《空間碎片減緩要求》主要變化及建議

唐明亮,王穎,古艷峰

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海201109)

1 引言

近年來,隨著國(guó)內(nèi)外商業(yè)航天的蓬勃發(fā)展,多家公司均推出了數(shù)量巨大的衛(wèi)星星座計(jì)劃,尤其是近地軌道 (LEO)類型的商業(yè)發(fā)射次數(shù)明顯增多,參見圖1。

由于每年發(fā)射進(jìn)入太空的火箭和衛(wèi)星數(shù)量大幅增加,因此空間碎片也相應(yīng)增加。截至2019年4月初,在編的空間碎片 (直徑一般大于10cm)數(shù)目近2萬個(gè),參見圖2。國(guó)際上對(duì)遏制空間碎片快速增長(zhǎng)的呼聲也逐漸升高。其中,固體運(yùn)載火箭和大幅采用工業(yè)級(jí)元器件的小衛(wèi)星以其低成本優(yōu)勢(shì),增幅明顯。由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在推力下降段容易產(chǎn)生較多的固體熔渣,微小衛(wèi)星本體尺寸和變軌能力普遍較小,有效運(yùn)行壽命較短,因此對(duì)地面跟蹤監(jiān)視和其他LEO高價(jià)值衛(wèi)星正常運(yùn)行提出更高要求。

圖1 LEO發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計(jì)[1]Fig.1 LEO launch statistics[1]

圖2 空間物體編目數(shù)量變化圖[2]Fig.2 Variation of number of catalogued space objects[2]

圖3 停留和穿越LEO的空間物體數(shù)量隨軌道高度分布圖[1]Fig.3 Distribution of the number of space objects residing and traversing LEO with orbital altitude[1]

目前停留和穿越LEO區(qū)域的空間碎片分布情況見圖3。

ISO TC20/SC14/WG7負(fù)責(zé)編制的ISO 24113《空間碎片減緩要求》[3]是ISO空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層標(biāo)準(zhǔn),在國(guó)際航天界擁有很大的影響力。部分國(guó)家政府將其視作規(guī)范本國(guó)航天活動(dòng)的法律。相當(dāng)多的國(guó)家在制定本國(guó)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基本等同采用該標(biāo)準(zhǔn)。按照ISO相關(guān)規(guī)定,ISO TC20/SC14/WG7負(fù)責(zé)編制的ISO 24113《空間碎片減緩要求》自2011年發(fā)布第二版后,近年進(jìn)行了第三版修訂階段。在新版標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中,為遏制空間碎片的快速增長(zhǎng),并保持標(biāo)準(zhǔn)本身的先進(jìn)性,WG7工作組加嚴(yán)了空間碎片減緩的相關(guān)要求。目前,新版已進(jìn)入 Final Draft International Standard(FDIS)階段,即將正式發(fā)布。為維護(hù)我國(guó)作為負(fù)責(zé)任航天大國(guó)的形象,國(guó)內(nèi)航天界有必要針對(duì)空間碎片減緩相關(guān)要求的變化及時(shí)調(diào)整相關(guān)發(fā)展策略,采取必要的改進(jìn)措施。

2 主要變化及其背景

相比上一版本ISO 24113:2011,對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)最新版的要求和建議的主要變化及其背景作如下分析:

背景:為限制運(yùn)載火箭單次發(fā)射可釋放空間碎片的總數(shù)量。相比原版本,對(duì)于多星發(fā)射,限制了支承艙數(shù)量。此處的空間碎片包含運(yùn)載火箭留軌級(jí)及其釋放出的支承艙和頭罩等物體。該項(xiàng)變化旨在鼓勵(lì)運(yùn)載火箭末級(jí)采用并聯(lián)布局方式執(zhí)行一箭多星發(fā)射。對(duì)于末級(jí)具備離軌能力的運(yùn)載火箭,則可以使用2個(gè)支承艙。對(duì)于單次發(fā)射產(chǎn)生2個(gè)火箭留軌級(jí)的情況,則不能再釋放支承艙等其他空間碎片。

