巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响研究 ①

秦子浩，方进勇

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

在政府、军方、商业市场用户需求的牵引和创新技术的推动下，小卫星进入了实用化、业务化、规模化的发展阶段，一方面为对地观测、通讯等传统应用带来了创新性的解决方案，另一方面也在空间安全、空间科学等领域实现了重要突破。小卫星作为“新航天”浪潮的重要组成部分，近年来发展如火如荼，据统计，2018年500kg以下的小卫星发射量占年度发射卫星总数的近70%[1]。

根据预测，未来十年小卫星将进一步崛起，各国将在低、中地球轨道部署超过40个小卫星星座，比如，美国SpaceX，Oneweb等创新型企业纷纷打造的由低轨小卫星组成的星座系统。建设巨型小卫星星座已经成为当前航天发展的一个重要方向。但是，大量小卫星的发射使得卫星轨道资源紧张，卫星使命完成后，将使空间碎片持续增加，碰撞概率和频率将大大增加，太空安全将面临巨大的挑战[2-4]。如何评估和应对巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响，规范和促进巨型小卫星星座合理有序发展，成为国际社会共同关注的热点问题。

1 巨型小卫星星座发展现状

现代小卫星一般是指重量在500kg以下的人造卫星，由于现代小卫星采用全新设计理念和大量高新技术，使其性能空前提高，既能以单颗小卫星廉价、快速完成相关任务，又能以多颗卫星组成协同工作的卫星网络(即小卫星星座)来完成多项空间任务。除此之外，小卫星还具有重量轻、体积小、研制周期短等诸多优点，其发展为世界各国所瞩目[5]。

小卫星的涌现，降低了卫星技术和市场的准入门槛。一些航天起步国家亦依靠小卫星敲开了航天的大门，各航天大国也都纷纷提出了自己的小卫星星座计划，如表1所示。

表1 小卫星星座计划

美国太空探索技术公司(SpaceX)计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星群，也就是“星链”计划(Starlink卫星互联网星座)，由分布在1150km高度的4425颗小卫星低轨星座和分布在340km左右的7518颗小卫星的甚低轨星座构成。2019年底，美国联邦通信委员会代表SpaceX又向国际电信联盟提交了3万颗低轨道运行的小型微型卫星计划，这意味着，加上这次提交的计划，“星链”计划最终会形成近42000颗卫星的超巨型星座。截止2020年2月24日，SpaceX已发射了302颗Starlink卫星，其中有5颗未能实现在轨正常运行，可能成为空间碎片。

OneWeb卫星互联网星座由原O3b创始人格雷格·惠勒(Greg Wyler)创建的OneWeb公司提出，计划部署近三千颗低轨卫星，星座初期计划发射720颗卫星，轨道高度1200km，2018年底将初期星座规模重新定位为600颗，并于2019年2月成功发射了首批6颗“一网”卫星[6]。

目前俄罗斯也启动了“球体”(Sfera)全球卫星星座计划，利用低轨小卫星星座为任意地点提供实时移动通信和观测服务。“球体”计划将部署约640颗卫星，于3年内发射首批6颗卫星，并于2026年建成[1]。

除此之外，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均提出了很多有特色的小卫星星座计划，如：LeoSat卫星互联网，星座Globalstar系统，ORBCOMM系统，“鸿雁”星座和铱(Iridium)卫星通信系统等。

2 巨型小卫星星座部署对空间碎片环境的影响

2.1 空间碎片环境现状及应对措施

截止2020年1月，美国空间监测网(Space Surveillance Net，SSN)编目空间物体数量已达到23000颗(尺寸大于10cm)，尺寸在1cm～10cm之间的碎片约为50万，1mm～1cm之间的碎片数量超过1亿颗，总质量也已超过8000吨。空间碎片环境的形成是一个长期动态积累的过程，并且处于不断演化与变动之中。新的航天发射将有效载荷、运载火箭末级以及相关操作性物体送入太空，在轨航天器或运载火箭末级爆炸和空间物体之间相互碰撞是空间碎片数量增长的重要因素。目前，美国空间监测网编目的各国在轨物体数量如表2所示。

表2 各国在轨物体数量(2020年4月1日)[7]

同时，空间碎片数量还会在自然因素与某些人为因素影响下逐渐减少。其中，高层大气阻力、太阳辐射压力、地球扁率及日月引力摄动等是引起空间碎片数量减少的自然因素；而人类主动从轨道上进行空间物体的回收、实施各种减缓措施等则是空间碎片数量减少的人为因素。

空间碎片数量的日益增长已经严重影响到人类利用太空资源的可持续性，为此，各航天大国、国际组织在航天活动中采取了多种措施，以期达到减少空间碎片、保护空间环境的目的。对空间碎片进行探测、碰撞规避和加强航天器本身的防护在很大程度上可以保障航天活动的安全性，但是这不能从根本上治理日益严峻的空间碎片环境。对于已存在的空间碎片必须采取有效的主动清除措施，主要包括推移离轨、增阻离轨、捕获离轨及自主离轨等技术。任务后处理(Post-Mission Disposal，PMD)通过减少航天活动过程中或结束后产生的空间物体的数量或者通过寿命末期变轨等任务后处理措施将空间物体移出受保护的轨道区域，能够有效预防新空间碎片的产生[8-11]。

