泉浩芳，張小達(dá)，周玉霞，陸 靜

（中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

0 引言

隨著幾十年來各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，空間在軌物體的數(shù)量急劇增加，空間軌道資源日趨緊張，空間碎片問題日益凸顯，給空間可持續(xù)性發(fā)展及利用帶來了極大的挑戰(zhàn)[1]。

作為對此問題的響應(yīng)，國際上已達(dá)成廣泛共識，即需要對航天活動進(jìn)行有效的管控，使空間碎片的產(chǎn)生及其威脅最小化。國際上圍繞空間碎片問題開展了大量的探索研究和工程實踐，包括空間碎片環(huán)境建模、監(jiān)測預(yù)警、防護(hù)設(shè)計、碎片減緩、主動清除等在內(nèi)的系列措施。

當(dāng)前，最切實可行的、國際一致性最高的措施無疑是空間碎片的減緩行動，即避免產(chǎn)生新的空間碎片（使空間碎片的數(shù)量不再增加或以極小增幅增加），防止空間環(huán)境的進(jìn)一步惡化。這要求在航天器或運載火箭的設(shè)計、研制、發(fā)射以及在軌運行等全壽命周期內(nèi)采取一切必要的措施，限制其自身釋放或解體而產(chǎn)生空間碎片，并降低其與其他在軌物體發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碎片的風(fēng)險。

盡管國際社會一致認(rèn)可并推行了空間碎片減緩措施，但在具體實施中，各國在執(zhí)行力、欲實現(xiàn)的具體目標(biāo)和實施方式上存在諸多爭議。為更好地統(tǒng)一和實現(xiàn)空間環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，國際社會圍繞空間碎片減緩行動制定了有關(guān)的法規(guī)、政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，旨在推動空間碎片減緩行動在各國間更好地落地實施。

本文從簡述空間碎片的現(xiàn)狀與危害入手，聚焦于空間碎片減緩，分析空間碎片減緩的主要策略，重點論述空間碎片減緩現(xiàn)行有關(guān)的法規(guī)、政策和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以期能夠為國內(nèi)從事空間碎片相關(guān)研究的科研和工程技術(shù)人員提供有關(guān)歸納信息，為進(jìn)一步的專題研究和工程實踐提供輸入和參考。

1 空間碎片的現(xiàn)狀與危害

根據(jù)美國空間監(jiān)測網(wǎng)（SSN）的數(shù)據(jù)（圖1[2]、表1[3]），地球軌道上可編目的空間物體（尺度在10 cm以上）數(shù)量從1976年的約5000個增長到了2018年的18 000多個，40多年內(nèi)增長了近3倍；微小碎片（尺寸在mm級）的數(shù)量更是超過了200多億個。

圖1 尺寸大于10 cm的空間可編目物體的數(shù)量變化Fig.1 Number-time plot of catalogued space objects with size greater than 10 cm

表1 在軌可編目物體的數(shù)量分布Table 1 Number distribution of catalogued space objects

空間碎片的產(chǎn)生主要源于：航天器發(fā)射及在軌正常運行期間釋放到空間的物體；由于爆炸或撞擊/故意毀壞而造成的在軌解體；因在軌故障而失去功能或既定任務(wù)終結(jié)后被廢棄的航天器等（參表2[4]、圖2[4]）。

數(shù)量龐大的空間碎片直接威脅到空間安全和空間可持續(xù)性。由于軌道動力學(xué)的特點，絕大多數(shù)空間碎片都不能自行返回到地球表面或遠(yuǎn)離地球空間軌道，而是會長期密集地運行在地球空間軌道上，占據(jù)大量軌道資源。空間碎片的運行速度高達(dá)7～15 km/s，使得一顆微小碎片的撞擊就有可能造成在軌航天器的致命性故障，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致器毀人亡，而且還將產(chǎn)生數(shù)量更加龐大的新碎片。此外，部分因軌道衰降而再入地球大氣層且未被完全燒毀的碎片，由于其不可準(zhǔn)確預(yù)測和不可控的特點，殘存物體一旦落入到地面人口稠密區(qū)域，將會給地面資產(chǎn)和人員造成極大的安全威脅。

