轨道碎片现状及清除措施研究

徐凯凯 白军辉 杨纪伟 牛威

（1中科星图（西安）测控技术有限公司 2中国电子科技集团公司第五十四研究所）

随着人类太空探索活动不断增加，轨道碎片呈指数级增长，直接影响人类在外层空间的活动，对航天器发射和应用、空间站在轨运营，以及航天员的生命造成严重威胁，轨道碎片已经成为各国商业和科学以及利益相关者关注的全球性问题。分析轨道碎片的现状及形成原因，以及不同大小碎片对航天任务的影响，梳理国际上为减少并制止轨道碎片增长所采取的重要对策，对未来太空可持续发展具有重要意义。

1 引言

轨道碎片（Orbital debris）指地球轨道上的人造碎片，是太空中不再有用途的人造物体，包括失效的航天器、已报废的火箭末子级、航天任务产生的抛弃物，以及卫星碰撞事件产生的碎片等。这些碎片环绕地球运行，其速度可达8046.72m/s(几乎是子弹速度的7倍)，足以对航天器造成严重损害，而这些具有威胁性的轨道碎片将在地球大气层上空滞留数十年甚至上百年。研究表明，停留在600km以下轨道的碎片通常会在几年内落回地球；800km处的轨道碎片，其轨道衰变的时间通常是几十年；而在1000km以上的轨道碎片，通常会继续环绕地球运动1个世纪或更久。在轨滞留期间，碎片很有可能发生解体或与其他物体碰撞，迭代产生更多的碎片，威胁着外层空间的可持续性和地球的安全。

2 轨道碎片现状及其威胁

轨道碎片现状及形成原因

联合国外层空间事务办公室（UNOOSA）的数据显示，自1957年第一颗人造卫星进入太空开始，人类社会至少已经发射了10305颗卫星(截至2020年12月31日)。随着太空探索活动的增加，轨道碎片的数量也呈指数级增长。

轨道碎片的形成原因大致为以下两点：

1）来自全球各地的公共、民用和私营实体发射的卫星等空间目标数量不断积累和增加，加剧了碰撞产生轨道碎片的可能性。近20年来，人类对太空的探索活动激增，特别是大规模低轨小卫星星座部署，大幅度增加了轨道空间目标的数量。如太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）星座计划部署42000颗卫星，一网公司（ONEWEB）的“一网”（OneWeb）星座计划部署6400颗卫星，巨型星座的密集发射是近年来卫星发射数量剧增的主要原因。此外，立方体卫星(CubeSats)等小型卫星的发展大大降低了卫星进入空间的成本，发射数量也由此增长，卫星碰撞产生碎片的可能性随之增加。

2）意外和人为航天器爆炸或碰撞产生大量碎片。例如，2019年3月，印度进行反卫星试验，用导弹摧毁了本国的卫星，造成大量碎片。此外，一些失控的退役航天器也对空间环境构成威胁。

根据忧思科学家联盟(UCS)截至2021年1月1日更新的数据库，目前太空中运行的卫星总数为3372颗，但是轨道上的碎片数量远远大于卫星数量，尤其是低地球轨道（LEO）碎片污染相对严重，有数百万的碎片存在，至少有26000个大于10cm甚至更大的碎片，50多万个大小为1～10cm像弹球大小的碎片，超过1亿个小于1mm相当于一个盐粒大小的碎片。

轨道碎片威胁

根据美国国家航空航天局（NASA）数据，太空中的碎片质量已经超过8000t，分布于各轨道，特别是在轨道倾角为82.5(°) ～83.5(°)、高度为900～1050km的区域内。各种大小的碎片对人类空间飞行和航天任务带来不同程度的危害。与毫米级的碎片超高速撞击可能造成卫星局部损坏或使卫星的子系统瘫痪；与大于1cm的碎片相撞可能使正在运行的卫星失灵，或使卫星解体；与超过10cm的碎片撞击可导致航天器完全毁灭，并产生碎片云。研究还表明，小颗粒碎片超高速撞击是影响卫星电力系统性能退化的重要原因。

LEO轨道碎片的大小、数量和潜在风险

轨道碎片对空间任务造成巨大危害，仅在2020年，“国际空间站”（ISS）就进行了3次避碰操作。日益增多的碎片还会引起“凯斯勒现象”（Kessler Syndrome）：当LEO轨道物体的密度达到一定程度时，这些物体在碰撞后产生的碎片能够形成更多的新撞击，从而形成级联效应，意味着LEO轨道将被碎片所覆盖。一旦积累到临界点会造成大爆发,人类或将在数百年内无法进入太空。

