國外空間碎片清除最新發(fā)展

宋博 李侃 唐浩文（北京空間科技信息研究所）

1 空間碎片環(huán)境加速惡化，空間碎片主動清除勢在必行

空間碎片是人類探索和利用外層空間的產(chǎn)物，通常包含失效航天器、火箭體、剩余燃料及氣體、航天器材料、生活垃圾等。根據(jù)歐洲航天局（ESA）2020年底發(fā)布的信息，地球軌道上尺寸大于10cm的空間碎片超過3.4萬個，尺寸1～10cm的空間碎片超過90萬個，尺寸0.1～1cm的空間碎片約1.3億個。

近年來，人類空間活動顯著增加，低軌巨型星座井噴式發(fā)展，使在軌空間物體數(shù)量快速上升。截至2021年3月17日，全球共進(jìn)行了6039次航天發(fā)射，發(fā)射入軌航天器10750個。2020年全球發(fā)射航天器1278個，創(chuàng)歷史新高，約為2010年發(fā)射數(shù)量的10倍和2019年發(fā)射數(shù)量的3倍，其中，僅美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星就發(fā)射了833顆，未來計劃共發(fā)射42000顆。巨型星座普遍采用的小型衛(wèi)星由于入軌失敗率、運(yùn)行中失效率、不受控離軌率較高等原因，或?qū)⑹箍臻g碎片環(huán)境加速惡化。

另一方面，當(dāng)前航天器壽命末期鈍化等減緩要求的執(zhí)行情況不佳，且已實施減緩措施的航天器仍有可能發(fā)生解體或碰撞。例如，2021年3月10日美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的諾阿－17（NOAA－17）衛(wèi)星發(fā)生在軌解體，截至3月20日美國負(fù)責(zé)空間監(jiān)視的天軍第18空間控制中隊稱已跟蹤到16片較大的解體碎片。而NOAA曾公開表示，NOAA－17在退役前已進(jìn)行了減緩處理，包括星上蓄電池斷接和推進(jìn)劑貯箱泄壓等。

空間碎片環(huán)境日益惡化，使航天發(fā)射和在軌衛(wèi)星運(yùn)行安全受到愈發(fā)嚴(yán)重的威脅，空間碎片問題的嚴(yán)重性和治理的迫切性，已受到主要航天國家越來越多的重視。主動清除空間碎片，且優(yōu)先清除失效航天器和火箭箭體等大型碎片，成為越來越多國家的共識。

2 國際層面發(fā)展現(xiàn)狀

國際政策法規(guī)基本架構(gòu)初步建立，但在空間碎片清除方面仍存在制度性缺陷。目前，空間碎片治理相關(guān)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)主要是機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）頒布的《空間碎片減緩指南》、2019年聯(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS，簡稱聯(lián)合國外空委）新通過并發(fā)布的《外空活動長期可持續(xù)性指南》序言與21條準(zhǔn)則、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）通過的2019《空間系統(tǒng)—空間碎片減緩要求》，以及由我國主導(dǎo)制定并發(fā)布的ISO 20893《空間系統(tǒng)—運(yùn)載火箭軌道級空間碎片減緩詳細(xì)要求》等。

總體來看，現(xiàn)有國際層面的政策法規(guī)為建立空間環(huán)境保護(hù)和空間碎片減緩的基本構(gòu)架奠定了一定基礎(chǔ)，在實踐中促進(jìn)了空間活動的安全和秩序，但尚未建立起全面有效的空間碎片減緩政策法規(guī)體系，在空間環(huán)境治理，尤其是空間碎片清除方面尚存在制度性缺陷，主要表現(xiàn)在:一是現(xiàn)行空間法和條約未對“空間物體”“空間活動”等術(shù)語進(jìn)行準(zhǔn)確界定或充分說明，這對判斷實施空間碎片主動清除的合法性至關(guān)重要；二是現(xiàn)有國際政策標(biāo)準(zhǔn)不具有法律約束力，難以強(qiáng)制實施，比如《空間碎片減緩指南》的執(zhí)行情況并不理想，低軌衛(wèi)星按規(guī)定實施25年離軌的比例約為60%左右；三是現(xiàn)有國際政策標(biāo)準(zhǔn)對新情況的適應(yīng)性不足，如低軌空間物體25年內(nèi)離軌的要求已經(jīng)難以適合當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)量數(shù)以萬計的巨型星座的爆發(fā)式發(fā)展新態(tài)勢；四是違反相關(guān)規(guī)定的國家責(zé)任難以落實，比如一國實施空間碎片清除如果損害了他國利益必須給予賠償，但多數(shù)情況下難以證明某個特定行為的主體是誰、且證明該行為造成了特定損害。

