张世杰 段晨阳 苏杭
自1957年人类发射第一颗人造地球卫星以来,航天事业取得了巨大的成就,世界各国已通过5000余次发射活动将6500余颗各类型航天器送入轨道,并广泛应用于农业、林业、水利、资源、城市管理、环境保护、防灾减灾、应急救援以及军事斗争等领域,取得了显著经济和社会效益,国民经济建设和国家安全对卫星的依赖性不断增强.随着航天活动的日益频繁,空间呈现出“公地悲剧”的特征[1−2],空间安全问题日益突出,特别是空间环境恶化、空间资源稀缺以及空间武器化威胁,严重威胁着在轨航天器的安全运行,由于自然或人为因素导致的空间环境恶化严重制约了人类空间技术的可持续发展,人类进军太空不知不觉中又走上了“先污染、后治理”的老路.
空间安全问题涉及空间环境、资源与安全问题,是“自然”与“人为”因素的相互交织.空间竞争使得航天器面临来自空间碎片之外的人为威胁,反卫星技术试验产生了大量空间碎片,进一步恶化空间碎片环境,“自然”与“人为”因素的相互交织使得空间安全问题日益复杂化.“自然”特征的问题可以通过技术发展来解决,而“人为”特征问题涉及国际政治斗争,是一个比较难以解决的问题.但需要注意的是,空间资源是人类的共同财富,任何一个参与国在空间的行动都会对轨道环境和所有其他空间参与国的活动造成影响.建立空间环境的稳定性和可持续性,确保所有国家的共同利益继续探索并利用空间,是对世界各国都有益的事情.
为合理利用和保护有限的空间资源,缓解空间各类安全威胁,本文将综述空间自然环境和人为安全威胁等对航天活动的影响及减缓措施,以期为我国制定空间主被动安全威胁缓建策略,确保空间活动可持续发展提供参考.
空间凝聚着巨大的国家利益,空间安全的重要性随之日益凸显.空间安全是指“空间系统可自由、安全地往返太空并在其中运行,不受或有能力预防和保护空间系统免遭自然或人为因素的干扰和破坏”[3].根据其来源和性质,可将空间安全威胁分为两类:一类源于自然环境因素,如空间碎片威胁;另一类则来自人为威慑和威胁,如反卫星武器等.
航天器数量与日俱增,空间碎片的不断产生对有限的轨道资源构成了严重损害.由于空间碎片与航天器的平均撞击速度约10km/s,具有很大的破坏力,尤其是当某一轨道高度的碎片密度达到一个临界密度时,有可能产生“雪崩”效应,数量急剧增加,将会造成轨道资源的永久性破坏[4].
近30年来,随着空间碎片数量的剧增,空间碎片造成的事故和灾难屡见不鲜.2009年2月,美国卫星Iridium33和俄罗斯卫星Kosmos2251发生碰撞,这是人类航天史上首次发生空间卫星相撞事故,且事故发生在卫星最为稠密的太阳同步轨道,凸显了低轨空间碎片环境恶化的严峻状况[4].
已有研究表明目前碎片比较集中在轨道资源为太阳同步轨道和地球静止轨道(见图1),2009年的美俄卫星相撞事件也印证了低地球轨道日益严峻的空间碎片威胁.尤其是近年来随着微纳卫星的蓬勃发展,每年一百多颗微纳卫星发射入轨,Google公司更是提出要发射4000颗纳卫星构成的低轨互联网星座,尤其是这些微纳卫星并不具备轨道机动能力,失效后只能任由其自然衰减坠毁大气层,但这个过程随轨道高度增大需要数十年或更长时间,使日益严峻的低轨空间碎片环境雪上加霜.
图1 地球轨道的空间碎片[5]
地球静止轨道状况并没有更好一些.由于地球静止轨道的唯一性和特殊性,轨位成为一种稀缺资源.当前,地静止轨道上充满了通信、中继、气象等各种类型的上千颗卫星,而且每年还在以大约二、三十颗的速度增长(见图2).地球静止轨道的拥挤状况已经引起许多空间机构的关注,一方面,重视拥挤状况造成卫星之间发生物理碰撞的潜在危险,以及无线电频率相同或者相近造成无线电信号干扰;另一方面,静止轨道空间碎片没有消减因素,会持续存在下去,如果不加以处置,不仅会对航天器造成威胁,而且会占用稀有的轨道资源和定点位置,因此,必须采取相应措施,减缓空间碎片增长速度.
