《ISO 20893：航天系統(tǒng)
——運(yùn)載火箭 軌道級(jí)空間碎片減緩詳細(xì)要求》歷程回顧與解讀

唐明亮，古艷峰，王穎

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

1 引言

經(jīng)統(tǒng)計(jì)[1]，運(yùn)載火箭軌道級(jí)是目前空間碎片的主要來源之一。隨著商業(yè)航天逐漸成熟，全球每年運(yùn)載火箭發(fā)射次數(shù)也逐漸增多。為保護(hù)空間環(huán)境、維護(hù)人類太空開發(fā)的長期可持續(xù)性，國際社會(huì)對(duì)運(yùn)載火箭軌道級(jí)和在軌航天器的空間碎片減緩要求逐步趨嚴(yán)。在此趨勢(shì)下，專注于運(yùn)載火箭軌道級(jí)空間碎片減緩方面的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893：2021(E)《航天系統(tǒng)——運(yùn)載火箭軌道級(jí)空間碎片減緩詳細(xì)要求》(“Space systems—Detailed space debris mitigation requirements for launch vehicle orbital stages”)[2]應(yīng)運(yùn)而生。

2 研制歷程

2021年2月12日，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)正式發(fā)布了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893：2021(E)，以此作為ISO 24113：2019(E)[3]的一項(xiàng)重要支撐標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)研制歷程大致分為成功立項(xiàng)、范圍調(diào)整、穩(wěn)步推進(jìn)三個(gè)階段。

2.1 第一階段(成功立項(xiàng))

2013年5月，ISO/TC20/SC14莫斯科會(huì)議上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首次提出新提案《Space systems—The design requirements for residual propellants venting and effect evaluation of launch vehicle》，進(jìn)入新工作項(xiàng)目(PWI)階段。2014年5月的東京會(huì)議上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)各國代表意見修改形成《Space systems—Prevention of break-up of orbital launch stages》提案，在會(huì)議發(fā)布討論，提案獲得通過，被正式列為新工作項(xiàng)目，進(jìn)入新項(xiàng)目提案(NP)階段，并于2015年10月4日順利通過各成員國投票，正式立項(xiàng)，獲得ISO 20893標(biāo)準(zhǔn)號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)范圍主要涉及器箭分離后預(yù)防運(yùn)載火箭軌道級(jí)在軌解體，比如剩余推進(jìn)劑排放、高壓氣體釋放、電池和自毀裝置防爆等方面。

圖2 調(diào)整后ISO空間碎片標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架Fig.2 The ISO space debris standard development framework after adjustment

2.2 第二階段(范圍調(diào)整)

近年來，空間碎片減緩領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)框架體系在不斷調(diào)整中。2016年5月ISO/TC20/SC14北京會(huì)議通過了將空間碎片減緩國際標(biāo)準(zhǔn)按照運(yùn)載火箭和航天器分別整合的方案。根據(jù)決議，ISO 20893將整合原有ISO 16699“Space systems-Disposal of orbital launch stages”內(nèi)容。其中，ISO 16699標(biāo)準(zhǔn)聚焦于運(yùn)載火箭軌道級(jí)的離軌處置方面。整合后，ISO 20893全面支撐、細(xì)化頂層標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113相關(guān)要求[4]。具體范圍變?yōu)椋憾x詳細(xì)的空間碎片減緩要求和建議，以便有助于處在地球軌道的運(yùn)載火箭軌道級(jí)的設(shè)計(jì)與操作。主要涉及避免釋放空間碎片、預(yù)防在軌解體、離軌處置、安全再入等方面。

2.3 第三階段(穩(wěn)步推進(jìn))

ISO 20893從2017年3月擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域后重新立項(xiàng)。通過與法、日、德、英、美、俄、意等國際專家的充分溝通交流，歷經(jīng)委員會(huì)意見征詢草案(CDC)、委員會(huì)投票草案(CDV)、國際標(biāo)準(zhǔn)草案(DIS)、最終國際標(biāo)準(zhǔn)草案(FDIS)等階段征求意見、投票和修改完善，直至2021年2月最終正式發(fā)布。

