《ISO 20893：航天系统——运载火箭 轨道级空间碎片减缓详细要求》历程回顾与解读

唐明亮，古艳峰，王颖

(上海宇航系统工程研究所，上海 201108)

1 引言

经统计[1]，运载火箭轨道级是目前空间碎片的主要来源之一。随着商业航天逐渐成熟，全球每年运载火箭发射次数也逐渐增多。为保护空间环境、维护人类太空开发的长期可持续性，国际社会对运载火箭轨道级和在轨航天器的空间碎片减缓要求逐步趋严。在此趋势下，专注于运载火箭轨道级空间碎片减缓方面的国际标准ISO 20893：2021(E)《航天系统——运载火箭轨道级空间碎片减缓详细要求》(“Space systems—Detailed space debris mitigation requirements for launch vehicle orbital stages”)[2]应运而生。

2 研制历程

2021年2月12日，国际标准化组织(ISO)正式发布了国际标准ISO 20893：2021(E)，以此作为ISO 24113：2019(E)[3]的一项重要支撑标准。该标准研制历程大致分为成功立项、范围调整、稳步推进三个阶段。

2.1 第一阶段(成功立项)

2013年5月，ISO/TC20/SC14莫斯科会议上，项目团队首次提出新提案《Space systems—The design requirements for residual propellants venting and effect evaluation of launch vehicle》，进入新工作项目(PWI)阶段。2014年5月的东京会议上，项目团队根据各国代表意见修改形成《Space systems—Prevention of break-up of orbital launch stages》提案，在会议发布讨论，提案获得通过，被正式列为新工作项目，进入新项目提案(NP)阶段，并于2015年10月4日顺利通过各成员国投票，正式立项，获得ISO 20893标准号。标准范围主要涉及器箭分离后预防运载火箭轨道级在轨解体，比如剩余推进剂排放、高压气体释放、电池和自毁装置防爆等方面。

图2 调整后ISO空间碎片标准开发框架Fig.2 The ISO space debris standard development framework after adjustment

2.2 第二阶段(范围调整)

近年来，空间碎片减缓领域的国际标准框架体系在不断调整中。2016年5月ISO/TC20/SC14北京会议通过了将空间碎片减缓国际标准按照运载火箭和航天器分别整合的方案。根据决议，ISO 20893将整合原有ISO 16699“Space systems-Disposal of orbital launch stages”内容。其中，ISO 16699标准聚焦于运载火箭轨道级的离轨处置方面。整合后，ISO 20893全面支撑、细化顶层标准ISO 24113相关要求[4]。具体范围变为：定义详细的空间碎片减缓要求和建议，以便有助于处在地球轨道的运载火箭轨道级的设计与操作。主要涉及避免释放空间碎片、预防在轨解体、离轨处置、安全再入等方面。

2.3 第三阶段(稳步推进)

ISO 20893从2017年3月扩大应用领域后重新立项。通过与法、日、德、英、美、俄、意等国际专家的充分沟通交流，历经委员会意见征询草案(CDC)、委员会投票草案(CDV)、国际标准草案(DIS)、最终国际标准草案(FDIS)等阶段征求意见、投票和修改完善，直至2021年2月最终正式发布。

在此期间，项目组以“凝聚共识、合理可行、适当先进”作为出发点，对上百条相关意见和建议进行了相应处置。考虑到新一代空间站的建设和预防发射碰撞的现有能力，本标准增加了预防发射碰撞方面的要求。

3 主要内容解读

3.1 范围

在目前国际标准体系中，ISO 24113是空间碎片减缓领域的顶层标准，其内容涵盖了运载火箭和航天器设计和操作过程中避免释放操作性碎片、避免在轨解体、离轨处置、安全再入等方面。

ISO 20893作为标准ISO 24113的支撑性标准，结合运载火箭轨道级的具体情况和相关工程经验，对其中涉及运载火箭的相关要求进行了细化。具体包括运载火箭轨道级避免释放操作性碎片，剩余推进剂排放、压力容器、电池和自毁装置等钝化措施，运载火箭发射前空间碎片碰撞分析，轨道级任务后离轨处置、再入，任务规划与文件记录等方面，并对运载火箭轨道级的设计和运行提出了相关建议。

图3 标准目录(ISO网站预览)Fig.3 Standard contents

3.2 轨道级及其数目

根据ISO 24113中3.13术语定义，作为运载火箭产生推力且进入轨道的完整模块，均被称为Launch vehicle orbital stage。虽然大部分运载火箭只有最后一级能进入轨道，但考虑到某些火箭可能需要加载上面级多次变轨，导致不止一个级段进入轨道，因此，将Launch vehicle orbital stage翻译为运载火箭轨道级比运载火箭末级更合适。