2.2 巨型小卫星星座对空间碎片环境的影响评估

目前，很多商业公司提出的电信通信星座计划主要由部署在低轨(LEO，低于2000km的区域)的100-300kg航天器构成，这些计划一旦顺利实施，将极大程度地改变当前的LEO轨道环境。当前的轨道质量分布如图1所示，其中，蓝色折线是空间物体总质量分布，下面的三条曲线分别指航天器、火箭箭体和其它空间物体。航天器和上面级(火箭箭体)在质量分布上占据了主导地位(95%)。从1100km到1300km轨道高度上的黄色部分代表了预估的8000个150kg级或者4000个300kg级大型星座航天器。从其涉及的大量质量很明显可以看出，大型星座的部署、运行以及频繁的离轨和补网会极大地加剧现存的空间碎片环境问题。

图1 当前LEO环境的质量分布(2018年1月1日)

巨型小卫星星座任务后处理(PMD)的成功率和意外爆炸(Accidental explosion)的概率是决定其对空间碎片环境影响程度的两个主要因素。为了更好的研究和分析这个问题的本质，以LEO轨道上大于10cm的空间碎片为研究对象，利用美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)空间碎片项目办公室(Orbital Debris Program Office,ODPO)的近地轨道-地球静止轨道环境碎片模型(LEO-to-GEO environment debris,LEGEND)来预测和评估未来200年巨型小卫星星座对LEO轨道环境的影响。在仿真分析中，采用蒙特卡罗100次计算，航天器发射量和频率以2008-2015年的数据为基础，空间编目物体及爆炸情况以2015年前记录的历史数据为参考。

无巨型小卫星星座时空间环境演化情况

为获得一个评估巨型星座对LEO轨道环境影响的参考基准，我们先考虑一个没有巨型星座的场景。在这种情况下，假设航天器和上面级具有一定的意外爆炸概率，这个概率由历史爆炸事件统计决定，并且它们在任务结束后留在任务轨道，而不是遵守25年的轨道寿命减缓标准。LEO轨道空间编目物体数目和灾难性碰撞(冲击动能和靶目标质量之比超过40J/g)累积次数随着时间的变化情况如图2(a)和(b)所示。图2(a)中历史曲线(灰色曲线)图反映了1957年至2015年之间所记载的发射和爆炸解体事件情况，其中，2007年和2009年的阶跃性跳变主要原因是中国的反卫实验以及美国Iridium33和俄罗斯Cosmos2251的意外相撞。从图2中可以看出，没有任何减缓措施将直接导致空间碎片和灾难性碰撞次数急剧上升，在从2016年至2215年的200年间空间物体数量增长了约330%，灾难性碰撞次数可达61次(红色曲线)；采取90%成功率PMD技术措施后，空间物体的增长减缓将为110%，灾难性碰撞次数降为27次(黑色虚线)；如果不考虑爆炸解体影响，且采取90%成功率PMD技术措施，空间物体增长约为40%，灾难性碰撞次数为21次(蓝色虚线)。

图2 无大型小卫星星座时LEO轨道环境演化情况[12]

有巨型小卫星星座时空间碎片环境演化情况

首先，我们研究一下巨型星座在不同任务后处理成功率的情况下对空间环境的影响。假设有三个大型星座以不同的轨道倾角运行在1000km至1325km的轨道平面上，航天器总数为6700个，质量为150kg或300kg，航天器部署在500km轨道上，将其轨道提升至任务轨道运行5年后，然后进行任务后处理操作来降低运行轨道，使航天器在5年内自然衰减，并在50年内对星座进行持续补网。另外，考虑到星座航天器有意外爆炸的可能性，假设其在轨道寿命期间意外爆炸的概率为0.001。在这种场景下，LEO轨道空间编目物体数目和灾难性碰撞累积次数随着时间的变化情况如图3(a)和(b)所示。从图3中可以看出，将PMD成功率由90%提升到95%或99%时，空间物体数目增长率和灾难性碰撞累积次数得到了明显降低。然而，进一步将PMD成功率由99%提升到99.9%时，空间物体数目增长率仅由40%降为27%，灾难性累积碰撞次数仅由40次降为32次，这虽然一定程度上降低了巨型星座对空间环境的影响，但是与达到99.9%成功率PMD所付出的代价是不成正比的。

