航天器空間安全如何保障

最近兩個(gè)多月里，天宮二號(hào)，神舟十一號(hào)，長(zhǎng)征五號(hào)，一連串的太空發(fā)射活動(dòng)，讓國人一次次抬起頭，仰望那一片深邃的星辰大海。

為了保障出征太空勇士和航天器的星途坦蕩，不同領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員殫精竭慮，這其中，研究空間碎片監(jiān)測(cè)移除技術(shù)的專家同樣肩負(fù)重任。

在神舟十一號(hào)飛船載著兩名航天員升入太空的三天后，40多位學(xué)者齊聚北京香山飯店，以“空間碎片監(jiān)測(cè)移除前沿技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展”為主題，進(jìn)行了為期兩天的研討。在這第573次香山科學(xué)會(huì)議上，“任重道遠(yuǎn)”是與會(huì)者提到最多的詞，可見星辰大海的征程漫漫，需要更多學(xué)科專家共同攻堅(jiān)克難。

——惡化——

空間碎片數(shù)量急劇增長(zhǎng)

聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(huì)（UNCOPOUS）和機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)（IADC）對(duì)空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運(yùn)行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

據(jù)介紹，從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截至2015年底，人類共進(jìn)行了近5000余次航天器發(fā)射活動(dòng)，把6700余顆航天器送入軌道。在所有發(fā)射的航天器中只有近一千多個(gè)航天器在有效服役，而其他的因喪失功能而變成了空間垃圾，不少已經(jīng)隕落。同時(shí)，已發(fā)生過260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊（破碎）事件。它們產(chǎn)生了數(shù)量眾多的太空垃圾，形成了一個(gè)人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。

到2016年9月底，空間碎片總的質(zhì)量達(dá)到了7000噸。近地空間中，毫米級(jí)以上不同尺度的碎片數(shù)以億計(jì)。

“更為緊迫的是，近年來，空間碎片的增長(zhǎng)速度非常快。”本次會(huì)議執(zhí)行主席、中國空間技術(shù)研究院李明研究員在主題報(bào)告中介紹說，在低地球軌道區(qū)域，厘米級(jí)空間碎片由2005年的30萬個(gè)增長(zhǎng)到2015年的50萬個(gè)，年增長(zhǎng)率達(dá)15%。根據(jù)美國空間碎片研究專家Kessler的研究結(jié)果，按照目前的碎片增長(zhǎng)速度估算，如果不采取任何措施，未來70年后碎片數(shù)量將達(dá)到發(fā)生碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)的臨界值，之后近地空間將徹底不可用。

由于在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，使得空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。美國宇航局、歐洲空間局的統(tǒng)計(jì)研究均顯示：空間碎片撞擊占空間環(huán)境引發(fā)各類衛(wèi)星失效事件的比例也在逐步增長(zhǎng)。

——趨勢(shì)——

天基系統(tǒng)技術(shù)正當(dāng)時(shí)

如此隱患巨大的太空垃圾，讓世界各國的科研機(jī)構(gòu)都在絞盡腦汁地尋找破解之路。

目前，國際空間站專門加設(shè)防護(hù)層以應(yīng)對(duì)毫米級(jí)碎片的撞擊。多國航天機(jī)構(gòu)也要求發(fā)射入軌的運(yùn)載火箭末級(jí)和壽命末期的航天器需作鈍化處理，即排空剩余燃料，對(duì)蓄電池和其他有能量部件做失能處理，從而減少產(chǎn)生更多碎片的風(fēng)險(xiǎn)。

美國具有國際上最為先進(jìn)和完善的空間碎片地基光學(xué)和雷達(dá)觀測(cè)手段，從2009年開始啟用陸基雷達(dá)陣組成“空間籬笆”，系統(tǒng)監(jiān)視空間碎片，這一系統(tǒng)正升級(jí)到第二代，最近幾年開始發(fā)展天基監(jiān)測(cè)手段。歐洲空間局和俄羅斯也各自組建了空間碎片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供空間碎片跟蹤觀測(cè)和搜索發(fā)現(xiàn)、碎片編目及碎片特征探測(cè)、衛(wèi)星的碰撞預(yù)警、運(yùn)動(dòng)模型及軌道演化等服務(wù)。

中國空間技術(shù)研究院總體部的潘騰研究員認(rèn)為，現(xiàn)有的空間碎片地基監(jiān)測(cè)手段無法達(dá)到對(duì)空域、時(shí)域的無縫覆蓋，不能達(dá)到全天域、全天候、全天時(shí)監(jiān)測(cè)。發(fā)展天基監(jiān)測(cè)技術(shù)是空間碎片跟蹤與監(jiān)視的大勢(shì)所趨，最終形成天地系統(tǒng)一體化、全天時(shí)、全天域、全天候、廣尺度、多手段對(duì)碎片的監(jiān)視能力。預(yù)計(jì)美國在2018年具備5厘米以上約10萬個(gè)空間碎片的監(jiān)測(cè)編目能力和空間事件的快速感知能力，低軌定位精度10米、高軌定位精度100米，可實(shí)時(shí)監(jiān)視重要空間碎片。

除了監(jiān)測(cè)，空間碎片的移除技術(shù)也是各國研發(fā)的重點(diǎn)。據(jù)中國空間技術(shù)研究院總體部的譚春林研究員介紹，所謂主動(dòng)移除是指對(duì)地球低軌道上的碎片進(jìn)行降軌使其進(jìn)入大氣層燒毀，對(duì)地球同步軌道碎片使其升軌而進(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或大幅降低撞擊風(fēng)險(xiǎn)的目的。根據(jù)碎片尺寸大小的不同，目前實(shí)施的技術(shù)主要有機(jī)械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式。

