空间碎片移除能力发展， 中国航天当前要务之一——空间环境治理刍议

徐纬地

(国防大学原战略研究所， 北京100091)

1 引言

人类空间活动对全球发展带来了巨大的进步， 也带来了空间碎片问题。 随着空间活动的发展， 空间碎片大爆发的危机也在临近。 在这种情况下， 世界各国， 特别是航天大国将大力发展碎片移除能力， 努力加强国际空间合作， 制定公平公正的空间活动法规规范， 控制空间活动的方式以应对这一危机。

2 正在迫近的近地轨道碎片大爆发危机

空间碎片又称空间垃圾， 是在地球轨道上在轨运行或再入大气层的无功能人造物体及其残块和组件[1]。 自1957 年苏联发射第一颗人造卫星以来， 人类的空间活动已经造成了大量的空间碎片[1]。 它们在空间轨道长期高速运行， 如果不加干预， 对空间飞行器和空间活动的威胁将日益严重[2]。 目前所监测到的空间碎片， 绝大部分都是近地轨道碎片[1]。 如何减缓空间碎片对航天器的不利影响， 已经成为摆在世界各国， 特别是各航天大国面前的突出问题。

现在， 随着各航天大国积极研发和部署大规模低轨小卫星星座， 空间碎片大爆发的危机可能加速到来。

2.1 近地轨道部署超大规模小卫星星座的竞争已经开始

2016 年11 月15 日， 美国空间探索技术公司(SpaceX) 向美国联邦通信委员会(FCC) 提出申请， 为了向地球所有角落提供物联网服务， 计划在1150 ～1325km 的近地轨道部署4425 颗小卫星。 后来这个“星链” 计划不断扩大， 卫星数量先是从4425 颗扩大到11927 颗， 后又在2019 年10 月， 将卫星数量进一步增加到42000 颗[3]。 这个数量远远超过了迄今为止人类向空间发射的卫星数量的总和。 SpaceX 公司的空间计划显然已经不是单纯的商业航天活动， 其性质无疑是在近地轨道“跑马圈地”。 人们有理由认为， 空间WiFi只是SpaceX 部署“星链” 的多重目的之一， 其庞大的计划背后， 有五角大楼的影子。

SpaceX 的“星链” 计划立即引发国际航天界的热议。 另一家英国OneWeb 公司也提出了规模数百颗星的类似计划[4]。 其他航天大国加速发展各自的小卫星星座。 俄罗斯提出了有638 颗卫星组成的“球形” 体系计划[5]， 中国也提出了“虹云” 计划和“鸿雁” 计划[6]， 华为也提出了万星计划[7]。 虽然这些计划在规模上比不上美国的计划， 但信号很清晰: 不能容许近地轨道资源被美国独占。 近地轨道资源竞争将使近地轨道空间业已存在的碎片问题更为严重。

SpaceX 的“星链” 计划将加剧近地轨道空间碎片激增的风险。 虽然SpaceX 也注意到这个问题， 但其采取的措施是明显不够的。 近地轨道空间大规模小卫星星座部署竞争， 引出了与空间碎片相关的两个可能的阈值假说和一个深层矛盾。

2.2 近地轨道航天器容量阈值

所谓近地轨道航天器容量阈值， 是指囿于空间物理环境和人类航天技术发展水平的限制， 在一定的历史阶段， 地球近地轨道资源， 即地球近地轨道所能容纳的航天器数量是有限的。 当然，近地轨道空间极为广袤， 这个阈值应该非常大，不会是个小数目。 但容量再大， 仍有极限。 在过去很长时间内， 由于航天器数量很少， 相比之下， 人们不需要关注这个问题。 但现代世界迅速发展， 使人们对太空的依赖度越来越高， 特别是大型小卫星星座竞争带来的随着低轨航天器数量激增， 这个问题就逐渐浮现出来了。