表2 空間碎片的主要來源Table 2 Major sources of space debris

圖2 可編目的空間碎片主要來源分布Fig.2 Source distributions of catalogued space debris

2 空間碎片減緩主要策略

面對日益惡化的軌道空間環(huán)境，尋求盡可能減少空間碎片的數(shù)量、清理太空垃圾、降低空間碎片的威脅已成為各航天成員國的一致目標(biāo)和共同努力方向，一些切實的行動也早已開展。目前主要采取的碎片減緩措施包括任務(wù)結(jié)束后離軌或移出地球軌道保護(hù)區(qū)、再入大氣層、鈍化以及在軌避撞機(jī)動等。

隨著太空俱樂部成員的增加，各國雄心勃勃的太空計劃意味著將向地球軌道發(fā)射更多的人造物體，而這些物體（航天器）在繁忙擁擠的軌道上的運行安全不容忽視。已有研究表明，現(xiàn)已實施的所有空間碎片減緩措施雖能夠減少空間碎片的產(chǎn)生，但仍不足以維持空間碎片環(huán)境的穩(wěn)定，而開展空間碎片的主動清除行動勢在必行[5-6]。

世界航天領(lǐng)域的許多科學(xué)家和工程師們都在積極研究如何采取便宜、可靠、高效、安全的技術(shù)來捕獲空間碎片，將碎片從航天器的運行軌道上清理出來，返回地球大氣層燒蝕掉或直接回收到地面上。已提出的空間碎片主動清除技術(shù)主要包括飛網(wǎng)捕獲、電動力繩、增阻裝置、激光/定向能等，但這些技術(shù)目前大都處于理論研究、仿真分析和演示驗證階段，受限于技術(shù)難度和成本的制約，很難在短時間內(nèi)投入工程應(yīng)用。此外，科學(xué)家們也正在研究如何對空間碎片的運行軌道進(jìn)行及時預(yù)報，對“太空的軌道交通”狀況進(jìn)行及時的“紅黃綠”告警，以便地面指揮測控人員及時操控航天器進(jìn)行軌道機(jī)動，規(guī)避碎片的撞擊，并為研究和技術(shù)人員改進(jìn)航天器軌道的設(shè)計、評估發(fā)射時機(jī)以及制定碎片主動清理方案提供參考依據(jù)。

總體分析來看，面臨空間碎片的威脅，目前各國主要聚焦于“減緩空間碎片，維護(hù)空間可持續(xù)性”這一總目標(biāo)，采取的主要策略包括“抑制增量、減少存量”，并確保航天器的生存能力，同時配套相應(yīng)的解決方案和技術(shù)手段（參見圖3）。抑制增量主要是避免新的空間碎片產(chǎn)生（如避免在軌碰撞、爆炸解體、在軌釋放物體）。減少存量主要是指主動清除已經(jīng)產(chǎn)生的軌道碎片（如飛網(wǎng)捕獲、電磁捕獲、動量交換等）。確保生存能力則是針對在軌服役或休眠的航天器采取被動防護(hù)的方式，抵御微小空間碎片的撞擊，或主動避讓空間碎片可能的撞擊，從而提升航天器的在軌生存概率。從解決方案、技術(shù)手段及其作用結(jié)果上來看，確保生存能力也屬于抑制增量的一部分，可避免由于在軌撞擊而產(chǎn)生新的碎片。此外，為配合相關(guān)策略的實施，還有必要實時感知空間態(tài)勢，監(jiān)測空間碎片環(huán)境，并發(fā)出及時的預(yù)警信息。

圖3 空間碎片減緩策略解析Fig.3 Analysis of space debris mitigation strategies

當(dāng)前，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)成本角度，以及可實現(xiàn)性方面來看，最受關(guān)注、實際應(yīng)用最有效、法規(guī)/政策/標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)定最多的主要是抑制增量，即盡可能減少新的空間碎片產(chǎn)生。對于非常重要的太空資產(chǎn)，研制商及運營方也不得不付出代價采取確保生存能力策略（大多為增加防護(hù)結(jié)構(gòu)，少數(shù)實施主動變軌）。在減少存量方面，目前由于技術(shù)還不夠成熟，成本難以接受，故主要停留在技術(shù)演示階段，相關(guān)的實際應(yīng)用效果尚不明確，也未形成針對性的法規(guī)/政策/標(biāo)準(zhǔn)。

3 空間碎片減緩相關(guān)法規(guī)與政策

空間碎片減緩作為空間環(huán)境保護(hù)的核心問題，早已被寫入現(xiàn)行國際法的相關(guān)框架之中，為空間碎片減緩行動提供了全球性的法律基礎(chǔ)與依據(jù)。目前涉及空間碎片減緩的法規(guī)和政策主要包括3個層面的[7-11]：

