国外空间碎片清除最新发展

宋博 李侃 唐浩文（北京空间科技信息研究所）

1 空间碎片环境加速恶化，空间碎片主动清除势在必行

空间碎片是人类探索和利用外层空间的产物，通常包含失效航天器、火箭体、剩余燃料及气体、航天器材料、生活垃圾等。根据欧洲航天局（ESA）2020年底发布的信息，地球轨道上尺寸大于10cm的空间碎片超过3.4万个，尺寸1～10cm的空间碎片超过90万个，尺寸0.1～1cm的空间碎片约1.3亿个。

近年来，人类空间活动显著增加，低轨巨型星座井喷式发展，使在轨空间物体数量快速上升。截至2021年3月17日，全球共进行了6039次航天发射，发射入轨航天器10750个。2020年全球发射航天器1278个，创历史新高，约为2010年发射数量的10倍和2019年发射数量的3倍，其中，仅美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）卫星就发射了833颗，未来计划共发射42000颗。巨型星座普遍采用的小型卫星由于入轨失败率、运行中失效率、不受控离轨率较高等原因，或将使空间碎片环境加速恶化。

另一方面，当前航天器寿命末期钝化等减缓要求的执行情况不佳，且已实施减缓措施的航天器仍有可能发生解体或碰撞。例如，2021年3月10日美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的诺阿－17（NOAA－17）卫星发生在轨解体，截至3月20日美国负责空间监视的天军第18空间控制中队称已跟踪到16片较大的解体碎片。而NOAA曾公开表示，NOAA－17在退役前已进行了减缓处理，包括星上蓄电池断接和推进剂贮箱泄压等。

空间碎片环境日益恶化，使航天发射和在轨卫星运行安全受到愈发严重的威胁，空间碎片问题的严重性和治理的迫切性，已受到主要航天国家越来越多的重视。主动清除空间碎片，且优先清除失效航天器和火箭箭体等大型碎片，成为越来越多国家的共识。

2 国际层面发展现状

国际政策法规基本架构初步建立，但在空间碎片清除方面仍存在制度性缺陷。目前，空间碎片治理相关规则标准主要是机构间空间碎片协调委员会（IADC）颁布的《空间碎片减缓指南》、2019年联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS，简称联合国外空委）新通过并发布的《外空活动长期可持续性指南》序言与21条准则、国际标准化组织（ISO）通过的2019《空间系统—空间碎片减缓要求》，以及由我国主导制定并发布的ISO 20893《空间系统—运载火箭轨道级空间碎片减缓详细要求》等。

总体来看，现有国际层面的政策法规为建立空间环境保护和空间碎片减缓的基本构架奠定了一定基础，在实践中促进了空间活动的安全和秩序，但尚未建立起全面有效的空间碎片减缓政策法规体系，在空间环境治理，尤其是空间碎片清除方面尚存在制度性缺陷，主要表现在:一是现行空间法和条约未对“空间物体”“空间活动”等术语进行准确界定或充分说明，这对判断实施空间碎片主动清除的合法性至关重要；二是现有国际政策标准不具有法律约束力，难以强制实施，比如《空间碎片减缓指南》的执行情况并不理想，低轨卫星按规定实施25年离轨的比例约为60%左右；三是现有国际政策标准对新情况的适应性不足，如低轨空间物体25年内离轨的要求已经难以适合当前卫星数量数以万计的巨型星座的爆发式发展新态势；四是违反相关规定的国家责任难以落实，比如一国实施空间碎片清除如果损害了他国利益必须给予赔偿，但多数情况下难以证明某个特定行为的主体是谁、且证明该行为造成了特定损害。

联合国外空委2019年发布的《外空活动长期可持续性指南》序言和21条准则中有关条款，是国际社会达成的最新共识。其中，涉及空间碎片减缓的条款主要包括：准则B.1：提供最新联系信息并分享关于空间物体和轨道事件的信息；准则B.2：改进空间物体轨道数据的准确度，并加强空间物体轨道数据分享实践和效用；准则B.3：推动收集、分享和传播空间碎片监测信息；准则B.4：在受控飞行所有各轨道阶段期间进行交会评估；准则B.5：拟订发射前交会评估务实做法；准则B.8：不考虑其物理和操作特点对空间物体的设计和操作；准则B.9：采取化解空间物体失控再入大气层相关风险的措施；准则B.10：在使用穿越外层空间的激光束光源时遵守防范措施。

