大型星座的空间碎片减缓措施进展

刘静 王东方

（1 国家航天局空间碎片监测与应用中心 2 中国科学院国家天文台 3 中国科学院大学）

随着大型小卫星星座热潮的到来，航天发射次数和在轨卫星数目以及空间碎片的数量都将急剧增长，这对航天飞行安全和航天活动可持续性构成的威胁不容忽视。在航天活动中积极采取空间碎片减缓措施，是遏制空间碎片数量增长、保持外空环境洁净、维护航天活动长期可持续发展的重要途径。本文介绍了大型星座的发展背景及减缓措施研究情况，讨论了机构间空间碎片协调委员会（IADC）针对大型星座的最新空间碎片减缓要求，以及当前国际大型星座运营商针对其星座采取的空间碎片减缓措施，并对大型星座必须重点考虑的减缓措施提出了建议。

1 引言

空间碎片环境背景情况

近年来，大型卫星星座快速发展，航天发射和在轨卫星数量呈井喷式增长。迄今为止，已发布计划的国外大型星座卫星总数近10 万颗，部分星座计划已经开展了部署实施。根据UCS Satellite Database 发布的数据，2021 年全年共入轨卫星1757 颗，其中“一网”（OneWeb）卫星284 颗（约占2021 年卫星发射总数的16%），“星链”（Starlink）卫星989 颗（约占2021 年卫星发射总数的56%）。CelesTrak 发布的数据表明，截至2022 年3 月16 日，地球轨道在轨卫星共8525 颗，其中“星链”卫星2011 颗，“一网”卫星428 颗。目前国际尚未形成公认的大型星座的定义。2019年发布的第二版《美国轨道碎片减缓标准实践》将大型星座定义为“可工作航天器数目不少于100 颗的卫星星座”。近期研究中所侧重的大型星座，一般指以“星链”“一网”等为代表的新型低轨卫星星座。

空间碎片是航天活动的产物。运载器、航天器任务结束后即成为空间碎片，其在轨期间一旦发生意外爆炸、碰撞，将产生成百上千颗大尺寸空间碎片，对航天活动构成威胁。当前大型卫星星座急速发展，航天发射频次和在轨物体数量增加，使得空间碎片问题更加突出，将对空间物体的安全入轨和飞行，以及运行稳定性造成巨大影响。空间碎片减缓是在航天器及运载器设计、研制、运行、任务后处置等过程中采取各种手段以限制空间碎片的产生、数量增加以及保护太空环境持续可利用的一系列措施。在当前形势下，针对大型星座开展减缓需求研究并积极落实减缓措施迫在眉睫。

大型星座对空间碎片环境威胁分析研究

空间碎片环境长期演化模型是考虑空间碎片增长和衰减机制、用于预测空间碎片环境长期演化规律的数学模型。模型包含未来发射、在轨碰撞、轨道预报、自然陨落、任务后处置策略、主动碎片清除等，从而对碰撞次数、空间碎片数量、密度分布等情况进行长期预测。演化模型可实现大型星座、减缓措施等对未来空间碎片环境长期发展趋势影响的评估。

随着大型星座的快速发展，各国多家机构先后开展了大型星座对空间碎片环境长期影响的分析研究。2017 年，欧洲航天局（ESA）利用3 个演化模型—DAMAGE、LUCA、SDM 分析了1100km 轨道高度上1080 颗卫星对空间碎片环境的长期影响。分析过程综合考虑了多种减缓措施，最终结论是，针对大型小卫星星座，必须在常规的空间碎片减缓手段外，增加额外的减缓措施。

2019 年，美国国家航空航天局（NASA）利用演化模型LEGEND，针对在轨道高度340 ～550km范围部署6600 颗卫星的场景进行仿真，分析了它们对空间碎片环境的长期影响。分析表明，控制减小大型星座中卫星自身的解体概率十分重要。上述仿真场景下，如果星座单星爆炸概率为1%，则在轨道高度200 ～600km 内，解体碎片对该范围所有空间目标总数占比将达到50%～70%。值得一提的是，根据历史统计规律，历史航天器平均爆炸解体概率约3%。

2020 年，中国科学院国家天文台利用自主研发的演化模型SOLEM 对大型星座部署方案及其减缓措施对空间碎片环境的影响进行了仿真和分析。仿真场景包括在500km、800km、1100km 或1400km 轨道高度部署由1080 颗卫星组成的星座。仿真结果表明，星座部署于500km 高度时，对未来空间碎片环境演化的影响最小。但一般而言，为了实现任务目标，卫星会选择高度稍高的轨道，因为低轨卫星轨道维持成本相对较高。