(2)熔渣限制要求。固體火箭在地球靜止軌道 (GEO)和LEO保護(hù)區(qū)均不得排放超過1mm的熔渣的約束。

背景:經(jīng)相關(guān)分析,若LEO內(nèi)的空間碎片直徑超過1mm,就具備足夠能量對(duì)在軌航天器造成嚴(yán)重?fù)p傷[4]。在真空環(huán)境中,對(duì)于常見的采用潛入式擺動(dòng)噴管設(shè)計(jì)的固體發(fā)動(dòng)機(jī),其推力下降段形成的噴出物的直徑基本上介于100μm～5cm之間,質(zhì)量占整個(gè)裝藥量的0.04%～0.65%,噴出速度為0～100m/s,足以對(duì)航天器構(gòu)成空間碎片威脅[5]。因此,增設(shè)該項(xiàng)內(nèi)容的目的是限制固體火箭大顆粒燃燒熔渣在LEO的排放,從而降低與航天器的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

(3)防碰撞要求。停留在GEO的航天器應(yīng)具備可重復(fù)的變軌機(jī)動(dòng)能力;對(duì)于具備可重復(fù)變軌機(jī)動(dòng)能力的航天器,應(yīng)設(shè)計(jì)成能夠主動(dòng)實(shí)施碰撞風(fēng)險(xiǎn)管理,并在運(yùn)行階段加以落實(shí);航天器在設(shè)計(jì)階段須完成遭受空間碎片或流星體碰撞導(dǎo)致解體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

背景:為了避免碰撞引起航天器解體,增加上述要求。考慮到運(yùn)載火箭留軌級(jí)一般有效運(yùn)行壽命較短,且不具備可重復(fù)變軌能力,因此未對(duì)其作防碰撞要求。

(4)成功處置概率要求。航天器或運(yùn)載火箭留軌級(jí)的成功處置概率0.9不再是條件概率,而是全概率。

背景:新要求加嚴(yán)了成功處置概率。主要背景是經(jīng)相關(guān)推演仿真,需要提高處置概率,才能有效延緩空間碎片增長(zhǎng),考慮到當(dāng)前各國(guó)的工業(yè)水平,已作一定程度的妥協(xié)。

跨文化學(xué)習(xí)是英語閱讀學(xué)習(xí)重要的一部分,隱喻與文化存在緊密的依存關(guān)系，不了解文化背景及中西文化差異，在英語閱讀及隱喻理解過程中就會(huì)出現(xiàn)歧義、誤解等現(xiàn)象。因此，在閱讀教學(xué)中樹立文化教學(xué)意識(shí)，傳授語言的同時(shí)同步傳授文化知識(shí)，將授課重點(diǎn)放在與作品相關(guān)的英語文化知識(shí)，包括宏觀的社會(huì)文化語境和微觀的具體情境語境知識(shí),指導(dǎo)學(xué)生對(duì)語境因素進(jìn)行分析,可以幫助學(xué)生準(zhǔn)確獲取隱喻意義,培養(yǎng)學(xué)生的跨文化習(xí)得能力及隱喻思維的形成。

(5)再入風(fēng)險(xiǎn)建議。明確建議空間碎片再入對(duì)地面人員構(gòu)成的傷亡風(fēng)險(xiǎn)上限值為10-4。

背景:空間碎片再入過程中,120km高度對(duì)應(yīng)位置可視為再入點(diǎn),并且一般會(huì)在80km高度附近解體。隨后,各碎片因面值比不同,墜地時(shí)距離再入點(diǎn)的射程也遠(yuǎn)近不同,一般在500～1200km范圍內(nèi)。大部分低密度材料可在墜落過程中燒毀,但仍有部分碎片仍然能夠在返回過程中幸存,對(duì)地面人員財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。當(dāng)碎片動(dòng)能超過15J時(shí),就被視為對(duì)人員有較大威脅。

新建議主要是為了加強(qiáng)對(duì)運(yùn)載火箭或航天器的再入風(fēng)險(xiǎn)管控。當(dāng)無控再入對(duì)應(yīng)的傷亡風(fēng)險(xiǎn)超過要求值,則需要改為受控再入,且受控再入的失效概率與傷亡概率的乘積不得超過傷亡風(fēng)險(xiǎn)上限值。目前,美、歐、日等航天界均采用該數(shù)值。

