航天器空間安全如何保障

最近兩個多月里，天宮二號，神舟十一號，長征五號，一連串的太空發(fā)射活動，讓國人一次次抬起頭，仰望那一片深邃的星辰大海。

為了保障出征太空勇士和航天器的星途坦蕩，不同領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員殫精竭慮，這其中，研究空間碎片監(jiān)測移除技術(shù)的專家同樣肩負重任。

在神舟十一號飛船載著兩名航天員升入太空的三天后，40多位學者齊聚北京香山飯店，以“空間碎片監(jiān)測移除前沿技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展”為主題，進行了為期兩天的研討。在這第573次香山科學會議上，“任重道遠”是與會者提到最多的詞，可見星辰大海的征程漫漫，需要更多學科專家共同攻堅克難。

——惡化——

空間碎片數(shù)量急劇增長

聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（UNCOPOUS）和機構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）對空間碎片的定義是：地球軌道上在軌運行或再入大氣層的無功能的人造物體及其殘塊和組件。

據(jù)介紹，從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星升空以來，截至2015年底，人類共進行了近5000余次航天器發(fā)射活動，把6700余顆航天器送入軌道。在所有發(fā)射的航天器中只有近一千多個航天器在有效服役，而其他的因喪失功能而變成了空間垃圾，不少已經(jīng)隕落。同時，已發(fā)生過260余次在軌航天器或火箭解體/爆炸/撞擊（破碎）事件。它們產(chǎn)生了數(shù)量眾多的太空垃圾，形成了一個人為的外層空間環(huán)境——空間碎片環(huán)境。

到2016年9月底，空間碎片總的質(zhì)量達到了7000噸。近地空間中，毫米級以上不同尺度的碎片數(shù)以億計。

“更為緊迫的是，近年來，空間碎片的增長速度非常快。”本次會議執(zhí)行主席、中國空間技術(shù)研究院李明研究員在主題報告中介紹說，在低地球軌道區(qū)域，厘米級空間碎片由2005年的30萬個增長到2015年的50萬個，年增長率達15%。根據(jù)美國空間碎片研究專家Kessler的研究結(jié)果，按照目前的碎片增長速度估算，如果不采取任何措施，未來70年后碎片數(shù)量將達到發(fā)生碎片鏈式撞擊效應的臨界值，之后近地空間將徹底不可用。

由于在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，使得空間碎片碰撞風險急劇上升。美國宇航局、歐洲空間局的統(tǒng)計研究均顯示：空間碎片撞擊占空間環(huán)境引發(fā)各類衛(wèi)星失效事件的比例也在逐步增長。

——趨勢——

天基系統(tǒng)技術(shù)正當時

如此隱患巨大的太空垃圾，讓世界各國的科研機構(gòu)都在絞盡腦汁地尋找破解之路。

目前，國際空間站專門加設防護層以應對毫米級碎片的撞擊。多國航天機構(gòu)也要求發(fā)射入軌的運載火箭末級和壽命末期的航天器需作鈍化處理，即排空剩余燃料，對蓄電池和其他有能量部件做失能處理，從而減少產(chǎn)生更多碎片的風險。

美國具有國際上最為先進和完善的空間碎片地基光學和雷達觀測手段，從2009年開始啟用陸基雷達陣組成“空間籬笆”，系統(tǒng)監(jiān)視空間碎片，這一系統(tǒng)正升級到第二代，最近幾年開始發(fā)展天基監(jiān)測手段。歐洲空間局和俄羅斯也各自組建了空間碎片監(jiān)測系統(tǒng)，提供空間碎片跟蹤觀測和搜索發(fā)現(xiàn)、碎片編目及碎片特征探測、衛(wèi)星的碰撞預警、運動模型及軌道演化等服務。

中國空間技術(shù)研究院總體部的潘騰研究員認為，現(xiàn)有的空間碎片地基監(jiān)測手段無法達到對空域、時域的無縫覆蓋，不能達到全天域、全天候、全天時監(jiān)測。發(fā)展天基監(jiān)測技術(shù)是空間碎片跟蹤與監(jiān)視的大勢所趨，最終形成天地系統(tǒng)一體化、全天時、全天域、全天候、廣尺度、多手段對碎片的監(jiān)視能力。預計美國在2018年具備5厘米以上約10萬個空間碎片的監(jiān)測編目能力和空間事件的快速感知能力，低軌定位精度10米、高軌定位精度100米，可實時監(jiān)視重要空間碎片。

除了監(jiān)測，空間碎片的移除技術(shù)也是各國研發(fā)的重點。據(jù)中國空間技術(shù)研究院總體部的譚春林研究員介紹，所謂主動移除是指對地球低軌道上的碎片進行降軌使其進入大氣層燒毀，對地球同步軌道碎片使其升軌而進入墳墓軌道，從而達到保護在軌航天器不受碎片撞擊或大幅降低撞擊風險的目的。根據(jù)碎片尺寸大小的不同，目前實施的技術(shù)主要有機械臂抓捕、飛網(wǎng)捕捉、太陽帆和激光移除等多種方式。

