空间碎片减缓策略分析及相关政策和标准综述

泉浩芳，张小达，周玉霞，陆 静

（中国航天标准化研究所，北京 100071）

0 引言

随着几十年来各国航天事业的蓬勃发展，空间在轨物体的数量急剧增加，空间轨道资源日趋紧张，空间碎片问题日益凸显，给空间可持续性发展及利用带来了极大的挑战[1]。

作为对此问题的响应，国际上已达成广泛共识，即需要对航天活动进行有效的管控，使空间碎片的产生及其威胁最小化。国际上围绕空间碎片问题开展了大量的探索研究和工程实践，包括空间碎片环境建模、监测预警、防护设计、碎片减缓、主动清除等在内的系列措施。

当前，最切实可行的、国际一致性最高的措施无疑是空间碎片的减缓行动，即避免产生新的空间碎片（使空间碎片的数量不再增加或以极小增幅增加），防止空间环境的进一步恶化。这要求在航天器或运载火箭的设计、研制、发射以及在轨运行等全寿命周期内采取一切必要的措施，限制其自身释放或解体而产生空间碎片，并降低其与其他在轨物体发生碰撞而产生碎片的风险。

尽管国际社会一致认可并推行了空间碎片减缓措施，但在具体实施中，各国在执行力、欲实现的具体目标和实施方式上存在诸多争议。为更好地统一和实现空间环境保护的目标，国际社会围绕空间碎片减缓行动制定了有关的法规、政策和技术标准，旨在推动空间碎片减缓行动在各国间更好地落地实施。

本文从简述空间碎片的现状与危害入手，聚焦于空间碎片减缓，分析空间碎片减缓的主要策略，重点论述空间碎片减缓现行有关的法规、政策和技术标准，以期能够为国内从事空间碎片相关研究的科研和工程技术人员提供有关归纳信息，为进一步的专题研究和工程实践提供输入和参考。

1 空间碎片的现状与危害

根据美国空间监测网（SSN）的数据（图1[2]、表1[3]），地球轨道上可编目的空间物体（尺度在10 cm以上）数量从1976年的约5000个增长到了2018年的18 000多个，40多年内增长了近3倍；微小碎片（尺寸在mm级）的数量更是超过了200多亿个。

图1 尺寸大于10 cm的空间可编目物体的数量变化Fig.1 Number-time plot of catalogued space objects with size greater than 10 cm

表1 在轨可编目物体的数量分布Table 1 Number distribution of catalogued space objects

空间碎片的产生主要源于：航天器发射及在轨正常运行期间释放到空间的物体；由于爆炸或撞击/故意毁坏而造成的在轨解体；因在轨故障而失去功能或既定任务终结后被废弃的航天器等（参表2[4]、图2[4]）。

数量庞大的空间碎片直接威胁到空间安全和空间可持续性。由于轨道动力学的特点，绝大多数空间碎片都不能自行返回到地球表面或远离地球空间轨道，而是会长期密集地运行在地球空间轨道上，占据大量轨道资源。空间碎片的运行速度高达7～15 km/s，使得一颗微小碎片的撞击就有可能造成在轨航天器的致命性故障，严重情况下可导致器毁人亡，而且还将产生数量更加庞大的新碎片。此外，部分因轨道衰降而再入地球大气层且未被完全烧毁的碎片，由于其不可准确预测和不可控的特点，残存物体一旦落入到地面人口稠密区域，将会给地面资产和人员造成极大的安全威胁。

表2 空间碎片的主要来源Table 2 Major sources of space debris

图2 可编目的空间碎片主要来源分布Fig.2 Source distributions of catalogued space debris

2 空间碎片减缓主要策略

面对日益恶化的轨道空间环境，寻求尽可能减少空间碎片的数量、清理太空垃圾、降低空间碎片的威胁已成为各航天成员国的一致目标和共同努力方向，一些切实的行动也早已开展。目前主要采取的碎片减缓措施包括任务结束后离轨或移出地球轨道保护区、再入大气层、钝化以及在轨避撞机动等。

随着太空俱乐部成员的增加，各国雄心勃勃的太空计划意味着将向地球轨道发射更多的人造物体，而这些物体（航天器）在繁忙拥挤的轨道上的运行安全不容忽视。已有研究表明，现已实施的所有空间碎片减缓措施虽能够减少空间碎片的产生，但仍不足以维持空间碎片环境的稳定，而开展空间碎片的主动清除行动势在必行[5-6]。