2002年,由机构间空间碎片协调委员会(IADC)制定并通过的《空间碎片减缓指南》明确指出针对地球静止轨道物体设置弃置区和末期处置,在轨运行航天器的推进剂量临界推离要求时,要及时终止空间系统运行,实施钝化、离轨,将卫星推入“坟墓轨道”.然而,仍有不少地球静止轨道卫星因来不及进行钝化、离轨等处理而失效,不再具备变轨能力.由于受地球摄动影响,轨道会脱离原轨道,而后可能会某个时候回位,碰撞现有卫星而造成灾难.
图2 GEO轨道物体分布状况[6]
除了空间碎片、退役废弃卫星外,正常运行的卫星也首次发生突然失去控制、威胁其他在轨航天器的事故.2010年4月5日,国际通信卫星公司(INTELSAT)所属的银河-15通信卫星与地面失去联系,但卫星转播信号功能正常,不影响其转发器天线指向地球和太阳翼指向太阳的能力,因而能够继续接收和传送信号[7].地面人员无法关闭其通信有效载荷或进行轨道保持控制.银河-15卫星沿着地球静止轨道带向东缓慢漂移,可能会对美国通信卫星-11的广播造成干扰,并将在接下来的时间里经过其他卫星,沿途可能造成更多干扰(见图3).2011年2月银河15卫星才恢复正常并重新定点原来轨位.
图3 银河-15卫星无线电信号干扰示意图
更重要的是,由于静止轨道空间碎片没有消减因素,会持续存在下去,且当前人类并没有针对静止轨道空间碎片进行主动离轨操作的工程能力,使得地球静止轨道资源更为稀缺,影响这一宝贵资源的可持续利用,并给正常运行的地球静止轨道卫星带来碰撞威胁.
由于人类活动对空间系统的依赖日益增强,发展反卫星武器和开展卫星攻防技术战略研究成为各国开展空间竞争的重点,并由此引发了严重的空间安全问题.正因如此,即使面临国际社会的强烈反对,美国依然态度强硬地宣布“美国有权自卫,保护国家太空利益,并能够阻止对手使用敌对太空能力”[8].
反卫星试验摧毁卫星过程中产生大量空间碎片,对空间环境造成明显和长期的冲击,是空间碎片的第二大来源.由于反卫星所产生的碎片最终将集中在相同的区域,这必然加剧被摧毁卫星所在轨道高度的碎片问题.美国、俄罗斯和中国都曾用这种方法销毁废弃卫星.苏联在20世纪70、80年代的ASAT销毁了一颗卫星,产生了700多块大碎片,其中的300块至今仍留在轨道上.美国在1985年9月也进行了一次ASAT试验,这次试验产生的最后一片碎片直到2004年才从轨道上消失[9].中国在2007年1月试验了利用动能ASAT摧毁老化卫星,增加了约2000个碎片,使碎片总数增加了35%.
“自然”与“人为”因素的相互交织使得空间安全问题及其缓解日益复杂化.国际社会已对正常空间活动制定了碎片清除指南,但在试验或使用武器摧毁在轨卫星方面还没有法律约束.摧毁卫星时会产生大量碎片,如何规范这类行动应该优先考虑.中国将在坚持和平开发利用太空的原则上,与国际社会通力合作,继续反对太空武器化和太空军备竞赛.
减缓空间自然危害,尤其是空间碎片危害,保护在轨航天器正常运行的对策主要有3类:轨道规避、碎片防护和环境控制.
由于大、中等空间碎片动量很大,任何航天器与其撞击都将产生毁灭性的破坏后果.因此任何防护措施都是徒劳的,唯一有效的方法就是对这些大、中等空间碎片进行规避.对于毫米级和微米级的小空间碎片,由于体积太小并且数量太多,无法对其进行测量,进而实施机动策略躲避其撞击,只能采取对航天器进行防护设计的方法提高自身的抗撞击能力,提高在轨生存能力.