减缓措施的合理性和有效性对遏制空间碎片数量的增长、安全实施航天活动、保证外空活动的长期可持续发展具有深远的意义。大型星座计划的实施使得传统航天活动规律发生了显著变化，使得对空间碎片减缓要求更高，目前国际相关平台已将减缓措施的改进和升级提上议事日程。减缓措施需要更加细化、定量化，以利于更加可操作、可实施。

2 IADC 指南及新要求

IADC 是国际上以空间碎片问题研究和应对为主题的唯一政府间机构，于1993 年由美国、俄罗斯、ESA、日本发起成立，中国国家航天局于1995 年正式加入IADC。目前，IADC 有13 个成员国（美国、俄罗斯、ESA、中国、日本、意大利、法国、加拿大、德国、印度、乌克兰、英国、韩国）。IADC 的宗旨是交换成员机构之间的碎片研究活动信息，为成员机构之间的空间碎片合作研究创造机会，检查合作活动进展，确认空间碎片减缓措施选择。

IADC 空间碎片减缓指南

IADC 成立后，积极响应国际组织相关空间碎片问题需求，制定权威的空间碎片术语定义，开展空间碎片联测活动，比较研究空间碎片工程模型和演化模型，并以量化模型和数据分析支持评估减缓措施的有效性，先后制定了多条得到国际社会公认的空间碎片减缓措施，2002 年汇集成《IADC 空间碎片减缓指南》，提交联合国外空委后，于2007 年获联合国大会决议通过，成为《联合国空间碎片减缓指南》。目前，以该减缓指南为基础的一系列空间碎片环境减缓措施，成为各国航天活动设计和实施过程的重要参考和审核依据。

IADC 针对大型星座的新要求

2015 年3 月召开的第33 届IADC 会议上，大型星座部署问题受到重视。之后星座卫星对空间碎片环境所带来的影响，成为IADC 重点关注的问题之一。IADC 经过两年的联合研究和讨论，2017 年发布了针对低地球轨道（LEO）大型星座的减缓指南《IADC关于LEO 大型星座的声明》；2021 年7 月6 日，该声明修订版发布，从星座设计、卫星设计、运载器轨道级设计、星座在轨操作四个方面提出了推荐性建议。

1）高度间隔。建议在星座各部分之间设计足够的高度间隔，以尽量减少星座卫星之间潜在的碰撞风险。

2）运行轨道。卫星运行环境与任务后处置成功率、预警、避碰等工作之间存在密切联系。应考虑运行及任务后处置阶段的碰撞风险，优化运行轨道。

3）航天器数量和结构。为星座设置任务后处置成功率最小阈值。阈值考虑星座质量、高度、碰撞概率、数量和补发率。成功率须大于90%，能达到99%更好，任务后在轨寿命应低于25 年。

1）任务后处置。单个卫星的处置成功率应远大于90%，并设计任务后处置性能监控功能。

2）优化卫星设计。在任务期间以及处置阶段能尽量避免解体。

3）地面风险。考虑航天器设计方案，完全消除或显著减少那些撞击地面有害碎片的数量和大小。

4）结构完整性。提高航天器整体可靠性，最大限度避免运行期间发生意外爆炸，并提高任务后处置成功率。

5）可跟踪性。提高星座卫星的可跟踪能力，将对监测预警工作起到积极的作用。同时，建议在星座卫星轨道机动之前，提供其目标轨道信息，并定期更新。

《IADC 关于LEO 大型星座的声明》主要框架

火箭上面级的运行高度接近星座高度时，也将面临减缓问题；上面级无控再入也可能引起地面安全问题。星座运载器轨道级设计应予以考虑。

1）避碰。星座卫星运行及任务后处置阶段，均应具备避碰能力，并将避碰计划传达给相关方。

2）处置策略。IADC 减缓指南确定的任务后在轨寿命为25 年。对星座卫星而言，应考虑进一步缩短轨道寿命。定期监控任务后处置功能是否可用，一旦任务后处置成功率降至临界水平，即使未达到设计寿命，也应立即启动处置操作。