1）聯(lián)合國層面：聯(lián)合國的《外空條約》、《責(zé)任公約》等5個條約為協(xié)調(diào)空間碎片問題提供了基本國際法律框架，聯(lián)合國和平利用外太空委員會（UNCOPUOS）于 2007發(fā)布的《UNCOPUOS空間碎片減緩指南》為空間碎片減緩提供了最初的國際一致性行動指南，2018年發(fā)布的《外太空活動長期可持續(xù)性指南》（LTS）中給出了21條行為指南，以維持外太空活動的長期可持續(xù)。

2）政府間組織層面：機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會（IADC）發(fā)布的《IADC空間碎片減緩指南》；部分歐洲國家簽署的《歐洲空間碎片減緩行為準(zhǔn)則》。

3）國家/政府機(jī)構(gòu)層面：一些國家制定了自愿減少空間碎片措施的政策法規(guī)，如美國的《國家航天政策》中強(qiáng)調(diào)了空間碎片減緩問題和外空環(huán)境保護(hù)的必要性，并專門就空間碎片問題給出指導(dǎo)性規(guī)定，以及3項具體的減緩措施；歐洲航天局（ESA）發(fā)布了《ESA項目空間碎片減緩政策》，規(guī)定了在ESA所有項目中實施空間碎片減緩行動的強(qiáng)制性要求；我國現(xiàn)行的《空間物體登記管理辦法》、《民用航天發(fā)射項目許可證管理暫行辦法》著眼于識別空間碎片產(chǎn)生的來源，規(guī)范航天器發(fā)射主體的審核，有利于減少空間碎片的產(chǎn)生。

這些法規(guī)、政策的出臺并不是憑空而就，而是依賴于大量的技術(shù)探索和實踐。在政策出臺之前就已實施過有關(guān)的空間碎片減緩措施和行動，并發(fā)布了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作鋪墊；此外，中國空間碎片會議、歐洲空間碎片會議等提供了空間碎片領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流殿堂，為空間碎片有關(guān)的各類前沿/新興技術(shù)、最新實踐成果提供了充分展示和交流的舞臺，促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)措施的成熟和共識的達(dá)成；IADC會議則成為空間碎片領(lǐng)域的最高層技術(shù)交流平臺，為出臺國際統(tǒng)一的法規(guī)、政策奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和背書。

從具體內(nèi)容上分析，聯(lián)合國現(xiàn)有的空間法律框架中直接涉及空間碎片的內(nèi)容較少；美國的航天政策和我國現(xiàn)行的管理辦法在涉及空間碎片方面都比較籠統(tǒng)，不夠直接、具體；UNCOPUOS指南和IADC指南則比較簡潔、凝練，缺少細(xì)節(jié)；僅有ESA的政策比較具體、翔實，還配套出臺了相應(yīng)的符合性驗證文件，強(qiáng)制要求各個ESA項目實體提供清晰的證據(jù)來證實其執(zhí)行空間碎片減緩政策的具體執(zhí)行情況。

從權(quán)威性上看，政府間組織和國家層面的法規(guī)、政策都對空間碎片減緩行動提出了強(qiáng)制性的要求，要求參與航天活動的所有相關(guān)方必須嚴(yán)格實施空間碎片減緩措施，為組織和管理空間碎片減緩行動提供了堅實的法規(guī)和政策保證。

4 空間碎片減緩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 發(fā)展歷程

美國航空航天局（NASA）最早于1995年制定并發(fā)布了NSS 1740.14《限制軌道碎片的指南和評估程序》。這項標(biāo)準(zhǔn)后來成為IADC指南的重要參考和依據(jù)。NSS 1740.14目前已被NASA-STD-8719.14《限制軌道碎片的過程》替代[12]。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）最早于1996年發(fā)布了NASDA-STD-18《空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)》。這項標(biāo)準(zhǔn)也是IADC指南的重要參考和輸入。NASDA-STD-18目前已被JMR-003《空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)》替代[13]。

法國宇航局（CNES）于1998年發(fā)布了《空間碎片安全要求——方法和程序》[14]。

俄羅斯于1999年頒布了《空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)》，從技術(shù)層面規(guī)范了空間碎片治理問題[15]。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）于2010年發(fā)布了首份涉及空間碎片減緩的標(biāo)準(zhǔn) ISO 26872：2010《GEO衛(wèi)星的處置》[16]，2011年發(fā)布了空間碎片減緩領(lǐng)域的頂層標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113：2011《空間碎片減緩要求》[17]。