——思路——

系統(tǒng)優(yōu)化與頂層設計

據(jù)了解，我國的空間碎片監(jiān)測在最近幾年有了較大發(fā)展。成立近一年的空間碎片監(jiān)測與應用中心，已具備了在軌風險評估、航天器發(fā)射預警、空間物體安全再入、航天器解體分析、減緩評估、地球同步軌道軌位安全性分析、空間碎片環(huán)境評估等能力。

另一方面，我國空間碎片主動移除技術(shù)研究和國外幾乎同時起步，正在從概念研究向關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)過渡，并部分向天基技術(shù)驗證轉(zhuǎn)移。但由于缺乏明確的項目計劃和工程牽引，無法常態(tài)化運行，難于實施碎片環(huán)境治理任務。

與會專家呼吁，對于這個關(guān)系我國太空探索權(quán)益和保障空間資產(chǎn)安全的重要領(lǐng)域，應有全局和系統(tǒng)思想，超前謀劃，統(tǒng)一部署，并提出了發(fā)展“1個系統(tǒng)、2個平臺和3個產(chǎn)品”組成的空間碎片環(huán)境治理系統(tǒng)的發(fā)展思路，即“建設包括由天基空間碎片移除衛(wèi)星星座、天基空間碎片監(jiān)測衛(wèi)星、空間碎片移除中心組成的一個系統(tǒng)；發(fā)展由空間碎片監(jiān)測移除技術(shù)集成地面試驗平臺、空間碎片超高速撞擊效應集成地面試驗平臺組成的兩個平臺；研制空間碎片自主離軌通用化產(chǎn)品、空間碎片在軌感知通用化產(chǎn)品、航天器多功能防護結(jié)構(gòu)通用化產(chǎn)品構(gòu)成的三類產(chǎn)品”這樣一個發(fā)展思路，進一步加大共性關(guān)鍵技術(shù)和科學問題研究的投入，盡早推動空間碎片監(jiān)測與移除專項工程的立項，加快空間驗證等工程的實施，以期及早具備空間碎片全局監(jiān)測與移除的自主能力。

——國際——

制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”

事實上，要真正解決太空垃圾難題，不僅要借助于技術(shù)手段，還需要國際社會協(xié)同合作，制定統(tǒng)一太空“交規(guī)”。在這方面，目前國際組織只是初步訂立了幾項原則，包括航天器到達設計壽命后，要離開有用軌道；對已編號的全部碎片，要進行全程跟蹤等。由于涉及到的國際法比較復雜，這方面還有很長的路要走。

據(jù)中國空間法學會的張振軍教授介紹，空間碎片主動移除目前面臨不少法律障礙，依據(jù)現(xiàn)有的國際空間法，空間碎片盡管屬于有害物，但也并非可以自由進行移除，未經(jīng)許可的移除可能侵犯登記國的管轄權(quán)或者所有權(quán)，也會引發(fā)國際沖突及一連串法律后果。畢竟有能力移除空間碎片的國家，就有可能摘除別國的航天器，從而威脅太空安全秩序。這也在一定程度上制約著太空垃圾的清理。

背景鏈接

空間碎片對航天器造成可怕威脅

1983年，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機與一塊直徑0.2毫米的微小碎片相撞，導致舷窗被損，只得提前返回地球。

1996年7月24日，法國CERISE衛(wèi)星與阿麗亞娜Ｖ型火箭殘骸相撞，導致該衛(wèi)星的重力梯度穩(wěn)定桿損壞，最終衛(wèi)星失穩(wěn)。

2013年5月24日，厄瓜多爾“飛馬座”衛(wèi)星在印度洋上空與一枚由前蘇聯(lián)1985年發(fā)射升空的火箭燃料箱殘骸發(fā)生“側(cè)面撞擊”，導致衛(wèi)星壽命終結(jié)。

       國際空間站迄今為止為了躲避空間碎片撞擊進行了24次機動規(guī)避，每次規(guī)避消耗推進劑約30公斤。 

……

近年來空間碰撞事件頻發(fā)，國際上為躲避碎片撞擊而進行的衛(wèi)星機動規(guī)避已達每年30余次，而因碎片撞擊而導致的衛(wèi)星異常或失效事件也有多起發(fā)生。

李明研究員介紹說，在距地面2000公里內(nèi)的人類使用最頻繁的低地球軌道（LEO）上，空間碎片一旦與航天器發(fā)生撞擊，平均撞擊速度將達10km/s。空間碎片與航天器撞擊產(chǎn)生極高壓強，毫米級以上尺度的碎片會穿透航天器表面，并形成高速碎片云，破壞內(nèi)部的器件和系統(tǒng)，輕則導致航天器表面性能衰退功能喪失，重則對結(jié)構(gòu)和載荷造成嚴重損傷甚至使整個航天器徹底爆炸解體，對航天器安全和航天員生命造成巨大潛在威脅。而墜入大氣層的大尺度空間碎片，隕落時可能有部分質(zhì)量未完全燒毀分解，也會對地面安全造成威脅。（記者 游雪晴）