当前,世界各航天国家在空间碎片减缓方面都做出了巨大的努力,制定并通过了《空间碎片减缓指南》.指南要求停止人为太空爆炸、杜绝太空抛物、对废弃运载工具及航天器进行钝化和消能处理等,大大减缓了空间碎片的增长速度.但正如Kessler于1978年所预言,由于空间碎片的持续增多,在数量达到一定程度后,空间碎片将发生联级碰撞效应,使空间碎片的数量急剧增加[10],即所谓的凯斯勒现象(Kessler syndrome).NASA(National Aeronautics and Space Administration)的研究显示目前所有的空间碎片减缓措施虽然能够减少空间碎片的产生,但是不足以保持空间碎片环境的稳定,如果不采取主动措施,未来70年内LEO轨道内的空间碎片将达到超临界状态,发生空间物体之间的级联碰撞反应[11].如果开展空间碎片主动清除,则能大大遏制空间碎片级数增长,保障空间碎片环境的稳定性[12].
垃圾是放错地方的资源.由于传统卫星都是一次使用的,缺乏可维修的设计,发射后一旦任何子系统出现故障或者燃料耗尽都将导致整个系统丧失功能,成为一类空间垃圾.报废卫星虽然整星失去功能,但通过在轨加注燃料、模块更换或升级等技术途径和措施可以恢复卫星功能,或者重用某些高价值组部件,如大型天线、光电探测设备等.目前遗弃在地球静止轨道附近有大量报废卫星,是一个亟待开发的太空宝库,可通过卫星延寿和组部件重用降低空间碎片数量.
如前所述,对于大于10cm的空间碎片撞击任何航天器都将产生毁灭性的破坏后果,不但使航天器受到损失,还会产生体积更小的空间碎片,任何防护措施都是徒劳的,唯有规避.国际空间站是目前建造的最大航天器,因此受空间碎片威胁也最大.截至2014年底,国际空间站共进行了19次针对空间碎片的规避机动[13],仅2014年就进行了3次机动规避.
目前只能监视那些体积大于10cm左右的空间物体,无法对毫米级和微米级的小空间碎片进行测量监测,只能采取对航天器进行防护设计的方法提高自身的抗撞击能力.微小碎片防护结构通常采用防护屏[14],其基本原理为:受碎片超高速撞击缓冲屏所形成冲击波的作用,碎片和缓冲屏破碎、熔化甚至气化,在防护屏后面形成包含碎片材料和缓冲屏材料的碎片云,会在缓冲屏后墙形成面积很大的损伤区域,将空间碎片撞击由点能源变成面能源,降低了对后墙的损伤.目前已应用于“和平号”空间站、国际空间站、航天飞机、重要卫星等航天器.
减缓空间碎片及其危害的措施主要包括预防和治理.在预防方面,目前已形成并应用了多种钝化或离轨方案.在治理方面,形成了多种主动清除或在轨资源再应用的方案.在轨资源再利用是指针对报废卫星,通过在轨加注燃料、模块更换或升级等技术途径,恢复卫星或部分高价值组部件的功能,从而降低空间碎片数量.
毋庸置疑,空间碎片的主动清除相比于空间碎片的自然消减,在维持太空可持续发展方面是更为有效的手段.尤其是对于静止轨道空间碎片的消减,只能采用主动清理技术.另外,由于大部分空间碎片主动清理技术能够直接用于空间攻防和反卫星任务,引起了世界各国航天机构的极大关注,提出了许多创新的碎片清除概念,部分空间碎片方法正由概念设想逐步走向工程应用.
2.2.1 捕获式清除方法
使用捕获方式进行空间碎片清除是最早应用的技术,美国通过航天飞机进行过多次航天员捕捉、回收卫星行动.近年来,捕捉方式开始逐步转向自主在轨捕获模式,依据采用的捕获方式不同,分别提出了包括机械手[15−17]、抛射网[18−20]和太空鱼叉[21]、太空辅助离轨[22−24]等多种解决方案(见图4∼7).
图4 机械手抓取空间目标[16]
图5 空间垃圾围捕低地球轨道修复(Rustler)在轨效果图
图6 太空鱼叉
图7 太空牧羊犬
上述各种方法主要针对大型空间碎片,需要对空间目标进行识别、定位和捕获,且只能应用于一个或少量几个废弃卫星或大型空间碎片的清除.而对于中、小型空间碎片,上述方法工程上不可行,经济成本上不划算.为此,不同研究机构提出了磁网[25]、胶合成垃圾回收轨道球(Astros)粘性球(见图8)等面向中、小型空间碎片清除方法.