如果上述近地轨道航天器容量阈值假说能够成立， 必然会引出一系列问题: 首先， 也是最重要的， 这个近地轨道航天器容量阈值可能是多少? 其次， 它取决于哪些因素? 第三， 随着轨道高度的不同， 阈值会发生哪些变化? 笔者不是航天技术专家， 回答不了这些问题。 但笔者相信，只要能确立一个合理的计算公式， 应该可以算出这个答案。 这个阈值可能也同航天器规格有关，但最主要的决定因素还是航天器数量。 它有可能是一个概略的区间。

如果这个近地轨道航天器容量阈值假说能够成立， 也就意味着人类不可能无限制地向近地轨道发射卫星。 这里暂且不提近地轨道资源是否应该和如何公平公正分配问题， 即便假定现在和今后各国所有卫星发射活动都是合理的， 当卫星分布密度增加到一定程度， 近地轨道资源的卫星可部署性就可能迅速下降。 这很可能首先表现为A国与B 国、 C 国卫星直接或间接相撞的概率将大大增加， 正常的空间活动将受到严重影响， 甚至可能难以正常进行。 在这种情况下， 引发国际危机和冲突的可能性亦将大大上升。

2.3 近地轨道空间碎片阈值

空间碎片阈值与上面所谈到的近地轨道航天器容量阈值有密切关联， 但并不是一回事。 它是指近地轨道所能容纳的空间碎片的某种极限。 可以预见， 一旦近地轨道的空间碎片积累到一定程度， 过了某个“看不见的门槛”， 近地轨道的卫星可部署性就会骤然衰减， 可能引发严重的“凯斯勒效应” ——空间物体发生连续性级联碰撞，轨道航天器将难以生存。 这种情况与近年来中国东部的雾霾相似， 一旦积累到临界点造成大爆发， 要扭转这种不利局面就非常困难了。

近地轨道空间已经积存了大量空间碎片[1]。它们正在对航天器构成越来越严重的影响。 这个看不见摸不着的近地轨道空间碎片阈值是否真的存在? 近地轨道空间碎片“雾霾式大爆发” 究竟会不会发生? 如果会， 可能何时发生? 笔者同样也回答不了这些问题。 这也是一个假说， 它最终能否成立， 还需要经过科学家进行严谨、 周密的论证和计算。 从目前情况看， 还是假定存在着这样一个近地轨道空间碎片阈值比较好。 它意味着一种紧迫感， 促使各国， 特别是航天大国， 要加紧在治理空间碎片问题上下功夫， 努力迟滞而不要让近地轨道碎片“雾霾式大爆发” 提前到来。

2.4 航天的主权化与空间的非主权化

空间碎片问题恶化前景的背后， 是一个目前无法解决的深层矛盾: 地球表面已经由约200 个主权国家分割完毕， 所有的航天活动都是由这个或那个主权国家， 或由某个主权国家集团来策划和实施的， 所有的航天器都隶属于各主权国家或主权国家集团。 但地球轨道空间却是非主权化的。 各国只要财政和技术条件允许， 一般来说，就可以发射航天器。 这种局面也就决定了关于近地轨道航天器容量和碎片积累， 没有强有力的国际机构来掌控、 安排或协调。 虽然联合国外空委等相关国际组织也在为此而努力， 但由于其权威性有限， 加上一些大国在这些问题上有失公平公正， 因而成效也有限。

为缓解这个主权航天与非主权的轨道空间之间的矛盾， 以及由此带来的低轨空间碎片“雾霾式大爆发” 危机， 摆在各国， 特别是航天大国面前的，目前只有两个出路: 一是努力减缓空间碎片的发展， 同时尽快发展空间碎片移除能力， 减缓空间碎片危机； 二是加强国际空间合作， 制定相关空间活动的制度、 规范和法规建设， 缓解空间碎片危机。

3 各航天大国将大力发展碎片移除能力

为应对加速到来的低轨碎片“雾霾式大爆发” 可能带来的“凯斯勒效应”， 各航天大国和国际社会都将进一步关注空间碎片问题， 加大应对空间碎片危机的努力。 这些努力包括空间碎片的监测、 预警、 防护、 减缓和移除等多个方面。其中最重要的， 当属减缓和移除。