(a)空间编目物体数目 (b)灾难性碰撞累积次数

为评估大型星座航天器意外爆炸概率对LEO环境的影响，假定航天器任务后处理成功率为90%，航天器在5年任务寿命期内意外爆炸概率分别设定为0、0.01、0.001和0.0001这四种情况。200年内LEO轨道编目物体数目随时间和200年后随轨道高度的变化情况如图4(a)和(b)所示。从图4(a)中可以看出，相对于没有巨型星座的情况，航天器意外爆炸概率为0.01时(红色曲线)空间物体数目在200年内增加了10余倍；当航天器意外爆炸概率为0.001时，碎片的增长速度约减少了一半；更进一步减小意外爆炸概率至0.0001甚至0时，仅带来了较小的改善。从图4(b)可以看出，在不同爆炸概率的情况下，轨道高度为1000km和1200km之间的碎片分布相对于没有大型星座的情况(黑色虚线)有2至3个数量级的变化，而当意外爆炸概率为0.001、0.0001和0时，它们三者所对应的碎片分布之间差异相对较少。这表明，当航天器意外爆炸概率减小到一定程度后，空间物体的增长速度主要取决于PMD成功率。如果星座航天器可以取得99%的任务后处理成功率，并且意外碰撞概率为0.001，那么它们对未来LEO轨道环境的影响是有限的，也是可以接受的，就像图3(a)和(b)中绿色曲线所展示的一样。

(a)空间编目物体数目 (b)200年后编目物体随轨道高度的分布

3 巨型小卫星星座对空间环境带来的挑战和发展建议

小卫星星座迅猛发展使得典型轨道区域内卫星密集度急剧增加，使轨道和频率资源日趋紧张，更重要的是大多数小卫星目前不具备主动离轨能力，任务完成被废弃后还会在轨运行超过数百年，这将使空间碰撞概率剧增，给空间碎片减缓指南的实施和空间交通管理带来新的挑战。

针对小卫星的治理工作，各大航天大国都在积极制定相对的减缓和清除措施。任务后处理和降低意外碰撞概率是一种比较可行的预防减缓措施，但是对小卫星的设计、加工和防护技术提出了更加严格的要求，而且需要足够的燃料能源用于任务后处理轨道机动和碰撞规避机动。同时，小卫星主动清除技术近年来也获得的突飞猛进的发展，欧空局于2019年2月相继完成了小卫星网捕和鱼叉技术的演示验证，但是进行拖拽帆实验验证时，向航天器发送指令后，一直未检测到其轨道的预期变化。虽然在小卫星主动清除技术上面取得了一定的成就，但是目前还都处于初期阶段，面临着很多技术上的挑战，比如：相对目标悬停后对翻滚目标的识别、接近及同步运动；安全可靠且不产生新空间碎片的机械臂等刚性或飞网等柔性捕获方法；捕获后可控的变轨、离轨方式等技术。

除了以上的各种关键技术问题以外，小卫星清除还面临着法律、政治及经济等非技术障碍[13]。由于“空间碎片”定义不明确，以及责任和许可条例的复杂性，使得在公共和私有领域开展小卫星清除面临较高的风险，甚至引起国际纠纷。小卫星主动清除技术具有太空武器化的可能性，会引发国际社会的普遍担忧。小卫星的主动清除除了要考虑技术成本，还要考虑该项活动所提供的价值。

基于以上情况，为保证可持续利用太空资源，在各航天大国竞相发展巨型小卫星星座时应该：1)加强小卫星关键技术研究和验证，提前对其进行处理，以提高小卫星的任务后处理成功率和防护能力，降低其在轨意外爆炸解体概率；2)提高小卫星主动清除技术的成熟度，对已经失效的小卫星进行及时清理，降低其对其它航天活动的威胁，避免由于与其它空间物体碰撞产生新的碎片；3)加强国际交流和合作，规范小卫星市场，实行太空交通管制，防止恶意竞争和抢占有限的近地轨道资源；4)加强小卫星立法工作，根据小卫星项目的目的、成本、收益和风险来设定第三者责任保险要求，规范小卫星的登记实践，明确相关方的权利和义务。

4 结束语

综上所述，巨星小卫星星座目前呈现了爆发式发展的态势，各航天大国/组织纷纷提出了自己的星座计划，这势必会给空间环境带来极大的负面影响，比如：空间碎片、频率和轨道资源占用分配及空间安全等问题。文中通过对巨型小卫星星座进行参数化的研究和评估可知，将任务后处理成功率和降低意外爆炸概率提高到一定程度后(任务后处理成功率99%，意外碰撞概率0.001)，可以明显缓解空间碎片环境恶化这一状况，达到可以接受的程度，然而，进一步的提高虽然可以继续降低和改善对空间环境的影响，但是这与所付出的代价是不成比例的。空间碎片环境的缓解和治理是一项国际难题，必须加强国际合作，保障小卫星的正常发射和稳定在轨运行，针对失效小卫星大力发展在轨主动清除技术。中国作为航天大国，在巨型小卫星星座发展和空间碎片治理方面有着重要的利益、权利和责任，应积极制定相关政策和计划，加大研发力量，增加小卫星关键技术储备，促进小卫星市场的健康稳定发展，实现可持续和平开发利用外空资源的目的。