——思路——

系統(tǒng)優(yōu)化與頂層設(shè)計(jì)

據(jù)了解，我國的空間碎片監(jiān)測(cè)在最近幾年有了較大發(fā)展。成立近一年的空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心，已具備了在軌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、航天器發(fā)射預(yù)警、空間物體安全再入、航天器解體分析、減緩評(píng)估、地球同步軌道軌位安全性分析、空間碎片環(huán)境評(píng)估等能力。

另一方面，我國空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)研究和國外幾乎同時(shí)起步，正在從概念研究向關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過渡，并部分向天基技術(shù)驗(yàn)證轉(zhuǎn)移。但由于缺乏明確的項(xiàng)目計(jì)劃和工程牽引，無法常態(tài)化運(yùn)行，難于實(shí)施碎片環(huán)境治理任務(wù)。

與會(huì)專家呼吁，對(duì)于這個(gè)關(guān)系我國太空探索權(quán)益和保障空間資產(chǎn)安全的重要領(lǐng)域，應(yīng)有全局和系統(tǒng)思想，超前謀劃，統(tǒng)一部署，并提出了發(fā)展“1個(gè)系統(tǒng)、2個(gè)平臺(tái)和3個(gè)產(chǎn)品”組成的空間碎片環(huán)境治理系統(tǒng)的發(fā)展思路，即“建設(shè)包括由天基空間碎片移除衛(wèi)星星座、天基空間碎片監(jiān)測(cè)衛(wèi)星、空間碎片移除中心組成的一個(gè)系統(tǒng)；發(fā)展由空間碎片監(jiān)測(cè)移除技術(shù)集成地面試驗(yàn)平臺(tái)、空間碎片超高速撞擊效應(yīng)集成地面試驗(yàn)平臺(tái)組成的兩個(gè)平臺(tái)；研制空間碎片自主離軌通用化產(chǎn)品、空間碎片在軌感知通用化產(chǎn)品、航天器多功能防護(hù)結(jié)構(gòu)通用化產(chǎn)品構(gòu)成的三類產(chǎn)品”這樣一個(gè)發(fā)展思路，進(jìn)一步加大共性關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問題研究的投入，盡早推動(dòng)空間碎片監(jiān)測(cè)與移除專項(xiàng)工程的立項(xiàng)，加快空間驗(yàn)證等工程的實(shí)施，以期及早具備空間碎片全局監(jiān)測(cè)與移除的自主能力。

——國際——

制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”

事實(shí)上，要真正解決太空垃圾難題，不僅要借助于技術(shù)手段，還需要國際社會(huì)協(xié)同合作，制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”。在這方面，目前國際組織只是初步訂立了幾項(xiàng)原則，包括航天器到達(dá)設(shè)計(jì)壽命后，要離開有用軌道；對(duì)已編號(hào)的全部碎片，要進(jìn)行全程跟蹤等。由于涉及到的國際法比較復(fù)雜，這方面還有很長(zhǎng)的路要走。

據(jù)中國空間法學(xué)會(huì)的張振軍教授介紹，空間碎片主動(dòng)移除目前面臨不少法律障礙，依據(jù)現(xiàn)有的國際空間法，空間碎片盡管屬于有害物，但也并非可以自由進(jìn)行移除，未經(jīng)許可的移除可能侵犯登記國的管轄權(quán)或者所有權(quán)，也會(huì)引發(fā)國際沖突及一連串法律后果。畢竟有能力移除空間碎片的國家，就有可能摘除別國的航天器，從而威脅太空安全秩序。這也在一定程度上制約著太空垃圾的清理。

背景鏈接

空間碎片對(duì)航天器造成可怕威脅

1983年，“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)與一塊直徑0.2毫米的微小碎片相撞，導(dǎo)致舷窗被損，只得提前返回地球。

1996年7月24日，法國CERISE衛(wèi)星與阿麗亞娜Ｖ型火箭殘骸相撞，導(dǎo)致該衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿損壞，最終衛(wèi)星失穩(wěn)。

2013年5月24日，厄瓜多爾“飛馬座”衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由前蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生“側(cè)面撞擊”，導(dǎo)致衛(wèi)星壽命終結(jié)。

       國際空間站迄今為止為了躲避空間碎片撞擊進(jìn)行了24次機(jī)動(dòng)規(guī)避，每次規(guī)避消耗推進(jìn)劑約30公斤。 

……

近年來空間碰撞事件頻發(fā)，國際上為躲避碎片撞擊而進(jìn)行的衛(wèi)星機(jī)動(dòng)規(guī)避已達(dá)每年30余次，而因碎片撞擊而導(dǎo)致的衛(wèi)星異常或失效事件也有多起發(fā)生。

李明研究員介紹說，在距地面2000公里內(nèi)的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）上，空間碎片一旦與航天器發(fā)生撞擊，平均撞擊速度將達(dá)10km/s。空間碎片與航天器撞擊產(chǎn)生極高壓強(qiáng)，毫米級(jí)以上尺度的碎片會(huì)穿透航天器表面，并形成高速碎片云，破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng)，輕則導(dǎo)致航天器表面性能衰退功能喪失，重則對(duì)結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴(yán)重?fù)p傷甚至使整個(gè)航天器徹底爆炸解體，對(duì)航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。而墜入大氣層的大尺度空間碎片，隕落時(shí)可能有部分質(zhì)量未完全燒毀分解，也會(huì)對(duì)地面安全造成威脅。（記者 游雪晴）