3.1 空间碎片移除是当前航天能力建设的一个制高点

空间碎片移除， 不仅意义重大， 而且难度极大。 迄今各国空间科学家已经提出多种方案和构想。 有飞网抓捕方案， 电动绳系方案， 机械臂抓捕方案， 激光烧蚀移除方案……总体上看， 这些方案除机械式抓捕方案之外， 目前大多停留在方案论证阶段， 目前进入演示验证的项目并不多，取得实际成效的就更少。 一个国家或一个空间活动行为体， 若能在空间碎片移除上取得实际有效成绩， 不仅彰显了该国或该空间活动行为体有关空间碎片的空间科学理论研究的水平， 也意味着其在空间目标跟踪和监测、 空间飞行器发射、 空间通信、 空间飞行器在轨操作和轨道精准控制等多方面的技术水平和工程操作能力都达到了一个相当高的水准。 由于空间碎片移除是一项长久、复杂的大工程， 这一能力的建设和发展， 将对整个空间科学和空间技术以及工程能力的发展起到极大的牵引和推动作用。

3.2 碎片移除能力也有潜在军事意义

与大多数航天技术一样， 空间碎片移除技术和能力也具有军民两用的性质。 早在上世纪90 年代， 在中美战略对话过程中， 美方曾向来访的中方专家介绍了他们正在研发的“轨道快车” 计划， 称该项目成功后， 将用于航天器在轨维修和轨道碎片移除。 当时中方专家问道: 如果中国也进行这样的研究， 你们会怎么说? 美方专家笑着回答: 我会说， 你们在搞卫星攻击。 可见， 空间碎片移除技术和能力， 既可用于和平目的， 也可用于战争。 2010 年6 月28 日， 美国奥巴马政府颁布的《国家空间政策》 中提出， 要通过国家航空航天局(NASA) 与美国国防部合作， 推动合作研发在轨碎片减缓和移除技术[8]。 但因顾虑这一努力可能导致空间武器化， 担心其他国家也会效仿发展， 损害美国的空间主导地位， 直到奥巴马政府任期结束， 在空间碎片移除问题上， 美国也没有多少公开的大动作。

现在情况不一样了。 从2016 年开始， 美国已经明确将“大国战略竞争” 列为头等战略要务，将中国和俄罗斯当作主要战略对手。 美国已将太空列为独立的作战域， 升格了航天司令部、 成立了天军， 组建了太空发展局[9]， 研发和部署轨道武器只是时间问题。 在这种情况下， 美国担心发展轨道碎片移除能力引发空间武器化的顾虑也将大为减弱。

3.3 空间碎片移除能力将是今后各航天大国能力建设重点之一

在美国强调大国竞争， 成立太空军， 明确将太空列为作战域的背景下， 随着近地轨道竞争的激烈和空间碎片危机的临近， 今后各航天大国很可能加大在空间碎片移除方面的投入和试验。

进入21 世纪后， 各航天大国和大国集团， 在空间碎片移除方面的努力和尝试明显呈现上升势头。

欧空局在空间碎片移除方面步伐比较快。2018 年6 月， 配备了多种空间碎片移除技术装置的碎片移除(Remove DEBRIS) 项目完成了在国际空间站的部署。 2018 年9 月， 该系统进行了飞网抓捕立方星的在轨演示验证。 同年10 月， 该卫星平台又释放了另一颗立方星试验利用激光雷达和相机验证近距离制导、 导航和成像技术。 2019年2 月， 该平台又成功完成了“鱼叉” 穿刺捕获空间碎片试验[10]。 欧空局宣布将在2025 年发射“太空清洁1 号” 航天器， 启动世界第一个在轨移除太空碎片任务[11]。

日本是空间碎片移除活动的积极参与者。2016 年12 月， 日本“白鹳-6” 号飞船携带空间碎片电动绳系移除装置抵达国际空间站。 后该装置因未能成功展开， 试验失败[12]。 但日本并未放弃这方面的努力。 2019 年10 月， 日本又一碎片移除项目“寿命终期服务-d” (ELSA -d) 进入组装集成和试验阶段[13]。

