美国《国家轨道碎片研究与发展计划》要点阐述

王洪飞 赵学明（中国人民解放军63729部队）

2021年1月，美国白宫科学与技术政策办公室（OSTP）发布了《国家轨道碎片研究与发展计划》，该文件分析了当前空间轨道碎片的现状，指出了主动清除轨道碎片方面的许多挑战，提出了美国未来应对轨道碎片风险的研发活动计划，确定了3个基本要素共14个优先领域，并对美国国家航空航天局（NASA）、商务部（DoC）、国防部（DoD）、交通部（DoT）、国务院（DoS）和内政部（DoI）等职能部门进行了职责分配。

1 发布背景

在特朗普政府执政末期发布《国家轨道碎片研究与发展计划》（以下简称《计划》），旨在指导限制、追踪、修复或再利用地球轨道中碎片的研发工作，为未来美国应对地球轨道碎片风险提供了指南。《计划》认为，随着地球轨道变得越来越拥挤，轨道碎片对航天活动的安全构成了越来越大的危害。目前大约有23000个大小为10cm或更大的碎片，已编入目录并进行追踪，以防发生碰撞。另外，估计大约有50万个物体大小为1cm或更大，而超过1亿个碎片物体的大小至少为0.1cm。小于5cm的物体即使在低地球轨道（LEO）中也很难单独跟踪。因此，轨道碎片的规模估计严重依赖统计抽样和建模技术。《计划》还指出，虽然在地球周围的整个空间环境中都存在轨道碎片，但编目物体最集中的区域在2000km以下的LEO轨道，约为3000t。LEO轨道到地球同步轨道（GSO）间的高度约为35800km，约有8000t的轨道碎片。

《计划》分析了碎片造成的风险，指出近地轨道上碎片的平均撞击速度为10km/s，对空间资产和航天员造成了较大危险。对任务中的卫星而言，大于10cm的碎片更是会对其产生灾难性的后果，而与毫米级碎片的碰撞会影响任务目标的实现，缩短任务寿命，甚至导致任务失败。无论是活动物体还是非活动物体之间的碰撞，都会产生额外的碎片，从而增加碎片的整体危害。另外，反卫星武器的科学试验，也大幅增加了轨道碎片。因此必须妥善管理轨道碎片带来的风险，以确保正在进行的和未来的空间飞行任务的安全。

太空时代开始以来可跟踪碎片物体的增长趋势

《计划》指出，美国有多个机构参与轨道碎片的风险管理，NASA使用雷达望远镜和现场测量，对轨道碎片进行统计取样，还牵头制定了美国政府《轨道碎片缓减标准做法》（ODMSP），该标准做法直接适用于美国政府运营商和非美国政府运营商。联邦航空管理局（FAA）、国家海洋和大气管理局（NOAA）和联邦通信委员会（FCC）都制定了限制碎片产生或积累的政策或法规。此外，美国发布的《航天政策3号令》（SPD－3）也确立了减缓轨道碎片的国家政策，指示更新现有的轨道碎片缓减准则和做法，以便能够更有效地遵守并建立可在国际上采用的标准。

2 应对风险研发活动的优先领域

《计划》提出了美国支持轨道碎片风险的研发活动计划，确定了碎片风险管理的3个基本要素共14个优先领域。

要素一：通过设计限制碎片的产生

《计划》认为限制新碎片产生是管理轨道碎片风险最具成本效益的办法。各机构应重点关注以下领域：

减少航天发射任务过程中产生的碎片。立方体卫星和小卫星星座等小型卫星有效载荷的部署装置和航天器的推进剂都是形成碎片的来源，各机构应当研究改进有效载荷分离和部署的机制，以减缓在航天任务发射过程中产生多余碎片。另外，为减少航天器推进剂形成的碎片，相关机构应该支持化学研究，以清除可能由固体废气颗粒形成的碎片。