3 国外发展现状与最新动向

美国

（1）国内政策标准体系初步建成，将空间碎片治理上升到国家层面顶层指导综合施策

美国对空间碎片治理高度重视，上升到国家层面，在《国家空间政策》中明确提出要实施空间碎片减缓，并发布《国家空间交通管理政策》《美国轨道碎片研究与发展计划》等文件，在其指导下形成并及时调整《美国政府轨道碎片减缓标准实践》《限制轨道碎片程序标准》等相关标准，指导规范领域发展。

《国家空间政策》发布于2020年12月9日，从顶层提出空间碎片治理的基本方针和重点方向：一是继续主导制定并推动采纳国际和行业标准与政策，继续提供空间态势感知基础数据和基本的空间交通协调；二是遵循并定期更新《美国政府轨道碎片减缓标准实践》，在航天器采购和运行、发射服务、在轨试验和实验期间，在符合任务要求和考虑效费比情况下，限制产生新的碎片；三是加强技术和方法研发，更好地掌握轨道碎片特性、减缓风险、消除危害，增进对当前与未来碎片环境的了解；四是与盟友和伙伴协调，评估和发展空间碎片主动清除能力，作为长期保证关键轨道区域飞行安全的潜在方法。

《国家空间交通管理政策》着眼太空领导地位和太空国际规则主导权，聚焦空间交通管理提出发展目标和举措。

《美国轨道碎片研究与发展计划》为限制/跟踪/表征和清除空间碎片提供具体指导，明确了轨道碎片风险管理的基本要素和优先事项。

（2）将空间碎片清除纳入在轨服务体系，制定远期愿景与规划

鉴于空间碎片清除与在轨服务在目标抓捕与精细操控、高效轨道转移等方面具有很多共性技术，美国未将空间碎片清除单独制定发展规划，而是将其纳入在轨服务大体系，作为在轨服务的初级阶段，开展相关体系设计和规划设想。

早在2007年末，即“轨道快车”（Orbital Express）计划成功实施、影响空前的时候，美国即与多国专家围绕在轨服务体系架构、未来前景进行了研讨，在综合考虑政治、经济、技术等条件下，结合能力差距和可行性分析，形成了在轨服务应用前景路线图。近期，重点以卫星辅助入轨与离轨（含空间碎片离轨清除）、故障检查等应用场景为主；中远期，在轨服务对象扩展到高中低轨道的各类卫星，甚至月球轨道和火星轨道上的卫星，执行辅助入轨/离轨（含空间碎片离轨清除）、故障检查与维修、多用途燃料补加器、燃料库、零件库建设等多种任务。

2012年，美国国家航空航天局（NASA）发布《空间技术路线图与优先级》，面向2035年明确航天技术发展路线图，将在轨组装、模块更换、维修、地球静止轨道（GEO）自主燃料加注与重定位（含GEO轨道碎片离轨）等自主在轨服务关键技术明确列入第四技术领域。

从2009年开始，美军把在轨服务正式列入任务领域，在《联合条令：空间作战》（JP3－14）等条令中均明确将在轨服务作为保障美军军事航天装备稳定运行和应急重构增强的重要作战任务之一，将相关技术作为军事航天领域未来10～35年科技研发重点。

目前，军、民在轨服务项目分别在美国国防高级研究计划局（DARPA）和NASA主导下形成了一定技术基础，并大力推进新项目。2020年11月，NASA牵头带领国防部和情报界开展“在轨服务、装配与制造任务”（OSAM）国家计划。2021年2月5日，DARPA提出“新型轨道与月球制造、材料和质量效率设计”（NOM4D）项目，计划开拓适应性、离地制造技术，以及生产大型空间和月球结构。

