治理空間碎片"任重道遠"-專訪空間碎片研究專家韓增堯

本刊記者 徐菁

治理空間碎片"任重道遠"-專訪空間碎片研究專家韓增堯

本刊記者 徐菁

空間碎片是人類航天活動對空間環(huán)境的污染物,俗稱"太空垃圾",也是人類須共同面臨的環(huán)境問題.人類有責任找出有效的治理方法,給后人留下潔凈的空間,而且解決空間碎片問題需要各航天國家的共同努力.2014年5月12日,第32屆機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC)會議在北京召開,與會各成員國和機構的專家們就空間碎片問題進行了廣泛而深入的探討.為此,本刊記者專訪了空間碎片研究專家韓增堯研究員.

記者:人類對空間碎片的研究開始于什么時候?當時空間碎片狀況是怎樣的?近年來,空間碎片的狀況有哪些變化?

韓增堯:自從1957年人類發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星,空間碎片問題就開始存在.20世紀60年代至80年代,美國、俄羅斯等國航天發(fā)射次數(shù)處于巔峰時期,基本保持在每年100次以上,而這些航天活動又沒有采取必要的減緩措施,于是出現(xiàn)了大量火箭上面級或航天器爆炸解體的事件,使空間碎片問題變得日益突出,因而逐步引起國際社會的關注.

幾十年來,人類的航天活動一共產(chǎn)生了4萬多個可編目的空間碎片(俗稱大碎片),其中有2萬多個已經(jīng)隕落.2000年以前,可編目空間碎片數(shù)量大體以每年250個左右的速度遞增,并在2000年突破1萬個,之后,有明顯加速趨勢.截止到2014年3月,根據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,其數(shù)量已接近17000個.

記者:請您談談空間碎片的危害性.如果人類任由空間碎片的發(fā)展,若干年后會導致什么局面?

韓增堯:人類越來越深刻地認識到空間碎片的危害性.首先,隨著空間碎片數(shù)量的不斷增加,對在軌正常運行的航天器造成的威脅會越來越大,一旦在軌航天器受到碎片撞擊,可能會造成粉碎性解體,比如2009年發(fā)生的美俄衛(wèi)星相撞事件直接造成衛(wèi)星解體,瞬間產(chǎn)生了2000多個碎片.其次,在軌航天器幾乎無法規(guī)避微小空間碎片的撞擊,會對航天器造成一定的隱患.一個直徑1mm的碎片可以輕易擊穿衛(wèi)星的壁板,對衛(wèi)星內(nèi)部造成損傷.美國曾發(fā)射過一個"長期暴露實驗裝置"(LDEF),這個裝置在太空中飛行了69個月,然后由航天飛機帶回地面,科學家對其表面進行了詳細的研究,發(fā)現(xiàn)其上看得見的撞擊坑有34000多個,大于0.5mm的撞擊坑有5000多個.每年,美國航空航天局都有"國際空間站"表面遭微小碎片撞擊的報道.在航天飛機退役前,每次執(zhí)行任務返回后,技術人員都會對航天飛機表面進行詳細檢查,被撞擊的痕跡少則幾十處,多則上百處,并因此多次更換受損的舷窗.此外,每年都會有一定數(shù)量的空間碎片隕落大氣層.在空間碎片隕落過程中,大部分會燒蝕殆盡,但也會有一些耐燒蝕部件殘留,如果隕落到地面,可能會對地面上的人員財產(chǎn)安全造成威脅;如果殘留部分具有放射性,則需要采取嚴格的防護措施.

正是由于空間碎片的危害性非常大,如果我們現(xiàn)在還不采取措施,任由其發(fā)展,有科學家估計到2050年在低地球軌道上會發(fā)生"鏈式"反應,有可能像美國大片《地心引力》一樣,碎片相撞產(chǎn)生更多碎片,然后連鎖發(fā)生更多的相撞,使碎片數(shù)量急劇增加,最終出現(xiàn)人類無法控制,導致低地球軌道資源不可用的局面.