值得注意的是， 一个时期以来， 有关美国空间碎片移除的报道并不多。 美国的确没有像欧空局和日本那样大张旗鼓地启动空间碎片移除项目。 是美国不关注这个问题么? 非也。 据了解，目前空间碎片移除各项技术大多是美国人领先。这种情况的背后可能有多重原因: 一是美国尚未找到效费比好的项目， 而美国NASA 也的确遇到了经费困难； 二是因为这种军民两用项目比较敏感， 美国很少公开报道； 最后， 美国的空间碎片移除项目很有可能大多融入了功能更多、 效益更好、 更大的空间技术研发项目。 2019 年9 月30日， 美国通过俄罗斯质子号火箭发射了MEV -1“太空加油系统” 项目， 并于2020 年2 月25 日成功实现两颗卫星在轨对接。 该项目实际上是一个多功能太空平台， 具有供航天器维护和燃料加注等在轨服务能力[14，15]也具有空间碎片移除能力。多年来， 美国的X -37B 飞行器数次发射， 并长期在轨活动， 但其作用却秘而不宣。 如果有一天， 美国突然宣布MEV、 X-37B 或其他航天项目也能在空间碎片监视、 减缓和移除方面发挥作用的话， 笔者不会感到惊奇。 如果在不久的将来， 近地轨道真的发生空间碎片 “雾霾式大爆发” 的话， 美国很可能会立即开始一些空间碎片移除项目， 而且会进展很快。

如果真的发生近地轨道空间碎片“雾霾式大爆发”， 各航天大国对空间碎片清除的地面研究多， 在轨试验少的局面可能就要发生改变了。 但是， 到时再大力发展空间碎片移除能力， 就已经有些晚了。

4 围绕空间碎片移除的国际法规空白还很多， 国际合作需求很大， 斗争也将更激烈

面对正在到来的近地轨道空间碎片危机， 国际社会围绕着空间碎片移除的国际法规斗争与合作也将更加激烈。 在这里， 可能会涉及到若干焦点问题。

4.1 减缓和移除空间碎片与地球近地轨道空间活动资源的公平公正分配

减缓， 意味着世界各国， 特别是航天大国与各航天活动行为体， 要围绕着减少空间碎片产生问题制定并遵守规则， 在航天器设计、 在轨运行、 离轨等全寿命周期控制碎片产生， 从源头遏制碎片的激增； 移除， 指采用各种技术手段， 使在轨运行碎片或进入大气层烧毁， 或推送到坟墓轨道， 降低航天器被碎片撞击的概率。

摆在各国面前最突出的问题， 是如何控制和缓解近地轨道大规模小卫星星座竞争。 如果各航天大国依然像今天这样没有协调， 完全按自己的意愿向近地轨道部署大规模小卫星星座， 那么减缓碎片就将成为空话， 低轨碎片激增的趋势恐将很难扭转。

这个问题的实质， 是近地轨道空间资源如何公平公正分配的问题。 这里有一系列尚待回答的问题:

第一， 什么叫做近地轨道空间资源公平公正分配? 怎样分配才算公平公正? 按国家分还是按能力分? 现在看来， 过分强调哪一头都有失公平公正， 也难以实行， 也许需要兼顾两头， 寻求妥协。

第二， 如果要分配近地轨道空间资源， 是分轨道面还是分发射额度? 如果短时间内无法找到按国家分配的有效解决办法， 各航天大国和国际社会是否可以在发射额度方面寻求并达成妥协?

第三， 为了推动近地轨道空间碎片的减缓和移除， 国际社会是否应该确立“谁产生的空间碎片更多， 谁的空间碎片减缓和碎片移除责任就更大” 的原则， 要求航天大国的空间发射数量与其空间碎片移除质量相匹配?