3 轨道碎片威胁应对措施

针对轨道碎片带来的威胁，目前国际上主要采取3种措施，即减缓 (限制产生更多碎片)、移除(将碎片从轨道上清除)和空间态势感知与碰撞预警。

减缓是指试图通过对航天器的针对性设计、在轨运行期间操作控制、退役报废前离轨控制等，确保它们不发生爆炸解体，不与其他物体碰撞，报废退役后不再长期在轨运行，尽量减少不必要碎片的产生；移除是指采用不同技术手段主动清除具有爆炸可能性或者碰撞威胁性较大的在轨空间目标，避免产生大量空间碎片对太空轨道环境造成污染；空间态势感知与碰撞预警是指跟踪监视太空目标，感知并预警碰撞风险，支持航天器实施避碰控制。

减缓措施

减缓的目标主要是控制碎片的产生和减缓其增长，减少未来发生碰撞的可能性。很多国家和组织都制定了自己的轨道碎片缓减准则，旨在控制LEO轨道和地球静止轨道（GEO）等主要轨道区域日益拥挤的问题，以保持太空轨道资源的商业和科学价值。这其中，空间碎片协调委员会（IADC）与联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS，简称联合国外空委）分别于2002年和2007年公布了其减缓准则，要点包括：

1）控制航天器正常运行过程中释放的碎片。如在卫星服务、交会和近距离操作任务中不应产生碎片。

2）通过航天器子系统、推进系统设计，最大限度减少意外爆炸发生的概率。

3）选择安全飞行和操作配置，最大限度减少意外碰撞。通过装载额外的推进剂，使航天器能够避免与大型碎片和其他航天器发生碰撞。

4）对结束任务的航天器进行处置。在航天器任务结束后进行钝化处理，耗尽其所携带燃料以免产生爆炸；在航天器报废退役前将其移出工作轨道或送入坟墓轨道，LEO轨道航天器使其尽快陨落。

世界各国特别是航天大国都应围绕减少空间碎片产生制定并遵守规则,从航天器设计、在轨运行、离轨等全寿命周期进行控制, 从源头遏制轨道碎片的激增。

移除措施

2005年，NASA轨道碎片项目办公室（ODPO）一项研究表明，即使未来没有新的发射，现有卫星在轨发生碰撞产生10cm或更大碎片数量的速度，远大于卫星依靠大气阻力自然陨落的速度。NASA开展的空间环境演化仿真研究结果还表明，如果每年除去5～10个风险较高的LEO轨道物体就可以稳定LEO轨道长期的碎片环境。这项研究强调，仅仅采取减缓措施不能根本解决轨道碎片问题，最终需要采用碎片移除措施，即通过主动清除空间碎片来修复现有的空间环境。

对于主动清除碎片，首要任务是选择被清除的对象。为了减少当前正在运行的航天器的风险，应着眼于清除小型、具有破坏性的碎片；而为了控制轨道碎片数量的长期增长，则应着眼于清除可能产生爆炸的大型目标。清除对象的选择需遵循以下原则：①应该具有较大质量；②应该在太空目标密集的轨道区域；③应该具有较大的横截面积；④应该在相对较高的轨道高度，因为这些目标在轨寿命更长。

捕获碎片并将其从轨道移除的方案包括：飞网抓捕方案,电动绳系方案,增大空气动力阻力方案，机械臂抓捕方案等。总体上看, 除机械式抓捕方案之外, 目前其他方案大多停留在论证阶段, 进入演示验证的项目并不多。

美国、欧洲和日本的轨道碎片清除技术研究起步较早，已提出了各自的碎片清除方案，部分关键技术在最近几年已经进行了在轨演示验证。例如，美国诺格公司（NG）的两次在轨卫星服务任务[任务扩展飞行器－1、2（MEV－1、2）]，分别使一颗报废的卫星重新开始工作，也延续了另一颗卫星的使用寿命，这两次卫星服务任务为后续开展轨道碎片清除奠定了技术基础。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正致力于在2021年展示首次“空间碎片预防装置”项目。在卫星上安装碳纳米管(CNT)阴极和电动力缆绳(EDT)的装置，卫星寿命结束前，星上释放一条长长的缆绳通过电流使卫星减速,以在短时间内降低卫星轨道加速其陨落。总体而言，碎片移除是一项复杂的技术, 将对整个空间科学的发展起到极大的牵引和推动作用。