空間碎片已成為一個全球性問題.1988年召開的第44屆聯(lián)合國大會上,第一次在決議中列入了空間碎片問題;1993年聯(lián)合國大會把空間碎片問題作為一個專題;1995年聯(lián)合國將其作為一個優(yōu)先審議的項目;2005年聯(lián)合國和平利用外層空間委員會(以下簡稱聯(lián)合國外空委)技術小組起草了《空間碎片減緩指南》,并于2007年表決通過.

記者:您能否給我們介紹一下機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會?我國加入該委員會后開展了哪些工作?

韓增堯:機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會是目前唯一一個從事空間碎片研究和協(xié)調(diào)的非政府組織.該委員會于1993年成立,當時我國以觀察員身份參加,1995年國家航天局代表我國政府參加.目前,委員會有包括中國、美國、俄羅斯、歐洲航天局等在內(nèi)的12個成員,基本上包括了世界主要的航天國家.機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會下設5個組,其中,指導組由各國政府和航天機構的官方代表參加,主要指導4個技術組的工作,這4個技術組包括觀測組、環(huán)境和數(shù)據(jù)庫組、防護組及減緩組,分別針對不同的領域開展工作,同時還進行合作交流和研究,共同商討治理空間碎片的對策.

機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會成立21年來,組織完成了很多次關于空間碎片的相關合作研究.比如,對空間碎片的聯(lián)合觀測,無論是光學觀測手段,還是雷達觀測手段,各個國家或地區(qū)所處地理位置都有一定局限性,只能觀測到自身區(qū)域上空的碎片,要想掌握全球范圍內(nèi)的空間碎片數(shù)據(jù)和信息,就必須建立全球空間碎片監(jiān)測網(wǎng),通過多個國家的參與來提高空間碎片觀測的精確度.另外,該委員會還組織開展地面超速撞擊試驗,由于空間碎片的飛行速度很快,在低軌的空間碎片飛行速度為7.6km/s,平均碰撞速度可達10km/s,撞擊帶來的危害是很大的,因此我們需要在地面模擬撞擊效應試驗,以便對航天器采取必要的防護措施,并評估防護效果.

機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會的作用是比較明顯的,作為聯(lián)合國外空委科技小組的一個技術支撐組織,發(fā)揮著越來越重要的作用.聯(lián)合國發(fā)布的《空間碎片減緩指南》就是在機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會制定的指南的基礎上形成的.

我國加入機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會以后,全面參與了5個組的工作,比如紫金山天文臺每年都參加聯(lián)合觀測太空危險目標的隕落,并對其進行預報,而且我國的預測精度在各成員國的排名比較靠前.我國還參與了多國聯(lián)合地面撞擊試驗,通過地面超高速撞擊試驗,對各國試驗數(shù)據(jù)的準確性進行比較,驗證各國超高速撞擊設備的能力和水平.我國研究的防護工具和方法在機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會中有比較好的反響,并成功應用于天宮-1目標飛行器的空間碎片防護設計上.

記者:目前觀測空間碎片采取什么手段?我國有衛(wèi)星來觀測空間碎片嗎?

韓增堯:現(xiàn)在,國際上觀測空間碎片的手段還是以地基觀測為主,包括無線電手段和光學手段,對于低軌道的空間碎片主要是采用"電磁籬笆"、雷達進行觀測;而對高軌道空間碎片的觀測則以光學手段為主.

地基與天基觀測各有不同的優(yōu)勢,它們互相補充.地基觀測設備可以把光學望遠鏡口徑和雷達功率做得很大,但是,由于地基觀測受到地域條件的限制,難以實現(xiàn)全球布網(wǎng).而天基手段可以覆蓋全球,但因航天器平臺資源有限,所以探測距離和精度也會受到限制.

目前,我國還沒有在軌衛(wèi)星用于碎片觀測,不過,有理由相信,未來我國必將發(fā)展天基觀測手段,為獲取空間碎片的數(shù)據(jù)提供更多途徑.

記者:目前,世界主要航天國家在空間碎片研究方面取得了哪些重要成果?如何減緩空間碎片的產(chǎn)生?是否會制定相關公約?