提高航天器表面弹性。卫星表面会随着时间的推移而退化，受微流星体和轨道碎片的撞击以及带电粒子、紫外线辐射、原子氧和热循环的影响，会产生毫米级和更小尺寸的碎片。长期暴露在空间环境中也可能改变航天器的材料特性，使其更容易因撞击而产生碎片。各机构应当研发提高航天器表面性能的材料，以防止因航天器老化而产生毫米级或更小尺寸的碎片。

提高航天器屏蔽性能和抗冲击性能。开展新保护技术和新屏蔽方法的研发工作，有助于为未来空间任务安全运行提供保护措施，各机构研发重点应放在以下3个方面：一是开发新的多功能防护罩，研究低成本、高效、多用途的卫星轨道碎片撞击防护技术；二是对新型屏蔽材料和结构进行超高速碰撞分析和试验，开发新型多功能屏蔽材料，满足航天器耐辐射以及防护轨道碎片的要求；三是依据碰撞分析和试验，研究航天器易损性与碎片大小、质量、材料密度、形状、速度和撞击角的关系。

开发减少或限制碎片化过程的设计。大多数碎片为运载火箭上面级和航天器意外爆炸产生的碎裂碎片，各机构应支持对意外爆炸原因的研究与开发，鼓励卫星运营商与空间机构共享碎片和异常情况数据，使研究与开发人员能够了解并获得事件发生的性质。各机构还应支持研发改进子系统的设计、制造、测试和运行，以限制未来运载火箭上面级和航天器部署及运行期间的意外爆炸。

提高机动性能力。具有机动能力的卫星可使用推进剂来避免碰撞和脱轨，提高机动性是自主避碰的关键。各机构应支持进一步提高燃料效率、降低小型推进系统成本的研究，以降低小型卫星的操作风险，同时还应支持自动避碰领域相关技术研发。

将任务结束办法纳入航天器和任务设计，以尽量减少碎片。为帮助应对航天器任务结束前过早失效或操作受损的挑战，相关机构应支持研发相关技术，使受损航天器能够充分恢复，以便按照计划机动至更安全的轨道。考虑实施其他安全模式程序，以降低进一步产生碎片的风险。各机构应支持研发在受控状态下，航天器快速向安全轨道机动的技术方案，减少关键轨道中的碎片产生。

要素二：跟踪并描述碎片特征

《计划》指出，空间物体跟踪和表征能力是应对轨道碎片风险管理的基础，准确地跟踪和描述碎片大小，是了解碎片生成过程、保护关键航天器部件、避免碎片碰撞，以及减轻其对轨道影响的关键。各机构应将重点放在与减轻碎片对轨道影响相关的5个研发主题领域。

确定轨道碎片和太空环境的特征。各机构应继续审查所有国家机构现行碎片数量的模型，并与其他国家和机构的空间碎片协调委员会协商；支持使用地基和天基传感器，以改进对碎片的探测和表征；支持利用实验来更好地描述小碎片的物理特性。

发展改进轨道碎片跟踪和表征的技术。提高轨道碎片测量能力，无论是地面测量还是原位测量，对于评估限制碎片数量技术的可行性和有效性至关重要。各机构应支持原位传感器技术的研发，记录碎片撞击并捕获小碎片信息，从而有助于生成和保持准确的状态向量。各机构应考虑研发改进的地基光学和雷达传感器，为目标跟踪和特征描述提供更高精度的数据。

减少轨道中碎片数据预测的不确定性。各机构应考虑通过改进碎片数量模型的设计，以提供更准确的信息，减少碎片数据预测的不确定性，并支持卫星所有者和运营商对碰撞风险的评估。各机构还应当考虑提供更频繁的跟踪，从而最大限度地减少累积误差。此外，各机构应开展改进碰撞概率计算的研发工作，以便在整个近距离接触过程中做出更一致的估计。