聯(lián)合國外空委2019年發(fā)布的《外空活動長期可持續(xù)性指南》序言和21條準(zhǔn)則中有關(guān)條款，是國際社會達(dá)成的最新共識。其中，涉及空間碎片減緩的條款主要包括：準(zhǔn)則B.1：提供最新聯(lián)系信息并分享關(guān)于空間物體和軌道事件的信息；準(zhǔn)則B.2：改進(jìn)空間物體軌道數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并加強(qiáng)空間物體軌道數(shù)據(jù)分享實踐和效用；準(zhǔn)則B.3：推動收集、分享和傳播空間碎片監(jiān)測信息；準(zhǔn)則B.4：在受控飛行所有各軌道階段期間進(jìn)行交會評估；準(zhǔn)則B.5：擬訂發(fā)射前交會評估務(wù)實做法；準(zhǔn)則B.8：不考慮其物理和操作特點對空間物體的設(shè)計和操作；準(zhǔn)則B.9：采取化解空間物體失控再入大氣層相關(guān)風(fēng)險的措施；準(zhǔn)則B.10：在使用穿越外層空間的激光束光源時遵守防范措施。

3 國外發(fā)展現(xiàn)狀與最新動向

美國

（1）國內(nèi)政策標(biāo)準(zhǔn)體系初步建成，將空間碎片治理上升到國家層面頂層指導(dǎo)綜合施策

美國對空間碎片治理高度重視，上升到國家層面，在《國家空間政策》中明確提出要實施空間碎片減緩，并發(fā)布《國家空間交通管理政策》《美國軌道碎片研究與發(fā)展計劃》等文件，在其指導(dǎo)下形成并及時調(diào)整《美國政府軌道碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)實踐》《限制軌道碎片程序標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)規(guī)范領(lǐng)域發(fā)展。

《國家空間政策》發(fā)布于2020年12月9日，從頂層提出空間碎片治理的基本方針和重點方向：一是繼續(xù)主導(dǎo)制定并推動采納國際和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與政策，繼續(xù)提供空間態(tài)勢感知基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基本的空間交通協(xié)調(diào)；二是遵循并定期更新《美國政府軌道碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)實踐》，在航天器采購和運(yùn)行、發(fā)射服務(wù)、在軌試驗和實驗期間，在符合任務(wù)要求和考慮效費比情況下，限制產(chǎn)生新的碎片；三是加強(qiáng)技術(shù)和方法研發(fā)，更好地掌握軌道碎片特性、減緩風(fēng)險、消除危害，增進(jìn)對當(dāng)前與未來碎片環(huán)境的了解；四是與盟友和伙伴協(xié)調(diào)，評估和發(fā)展空間碎片主動清除能力，作為長期保證關(guān)鍵軌道區(qū)域飛行安全的潛在方法。

《國家空間交通管理政策》著眼太空領(lǐng)導(dǎo)地位和太空國際規(guī)則主導(dǎo)權(quán)，聚焦空間交通管理提出發(fā)展目標(biāo)和舉措。

《美國軌道碎片研究與發(fā)展計劃》為限制/跟蹤/表征和清除空間碎片提供具體指導(dǎo)，明確了軌道碎片風(fēng)險管理的基本要素和優(yōu)先事項。

（2）將空間碎片清除納入在軌服務(wù)體系，制定遠(yuǎn)期愿景與規(guī)劃

鑒于空間碎片清除與在軌服務(wù)在目標(biāo)抓捕與精細(xì)操控、高效軌道轉(zhuǎn)移等方面具有很多共性技術(shù)，美國未將空間碎片清除單獨制定發(fā)展規(guī)劃，而是將其納入在軌服務(wù)大體系，作為在軌服務(wù)的初級階段，開展相關(guān)體系設(shè)計和規(guī)劃設(shè)想。