（3）广泛开展空间碎片主动清除概念技术研发，对接捕获与延寿系统率先实现商业应用

美国在空间碎片机械臂抓捕、天基激光驱离、电动系绳离轨等技术领域已开展了长期研究。当前军、民双线推动，按前沿技术攻关和工程应用两条主线分别发展：一是瞄准技术难度大、具有综合性在轨服务应用能力的双/多臂精细操控机器人技术，以军为主、军商合作推进技术完善和在轨演示验证；二是采用商业化模式，利用成熟技术发展具有市场前景的卫星延寿应用系统。

1）“任务拓展飞行器”（MEV）系列。MEV－1已于2019年10月9日发射升空，入轨并接近国际通信卫星－901（IntelSat－901）后，伸出对接机构进入其发动机喷管，将自身和IntelSat－901卫星连接到一起。2020年2月25日，MEV－1与IntelSat－901在坟墓轨道完成对接，为其延寿5年。

MEV－1连接在客户卫星上，为其延长使用寿命（来源：Nathan Koga/SpaceFlight Insider）

2020年8月15日，MEV－2卫星发射升空，将与Intelsat－10－02卫星在GEO轨道对接后，提供类似延寿服务。

诺格公司（NG）目前正在研制MEV系列航天器的升级型号—“任务机器人飞行器”（MRV），将配备空间机械臂和10～12个“任务扩展箱”。

2）“地球同步轨道卫星机器人服务”（RSGS）系统。RSGS是DARPA在2016年5月启动的GEO轨道在轨服务试验项目，计划研制能够执行卫星抓捕变轨、检测修理、载荷更换、附着小卫星安装等多项任务的“自主服务航天器”（RSV）。该项目衍生于DARPA的“凤凰”（SETI）计划，主要目标是为GEO轨道目标提供精细操控能力。RSGS将开展6～9个月的在轨演示试验，随后为商业和政府客户卫星提供有偿的商业在轨服务。

“自主服务航天器”示意图（来源：DARPA）

DARPA将通过政府和社会资本合作（PPP）方式推进项目，海军研究实验室（NRL）负责提供2个“近期能验证的前端机器人”（FREND）机械臂，太空后勤公司（SL）负责研制平台和发射卫星，并在演示试验完成后继续开展商业服务。

欧洲

在政策法规方面，欧盟通过了《欧盟外空行为准则》，并以此为基础试图在联合国通过《外空活动国际行为准则》。2021年初，欧盟在“地平线2020”（Horizon2020）框架下立项空间交通管理规则框架研究项目，并积极在联合国外空委以及国际宇航科学院等多个平台牵头制定相关国际规则。

在发展模式方面，欧洲着眼快速应用，采用政府购买商业服务并向商业公司提供空间碎片清除相关关键技术的模式，推动空间碎片清除相关技术发展，并通过在轨演示验证快速向应用转化。欧洲已率先通过“碎片清除”项目开展了飞网、飞矛捕获空间碎片技术的在轨演示验证，计划2025年发射全球首个实用性空间碎片主动清除系统清洁太空－1卫星。

（1）“碎片清除”系统

欧洲“碎片清除”（RemoveDEBRIS）任务于2013年10月正式启动，旨在探索多种轨道碎片捕获、清除技术。2018年9月，欧洲发射“碎片清除”系统，随后将立方体卫星用作人造“空间碎片”目标，成功开展了世界首次真实太空环境下飞网抓捕、飞矛穿刺、运动跟踪、拖曳帆离轨等多项空间碎片清除关键技术验证试验。

“碎片清除”网捕试验示意（来源：ESA）

（2）“清洁太空”系统

2020年12月，ESA宣布正式与瑞士清洁太空公司（ClearSpace）签署了价值8600万欧元的合同，用于研制清洁太空－1（ClearSpace－1）卫星，并为后者提供关键的专业知识。