韓增堯:以美國為主的航天國家在空間碎片方面開展的工作,主要也是圍繞機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會所涉及的4個層面展開.首先是通過地基和天基手段進行碎片觀測,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享;然后是碎片數(shù)據(jù)庫的管理,如美國的北美防空司令部對空間碎片數(shù)據(jù)進行管理,并在此基礎上開展碰撞預警的相關研究和工程應用;第三是防護,即應采取怎樣的防護措施,來提高航天器抵御空間碎片撞擊的能力,如美國針對"國際空間站"的主要艙段采取了嚴格的防護措施,確保"國際空間站"在壽命期間能滿足防護要求;第四是減緩,減少軌道上空間碎片的數(shù)量,由于美國造成的空間碎片數(shù)量是最多的,而且其對衛(wèi)星的依賴程度也比較高,因此對于治理空間碎片這一問題,美國無論是研究方面,還是工程應用方面,以及制定相應的國際規(guī)則等方面都表現(xiàn)得比較積極.

減少空間碎片的產(chǎn)生主要通過以下幾個手段:一是避免發(fā)生在軌的解體,這就要求運載火箭和衛(wèi)星在任務結(jié)束后采取鈍化措施,如排空剩余推進劑;二是避免發(fā)生在軌的碰撞,這就要求在軌航天器能夠躲避空間碎片的撞擊;三是減少運載火箭和航天器任務期間釋放的操作性空間碎片,如星箭分離使用的包帶、爆炸螺栓帽等.

由于目前聯(lián)合國通過的《空間碎片減緩指南》沒有太多約束力,所以,未來國際社會不排除會制定相關公約,以有約束力的法律條文來約束航天活動.

記者:我國現(xiàn)在有哪些單位在進行空間碎片的研究?近年來在碎片研究方面有什么進展?

韓增堯:目前,我國有包括工業(yè)部門、科研院所、高校等單位在內(nèi)的數(shù)十家單位對空間碎片進行研究,近年來在這方面做出了不少成績.

在空間碎片的監(jiān)測預警方面,我國的地面監(jiān)測設備參與了神舟-6~10飛船、嫦娥-1~3探測器的發(fā)射預警任務,為載人航天和空間探測任務提供了技術保障.在防護方面,我們自主研制了空間碎片風險評估工具,利用該工具來評估飛行器壽命期間各個部位遭受撞擊的風險,并在天宮-1目標飛行器上有針對性地采取了防護措施.現(xiàn)在,天宮-1已經(jīng)完成2年的預定任務,整個狀態(tài)良好,表明我們采取的防護設計是可靠的.在減緩方面,"長征"系列火箭上針對空間碎片減緩問題實施了鈍化措施,包括剩余推進劑的排空、任務完成后火箭儲能部件的消能;而且我國已有多顆地球靜止軌道衛(wèi)星在任務完成后實施離軌,彰顯負責任航天大國的形象.在標準規(guī)范方面,我國制定了多個空間碎片標準,與國際標準化組織制定的相應標準接軌.

我國政府也加強了對空間碎片的管理工作.2009年12月1日,國家航天局正式發(fā)布了《空間碎片減緩與防護管理暫行辦法》,用來約束我國工業(yè)部門、用戶及研制單位的行為,以利于空間碎片的減緩和防護工作有序開展.

2013年10月,我國召開了第7屆全國空間碎片學術交流會,對研究進展和成果進行了廣泛的交流. 2014年在北京舉辦的第32屆機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會會議,不僅可以樹立我國政府在空間碎片領域負責任大國的形象,而且對促進國際間交流合作、引領我國空間碎片研究向縱深發(fā)展有積極作用.

記者:在空間碎片減緩方面存在的主要困難是什么?是否找到有效的解決途徑?這種途徑什么時候能夠投入實際應用?

韓增堯:空間碎片減緩問題一直是各國都感到棘手的問題.一方面,如果不采取一定的減緩措施,在軌解體事件必然會頻發(fā),進而產(chǎn)生更多的空間碎片;另一方面,如果采取措施的話,就會給研制部門、用戶帶來額外的負擔,會犧牲某些代價.比如,對于地球靜止軌道衛(wèi)星,在其任務完成后要離軌,而離軌需要燃料,如果不離軌衛(wèi)星可以延長一些壽命,帶來一定的經(jīng)濟效益.此外,以往火箭和衛(wèi)星的研制流程是較為成熟的,要改變它的設計狀態(tài)和流程,可能會帶來一定的風險,所以無論從單純的設計部門還是從用戶,都不情愿去做這件事.這也是空間碎片減緩工作不好推進的原因之一.