世界航天领域的许多科学家和工程师们都在积极研究如何采取便宜、可靠、高效、安全的技术来捕获空间碎片，将碎片从航天器的运行轨道上清理出来，返回地球大气层烧蚀掉或直接回收到地面上。已提出的空间碎片主动清除技术主要包括飞网捕获、电动力绳、增阻装置、激光/定向能等，但这些技术目前大都处于理论研究、仿真分析和演示验证阶段，受限于技术难度和成本的制约，很难在短时间内投入工程应用。此外，科学家们也正在研究如何对空间碎片的运行轨道进行及时预报，对“太空的轨道交通”状况进行及时的“红黄绿”告警，以便地面指挥测控人员及时操控航天器进行轨道机动，规避碎片的撞击，并为研究和技术人员改进航天器轨道的设计、评估发射时机以及制定碎片主动清理方案提供参考依据。

总体分析来看，面临空间碎片的威胁，目前各国主要聚焦于“减缓空间碎片，维护空间可持续性”这一总目标，采取的主要策略包括“抑制增量、减少存量”，并确保航天器的生存能力，同时配套相应的解决方案和技术手段（参见图3）。抑制增量主要是避免新的空间碎片产生（如避免在轨碰撞、爆炸解体、在轨释放物体）。减少存量主要是指主动清除已经产生的轨道碎片（如飞网捕获、电磁捕获、动量交换等）。确保生存能力则是针对在轨服役或休眠的航天器采取被动防护的方式，抵御微小空间碎片的撞击，或主动避让空间碎片可能的撞击，从而提升航天器的在轨生存概率。从解决方案、技术手段及其作用结果上来看，确保生存能力也属于抑制增量的一部分，可避免由于在轨撞击而产生新的碎片。此外，为配合相关策略的实施，还有必要实时感知空间态势，监测空间碎片环境，并发出及时的预警信息。

图3 空间碎片减缓策略解析Fig.3 Analysis of space debris mitigation strategies

当前，从技术、经济成本角度，以及可实现性方面来看，最受关注、实际应用最有效、法规/政策/标准等规定最多的主要是抑制增量，即尽可能减少新的空间碎片产生。对于非常重要的太空资产，研制商及运营方也不得不付出代价采取确保生存能力策略（大多为增加防护结构，少数实施主动变轨）。在减少存量方面，目前由于技术还不够成熟，成本难以接受，故主要停留在技术演示阶段，相关的实际应用效果尚不明确，也未形成针对性的法规/政策/标准。

3 空间碎片减缓相关法规与政策

空间碎片减缓作为空间环境保护的核心问题，早已被写入现行国际法的相关框架之中，为空间碎片减缓行动提供了全球性的法律基础与依据。目前涉及空间碎片减缓的法规和政策主要包括3个层面的[7-11]：

1）联合国层面：联合国的《外空条约》、《责任公约》等5个条约为协调空间碎片问题提供了基本国际法律框架，联合国和平利用外太空委员会（UNCOPUOS）于 2007发布的《UNCOPUOS空间碎片减缓指南》为空间碎片减缓提供了最初的国际一致性行动指南，2018年发布的《外太空活动长期可持续性指南》（LTS）中给出了21条行为指南，以维持外太空活动的长期可持续。

2）政府间组织层面：机构间空间碎片协调委员会（IADC）发布的《IADC空间碎片减缓指南》；部分欧洲国家签署的《欧洲空间碎片减缓行为准则》。

3）国家/政府机构层面：一些国家制定了自愿减少空间碎片措施的政策法规，如美国的《国家航天政策》中强调了空间碎片减缓问题和外空环境保护的必要性，并专门就空间碎片问题给出指导性规定，以及3项具体的减缓措施；欧洲航天局（ESA）发布了《ESA项目空间碎片减缓政策》，规定了在ESA所有项目中实施空间碎片减缓行动的强制性要求；我国现行的《空间物体登记管理办法》、《民用航天发射项目许可证管理暂行办法》着眼于识别空间碎片产生的来源，规范航天器发射主体的审核，有利于减少空间碎片的产生。