在此期間，項(xiàng)目組以“凝聚共識(shí)、合理可行、適當(dāng)先進(jìn)”作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)上百條相關(guān)意見和建議進(jìn)行了相應(yīng)處置?？紤]到新一代空間站的建設(shè)和預(yù)防發(fā)射碰撞的現(xiàn)有能力，本標(biāo)準(zhǔn)增加了預(yù)防發(fā)射碰撞方面的要求。

3 主要內(nèi)容解讀

3.1 范圍

在目前國際標(biāo)準(zhǔn)體系中，ISO 24113是空間碎片減緩領(lǐng)域的頂層標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容涵蓋了運(yùn)載火箭和航天器設(shè)計(jì)和操作過程中避免釋放操作性碎片、避免在軌解體、離軌處置、安全再入等方面。

ISO 20893作為標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113的支撐性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合運(yùn)載火箭軌道級(jí)的具體情況和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其中涉及運(yùn)載火箭的相關(guān)要求進(jìn)行了細(xì)化。具體包括運(yùn)載火箭軌道級(jí)避免釋放操作性碎片，剩余推進(jìn)劑排放、壓力容器、電池和自毀裝置等鈍化措施，運(yùn)載火箭發(fā)射前空間碎片碰撞分析，軌道級(jí)任務(wù)后離軌處置、再入，任務(wù)規(guī)劃與文件記錄等方面，并對(duì)運(yùn)載火箭軌道級(jí)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出了相關(guān)建議。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)目錄(ISO網(wǎng)站預(yù)覽)Fig.3 Standard contents

3.2 軌道級(jí)及其數(shù)目

根據(jù)ISO 24113中3.13術(shù)語定義，作為運(yùn)載火箭產(chǎn)生推力且進(jìn)入軌道的完整模塊，均被稱為Launch vehicle orbital stage。雖然大部分運(yùn)載火箭只有最后一級(jí)能進(jìn)入軌道，但考慮到某些火箭可能需要加載上面級(jí)多次變軌，導(dǎo)致不止一個(gè)級(jí)段進(jìn)入軌道，因此，將Launch vehicle orbital stage翻譯為運(yùn)載火箭軌道級(jí)比運(yùn)載火箭末級(jí)更合適。

在避免釋放操作性空間碎片方面，本標(biāo)準(zhǔn)列出了常見的空間碎片形式。對(duì)于發(fā)射一個(gè)航天器但產(chǎn)生兩個(gè)軌道級(jí)的發(fā)射任務(wù)只允許一個(gè)軌道級(jí)留軌的規(guī)定，潛在要求其中一個(gè)軌道級(jí)必須主動(dòng)離軌。若該級(jí)段不具備離軌能力，則應(yīng)將其最終彈道設(shè)計(jì)為亞軌道。

3.3 預(yù)防在軌解體

在預(yù)防在軌解體方面，本標(biāo)準(zhǔn)提出了剩余推進(jìn)劑排放主要途徑。對(duì)于剩余推進(jìn)劑排放的兩項(xiàng)注釋，是為了避免混合比偏差或排放壓力梯度不合理而引發(fā)爆炸。對(duì)排放方向的建議則是為了增強(qiáng)軌道級(jí)的離軌效果，縮短其留軌壽命。本標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)范了壓力容器鈍化方式優(yōu)先級(jí)。文中提出壓力臨界值概念，旨在避免壓力容器在內(nèi)壓作用下因碰撞觸發(fā)解體，產(chǎn)生更多碎片。

3.4 預(yù)防發(fā)射碰撞

在預(yù)防發(fā)射碰撞方面，結(jié)合我國和美、俄、法、日等國運(yùn)載火箭發(fā)射前空間碎片碰撞分析的成功經(jīng)驗(yàn)和空間站安全需求，本標(biāo)準(zhǔn)明確了相關(guān)要求和推薦指標(biāo)。

3.5 離軌處置

在離軌處置方面，本標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)器箭雙方協(xié)調(diào)發(fā)射軌道參數(shù)，以便軌道級(jí)滿足處置要求。對(duì)于目標(biāo)圓軌高度超過600km的航天器發(fā)射任務(wù)，若運(yùn)載火箭軌道級(jí)缺乏主動(dòng)離軌能力，建議器箭雙方優(yōu)化發(fā)射軌道高度，先將航天器送入較低的停泊軌道并進(jìn)行檢查，再通過航天器自身變軌至目標(biāo)軌道。相比常規(guī)圓軌直接發(fā)射，該發(fā)射新策略一方面可大幅縮短火箭末級(jí)留軌壽命，甚至可以精簡運(yùn)載末級(jí)的再次啟動(dòng)，從而提高發(fā)射可靠度，另一方面還可提供器箭分離后的航天器狀態(tài)檢查機(jī)會(huì)，避免失效航天器進(jìn)入目標(biāo)軌道。另外，降低發(fā)射軌道高度，還可能提高航天器可用運(yùn)載能力，增加其推進(jìn)劑攜帶量，延長運(yùn)行壽命或離軌處置能力[5]。