3）发射及前期操作。在将航天器提升到目标轨道之前，应考虑将其部署于空间碎片密度低、轨道寿命短、运行利用率低的过渡轨道区域，以便进行前期运行及测试。

3 典型星座的空间碎片减缓措施考虑

星座用户或运营者，通过针对性设计星座和其卫星的空间碎片减缓措施，将其对环境的影响降到最低，是在星座设计初期必须开展的工作。以下以典型大型星座为例，分析其运行者在设计时对空间碎片减缓措施的考虑。

“星链”星座

作为大型星座的典型代表，“星链”卫星部署伊始即受到各界的高度关注。太空探索技术公司（SpaceX）也采取了一系列应对措施。

2020 年10 月27 日，低轨实验室公司（LeoLabs）宣布了其与SpaceX 公司达成的商业协议。从2021年3 月开始，LeoLabs 公司将为“星链”卫星提供初始入轨、在轨运行阶段的跟踪监测服务，并在“星链”卫星入轨初期提供快速的识别和定轨支撑。

2021 年1 月7 日，SpaceX 公 司与NASA 签署空间法，声明一旦“星链”卫星与NASA 所运行的卫星发生危险交会，“星链”卫星需根据其自动星载风险评估及避碰能力执行避碰。在“星链”卫星发射前，需向NASA 提交发射参数，以降低在入轨初期尚未编目，且“星链”卫星尚不能自动避碰的阶段发生危险交会的可能性。

2021 年4 月27 日，美国联邦通信委员会（FCC）发布声明要求SpaceX 公司必须每6 个月提交报告，报告内容需包括“星链”卫星危险交会次数、避碰次数、失效卫星数目、再入卫星数目等信息。

“一网”星座

2017 年6 月，FCC 批准了“一网”720 颗小卫星星座的申请。作为第一批获FCC 发射许可的小卫星星座，“一网”与“星链”一样受到相关领域的高度关注。出于对空间碎片环境减缓的考虑，“一网”卫星采取的措施包括：利用星载 GPS 提高定位精度；采用电推动方式机动，具备可靠的任务后处置能力；采用高可靠性的离轨组件，并设计可适应未来非合作抓捕的机械装置；尽量采用再入易烧毁材料，降低对地面人员财产构成的威胁；具备避碰能力，入轨及运行阶段，与其他运营商共享数据，一旦发生危险交会可协调机动；选择空间碎片较为稀疏的1200km 高度作为运行轨道；任务完成后5 年内主动离轨等。

2021 年3 月30 日，36 颗“一网”卫星入轨5 天后，美国太空部队第18 控制中队发布了“一网”卫星与“星链”卫星的危险交会“红色警报”。据估计，二者碰撞概率达1.3%。“一网”卫星通过轨道机动，避免了潜在的碰撞风险。随着大型小卫星星座的密集部署，不难推断此类事件极有可能再次重演。而星座运营商之间的即时、有效沟通，是双方安全运行的重要保障。

“柯伊伯”星座

2019 年7 月4 日，亚马逊公司（Amazon）向FCC 提交申请，拟在轨道高度590km、610km 和630km 部署3236 颗“柯伊伯”（Kuiper）星座卫星。其卫星将在任务后355 天之内主动离轨。

2019 年9 月18 日，Amazon 公 司 向FCC 提 交声明称，为保证运行安全，同一高度层内的“柯伊伯”卫星两两之间距离将保持在50km 以外。同时，为保证载人航天的安全，“柯伊伯”卫星初始发射轨道将低于“国际空间站”运行轨道。卫星运行全过程将采取碰撞规避，以避免碰撞事件的发生。

4 建议

为保证大型星座的顺利发展，从空间碎片环境减缓角度，对大型星座的设计及运行提出几点建议：

1）星座目标轨道的选取，应充分考虑当前空间碎片分布规律及航天活动发展趋势，尽量规避空间碎片密集区域，并与其他星座系统保持安全距离。进入目标轨道之前，可先选择轨道高度较低的位置作为过渡轨道，并在过渡轨道上对入轨卫星进行测试。过渡轨道的选取应低于载人航天的轨道高度，以免失效卫星对载人航天构成威胁。

2）星座卫星的监测，应充分考虑其可监测性，以便于监测预警工作的开展。一旦遇到危险交会，应及时与相关运营商沟通协调。

3）星座卫星的避碰，在星座卫星的运行及任务后处置阶段，建议维持避碰能力，尽量减小对空间环境的威胁。

4）星座卫星的操作设计，应充分考虑卫星操作可靠性，提高任务后离轨和钝化等减缓措施的处置成功率。