技術障礙是空間碎片減緩工作中遇到的另一個困難.比如,前面提到的地球靜止軌道衛(wèi)星離軌問題,衛(wèi)星壽命到期時要求運行到地球靜止軌道以上300km左右的棄置軌道.然而,目前還沒有一種成熟的技術手段能非常精確地測量衛(wèi)星的剩余推進劑,既能確保衛(wèi)星離軌,也不浪費推進劑.目前,機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會還準備出臺一個規(guī)定,只允許運載火箭和衛(wèi)星在任務完成后在軌滯留25年.如何推進這個規(guī)定也存在很大困難,因為衛(wèi)星要想離軌隕落所付出的代價是很高的,比如八九百千米軌道的衛(wèi)星,實施軌道機動直至隕落所需的推進劑能讓其在軌道上工作幾年時間.

現(xiàn)在,對于地球靜止軌道的空間碎片減緩工作還是做得比較好的,因為其所花費的代價不是很高,而且由于地球靜止軌道資源非常寶貴,目前這個軌道上已經(jīng)部署了400多顆衛(wèi)星,所以,相對來說各主要航天國家對此還是做得比較好的.

不同的軌道高度,在空間碎片減緩措施上所付出的代價不一樣,只有少數(shù)軌道的衛(wèi)星在嘗試采取減緩措施,還沒有形成一種強制性的規(guī)定.

有學者提出,未來可以形成這樣一種治理空間碎片的模式:由相關法律對航天活動進行約束,對于沒有能力治理空間碎片的國家或組織,由商業(yè)公司幫助清理,而責任人必須支付清理的費用.這種模式首先基于技術和商業(yè)運作的成熟程度,而且存在一定法律層面的問題,至于何時能夠付諸實施,恐還有很長的路要走.

記者:從您這些年對空間碎片的研究經(jīng)驗來看,我國未來空間碎片的研究和應對措施應該從哪些方面加大力度?

韓增堯:在政策標準層面,不僅要貫徹執(zhí)行《空間碎片減緩與防護管理暫行辦法》,而且應加強技術標準的制定,為工作部門和用戶提供可具操作性的指導文件.

在空間碎片的監(jiān)測方面,我國的監(jiān)測設備與國外相比差距還比較大,在改進地基監(jiān)測手段的同時,要考慮發(fā)展天基監(jiān)測手段,為空間碎片的監(jiān)測和數(shù)據(jù)的獲取提供支撐.

在預警數(shù)據(jù)庫方面,應加強數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理,提高數(shù)據(jù)的品質(zhì)和時效性,為我國在軌100余顆衛(wèi)星的日常預警提供有效支撐.

在航天器防護方面,我國將要發(fā)展載人空間站,對空間碎片防護提出了更高的要求,我們應加強先進防護結(jié)構和防護材料的研究;對于大量的在軌衛(wèi)星,特別是低軌衛(wèi)星,遭遇空間碎片撞擊的風險比較高,我國有必要對衛(wèi)星的重要部位采取一定的防護措施,提高衛(wèi)星在軌運行的可靠性.

在軌航天器上應安裝一些監(jiān)測設備,實時對空間碎片的撞擊進行觀測.我國的空間站,由于長期需要有人照料,航天員滯留時間較長,一旦有空間碎片撞擊,航天員應該能夠通過空間監(jiān)測設備在很短的時間內(nèi)獲知相關信息,并了解撞擊部位和撞擊程度,以便采取相應的補救措施,或采取撤離等應急響應,來保證航天員的安全.

在減緩方面,應著重開展低軌運載火箭和衛(wèi)星任務后壽命不超過25年的技術措施研究和空間碎片清除研究.

正如地球表面上的環(huán)境一樣,地球軌道上的環(huán)境也未能逃脫先污染、后治理的命運,而且治理的難度更大,周期會更長.美國、歐洲、俄羅斯等國家都召開了多次空間碎片清除的研討會,提出了若干技術措施和手段,但整體看來,面對這些數(shù)量眾多、大小不一、高速飛行的空間碎片,無論是技術能力還是財政負擔都將是非常嚴峻的挑戰(zhàn).