改进碎片目录的数据处理、共享和过滤。随着空间跟踪能力的多样化，更多的空间轨道碎片被确定和跟踪，更多的用户依赖碎片目录的数据，解决碎片目录中与数据处理有关的挑战对于保持其完整性和实用性非常重要。各机构应当对改进数据存储、数据关联系统和数据融合的方法进行研究和开发；各机构还应研发用于获取和整合各种可用数据源的架构；另外，随着更多传感器（包括商业公司传感器）提供的数据被整合到数据库中，各机构必须开发技术来保持数据的完整性，还应该检查数据质量并进行数据挖掘，对纠正交叉标记以减少数据库错误的方法进行研究和开发；各机构还应该利用人工智能（AI）和机器学习进行研究和开发，改进评估风险的流程；最后，各机构应支持自主通信研究，以实现碎片探测和自主避碰能力。

将碎片跟踪和表征转化为作战能力。各机构应把对轨道碎片风险的研究转化为识别、跟踪和预测碎片位置及动向的改进操作。随着轨道碎片风险研究领域的发展，各机构应考虑研究结果与实际操作之间的联系，并与卫星运营商开展合作，在飞行任务中提供更好的协调。

要素三：修复或重新利用碎片

碎片修复又称主动碎片清除，是指通过外部的手段强制改变碎片物体的轨迹，将物体完全从空间清除。碎片修复清除了可能在未来产生碎片的物体，从而为空间飞行任务的完成做出重要贡献。美国应将主动碎片清除作为长期确保关键轨道系统飞行任务安全的必要方法。各机构应将重点放在与碎片的补救和再利用有关的3个研发主题领域。

开发大型碎片的修复和再利用技术。大型碎片物体，如火箭箭体和报废的卫星，在整个轨道碎片质量中所占百分比最高，通过碰撞或其他过程产生额外碎片的风险也最高，应当限制其在太空环境中的长期存在，减少无意中产生额外碎片的风险。各机构应开发建模工具、实施地面测试，必要时进行全系统原型演示测试，以证明各种方法的性能和成本效益。各级机构应支持研究和开发在轨重新利用或回收轨道碎片的方法，回收的材料可用作燃料或制造原料。

开发小碎片物体的修复技术。各机构应侧重于研发毫米级轨道清除器，以解决近期轨道碎片撞击风险，从而更好地保护未来空间任务。由于毫米级碎片没有被单独追踪，数量约为1亿个，各机构应该评估可能产生有益结果的大规模清除方法，研发的关键活动应包括识别、评估和开发可行的技术。

开发风险和成本效益分析模型。各机构应支持开发改进的模型，分析与轨道碎片和补救方法有关的风险和经济影响，制定相应的解决方案。

3 推进轨道碎片研发活动的伙伴关系

《计划》提出各机构应当在合作框架内进行协调，提高轨道碎片研发活动的效率，有助于避免重复。

《计划》还指出联邦政府以外，包括工业界、学术界和国际伙伴，都是研发活动的潜在合作伙伴，加强合作可提供利用资源和能力的机会。

各机构协调后的研发主题领域

续表

4 结语

随着全球航天活动的日益频繁，空间轨道碎片呈指数级增长，世界主要航天大国都高度重视轨道碎片对航天器和空间安全运行带来的威胁。此次发布的《计划》重点从3个基本要素14个优先领域提出了美国未来应对轨道碎片风险的研发活动计划，包括：通过设计关键航天器子系统的可靠性来限制碎片的产生，从源头减少碎片产生的数量；通过准确地跟踪和描述碎片特征，避免碎片碰撞并减轻其对轨道影响；通过开发碎片的修复和再利用技术进行碎片的主动清除等。此外，《计划》有助于协调联邦政府支持轨道碎片研究与发展工作，对参与轨道碎片研究的工作人员确定优先事项提供了指导，实现更有效的轨道碎片风险管理态势，实施这一计划预计可填补美国应对日益严峻的轨道碎片风险管理挑战所需的知识和能力方面的重大空白。