(6)變軌處置要求。不再允許將位于LEO內(nèi)的火箭或航天器升軌至LEO和GEO之間區(qū)域的處置方式。

背景:在空間碎片演化仿真時(shí),為確保在未來100年內(nèi)能有效控制空間碎片增長(zhǎng),停留或穿越LEO、GEO以及二者之間區(qū)域的所有空間物體均須滿足25年限制條件。因此,不再允許將軌道高度在1400～2000km之間的火箭留軌級(jí)或航天器從LEO抬升至2000km以上的處置做法。

需要說明的是,對(duì)于有變軌機(jī)動(dòng)能力的空間物體,其留軌壽命的起始點(diǎn)是主任務(wù)完成時(shí)刻,而非離軌操作結(jié)束時(shí)刻,這是為了避免將較長(zhǎng)離軌時(shí)間排除在留軌壽命之外。比如某衛(wèi)星采用氣動(dòng)增阻裝置進(jìn)行被動(dòng)離軌,其被動(dòng)離軌的時(shí)間應(yīng)算作留軌壽命的一部分。

3 我國(guó)現(xiàn)狀

(1)多星布局

目前,對(duì)于尺寸較大的衛(wèi)星,國(guó)內(nèi)現(xiàn)役運(yùn)載火箭在執(zhí)行一箭多星發(fā)射時(shí),往往不得不采用多星串聯(lián)布局。在星箭分離正常操作時(shí),可能需要釋放多個(gè)支承艙 (載荷艙)。

(2)固體發(fā)動(dòng)機(jī)熔渣問題

雖然目前固體火箭發(fā)射次數(shù)較少,且采用液體動(dòng)力進(jìn)行末修,發(fā)動(dòng)機(jī)工作段噴出的殘?jiān)灰欢苄纬闪糗壍目臻g碎片。但固體火箭末級(jí)關(guān)機(jī)入軌后,仍可能飄出一些較大顆粒的殘?jiān)纬煽臻g碎片。若入軌高度較高,則對(duì)太空環(huán)境影響較大。

(3)留軌壽命問題

目前,我國(guó)現(xiàn)役大中型液體運(yùn)載火箭不具備再次點(diǎn)火受控離軌能力。任務(wù)高度超過700km的LEO航天器則出于延長(zhǎng)使用壽命的目的,一般不進(jìn)行受控離軌操作。因此,對(duì)于700km以上LEO發(fā)射任務(wù),我國(guó)大部分火箭留軌級(jí)和航天器并不滿足25年留軌壽命的限制條件。

(4)航天器防碰撞問題

目前,我國(guó)已能進(jìn)行運(yùn)載火箭發(fā)射前的碰撞預(yù)警分析,航天器在運(yùn)行階段也能針對(duì)較大的空間碎片進(jìn)行防碰撞分析。哈工大發(fā)布的SDEEM2015空間碎片環(huán)境模型[6],可在航天器設(shè)計(jì)階段對(duì)空間碎片的碰撞風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和應(yīng)對(duì)。

(5)再入風(fēng)險(xiǎn)問題

由于對(duì)再入風(fēng)險(xiǎn)重視程度不夠,且缺少必要的再入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通用軟件,因此,在大部分的火箭末級(jí)和航天器研制過程中,欠缺為降低再入風(fēng)險(xiǎn)而調(diào)整設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。

在空間碎片再入預(yù)報(bào)方面,由于缺乏足夠及時(shí)的跟蹤數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確的臨近空間數(shù)據(jù)和精確的再入解體模型,無控再入預(yù)報(bào)的精度有待進(jìn)一步提高。

4 措施建議

(1)多星布局限制

為盡量避免分離載荷艙,對(duì)于微小衛(wèi)星的多星發(fā)射,鼓勵(lì)制定微小衛(wèi)星行業(yè)規(guī)范,對(duì)衛(wèi)星外形尺寸和接口形式作相應(yīng)約束,便于運(yùn)載火箭末級(jí)采用中央支撐筒并聯(lián)布局方式整合來自不同公司的多顆衛(wèi)星,參見圖4;對(duì)于來自同一家公司的大中型衛(wèi)星的一箭多星發(fā)射,建議采用衛(wèi)星自串聯(lián)布局方式,參見圖5。