早在2007年末，即“軌道快車”（Orbital Express）計劃成功實施、影響空前的時候，美國即與多國專家圍繞在軌服務(wù)體系架構(gòu)、未來前景進(jìn)行了研討，在綜合考慮政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件下，結(jié)合能力差距和可行性分析，形成了在軌服務(wù)應(yīng)用前景路線圖。近期，重點以衛(wèi)星輔助入軌與離軌（含空間碎片離軌清除）、故障檢查等應(yīng)用場景為主；中遠(yuǎn)期，在軌服務(wù)對象擴(kuò)展到高中低軌道的各類衛(wèi)星，甚至月球軌道和火星軌道上的衛(wèi)星，執(zhí)行輔助入軌/離軌（含空間碎片離軌清除）、故障檢查與維修、多用途燃料補(bǔ)加器、燃料庫、零件庫建設(shè)等多種任務(wù)。

2012年，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布《空間技術(shù)路線圖與優(yōu)先級》，面向2035年明確航天技術(shù)發(fā)展路線圖，將在軌組裝、模塊更換、維修、地球靜止軌道（GEO）自主燃料加注與重定位（含GEO軌道碎片離軌）等自主在軌服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)明確列入第四技術(shù)領(lǐng)域。

從2009年開始，美軍把在軌服務(wù)正式列入任務(wù)領(lǐng)域，在《聯(lián)合條令：空間作戰(zhàn)》（JP3－14）等條令中均明確將在軌服務(wù)作為保障美軍軍事航天裝備穩(wěn)定運(yùn)行和應(yīng)急重構(gòu)增強(qiáng)的重要作戰(zhàn)任務(wù)之一，將相關(guān)技術(shù)作為軍事航天領(lǐng)域未來10～35年科技研發(fā)重點。

目前，軍、民在軌服務(wù)項目分別在美國國防高級研究計劃局（DARPA）和NASA主導(dǎo)下形成了一定技術(shù)基礎(chǔ)，并大力推進(jìn)新項目。2020年11月，NASA牽頭帶領(lǐng)國防部和情報界開展“在軌服務(wù)、裝配與制造任務(wù)”（OSAM）國家計劃。2021年2月5日，DARPA提出“新型軌道與月球制造、材料和質(zhì)量效率設(shè)計”（NOM4D）項目，計劃開拓適應(yīng)性、離地制造技術(shù)，以及生產(chǎn)大型空間和月球結(jié)構(gòu)。

（3）廣泛開展空間碎片主動清除概念技術(shù)研發(fā)，對接捕獲與延壽系統(tǒng)率先實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用

美國在空間碎片機(jī)械臂抓捕、天基激光驅(qū)離、電動系繩離軌等技術(shù)領(lǐng)域已開展了長期研究。當(dāng)前軍、民雙線推動，按前沿技術(shù)攻關(guān)和工程應(yīng)用兩條主線分別發(fā)展：一是瞄準(zhǔn)技術(shù)難度大、具有綜合性在軌服務(wù)應(yīng)用能力的雙/多臂精細(xì)操控機(jī)器人技術(shù)，以軍為主、軍商合作推進(jìn)技術(shù)完善和在軌演示驗證；二是采用商業(yè)化模式，利用成熟技術(shù)發(fā)展具有市場前景的衛(wèi)星延壽應(yīng)用系統(tǒng)。

1）“任務(wù)拓展飛行器”（MEV）系列。MEV－1已于2019年10月9日發(fā)射升空，入軌并接近國際通信衛(wèi)星－901（IntelSat－901）后，伸出對接機(jī)構(gòu)進(jìn)入其發(fā)動機(jī)噴管，將自身和IntelSat－901衛(wèi)星連接到一起。2020年2月25日，MEV－1與IntelSat－901在墳?zāi)管壍劳瓿蓪?，為其延?年。

MEV－1連接在客戶衛(wèi)星上，為其延長使用壽命（來源：Nathan Koga/SpaceFlight Insider）

2020年8月15日，MEV－2衛(wèi)星發(fā)射升空，將與Intelsat－10－02衛(wèi)星在GEO軌道對接后，提供類似延壽服務(wù)。

諾格公司（NG）目前正在研制MEV系列航天器的升級型號—“任務(wù)機(jī)器人飛行器”（MRV），將配備空間機(jī)械臂和10～12個“任務(wù)擴(kuò)展箱”。