清洁太空－1卫星将是欧洲首个实用性空间碎片主动清除系统，计划2025年发射。该项目是2012年ESA“欧洲离轨”（e.Deorbit）任务的后续，“欧洲离轨”任务航天器原计划于2023年发射，计划在低轨开展主动碎片移除任务，目标为已失效的“欧洲环境卫星”（Envisat），捕获方式采用网捕方案。后因技术难度过高，任务于2018年12月取消，并重新启动了“清洁太空”计划，拟清除的碎片目标更换为质量为112kg、轨道高度约800km的“织女星”（Vega）火箭二级有效载荷适配器（Vespa）。

清洁太空－1卫星将利用搭载的4个机械臂抓捕装置完成对目标的抓捕操作。同时项目团队也在研究采用飞网抓捕的替代方案。

清洁太空－1卫星示意（来源：ClearSpace）

日本

在政策法规方面，日本在2020年发布的新版《宇宙基本计划》中特别指出空间碎片已对日本持续、稳定利用空间构成严重威胁，提出将建立日本空间碎片防护制度、参与相关国际规则制定，并研制空间碎片清除卫星。

在发展模式方面，日本采用公私合作、分步发展方式，先期利用技术难度较小的磁吸对接方式，先于美、欧开展了全球首次空间碎片对接捕获与离轨演示试验，于2021年3月22日成功发射“空间尺度寿命末期服务-演示验证”（ELSA-d）系统。同时还在开展天基激光清除空间碎片技术研究，计划近期在空间站开展试验。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）2017年发布公告，针对轨道高度700～1000km的大型空间碎片征集清除系统及其关键技术方案，以及商业化可行性方案，计划10年内以低成本完成系统研发并商业化。计划2023年前发射一颗演示卫星，逼近日本H－2A火箭上面级，2026年完成对接和离轨。现已成功发射ELSA-d演示验证系统，开展阶段性工作。

ELSA-d是空间尺度公司（Astroscale）开展的空间碎片主动清除技术演示验证项目，该公司由日本人冈田光信于2013年在新加坡创立，总部位于日本东京。ELSA-d重点演示验证低轨空间碎片交会、对接、离轨等技术，为后续发展实用性空间碎片主动清除系统积累技术和经验。ELSA-d将是全球首个在真实空间环境下实施的空间碎片搜索-交会-对接-离轨全过程演示验证任务，标志着空间碎片主动清除向实用化迈进了一大步。

正在进行测试的ELSA-d系统（来源：Astroscale）

ELSA-d由2个航天器组成，即“清除航天器”和用于模拟空间碎片的“目标航天器”，二者连接在一起发射进入高度约550km的低地球轨道（LEO）。

未来，空间尺度公司将与JAXA合作，开展日本H-2A火箭上面级的第一阶段任务—“空间尺度主动碎片清除”（ADRAS），计划2022年底发射任务航天器。

俄罗斯

俄罗斯国家标准委员会（RNSC）于2018年9月通过了用于控制空间碎片的《关于限制航天器在近地空间造成人为污染的一般要求》国家标准，并提出首个“银河”（Milky Way）天基空间碎片监测与清除综合系统发展计划。

2020年1月，俄罗斯航天国家集团（Roskosmos）宣布将建立用于跟踪空间碎片的“银河”近地空间危险情况预警天基系统。该系统将由6颗卫星组成，首期发展4颗卫星，2颗用于近地空间监测，2颗用于航天器监视。后续“银河”系统还将加入2个碎片清除航天器，将高风险空间碎片清除或改变其轨道。“银河”系统计划采用人工智能技术，使每天测量次数增加5倍，达到100万次/天，显著降低在轨碰撞虚警概率。俄罗斯计划2027年发射“银河”首星。

4 结束语

空间碎片清除已成为确保空间可持续发展的必要手段之一。美、欧、日等主要航天国家和地区已瞄准空间碎片清除开展了一系列研究，目前着力针对尺寸较大的空间碎片开展在轨试验验证，将于未来3～5年迈向工程应用。此外，空间碎片清除面临的一些国际法律、规则等问题须在全球框架下解决，开展相关实践是主导和参与空间治理相关国际规则制定工作的基础和前提。