圖4 衛(wèi)星并聯(lián)布局Fig.4 Satellite parallel layout

圖5 衛(wèi)星自串聯(lián)布局Fig.5 Satellite self-series layout

(2)小顆粒碎片限制

盡量減少爆炸螺栓/固體反推火箭火工品的使用,轉(zhuǎn)而采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、冷氣噴射、彈簧等實(shí)現(xiàn)低沖擊解鎖分離。對(duì)于固體火箭末級(jí),應(yīng)增加液體動(dòng)力末修段時(shí)長(zhǎng),確保工作段噴出的熔渣處于亞軌道;應(yīng)取消潛入式矢量噴管設(shè)計(jì),改用二次噴射等矢量控制技術(shù),避免末級(jí)自旋穩(wěn)定方式,大幅減少大顆粒熔渣數(shù)量;

(3)留軌壽命限制

加強(qiáng)對(duì)航天器設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段的留軌壽命評(píng)審和監(jiān)督。在設(shè)計(jì)階段,若航天器不具備離軌能力,則需將其運(yùn)行軌道的初始高度限制在600km以下;在運(yùn)行階段,若航天器剩余推進(jìn)劑達(dá)到離軌門限值,及時(shí)安排受控離軌。

為提高運(yùn)載火箭留軌級(jí)離軌能力,應(yīng)提高中大型液體推進(jìn)劑火箭推進(jìn)劑管理及再次點(diǎn)火、受控離軌能力;

對(duì)于無法控制熔渣尺寸和數(shù)量的固體運(yùn)載火箭,則應(yīng)限制其發(fā)射軌道,確保留軌壽命遠(yuǎn)小于25年限制。

對(duì)于目標(biāo)圓軌高度超過600km的衛(wèi)星發(fā)射任務(wù),若火箭末級(jí)無再次點(diǎn)火離軌能力,建議先由運(yùn)載火箭送入遠(yuǎn)地點(diǎn)為目標(biāo)軌道高度,近地點(diǎn)高度小于500km的橢圓轉(zhuǎn)移軌道,衛(wèi)星再自行變軌圓化。相比常規(guī)圓軌直接發(fā)射,采用橢圓發(fā)射新策略,一方面可大幅縮短火箭末級(jí)留軌壽命,甚至可以省去運(yùn)載末級(jí)的再次啟動(dòng),從而提高發(fā)射可靠度。另一方面可以大幅提高衛(wèi)星入軌質(zhì)量。以某型火箭為例,對(duì)于1100km SSO任務(wù),采用橢圓發(fā)射軌道后,衛(wèi)星入軌質(zhì)量可增大約30%,而末子級(jí)留軌壽命不足2年。衛(wèi)星可增加推進(jìn)劑攜帶量。新增的推進(jìn)劑除了可用于變軌圓化外,還可延長(zhǎng)運(yùn)行壽命,以及任務(wù)后的離軌處置。

(4)跟蹤監(jiān)視

對(duì)于正常運(yùn)行必須釋放的微小空間碎片,采用RCS雷達(dá)回波增強(qiáng)設(shè)計(jì),便于地面跟蹤。研發(fā)空間碎片監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)。提高空間碎片跟蹤監(jiān)視能力。

(5)再入風(fēng)險(xiǎn)

研發(fā)和推廣再入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件,運(yùn)載火箭留軌級(jí)和航天器采用再入生存率低材料和設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語

通過對(duì)比新舊版本的標(biāo)準(zhǔn),本文列出了主要變化內(nèi)容及其相應(yīng)的背景,并結(jié)合工程實(shí)際提出了若干建議。隨著航天商業(yè)化浪潮的到來,空間碎片減緩方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求將逐步提高,我國(guó)航天界需要未雨綢繆,以更嚴(yán)的規(guī)范進(jìn)行自我約束,加大相關(guān)技術(shù)研發(fā)力度,開發(fā)并推廣相關(guān)分析軟件,從而推動(dòng)碎片減緩技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,提高我國(guó)在空間碎片減緩方面的話語權(quán)。