2）“地球同步軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（RSGS）系統(tǒng)。RSGS是DARPA在2016年5月啟動的GEO軌道在軌服務(wù)試驗項目，計劃研制能夠執(zhí)行衛(wèi)星抓捕變軌、檢測修理、載荷更換、附著小衛(wèi)星安裝等多項任務(wù)的“自主服務(wù)航天器”（RSV）。該項目衍生于DARPA的“鳳凰”（SETI）計劃，主要目標(biāo)是為GEO軌道目標(biāo)提供精細(xì)操控能力。RSGS將開展6～9個月的在軌演示試驗，隨后為商業(yè)和政府客戶衛(wèi)星提供有償?shù)纳虡I(yè)在軌服務(wù)。

“自主服務(wù)航天器”示意圖（來源：DARPA）

DARPA將通過政府和社會資本合作（PPP）方式推進(jìn)項目，海軍研究實驗室（NRL）負(fù)責(zé)提供2個“近期能驗證的前端機(jī)器人”（FREND）機(jī)械臂，太空后勤公司（SL）負(fù)責(zé)研制平臺和發(fā)射衛(wèi)星，并在演示試驗完成后繼續(xù)開展商業(yè)服務(wù)。

歐洲

在政策法規(guī)方面，歐盟通過了《歐盟外空行為準(zhǔn)則》，并以此為基礎(chǔ)試圖在聯(lián)合國通過《外空活動國際行為準(zhǔn)則》。2021年初，歐盟在“地平線2020”（Horizon2020）框架下立項空間交通管理規(guī)則框架研究項目，并積極在聯(lián)合國外空委以及國際宇航科學(xué)院等多個平臺牽頭制定相關(guān)國際規(guī)則。

在發(fā)展模式方面，歐洲著眼快速應(yīng)用，采用政府購買商業(yè)服務(wù)并向商業(yè)公司提供空間碎片清除相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的模式，推動空間碎片清除相關(guān)技術(shù)發(fā)展，并通過在軌演示驗證快速向應(yīng)用轉(zhuǎn)化。歐洲已率先通過“碎片清除”項目開展了飛網(wǎng)、飛矛捕獲空間碎片技術(shù)的在軌演示驗證，計劃2025年發(fā)射全球首個實用性空間碎片主動清除系統(tǒng)清潔太空－1衛(wèi)星。

（1）“碎片清除”系統(tǒng)

歐洲“碎片清除”（RemoveDEBRIS）任務(wù)于2013年10月正式啟動，旨在探索多種軌道碎片捕獲、清除技術(shù)。2018年9月，歐洲發(fā)射“碎片清除”系統(tǒng)，隨后將立方體衛(wèi)星用作人造“空間碎片”目標(biāo)，成功開展了世界首次真實太空環(huán)境下飛網(wǎng)抓捕、飛矛穿刺、運(yùn)動跟蹤、拖曳帆離軌等多項空間碎片清除關(guān)鍵技術(shù)驗證試驗。

“碎片清除”網(wǎng)捕試驗示意（來源：ESA）

（2）“清潔太空”系統(tǒng)

2020年12月，ESA宣布正式與瑞士清潔太空公司（ClearSpace）簽署了價值8600萬歐元的合同，用于研制清潔太空－1（ClearSpace－1）衛(wèi)星，并為后者提供關(guān)鍵的專業(yè)知識。

清潔太空－1衛(wèi)星將是歐洲首個實用性空間碎片主動清除系統(tǒng)，計劃2025年發(fā)射。該項目是2012年ESA“歐洲離軌”（e.Deorbit）任務(wù)的后續(xù)，“歐洲離軌”任務(wù)航天器原計劃于2023年發(fā)射，計劃在低軌開展主動碎片移除任務(wù)，目標(biāo)為已失效的“歐洲環(huán)境衛(wèi)星”（Envisat），捕獲方式采用網(wǎng)捕方案。后因技術(shù)難度過高，任務(wù)于2018年12月取消，并重新啟動了“清潔太空”計劃，擬清除的碎片目標(biāo)更換為質(zhì)量為112kg、軌道高度約800km的“織女星”（Vega）火箭二級有效載荷適配器（Vespa）。

清潔太空－1衛(wèi)星將利用搭載的4個機(jī)械臂抓捕裝置完成對目標(biāo)的抓捕操作。同時項目團(tuán)隊也在研究采用飛網(wǎng)抓捕的替代方案。