在避免释放操作性空间碎片方面，本标准列出了常见的空间碎片形式。对于发射一个航天器但产生两个轨道级的发射任务只允许一个轨道级留轨的规定，潜在要求其中一个轨道级必须主动离轨。若该级段不具备离轨能力，则应将其最终弹道设计为亚轨道。

3.3 预防在轨解体

在预防在轨解体方面，本标准提出了剩余推进剂排放主要途径。对于剩余推进剂排放的两项注释，是为了避免混合比偏差或排放压力梯度不合理而引发爆炸。对排放方向的建议则是为了增强轨道级的离轨效果，缩短其留轨寿命。本标准还规范了压力容器钝化方式优先级。文中提出压力临界值概念，旨在避免压力容器在内压作用下因碰撞触发解体，产生更多碎片。

3.4 预防发射碰撞

在预防发射碰撞方面，结合我国和美、俄、法、日等国运载火箭发射前空间碎片碰撞分析的成功经验和空间站安全需求，本标准明确了相关要求和推荐指标。

3.5 离轨处置

在离轨处置方面，本标准鼓励器箭双方协调发射轨道参数，以便轨道级满足处置要求。对于目标圆轨高度超过600km的航天器发射任务，若运载火箭轨道级缺乏主动离轨能力，建议器箭双方优化发射轨道高度，先将航天器送入较低的停泊轨道并进行检查，再通过航天器自身变轨至目标轨道。相比常规圆轨直接发射，该发射新策略一方面可大幅缩短火箭末级留轨寿命，甚至可以精简运载末级的再次启动，从而提高发射可靠度，另一方面还可提供器箭分离后的航天器状态检查机会，避免失效航天器进入目标轨道。另外，降低发射轨道高度，还可能提高航天器可用运载能力，增加其推进剂携带量，延长运行寿命或离轨处置能力[5]。

与此同时，本标准明确否定了将轨道级近地点高度抬升至2000km以上高度的处置方案。因为在空间碎片演化仿真时，为确保在未来100年内能有效控制空间碎片增长，施加了停留或穿越低地轨道(LEO)、静地轨道(GEO)以及二者之间区域的所有空间物体均须满足25年的限制条件。

另外，本标准还给出了大椭圆轨道级离轨用推进剂的设计原则，主要是考虑到大椭圆轨道受到日月摄动影响较大，留轨寿命不确定度较高。本标准还明确了运载火箭轨道级留轨寿命计算方法和再入操作标准程序。

3.6 安全再入

在再入方面，本标准鼓励采用材料替换、优化布局等消亡设计措施，并且允许受控再入过程对轨道级实施结构自毁，以便更早形成更小碎片并充分烧蚀，进一步降低碎片对地面人员的伤亡率。

4 建议措施

随着全球运载火箭发射任务日益密集和空间碎片的迅速增多，国际社会出于对太空环境保护、太空长期可持续性的考虑，对空间碎片减缓要求日益严格。运载火箭轨道级，特别是我国大型轨道级无控再入，常受到国际社会广泛关注，甚至部分势力趁机进行恶意炒作。这一局面不利于我国树立负责任航天强国的形象。为此，本文给出如下建议：

(1)国内航天界，尤其是器箭双方在进行发射轨道高度优化协调时，不仅应考虑运载能力，还应考虑器箭的离轨处置能力；

(2)我国新研火箭应尽可能采取主动受控离轨措施；

(3)在发射低轨航天器时，可尝试增设小型末级、合理选择入轨参数等方式，以避免大型级段直接入轨；

(4)在大型轨道级或航天器再入事件宣传报道方面，通过及时发布落区预报、地面伤亡率分析数据和再入、解体、坠落视频动画等相关信息，正面回应国际社会的关注。

5 结语

国际标准ISO 20893旨在为各国在运载火箭轨道级空间碎片减缓方面提供可行、规范的设计要求和参考，统一规范对空间环境的保护要求，将有助于全球航天产业相关活动更加符合ISO 24113的顶层要求，以减少对空间保护区域的不利影响。

本文按照三个阶段梳理了国际标准ISO 20893近八年的研制历程，并对本标准意义和主要内容相关背景和深层次目的进行了解读，并且针对我国运载火箭轨道级受控离轨和再入方面的现状，提出了相关建议。希望上述历程回顾与解读有助于读者对本标准相关要求的深入了解。