ESA于2012年將ISO 24113：2011采納為ECSS標(biāo)準(zhǔn)ECSS-U-AS-10《空間可持續(xù)性——ISO 24113的采納通告：空間碎片減緩要求》[18]。

通過上述時間節(jié)點的比對可以看出，隨著空間碎片數(shù)量的井噴式增長以及各主要航天國家對空間碎片威脅的日益重視，空間碎片減緩的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也逐漸從個別的國家航天局標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成為多國機(jī)構(gòu)間組織標(biāo)準(zhǔn)、國際準(zhǔn)則和國際標(biāo)準(zhǔn)（參圖4[13]），關(guān)于空間碎片減緩的技術(shù)要求也都基本一致，在各國間達(dá)成了廣泛的共識。

圖4 空間碎片減緩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程Fig.4 Historical development of standards related to space debris mitigation

4.2 空間碎片領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)

空間碎片是近20年來航天領(lǐng)域的熱點話題。從事航天活動的世界各國正積極探尋國際一致的行動準(zhǔn)則，因而達(dá)成國際協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的程度非常高，而ISO正好提供了一個最恰當(dāng)?shù)钠脚_[19-20]。

在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/航空航天技術(shù)委員會/航天系統(tǒng)及其運行分技術(shù)委員會（ISO/TC20/SC14）下，由運行工作組（WG3）和空間碎片工作組（WG7）負(fù)責(zé)制定了一大批空間碎片相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其中ISO 24113[17]作為頂層標(biāo)準(zhǔn)，對空間碎片減緩提出了若干的要求，各項要求的具體實施又通過一系列的低層級標(biāo)準(zhǔn)（如16164，26872，16699等）來規(guī)定，從而逐步構(gòu)建起空間碎片減緩的標(biāo)準(zhǔn)體系（參見圖5）。

圖5 空間碎片減緩領(lǐng)域當(dāng)前的ISO標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)Fig.5 The framework of current ISO standards for space debris

自2015年起，在ISO/TC20/SC14及WG3/WG7的歷屆工作會議上，各國代表一致建議將空間碎片減緩領(lǐng)域的ISO中間層級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，并在SC14決議中明確，將中間層級標(biāo)準(zhǔn)劃分為“航天器空間碎片減緩詳細(xì)要求”和“運載火箭空間碎片減緩詳細(xì)要求”2項。整合后的中間層級標(biāo)準(zhǔn)避免了原先存在的交叉引用和重復(fù)性條款，原有的中間層級標(biāo)準(zhǔn)將被廢止。

未來的ISO空間碎片標(biāo)準(zhǔn)體系框架為“1個頂層要求標(biāo)準(zhǔn)+2個中間層級要求標(biāo)準(zhǔn)+2個低層實施手冊（指南）+若干個外圍支撐性標(biāo)準(zhǔn)”（參圖6）。同時，基于當(dāng)前空間碎片環(huán)境的惡劣態(tài)勢以及商業(yè)航天、小衛(wèi)星的大力發(fā)展趨勢，ISO啟動了對頂層標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113的修訂工作（預(yù)期于2019年發(fā)布最新版本），融入了許多最新的工程實踐和更高、更嚴(yán)格的要求，增加了“碰撞規(guī)避”和“在軌生存能力評估”等內(nèi)容；且不再允許以推高至LEO保護(hù)區(qū)之上（2000 km以上）的方法來處理LEO航天器。

圖6 空間碎片減緩領(lǐng)域未來的ISO標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)Fig.6 Future framework of ISO standards for space debris

4.3 我國有關(guān)的碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)

中國國家航天局（CNSA）于1995年加入IADC，積極參與各國航天局間的空間碎片減緩技術(shù)探討和行動實踐。同時，中國航天領(lǐng)域的技術(shù)專家積極參與空間碎片相關(guān)的ISO標(biāo)準(zhǔn)研究和制定，并以項目負(fù)責(zé)人（project leader）身份主導(dǎo)制定了其中的部分標(biāo)準(zhǔn)。