图8 Astros粘性球在轨效果图[26]
2.2.2 增阻主动清除方法
低轨空间碎片由于受稀薄大气阻力的影响,或早或晚会再入大气层烧毁,但对于轨道较高的空间碎片会需要数十年时间才能离轨,需要通过增加阻力的办法缩短空间碎片的滞空时间.与花费高额的太空垃圾回收费用相比,对于新研制的低轨卫星可增加无动力离轨装置,从源头上避免产生空间垃圾.无动力离轨装置的基本原理是将轨道能量加速转换为热能(如大气阻力[27]),或者电能(如电动力系绳,见图9),使轨道高度逐步衰减.
图9 电动力绳系离轨[28]
上述各种方法主要针对大型空间碎片或新研制卫星.而对于已在轨的中、小型空间碎片并不适用.为此,不同研究机构提出了太空雾[29](见图10)、空间碎片清除(SpaDE)“脉冲”空气炮[30](见图11)等面向中、小型空间碎片清除方法,基本思路是增加空间碎片运行轨道上的阻力,缩短滞空时间,加速其离轨.
2.2.3 激光主动清除方法
使用激光清除空间碎片根据效果可分为烧灼和推进.其中烧灼是利用强大的连续波激光照射碎片,使其温度升高直至升华,实现碎片的清除;推进是利用高能脉冲激光束照射碎片表面,产生类似于火箭推进的“热物质射流”,为碎片提供一定的速度增量来降低近地点高度,达到缩短碎片轨道寿命的目的.激光清除太空垃圾可采用不同的平台,包括地基激光清除和天基激光清除,如图12和13所示.
图10 太空雾工作效果图[29]
图11 空气炮工作效果图
图12 地基激光清除示意图[31]
一般情况下,卫星被发射到轨道上,燃料耗尽或发生故障后就会被弃用.造成资源的大量浪费,而且还将成为太空垃圾.许多被弃用的卫星本身功能完好,若能够从报废的卫星中获取有价值的零部件,通过更换零件、添加燃料等方式对即将退役或报废的卫星延寿,将能够降低制造新卫星的成本,减少废旧航天器的数量.
在整星重利用方面,施浒立等探索了退役同步通信卫星的再利用问题[33],把退役同步通信卫星演变为小倾角同步倾斜轨道卫星,并用于无源卫星导航,实现寿命末期同步通信卫星的再利用.在有重要价值组部件再利用方面,美国于2011年启动“凤凰计划”,该项目旨在研发并展示从太空中退役、不运转的卫星上获取并重新利用有价值零部件的技术,以及显示以大幅降低的成本制造新太空系统的能力[34],如图14所示.
图14 “凤凰计划”之卫星在轨工作效果图
进入新世纪以来,世界主要大国无不把太空视为增强国家综合实力和提高军事战略能力的重要依托,纷纷制定和调整国家太空战略,“空间信息化、空间武器化、空间战场化”趋势明显,太空资产与生俱来的一个缺点就是对物理和非物理攻击具有相当的脆弱性,由此引发了严重的人为安全问题.
为应对日益严峻的空间人为安全威胁,一方面应呼吁国际社会共同关注太空安全,反对太空武器化和太空军备竞赛.另一方面,在空间系统构建时采取有限防护的原则,即防护的目的在于提高空间系统在受到攻击后的生存概率及恢复或重建速度,并增加敌方攻击的技术难度和经济成本.
2013年,美空军航天司令部发布《弹性与分散式空间系统体系结构》白皮书[35−36],白皮书认为,分散式空间系统体系结构是提高空间系统弹性的重要途径.“分散式空间系统”是指将天基任务、功能或传感器分散部署到多个系统之上,横跨一个或多个轨道、平台、宿主卫星或作战域.通过将空间能力“分散”到多个平台或系统上增加目标的数量,可以帮助空间系统规避风险,提高空间系统的生存能力,增加对手实施攻击决策的困难,为威胁环境下的能力重构、恢复或运行提供保障.白皮书同时给出了实现空间系统“弹性”的结构分离、功能分解、有效载荷搭载、多轨道分散,以及多作战域分解等5种途径[37−39].
空间碰撞频繁发生,空间竞争日益严峻,空间碎片和人为威胁已对航天活动形成严重威胁.目前所有的空间碎片减缓措施虽然能够减少空间碎片的产生,但不足以保持空间碎片环境的稳定,空间碎片主动清除势在必行;分散式空间系统体系结构能够提高空间系统弹性,增加对手实施空间攻击的困难,但却无法防范所有的人为安全威胁.空间安全是全球性的问题,空间安全问题的解决需要全球共同的努力,增强国际间的密切合作、发挥联合国的作用意义重大.