这些法规、政策的出台并不是凭空而就，而是依赖于大量的技术探索和实践。在政策出台之前就已实施过有关的空间碎片减缓措施和行动，并发布了相应的技术标准作铺垫；此外，中国空间碎片会议、欧洲空间碎片会议等提供了空间碎片领域的学术交流殿堂，为空间碎片有关的各类前沿/新兴技术、最新实践成果提供了充分展示和交流的舞台，促进了相关技术措施的成熟和共识的达成；IADC会议则成为空间碎片领域的最高层技术交流平台，为出台国际统一的法规、政策奠定了坚实的技术基础和背书。

从具体内容上分析，联合国现有的空间法律框架中直接涉及空间碎片的内容较少；美国的航天政策和我国现行的管理办法在涉及空间碎片方面都比较笼统，不够直接、具体；UNCOPUOS指南和IADC指南则比较简洁、凝练，缺少细节；仅有ESA的政策比较具体、翔实，还配套出台了相应的符合性验证文件，强制要求各个ESA项目实体提供清晰的证据来证实其执行空间碎片减缓政策的具体执行情况。

从权威性上看，政府间组织和国家层面的法规、政策都对空间碎片减缓行动提出了强制性的要求，要求参与航天活动的所有相关方必须严格实施空间碎片减缓措施，为组织和管理空间碎片减缓行动提供了坚实的法规和政策保证。

4 空间碎片减缓相关标准

4.1 发展历程

美国航空航天局（NASA）最早于1995年制定并发布了NSS 1740.14《限制轨道碎片的指南和评估程序》。这项标准后来成为IADC指南的重要参考和依据。NSS 1740.14目前已被NASA-STD-8719.14《限制轨道碎片的过程》替代[12]。

日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）最早于1996年发布了NASDA-STD-18《空间碎片减缓标准》。这项标准也是IADC指南的重要参考和输入。NASDA-STD-18目前已被JMR-003《空间碎片减缓标准》替代[13]。

法国宇航局（CNES）于1998年发布了《空间碎片安全要求——方法和程序》[14]。

俄罗斯于1999年颁布了《空间碎片减缓标准》，从技术层面规范了空间碎片治理问题[15]。

国际标准化组织（ISO）于2010年发布了首份涉及空间碎片减缓的标准 ISO 26872：2010《GEO卫星的处置》[16]，2011年发布了空间碎片减缓领域的顶层标准ISO 24113：2011《空间碎片减缓要求》[17]。

ESA于2012年将ISO 24113：2011采纳为ECSS标准ECSS-U-AS-10《空间可持续性——ISO 24113的采纳通告：空间碎片减缓要求》[18]。

通过上述时间节点的比对可以看出，随着空间碎片数量的井喷式增长以及各主要航天国家对空间碎片威胁的日益重视，空间碎片减缓的相关标准也逐渐从个别的国家航天局标准发展成为多国机构间组织标准、国际准则和国际标准（参图4[13]），关于空间碎片减缓的技术要求也都基本一致，在各国间达成了广泛的共识。

图4 空间碎片减缓相关标准的发展历程Fig.4 Historical development of standards related to space debris mitigation

4.2 空间碎片领域的国际标准

空间碎片是近20年来航天领域的热点话题。从事航天活动的世界各国正积极探寻国际一致的行动准则，因而达成国际协调、统一的程度非常高，而ISO正好提供了一个最恰当的平台[19-20]。

在国际标准化组织/航空航天技术委员会/航天系统及其运行分技术委员会（ISO/TC20/SC14）下，由运行工作组（WG3）和空间碎片工作组（WG7）负责制定了一大批空间碎片相关的标准，其中ISO 24113[17]作为顶层标准，对空间碎片减缓提出了若干的要求，各项要求的具体实施又通过一系列的低层级标准（如16164，26872，16699等）来规定，从而逐步构建起空间碎片减缓的标准体系（参见图5）。

图5 空间碎片减缓领域当前的ISO标准体系架构Fig.5 The framework of current ISO standards for space debris

自2015年起，在ISO/TC20/SC14及WG3/WG7的历届工作会议上，各国代表一致建议将空间碎片减缓领域的ISO中间层级标准进行整合，并在SC14决议中明确，将中间层级标准划分为“航天器空间碎片减缓详细要求”和“运载火箭空间碎片减缓详细要求”2项。整合后的中间层级标准避免了原先存在的交叉引用和重复性条款，原有的中间层级标准将被废止。