4.2 关于空间碎片移除的权利、 义务与避免国际争端

现在， 国际社会需要加强空间碎片减缓和移除努力， 这已经没有什么争议了。 但是， 围绕着空间碎片移除， 仍存在着一些有待解决的重要国际法规和机制建设问题。

首先， 谁有权对哪些空间碎片进行移除? 是否应该将“谁产生的碎片谁移除” 确立为一项基本原则? 鉴于空间碎片移除行动的敏感性， 特别是空间碎片移除能力也可能被用于卫星攻击， 为避免发生“打着移除空间碎片的旗号抓捕他国航天器” 的情况， 防止由此可能引发的国际争端，一般来说， 一个国家不应移除非自己产生的碎片。 而那些来源欠清晰的无主空间碎片的移除，也应预先完成向联合国外空委等相关管理机构报备的必要手续。

其次， 空间碎片移除的前提是拥有强大的空间目标编目和监测能力。 这种空间目标编目和监测能力都是各国核心航天能力的体现。 为此， 国际社会， 特别是航天大国需要合作建立一个开放的空间碎片数据库， 鼓励各方共享数据。

第三， 国际社会是否需要一个有一定权威的国际机构来负责管理和协调空间碎片移除事务?可以考虑， 在联合国外空委之下设立这样一个专门的机构， 负责制定一个为国际社会共同接受的《国际空间碎片治理公共政策》； 上述空间碎片数据库， 也由其负责管理和更新； 关于无主碎片的移除， 也可考虑由该机构来管理和协调。 此外，是否还需要建立一个专门的仲裁庭来处理与空间碎片移除相关的国际纠纷? 该仲裁庭可以是上述专门机构的一个重要组成部门。

4.3 空间碎片移除的技术标准和国际军控将是国际社会有关空间碎片的国际法规斗争的焦点问题

与所有重要的国际规范和法规一样， 空间碎片移除的国际规范和法规确立， 最重要、 最关键的还是相关技术标准的制定。 现有航天大国， 谁能在空间碎片移除技术标准方面做出更大贡献，谁就掌握了空间碎片国际规范法规的主导权。 而那些在空间碎片移除方面实践多、 能力发展快的国家， 无疑将在这一过程中拥有更多的发言权。

值得注意的是， 由于空间碎片移除能力也可用于发动卫星攻击， 未来的空间碎片移除的国际法规， 也将是国际太空军备控制进程的组成部分。 从方法和手段来说， 国际军备控制大致可分为控制武器数量和控制军事行为两大基本路径。也正是由于空间碎片移除技术的军民两用性， 国际太空军备控制在空间碎片移除问题上， 可能将更多集中在控制空间行为而不是体现在武器数量控制上。 这方面的努力， 也是为了确保空间碎片移除努力的的确确是作用在那些该被移除的空间碎片上， 而不是把他国的卫星“误” 做碎片来移除。 虽然国际太空军备控制在空间碎片移除问题上具体将如何落地， 目前尚不清晰， 但现在就此展开研究， 应该说为时已经不算太早了。

5 中国应当把发展空间碎片移除能力列入重点发展项目

中国作为正在崛起的航天大国， 当然也会高度关注近地轨道航天器可部署性的情况和变化，在近地轨道空间碎片移除问题上， 中国与世界其他航天大国既有重大共同利益， 但在具体的规则和操作问题上， 也难免会有一些利益分歧。 为了应对即将到来的近地轨道空间碎片大爆发， 中国应当围绕着近地轨道空间碎片移除， 加大投入，开展一系列相关能力建设。 这样做， 首先是为了发展和维护中国自身的国家利益， 同时也是为世界的和平与发展做贡献。

5.1 尽早推进低轨碎片移除技术的在轨演示验证

在积极研发和部署大规模小卫星星座， 避免近地轨道资源为美国一国独占的同时， 中国有必要相应加速发展低轨碎片移除能力。 否则就可能因能力失衡在面对即将到来的低轨碎片“雾霾式大爆发”的危机及相关国际法规斗争中陷入被动。

