ESA 持续发布《太空环境报告》，致力空间环境治理

刘璐 龚君 王浩

欧洲航天局（ESA）长期致力于太空环境跟踪与空间碎片治理。自2016 以来，ESA 空间碎片办公室持续发布年度《太空环境报告》，以透明的方式概述全球空间活动，阐释国际碎片减少措施在改善航天飞行长期可持续性方面的效果。历年报告呈现出以国际准则为依据、年度空间活动为核心、空间碎片碰撞预算方法为目标的体系特征。2019 年，报告重点关注了国际标准化组织（ISO）对《空间碎片减缓要求》的修改及机构间空间碎片协调委员会（IADC）对《空间碎片减缓指南》的修改；2021 年，随着太空探索技术公司（SpaceX）“星链”（Starlink）项目“一箭多星”越来越成为常态，报告重点分析了近年来不同太空活动时期，避碰风险解决方案的演变历程，增加了对联合国发射到外层空间物体登记册的审查，以诠释空间参与者的多样化；2022 年，针对空间环境指标进一步细化，报告更新了空间碎片碰撞预测方法，同时，更加重视对较小体积空间碎片活动的跟踪。

2023 年6 月12 日，ESA 签发《太空环境报告2023》，通过采用大量图表，辅以文字说明的形式，对太空环境进行了年度汇总研究。报告通过统计不同轨道区域的不同质量、面积及空间物体计数，重点关注太空环境变化的主要趋势，特别强调了护区概念；拟制了衡量全球遵守空间碎片减缓准则的指标，以估计全球太空活动对空间环境影响。

1 “不可持续”的全球太空行动

本年度报告指出，地球轨道环境是有限资源，但近年来各国抢占太空轨道的活动呈现井喷式增长，2022 年全球卫星发射数量比以往任何一年都多。具有经济价值的近地轨道商业卫星星座的数量和规模不断增加，而已到达设计寿命的卫星因无法回收、处理，仍然在轨，使得轨道呈现严重拥挤趋势。同时，任务结束后仍留在轨道上的卫星有可能碎裂并形成危险的碎片云，在轨徘徊数年。上述因素将对在役卫星的安全运行造成极大的影响，必须执行越来越多的避碰机动，以躲避其他卫星和空间碎片的威胁。报告认为，尽管各国都在制定并采取空间碎片减缓措施，但远远赶不上新卫星和碎片的增长速度。目前，全球太空行为可视为“不可持续”的。

2 太空环境变化的主要趋势

新发射卫星数量同比持续增加且运行轨道相似

2022 年，全球共有2409 个新的有效载荷（主要是卫星）进入绕地轨道，数量比以往任何时候都多，且新发射卫星几乎全部在于近地轨道运行。各国争相抢占轨道资源，建立或扩大商业卫星星座，这些星座的发射目的是提供全球通信等服务，但只有窄带轨道适合这些目的。因此，这些轨道区域的碰撞或破碎给类似轨道上的其他卫星，以及在前往更遥远目的地的途经卫星或载人航天器构成很大危险。

近地轨道碎片加剧，碰撞风险增大

目前已发现大于10cm 的空间碎片约3 万余块，其中一半以上散落在2000km 以下近地轨道（不包括尚未跟踪或因太小无法跟踪到的对象）。根据ESA的模型预测，地球轨道上尺寸大于1cm 的物体总数或超过一百万个。不同于600km 以下低轨卫星的可操作性，上述卫星更需要运营商之间良好的协调和数据交换，以确保不与卫星分裂碎片相撞。

再入大气层物体数量创新高，并将持续上升

2022 年，从太空坠落的人造物体数量创历史新高，主要包括大量因反卫星测试造成的“有效载荷碎片”（PF）坠落等。同年发射的星座卫星中，80%以上卫星已进入轨道，一旦不再运行或失去推进力，或将于两年内逐渐发生轨道衰变。同时，大多数非星座卫星所进入的轨道在国际准则和标准规定的最长25 年之内也会发生自然衰变。因此，预计未来几年再入大气层的卫星数量将继续增加。