未来的ISO空间碎片标准体系框架为“1个顶层要求标准+2个中间层级要求标准+2个低层实施手册（指南）+若干个外围支撑性标准”（参图6）。同时，基于当前空间碎片环境的恶劣态势以及商业航天、小卫星的大力发展趋势，ISO启动了对顶层标准ISO 24113的修订工作（预期于2019年发布最新版本），融入了许多最新的工程实践和更高、更严格的要求，增加了“碰撞规避”和“在轨生存能力评估”等内容；且不再允许以推高至LEO保护区之上（2000 km以上）的方法来处理LEO航天器。

图6 空间碎片减缓领域未来的ISO标准体系架构Fig.6 Future framework of ISO standards for space debris

4.3 我国有关的碎片减缓标准

中国国家航天局（CNSA）于1995年加入IADC，积极参与各国航天局间的空间碎片减缓技术探讨和行动实践。同时，中国航天领域的技术专家积极参与空间碎片相关的ISO标准研究和制定，并以项目负责人（project leader）身份主导制定了其中的部分标准。

中国航天积极遵循国际准则，并结合自身在空间碎片减缓方面的实践经验，制定了国家标准，包括：

GB/T 34513—2017《空间碎片减缓要求》（等同采用 ISO 24113：2011）；

GB/T 32308—2015《GEO卫星任务后处置要求》（参考 ISO 26872：2010）；

GB/T 32295—2015《运载火箭剩余推进剂排放设计要求》；

GB/T xxxx 《运载火箭操作性碎片减缓设计要求》（已报批）。

4.4 空间碎片标准的未来趋势

空间碎片标准的演化历史也从一个侧面反映出世界航天的发展史：各国最初发布空间碎片减缓标准的年代也正是航天活动高速发展、空间碎片问题凸显的年代。空间碎片对各类航天活动构成潜在、随机的威胁，几次重大的空间碎片事件引起了各国对空间碎片问题的普遍关注和高度重视，促使各国参与到有关的标准制定中。空间碎片减缓标准经历了从各国航天局、到IADC、到联合国、到ISO、再到各国或区域组织等由下至上再由顶向下的循环过程，不断迭代、改进空间碎片减缓的技术要求和具体实践，并力求国际间的协调一致和统一。

从空间碎片减缓要求的技术层面来看，未来的空间碎片标准将主要集中在ISO平台制定（顶层要求标准+实施标准+支撑配套标准），经各国一致认可后将被各国采纳。在此之外，各国将结合国情和具体实践，出台其内部相关的配套政策和一些更细化、具体的执行标准。

目前的空间碎片减缓标准还主要集中于空间碎片的增量限制；随着碎片监测和碎片清理行动的实践和应用验证，未来还将制定空间碎片监测、预警、主动清除、碎片防护等方面的技术标准。

5 结束语

本文对空间碎片环境现状，空间碎片的危害，空间碎片减缓策略，空间碎片减缓有关的法规、政策和标准等进行了较全面的分析。

关于空间碎片减缓的各种措施都在全面深入地研究并推广实施，国际社会高度关注、积极推进空间碎片减缓行动，在机构内部/机构间、国家层面、联合国层面等达成了广泛共识，配套出台了有关的法规、政策和标准，确定了必要的法律基础、职责约束和行动指南。

从作用机制上来看，法规为空间碎片减缓行动提供了最基本的要求，划定了空间环境保护不可逾越的红线；政策为确保空间碎片减缓行动的具体落地实施提供了强制性保证，明确了具体的责任主体、管理和实施流程；标准则为碎片减缓策略及相关解决措施提供了可操作的、协调一致的、国际统一的经验做法，可直接指导工程实践。可见，法规、政策和标准相互配套，是有效实施空间碎片减缓活动的重要保证。

某种程度上来说，类似于人们日常生活和工作中所产生的各类垃圾对地面、河流、海洋和大气等环境产生了严重的污染，危及人类的健康状况和生存环境，空间碎片则是人造的太空垃圾，对人类的正常空间活动产生严重威胁，且此威胁不分疆域和国别，关系到全人类共同的安全和空间可持续发展。因此，维护空间活动的正常有序和空间资产的安全，确保空间的和平利用与长期可持续性是全人类共同的责任和义务，势在必行。

此外，对我国来说，积极制定空间碎片有关的法规、政策和标准，积极开展空间环境保护行动，不仅能够展现出我国负责任的航天大国形象，还直接涉及外太空话语权的争夺，并将深远地影响到构建未来外太空交通管理体系过程中的利益博弈，对此必须给予强有力的支持和保证。