清潔太空－1衛(wèi)星示意（來源：ClearSpace）

日本

在政策法規(guī)方面，日本在2020年發(fā)布的新版《宇宙基本計劃》中特別指出空間碎片已對日本持續(xù)、穩(wěn)定利用空間構(gòu)成嚴(yán)重威脅，提出將建立日本空間碎片防護(hù)制度、參與相關(guān)國際規(guī)則制定，并研制空間碎片清除衛(wèi)星。

在發(fā)展模式方面，日本采用公私合作、分步發(fā)展方式，先期利用技術(shù)難度較小的磁吸對接方式，先于美、歐開展了全球首次空間碎片對接捕獲與離軌演示試驗，于2021年3月22日成功發(fā)射“空間尺度壽命末期服務(wù)-演示驗證”（ELSA-d）系統(tǒng)。同時還在開展天基激光清除空間碎片技術(shù)研究，計劃近期在空間站開展試驗。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）2017年發(fā)布公告，針對軌道高度700～1000km的大型空間碎片征集清除系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)方案，以及商業(yè)化可行性方案，計劃10年內(nèi)以低成本完成系統(tǒng)研發(fā)并商業(yè)化。計劃2023年前發(fā)射一顆演示衛(wèi)星，逼近日本H－2A火箭上面級，2026年完成對接和離軌。現(xiàn)已成功發(fā)射ELSA-d演示驗證系統(tǒng)，開展階段性工作。

ELSA-d是空間尺度公司（Astroscale）開展的空間碎片主動清除技術(shù)演示驗證項目，該公司由日本人岡田光信于2013年在新加坡創(chuàng)立，總部位于日本東京。ELSA-d重點演示驗證低軌空間碎片交會、對接、離軌等技術(shù)，為后續(xù)發(fā)展實用性空間碎片主動清除系統(tǒng)積累技術(shù)和經(jīng)驗。ELSA-d將是全球首個在真實空間環(huán)境下實施的空間碎片搜索-交會-對接-離軌全過程演示驗證任務(wù)，標(biāo)志著空間碎片主動清除向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步。

正在進(jìn)行測試的ELSA-d系統(tǒng)（來源：Astroscale）

ELSA-d由2個航天器組成，即“清除航天器”和用于模擬空間碎片的“目標(biāo)航天器”，二者連接在一起發(fā)射進(jìn)入高度約550km的低地球軌道（LEO）。

未來，空間尺度公司將與JAXA合作，開展日本H-2A火箭上面級的第一階段任務(wù)—“空間尺度主動碎片清除”（ADRAS），計劃2022年底發(fā)射任務(wù)航天器。

俄羅斯

俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)委員會（RNSC）于2018年9月通過了用于控制空間碎片的《關(guān)于限制航天器在近地空間造成人為污染的一般要求》國家標(biāo)準(zhǔn)，并提出首個“銀河”（Milky Way）天基空間碎片監(jiān)測與清除綜合系統(tǒng)發(fā)展計劃。

2020年1月，俄羅斯航天國家集團(tuán)（Roskosmos）宣布將建立用于跟蹤空間碎片的“銀河”近地空間危險情況預(yù)警天基系統(tǒng)。該系統(tǒng)將由6顆衛(wèi)星組成，首期發(fā)展4顆衛(wèi)星，2顆用于近地空間監(jiān)測，2顆用于航天器監(jiān)視。后續(xù)“銀河”系統(tǒng)還將加入2個碎片清除航天器，將高風(fēng)險空間碎片清除或改變其軌道?！般y河”系統(tǒng)計劃采用人工智能技術(shù)，使每天測量次數(shù)增加5倍，達(dá)到100萬次/天，顯著降低在軌碰撞虛警概率。俄羅斯計劃2027年發(fā)射“銀河”首星。

4 結(jié)束語

空間碎片清除已成為確?？臻g可持續(xù)發(fā)展的必要手段之一。美、歐、日等主要航天國家和地區(qū)已瞄準(zhǔn)空間碎片清除開展了一系列研究，目前著力針對尺寸較大的空間碎片開展在軌試驗驗證，將于未來3～5年邁向工程應(yīng)用。此外，空間碎片清除面臨的一些國際法律、規(guī)則等問題須在全球框架下解決，開展相關(guān)實踐是主導(dǎo)和參與空間治理相關(guān)國際規(guī)則制定工作的基礎(chǔ)和前提。