ESA 持續(xù)發(fā)布《太空環(huán)境報告》，致力空間環(huán)境治理

劉璐 龔君 王浩

歐洲航天局（ESA）長期致力于太空環(huán)境跟蹤與空間碎片治理。自2016 以來，ESA 空間碎片辦公室持續(xù)發(fā)布年度《太空環(huán)境報告》，以透明的方式概述全球空間活動，闡釋國際碎片減少措施在改善航天飛行長期可持續(xù)性方面的效果。歷年報告呈現(xiàn)出以國際準(zhǔn)則為依據(jù)、年度空間活動為核心、空間碎片碰撞預(yù)算方法為目標(biāo)的體系特征。2019 年，報告重點關(guān)注了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對《空間碎片減緩要求》的修改及機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）對《空間碎片減緩指南》的修改；2021 年，隨著太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“星鏈”（Starlink）項目“一箭多星”越來越成為常態(tài)，報告重點分析了近年來不同太空活動時期，避碰風(fēng)險解決方案的演變歷程，增加了對聯(lián)合國發(fā)射到外層空間物體登記冊的審查，以詮釋空間參與者的多樣化；2022 年，針對空間環(huán)境指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，報告更新了空間碎片碰撞預(yù)測方法，同時，更加重視對較小體積空間碎片活動的跟蹤。

2023 年6 月12 日，ESA 簽發(fā)《太空環(huán)境報告2023》，通過采用大量圖表，輔以文字說明的形式，對太空環(huán)境進(jìn)行了年度匯總研究。報告通過統(tǒng)計不同軌道區(qū)域的不同質(zhì)量、面積及空間物體計數(shù)，重點關(guān)注太空環(huán)境變化的主要趨勢，特別強(qiáng)調(diào)了護(hù)區(qū)概念；擬制了衡量全球遵守空間碎片減緩準(zhǔn)則的指標(biāo)，以估計全球太空活動對空間環(huán)境影響。

1 “不可持續(xù)”的全球太空行動

本年度報告指出，地球軌道環(huán)境是有限資源，但近年來各國搶占太空軌道的活動呈現(xiàn)井噴式增長，2022 年全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量比以往任何一年都多。具有經(jīng)濟(jì)價值的近地軌道商業(yè)衛(wèi)星星座的數(shù)量和規(guī)模不斷增加，而已到達(dá)設(shè)計壽命的衛(wèi)星因無法回收、處理，仍然在軌，使得軌道呈現(xiàn)嚴(yán)重?fù)頂D趨勢。同時，任務(wù)結(jié)束后仍留在軌道上的衛(wèi)星有可能碎裂并形成危險的碎片云，在軌徘徊數(shù)年。上述因素將對在役衛(wèi)星的安全運行造成極大的影響，必須執(zhí)行越來越多的避碰機(jī)動，以躲避其他衛(wèi)星和空間碎片的威脅。報告認(rèn)為，盡管各國都在制定并采取空間碎片減緩措施，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上新衛(wèi)星和碎片的增長速度。目前，全球太空行為可視為“不可持續(xù)”的。

2 太空環(huán)境變化的主要趨勢

新發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量同比持續(xù)增加且運行軌道相似

2022 年，全球共有2409 個新的有效載荷（主要是衛(wèi)星）進(jìn)入繞地軌道，數(shù)量比以往任何時候都多，且新發(fā)射衛(wèi)星幾乎全部在于近地軌道運行。各國爭相搶占軌道資源，建立或擴(kuò)大商業(yè)衛(wèi)星星座，這些星座的發(fā)射目的是提供全球通信等服務(wù)，但只有窄帶軌道適合這些目的。因此，這些軌道區(qū)域的碰撞或破碎給類似軌道上的其他衛(wèi)星，以及在前往更遙遠(yuǎn)目的地的途經(jīng)衛(wèi)星或載人航天器構(gòu)成很大危險。

近地軌道碎片加劇，碰撞風(fēng)險增大

目前已發(fā)現(xiàn)大于10cm 的空間碎片約3 萬余塊，其中一半以上散落在2000km 以下近地軌道（不包括尚未跟蹤或因太小無法跟蹤到的對象）。根據(jù)ESA的模型預(yù)測，地球軌道上尺寸大于1cm 的物體總數(shù)或超過一百萬個。不同于600km 以下低軌衛(wèi)星的可操作性，上述衛(wèi)星更需要運營商之間良好的協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交換，以確保不與衛(wèi)星分裂碎片相撞。

再入大氣層物體數(shù)量創(chuàng)新高，并將持續(xù)上升

2022 年，從太空墜落的人造物體數(shù)量創(chuàng)歷史新高，主要包括大量因反衛(wèi)星測試造成的“有效載荷碎片”（PF）墜落等。同年發(fā)射的星座衛(wèi)星中，80%以上衛(wèi)星已進(jìn)入軌道，一旦不再運行或失去推進(jìn)力，或?qū)⒂趦赡陜?nèi)逐漸發(fā)生軌道衰變。同時，大多數(shù)非星座衛(wèi)星所進(jìn)入的軌道在國際準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最長25 年之內(nèi)也會發(fā)生自然衰變。因此，預(yù)計未來幾年再入大氣層的衛(wèi)星數(shù)量將繼續(xù)增加。

