)算模型、空間碎片碰撞危險(xiǎn)評(píng)估模型[20]。現(xiàn)有的空間碎片壽命計(jì)算方法主要有數(shù)值法、半解析法和解析法?？臻g碎片碰撞危險(xiǎn)評(píng)估模型主要基于空間物體碰撞概率模型，碰撞概率模型有多種建模方式。這背后需要有大量關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

3.2 我國(guó)空間交通管理發(fā)展建議

3.2.1 加強(qiáng)組織管理、加速法規(guī)制定

建議我國(guó)航天主管單位牽頭組織政府、學(xué)界、工業(yè)界等方面形成我國(guó)空間交通管理領(lǐng)域統(tǒng)一的管理機(jī)構(gòu)，盡早開(kāi)展空間交通管理的工作，避免出現(xiàn)“先污染、再治理”的被動(dòng)局面。

在我國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展的背景下，空間交通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理法規(guī)建設(shè)要加速推行；充分借鑒國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，組建一支高水平的專(zhuān)業(yè)化隊(duì)伍，持續(xù)開(kāi)展技術(shù)深化研究，盡早制定并逐步完善我國(guó)的空間交通管理法規(guī)。

3.2.2 相關(guān)技術(shù)研究與驗(yàn)證

尋求與國(guó)外有關(guān)組織和機(jī)構(gòu)的合作渠道，充分借鑒、利用國(guó)外的資源與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)的數(shù)據(jù)資源，逐步迭代、改進(jìn)空間碎片模型及碰撞預(yù)警算法，提供碰撞預(yù)警的精度。

3.2.3 空間交通管理系統(tǒng)設(shè)想

參考國(guó)際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，提出了一種空間交通管理系統(tǒng)的初步構(gòu)架，如圖5所示可作為后續(xù)工作的參考。

圖5 一種空間交通管理系統(tǒng)構(gòu)架

4 總結(jié)

航天事業(yè)正在快速發(fā)展，尤其是商業(yè)航天，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的航天器即將在短期內(nèi)送入太空。目前，直徑1 cm以上的太空物體的數(shù)量已經(jīng)達(dá)到數(shù)十萬(wàn)個(gè)，在軌已經(jīng)多次發(fā)生航天器與碎片相碰撞的情況?？臻g交通管理勢(shì)在必行。

國(guó)外已經(jīng)制定了空間交通的相關(guān)法律法規(guī)，空間碎片演化模型、空間碎片壽命計(jì)算模型、空間碎片碰撞危險(xiǎn)評(píng)估模型也已經(jīng)日臻成熟。我國(guó)也開(kāi)展了相關(guān)研究工作，但與國(guó)外還有較大差距，需要在法規(guī)制定、相關(guān)技術(shù)研究與驗(yàn)證等方面進(jìn)一步縮小與國(guó)外的差距。