目前中国在应对空间碎片问题上已经做出了巨大的努力， 取得了大量初期成果， 在世界空间碎片问题上， 中国的研究和技术与世界先进水平相差不多。 为了争取主动， 在加强空间碎片相关的科学理论和技术应用研究的同时， 应基于现有研究已经取得的成果， 尽快开展在轨技术和工程试验。 鉴于轨道高度不同， 空间碎片影响的严重性也不同， 目前最紧迫的还是应对可能到来的近地轨道空间碎片激增危机。 中国应当集中力量发展近地轨道空间碎片移除能力， 开展各种相关技术手段的演示验证， 特别是近地轨道非合作目标的实际移除试验， 以争取尽早形成相关工程能力。

5.2 加强有关空间碎片移除的相关国际法规和国家政策研究

如果说中国在空间碎片移除的技术研发方面与世界先进水平相差不多的话， 相比之下， 在有关空间碎片移除的国际法规研究方面， 中国的差距可能要更大一些。 这首先表现在研究力量的薄弱。 与一个14 亿人口的航天大国相比， 中国从事空间国际法研究的人员， 无论是从力量规模， 还是从研究任务需求来说， 都少得太不相称了。

因此， 要加强有关空间碎片问题的国际法规问题研究， 中国首先需要加强空间国际法规研究团队建设。 空间国际法研究对研究队伍的要求非常高。 研究人员不仅要懂国际法， 会英语， 还要具有扎实的空间科学和技术基础， 最重要的是，他们要有强烈的家国情怀和政策意识。 这支队伍的建设应当纳入有关部门的议事日程。

其次， 面对趋向严重的近地轨道空间碎片形势， 中国作为一个拥有14 亿人口的大国， 一方面必须维护自己所应当享有的进入空间和利用空间的权利， 另一方面也要承担减缓空间碎片增长和发展空间碎片移除能力的责任。 应该说， 这两个方面总体上是一致的， 但在具体问题上也会有矛盾和相应问题。 为此， 中国尤其需要加强有关空间碎片治理， 特别是发展空间碎片移除能力的政策研究。

在相关空间法规谈判中， 如何争取主动， 防止被动， 需要研究的课题还很多。 希望有关部门和单位能够就此组织力量， 分工协作， 争取在一段时间内使中国在空间碎片领域的国际法规研究和国家空间政策研究提高到一个新水平。

5.3 加强中国航天的总体战略规划和组织领导

也许当下中国最迫切的需要， 是加强航天事业的宏观战略规划和顶层组织领导， 以提高效率， 形成“合力”， 改变目前在空间碎片问题上，多部门虽有分工， 但总体统筹不足， 协调偏弱，以及由此带来的决策时间偏长， 投入成效还不够高等问题。

加强宏观战略规划和组织领导， 第一位的工作也许应该是明确中国在有关空间碎片的若干关键问题上的国家利益之所在， 在此基础上确立自己的长远战略规划、 基本方针和当前工作计划，尽快明确发展空间碎片移除能力的专项计划和专项政策， 并建立相应的工作机制。 在应对空间碎片这个艰巨、 复杂又具有重大战略重要性的问题上， 当年在发展“两弹一星” 过程中， 中央专委所发挥的重要作用， 可以说具有很好的参考和借鉴意义。

可以肯定的是， 在应对空间碎片问题上， 需要技术、 情报、 法律、 政策、 产业、 商业等多方面大力合作， 现有各相关部门、 企业(包括民营航天企业) 和院校， 都有重要的作用空间。 这不仅体现在理论研究、 技术研发、 工程试验， 也包括相关国际法规的国际谈判和相关技术和学术研讨。

应对空间碎片问题， 还需要加强国际合作与协调。 这不仅包括与各航天大国打交道， 寻求共同利益， 抵制某些国家借机抑制中国航天发展，损害中国太空利益的企图； 还包括与那些目前缺乏航天能力的发展中国家开展合作。 它们不仅是空间碎片治理的受益者， 也是中国可以广泛建设空间碎片监视站方面发挥积极作用的潜在力量。

这些都是加强宏观战略规划和组织领导应当关注的重要方面。