多數(shù)衛(wèi)星開始遵守國際準(zhǔn)則，但受控衛(wèi)星較少

有效處置達(dá)到服役年限的衛(wèi)星是保持近地軌道安全最重要的措施之一。根據(jù)國際空間碎片減緩指南規(guī)定，衛(wèi)星應(yīng)在使用結(jié)束后25 年內(nèi)離開受保護(hù)軌道。《太空環(huán)境報告2023》指出，全球早期衛(wèi)星的合規(guī)性非常低，而近十年發(fā)射的衛(wèi)星合規(guī)性約為100%。

然而，大多數(shù)衛(wèi)星在結(jié)束任務(wù)時被關(guān)閉，以不受控制的方式墜落、燃燒、再入大氣層，運營者無法對其降落位置等進(jìn)行控制。目前，火箭主體“受控再入”技術(shù)已逐漸提升，為運營者更好地控制太空人造物體再入地點、時間、方式和著陸奠定了一定的基礎(chǔ)，為衛(wèi)星能夠在受控狀態(tài)下更快、更安全的撤離保護(hù)區(qū)提供依據(jù)、指明方向。2023 年7 月，ESA 任務(wù)控制中心（ESOC）研究團(tuán)隊首次利用“風(fēng)神”（Aeolus）衛(wèi)星在大西洋和南極洲無人區(qū)進(jìn)行了燃燒時“輔助再入”實驗，以協(xié)助舊衛(wèi)星重返大氣層，從而提高其安全性。

3 倡導(dǎo)空間“零碎片”目標(biāo)

在持續(xù)跟蹤太空環(huán)境動態(tài)，針對年度空間環(huán)境問題進(jìn)行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，ESA 還特別重視太空環(huán)境治理，致力于空間碎片減緩措施的制定與實施。作為ESA 在歐洲太空標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ECSS）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）及機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）的空間碎片減緩工作組代表，獨立安全辦公室 (ESA TEC-QI)設(shè)立了空間碎片治理重要職能，包括：維護(hù)ESA 碎片減緩政策，獨立監(jiān)督驗證及報告 ESA項目中有關(guān)空間碎片減緩政策的實施狀況等。同時，ESA 頒布多項政策、標(biāo)準(zhǔn)以及指南性文件，旨在減緩在軌空間碎片，以實現(xiàn)空間可持續(xù)性，例如：《ESA項目空間碎片減緩政策》《空間碎片減緩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《空間碎片減緩要求合規(guī)性指南》等。

2023 年6 月22 日，ESA 公布《零碎片憲章》倡議，旨在防止空間碎片的急劇產(chǎn)生及就實現(xiàn)安全和可持續(xù)性太空運營的技術(shù)解決方案等問題形成全球共識。預(yù)計，ESA 將組織一系列研討會，與歐洲國家及其他太空行動方共同確定具體目標(biāo)，并制定《零碎片憲章》內(nèi)容。目前，該倡議已得到空客防務(wù)與航天公司（ADS）、布萊梅軌道高技術(shù)公司（OHB）以及泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）等商業(yè)太空技術(shù)公司支持。

《零碎片憲章》的目標(biāo)是到2030 年，實施空間零碎片政策，確保ESA 太空活動不在軌道上產(chǎn)生新的空間碎片。倡議文件概述了包括碎片環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則、技術(shù)和實施水平在內(nèi)的當(dāng)前太空環(huán)境狀況，針對“零碎片”目標(biāo)擬定路線圖，在充分考慮技術(shù)可行性及ESA 未來太空任務(wù)的基礎(chǔ)上，提出分階段實施日程表。同時，該倡議文件還提出具體建議，以完善“零碎片”目標(biāo)實現(xiàn)途徑。包括：在發(fā)生在軌故障的情況下，為累積碰撞概率大于千分之一的所有任務(wù)提供強(qiáng)制性主動碎片清除服務(wù)；衛(wèi)星任務(wù)結(jié)束后五年內(nèi)清理高價值軌道區(qū)域，并保證任務(wù)結(jié)束時累積碰撞概率保持在千分之一以下；通過衛(wèi)星健康監(jiān)測、故障預(yù)測、屏蔽不可追蹤碎片等手段，提高機(jī)載系統(tǒng)彈性；提高防撞準(zhǔn)確性及效率，降低主動任務(wù)風(fēng)險；根據(jù)衛(wèi)星飛行數(shù)據(jù)、預(yù)測方法、定期評估等方式，更新成功處置概率，精準(zhǔn)輔助決策過程；將GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)軌道視為高價值軌道區(qū)域，加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)清理與保護(hù)。在技術(shù)方面，根據(jù)ESA 空間清潔計劃，此次倡議還擬廣泛開發(fā)相關(guān)技術(shù)，以確保所屬衛(wèi)星能夠通過脫軌或再入新軌等方式，在不產(chǎn)生碎片的情況下，成功運行至設(shè)計壽命。

4 結(jié)語

近年來，ESA 持續(xù)關(guān)注并發(fā)布《太空環(huán)境報告》，并在其內(nèi)部不斷更新空間碎片緩解標(biāo)準(zhǔn)，探索空間碎片減緩措施，逐步加強(qiáng)相關(guān)碎片治理與防范技術(shù)，以期鼓勵合作伙伴共同應(yīng)對太空環(huán)境治理問題。目前，ESA 已委托瑞士初創(chuàng)公司——“清潔空間”公司（ClearSpace SA）實施其“空間清潔計劃”第一階段任務(wù)（ClearSpace-1），以研發(fā)和展示主動清除碎片所需技術(shù)。未來，ESA 將根據(jù)其空間清潔計劃確定“零碎片”目標(biāo)所需技術(shù)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，并開展相關(guān)研究和技術(shù)開發(fā)。