與此同時(shí)，本標(biāo)準(zhǔn)明確否定了將軌道級(jí)近地點(diǎn)高度抬升至2000km以上高度的處置方案。因?yàn)樵诳臻g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，施加了停留或穿越低地軌道(LEO)、靜地軌道(GEO)以及二者之間區(qū)域的所有空間物體均須滿足25年的限制條件。

另外，本標(biāo)準(zhǔn)還給出了大橢圓軌道級(jí)離軌用推進(jìn)劑的設(shè)計(jì)原則，主要是考慮到大橢圓軌道受到日月攝動(dòng)影響較大，留軌壽命不確定度較高。本標(biāo)準(zhǔn)還明確了運(yùn)載火箭軌道級(jí)留軌壽命計(jì)算方法和再入操作標(biāo)準(zhǔn)程序。

3.6 安全再入

在再入方面，本標(biāo)準(zhǔn)鼓勵(lì)采用材料替換、優(yōu)化布局等消亡設(shè)計(jì)措施，并且允許受控再入過程對(duì)軌道級(jí)實(shí)施結(jié)構(gòu)自毀，以便更早形成更小碎片并充分燒蝕，進(jìn)一步降低碎片對(duì)地面人員的傷亡率。

4 建議措施

隨著全球運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)日益密集和空間碎片的迅速增多，國際社會(huì)出于對(duì)太空環(huán)境保護(hù)、太空長期可持續(xù)性的考慮，對(duì)空間碎片減緩要求日益嚴(yán)格。運(yùn)載火箭軌道級(jí)，特別是我國大型軌道級(jí)無控再入，常受到國際社會(huì)廣泛關(guān)注，甚至部分勢(shì)力趁機(jī)進(jìn)行惡意炒作。這一局面不利于我國樹立負(fù)責(zé)任航天強(qiáng)國的形象。為此，本文給出如下建議：

(1)國內(nèi)航天界，尤其是器箭雙方在進(jìn)行發(fā)射軌道高度優(yōu)化協(xié)調(diào)時(shí)，不僅應(yīng)考慮運(yùn)載能力，還應(yīng)考慮器箭的離軌處置能力；

(2)我國新研火箭應(yīng)盡可能采取主動(dòng)受控離軌措施；

(3)在發(fā)射低軌航天器時(shí)，可嘗試增設(shè)小型末級(jí)、合理選擇入軌參數(shù)等方式，以避免大型級(jí)段直接入軌；

(4)在大型軌道級(jí)或航天器再入事件宣傳報(bào)道方面，通過及時(shí)發(fā)布落區(qū)預(yù)報(bào)、地面?zhèn)雎史治鰯?shù)據(jù)和再入、解體、墜落視頻動(dòng)畫等相關(guān)信息，正面回應(yīng)國際社會(huì)的關(guān)注。

5 結(jié)語

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893旨在為各國在運(yùn)載火箭軌道級(jí)空間碎片減緩方面提供可行、規(guī)范的設(shè)計(jì)要求和參考，統(tǒng)一規(guī)范對(duì)空間環(huán)境的保護(hù)要求，將有助于全球航天產(chǎn)業(yè)相關(guān)活動(dòng)更加符合ISO 24113的頂層要求，以減少對(duì)空間保護(hù)區(qū)域的不利影響。

本文按照三個(gè)階段梳理了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893近八年的研制歷程，并對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)意義和主要內(nèi)容相關(guān)背景和深層次目的進(jìn)行了解讀，并且針對(duì)我國運(yùn)載火箭軌道級(jí)受控離軌和再入方面的現(xiàn)狀，提出了相關(guān)建議。希望上述歷程回顧與解讀有助于讀者對(duì)本標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的深入了解。