中國航天積極遵循國際準(zhǔn)則，并結(jié)合自身在空間碎片減緩方面的實踐經(jīng)驗，制定了國家標(biāo)準(zhǔn)，包括：

GB/T 34513—2017《空間碎片減緩要求》（等同采用 ISO 24113：2011）；

GB/T 32308—2015《GEO衛(wèi)星任務(wù)后處置要求》（參考 ISO 26872：2010）；

GB/T 32295—2015《運載火箭剩余推進(jìn)劑排放設(shè)計要求》；

GB/T xxxx 《運載火箭操作性碎片減緩設(shè)計要求》（已報批）。

4.4 空間碎片標(biāo)準(zhǔn)的未來趨勢

空間碎片標(biāo)準(zhǔn)的演化歷史也從一個側(cè)面反映出世界航天的發(fā)展史：各國最初發(fā)布空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)的年代也正是航天活動高速發(fā)展、空間碎片問題凸顯的年代?？臻g碎片對各類航天活動構(gòu)成潛在、隨機(jī)的威脅，幾次重大的空間碎片事件引起了各國對空間碎片問題的普遍關(guān)注和高度重視，促使各國參與到有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定中?？臻g碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從各國航天局、到IADC、到聯(lián)合國、到ISO、再到各國或區(qū)域組織等由下至上再由頂向下的循環(huán)過程，不斷迭代、改進(jìn)空間碎片減緩的技術(shù)要求和具體實踐，并力求國際間的協(xié)調(diào)一致和統(tǒng)一。

從空間碎片減緩要求的技術(shù)層面來看，未來的空間碎片標(biāo)準(zhǔn)將主要集中在ISO平臺制定（頂層要求標(biāo)準(zhǔn)+實施標(biāo)準(zhǔn)+支撐配套標(biāo)準(zhǔn)），經(jīng)各國一致認(rèn)可后將被各國采納。在此之外，各國將結(jié)合國情和具體實踐，出臺其內(nèi)部相關(guān)的配套政策和一些更細(xì)化、具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

目前的空間碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)還主要集中于空間碎片的增量限制；隨著碎片監(jiān)測和碎片清理行動的實踐和應(yīng)用驗證，未來還將制定空間碎片監(jiān)測、預(yù)警、主動清除、碎片防護(hù)等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本文對空間碎片環(huán)境現(xiàn)狀，空間碎片的危害，空間碎片減緩策略，空間碎片減緩有關(guān)的法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行了較全面的分析。

關(guān)于空間碎片減緩的各種措施都在全面深入地研究并推廣實施，國際社會高度關(guān)注、積極推進(jìn)空間碎片減緩行動，在機(jī)構(gòu)內(nèi)部/機(jī)構(gòu)間、國家層面、聯(lián)合國層面等達(dá)成了廣泛共識，配套出臺了有關(guān)的法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)，確定了必要的法律基礎(chǔ)、職責(zé)約束和行動指南。

從作用機(jī)制上來看，法規(guī)為空間碎片減緩行動提供了最基本的要求，劃定了空間環(huán)境保護(hù)不可逾越的紅線；政策為確?？臻g碎片減緩行動的具體落地實施提供了強(qiáng)制性保證，明確了具體的責(zé)任主體、管理和實施流程；標(biāo)準(zhǔn)則為碎片減緩策略及相關(guān)解決措施提供了可操作的、協(xié)調(diào)一致的、國際統(tǒng)一的經(jīng)驗做法，可直接指導(dǎo)工程實踐。可見，法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)相互配套，是有效實施空間碎片減緩活動的重要保證。

某種程度上來說，類似于人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦兴a(chǎn)生的各類垃圾對地面、河流、海洋和大氣等環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染，危及人類的健康狀況和生存環(huán)境，空間碎片則是人造的太空垃圾，對人類的正?？臻g活動產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，且此威脅不分疆域和國別，關(guān)系到全人類共同的安全和空間可持續(xù)發(fā)展。因此，維護(hù)空間活動的正常有序和空間資產(chǎn)的安全，確?？臻g的和平利用與長期可持續(xù)性是全人類共同的責(zé)任和義務(wù)，勢在必行。

此外，對我國來說，積極制定空間碎片有關(guān)的法規(guī)、政策和標(biāo)準(zhǔn)，積極開展空間環(huán)境保護(hù)行動，不僅能夠展現(xiàn)出我國負(fù)責(zé)任的航天大國形象，還直接涉及外太空話語權(quán)的爭奪，并將深遠(yuǎn)地影響到構(gòu)建未來外太空交通管理體系過程中的利益博弈，對此必須給予強(qiáng)有力的支持和保證。