任务扩展飞行器提供在轨服务

空间态势感知与碰撞预警

在通过减缓和移除措施改善轨道碎片状况之前，加强空间态势感知与碰撞威胁预警，主动实施避碰控制，是确保在轨航天器免遭轨道碎片碰撞的根本保证。从广义上讲，空间态势感知是对所有发生在空间的事件、威胁、活动和状态进行感知，通过地基和天基监视系统，对影响太空活动的所有因素进行认知和分析，使操作人员获取并维持空间优势。利用空间态势感知系统持续跟踪轨道卫星与碎片并对其编目，卫星运营商可以提前预测碎片的轨道、预报碰撞风险，对航天器实施机动操作，避免与空间碎片碰撞。

目前，全球空间势态感知领域中，美国拥有强大的空间目标编目和监测能力，美国“空间监视网”（SSN）拥有目前世界上性能最强的空间监视装备，SSN由地基搜索监视雷达、地基跟踪成像雷达、地基光学深空监视系统、船载测量雷达、天基空间监视系统，以及其他装备组成,包括30多个地面雷达和光学望远镜，以及轨道上的天基监视卫星，地基和天基系统两大部分相互补充与配合共同完成空间态势感知任务。美军联合空间作战中心（JICSpOC）负责管理SSN，并向世界各国政府和商业实体提供空间跟踪数据，以及提供72小时的提前警报，对LEO卫星1km范围内和GEO卫星5km范围内的接近事件发出碰撞预警。此外，美国空间态势感知商业市场也发展迅速,分析图像公司（AGI）的商业空间运营中心（ComSpOC），低轨实验室公司（LeoLabs）的相控雷达监视网，外部分析解决方案公司（ES）的全球望远镜网络（EGTN），都可以向卫星运营商提供不同需求的空间态势信息服务。

当前，随着人类对空间态势感知能力需求越来越强烈，各国都相应调整航天政策，以发展自身的空间态势感知能力。

4 解决轨道碎片问题的挑战及建议

目前，国际社会对加强解决轨道碎片问题已没有争议，但是围绕着各种清除措施的实施，仍存在着一系列有待解决的重要国际法规和技术突破等问题。

1）减缓措施的推行存在深层矛盾制约。

现阶段，国际社会尚未形成各国一致认可且签署的碎片减缓相关空间活动规则，在空间开展的各种航天活动都由主权国家或集团各自实施，具有鲜明的主权属性和排他性。航天强国在太空轨道资源使用方面占有明显优势，且这种发展愈演愈烈，强国和弱国在航天领域很难达到利益诉求和发展目标的一致性，使得太空活动规则的制定、推行困难重重。

2）移除措施面临诸多阻碍。

尽管关于碎片移除措施的研究不断发展，但到目前为止，相关技术并未正式在轨道碎片清除任务中使用。由于碎片清除任务存在许多技术挑战，相关技术尚处于演示验证阶段。此外，还存在许多其他非技术问题的阻碍，如经济影响、政治和法律问题等，特别是空间碎片移除技术具有潜在的军事意义，可能被用于卫星攻击，所以具体实施起来存在一定阻力。

3）空间态势感知与碰撞预警受到限制。

目前，各国对小型空间碎片还很难进行搜索探测或保持持续跟踪。即便建立起功能强大的空间态势感知系统，大量的避碰机动也需要不断消耗航天器燃料，可能会显著减少航天器的运行寿命。另外，目前世界多数国家（组织）在空间碰撞预警方面依赖于美国控制的空间态势感知系统，这也引发了有关政治可靠性、数据共享方面的问题。

轨道碎片清除的挑战是世界性难题，需要世界各国携手一致、共同解决。一是强化联合国外空委职能，建立各航天大国间的协调机制，加快制定空间活动法规制度，从源头上减缓空间环境恶化速度，有效缓解轨道碎片危机。二是加快发展轨道碎片移除技术，协调制定轨道碎片移除任务公约，同步推进轨道碎片移除商业化进程，推动构建全球轨道碎片移除产业体系，真正为净化空间轨道环境、保证人类永续使用太空提供技术和产业支撑。三是持续改善航天器设计，发展航天器在轨自我防护和自主避碰技术，强制建立航天器全寿命健康评估、受控返回或离轨机制，有效降低航天器在轨爆炸、碰撞风险。四是大力发展空间态势感知与预警能力，尽可能实现厘米级碎片的监测能力和编目管理，为在轨航天器提供有效的碰撞预警支持。

5 结束语

轨道碎片带来的问题日益严重。各国在大力发展航天产业的同时要负起维护太空可持续发展的责任，减少分歧，加强合作。要围绕空间碎片问题制定并遵守减缓规则；提高空间目标编目和监测能力，从政府、商业、研究等多领域获取数据源实现共享；重点关注LEO轨道自主清除碎片技术的发展，不断推进碎片移除技术的在轨演示验证，争取尽早形成相关工程能力。