多数卫星开始遵守国际准则，但受控卫星较少

有效处置达到服役年限的卫星是保持近地轨道安全最重要的措施之一。根据国际空间碎片减缓指南规定，卫星应在使用结束后25 年内离开受保护轨道。《太空环境报告2023》指出，全球早期卫星的合规性非常低，而近十年发射的卫星合规性约为100%。

然而，大多数卫星在结束任务时被关闭，以不受控制的方式坠落、燃烧、再入大气层，运营者无法对其降落位置等进行控制。目前，火箭主体“受控再入”技术已逐渐提升，为运营者更好地控制太空人造物体再入地点、时间、方式和着陆奠定了一定的基础，为卫星能够在受控状态下更快、更安全的撤离保护区提供依据、指明方向。2023 年7 月，ESA 任务控制中心（ESOC）研究团队首次利用“风神”（Aeolus）卫星在大西洋和南极洲无人区进行了燃烧时“辅助再入”实验，以协助旧卫星重返大气层，从而提高其安全性。

3 倡导空间“零碎片”目标

在持续跟踪太空环境动态，针对年度空间环境问题进行统计分析的基础上，ESA 还特别重视太空环境治理，致力于空间碎片减缓措施的制定与实施。作为ESA 在欧洲太空标准协会（ECSS）、国际标准化组织（ISO）及机构间空间碎片协调委员会（IADC）的空间碎片减缓工作组代表，独立安全办公室 (ESA TEC-QI)设立了空间碎片治理重要职能，包括：维护ESA 碎片减缓政策，独立监督验证及报告 ESA项目中有关空间碎片减缓政策的实施状况等。同时，ESA 颁布多项政策、标准以及指南性文件，旨在减缓在轨空间碎片，以实现空间可持续性，例如：《ESA项目空间碎片减缓政策》《空间碎片减缓技术标准》《空间碎片减缓要求合规性指南》等。

2023 年6 月22 日，ESA 公布《零碎片宪章》倡议，旨在防止空间碎片的急剧产生及就实现安全和可持续性太空运营的技术解决方案等问题形成全球共识。预计，ESA 将组织一系列研讨会，与欧洲国家及其他太空行动方共同确定具体目标，并制定《零碎片宪章》内容。目前，该倡议已得到空客防务与航天公司（ADS）、布莱梅轨道高技术公司（OHB）以及泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）等商业太空技术公司支持。

《零碎片宪章》的目标是到2030 年，实施空间零碎片政策，确保ESA 太空活动不在轨道上产生新的空间碎片。倡议文件概述了包括碎片环境、标准和准则、技术和实施水平在内的当前太空环境状况，针对“零碎片”目标拟定路线图，在充分考虑技术可行性及ESA 未来太空任务的基础上，提出分阶段实施日程表。同时，该倡议文件还提出具体建议，以完善“零碎片”目标实现途径。包括：在发生在轨故障的情况下，为累积碰撞概率大于千分之一的所有任务提供强制性主动碎片清除服务；卫星任务结束后五年内清理高价值轨道区域，并保证任务结束时累积碰撞概率保持在千分之一以下；通过卫星健康监测、故障预测、屏蔽不可追踪碎片等手段，提高机载系统弹性；提高防撞准确性及效率，降低主动任务风险；根据卫星飞行数据、预测方法、定期评估等方式，更新成功处置概率，精准辅助决策过程；将GNSS 全球导航卫星系统轨道视为高价值轨道区域，加强区域内清理与保护。在技术方面，根据ESA 空间清洁计划，此次倡议还拟广泛开发相关技术，以确保所属卫星能够通过脱轨或再入新轨等方式，在不产生碎片的情况下，成功运行至设计寿命。

4 结语

近年来，ESA 持续关注并发布《太空环境报告》，并在其内部不断更新空间碎片缓解标准，探索空间碎片减缓措施，逐步加强相关碎片治理与防范技术，以期鼓励合作伙伴共同应对太空环境治理问题。目前，ESA 已委托瑞士初创公司——“清洁空间”公司（ClearSpace SA）实施其“空间清洁计划”第一阶段任务（ClearSpace-1），以研发和展示主动清除碎片所需技术。未来，ESA 将根据其空间清洁计划确定“零碎片”目标所需技术和执行标准，并开展相关研究和技术开发。