唐明亮，古艷峰，王穎

(上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108)

1 引言

經(jīng)統(tǒng)計[1]，運載火箭軌道級是目前空間碎片的主要來源之一。隨著商業(yè)航天逐漸成熟，全球每年運載火箭發(fā)射次數(shù)也逐漸增多。為保護空間環(huán)境、維護人類太空開發(fā)的長期可持續(xù)性，國際社會對運載火箭軌道級和在軌航天器的空間碎片減緩要求逐步趨嚴(yán)。在此趨勢下，專注于運載火箭軌道級空間碎片減緩方面的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893：2021(E)《航天系統(tǒng)——運載火箭軌道級空間碎片減緩詳細要求》(“Space systems—Detailed space debris mitigation requirements for launch vehicle orbital stages”)[2]應(yīng)運而生。

2 研制歷程

2021年2月12日，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)正式發(fā)布了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893：2021(E)，以此作為ISO 24113：2019(E)[3]的一項重要支撐標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)研制歷程大致分為成功立項、范圍調(diào)整、穩(wěn)步推進三個階段。

2.1 第一階段(成功立項)

2013年5月，ISO/TC20/SC14莫斯科會議上，項目團隊首次提出新提案《Space systems—The design requirements for residual propellants venting and effect evaluation of launch vehicle》，進入新工作項目(PWI)階段。2014年5月的東京會議上，項目團隊根據(jù)各國代表意見修改形成《Space systems—Prevention of break-up of orbital launch stages》提案，在會議發(fā)布討論，提案獲得通過，被正式列為新工作項目，進入新項目提案(NP)階段，并于2015年10月4日順利通過各成員國投票，正式立項，獲得ISO 20893標(biāo)準(zhǔn)號。標(biāo)準(zhǔn)范圍主要涉及器箭分離后預(yù)防運載火箭軌道級在軌解體，比如剩余推進劑排放、高壓氣體釋放、電池和自毀裝置防爆等方面。

圖2 調(diào)整后ISO空間碎片標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架Fig.2 The ISO space debris standard development framework after adjustment

2.2 第二階段(范圍調(diào)整)

近年來，空間碎片減緩領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)框架體系在不斷調(diào)整中。2016年5月ISO/TC20/SC14北京會議通過了將空間碎片減緩國際標(biāo)準(zhǔn)按照運載火箭和航天器分別整合的方案。根據(jù)決議，ISO 20893將整合原有ISO 16699“Space systems-Disposal of orbital launch stages”內(nèi)容。其中，ISO 16699標(biāo)準(zhǔn)聚焦于運載火箭軌道級的離軌處置方面。整合后，ISO 20893全面支撐、細化頂層標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113相關(guān)要求[4]。具體范圍變?yōu)椋憾x詳細的空間碎片減緩要求和建議，以便有助于處在地球軌道的運載火箭軌道級的設(shè)計與操作。主要涉及避免釋放空間碎片、預(yù)防在軌解體、離軌處置、安全再入等方面。

2.3 第三階段(穩(wěn)步推進)

ISO 20893從2017年3月擴大應(yīng)用領(lǐng)域后重新立項。通過與法、日、德、英、美、俄、意等國際專家的充分溝通交流，歷經(jīng)委員會意見征詢草案(CDC)、委員會投票草案(CDV)、國際標(biāo)準(zhǔn)草案(DIS)、最終國際標(biāo)準(zhǔn)草案(FDIS)等階段征求意見、投票和修改完善，直至2021年2月最終正式發(fā)布。

在此期間，項目組以“凝聚共識、合理可行、適當(dāng)先進”作為出發(fā)點，對上百條相關(guān)意見和建議進行了相應(yīng)處置?？紤]到新一代空間站的建設(shè)和預(yù)防發(fā)射碰撞的現(xiàn)有能力，本標(biāo)準(zhǔn)增加了預(yù)防發(fā)射碰撞方面的要求。

3 主要內(nèi)容解讀

3.1 范圍

在目前國際標(biāo)準(zhǔn)體系中，ISO 24113是空間碎片減緩領(lǐng)域的頂層標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容涵蓋了運載火箭和航天器設(shè)計和操作過程中避免釋放操作性碎片、避免在軌解體、離軌處置、安全再入等方面。

ISO 20893作為標(biāo)準(zhǔn)ISO 24113的支撐性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合運載火箭軌道級的具體情況和相關(guān)工程經(jīng)驗，對其中涉及運載火箭的相關(guān)要求進行了細化。具體包括運載火箭軌道級避免釋放操作性碎片，剩余推進劑排放、壓力容器、電池和自毀裝置等鈍化措施，運載火箭發(fā)射前空間碎片碰撞分析，軌道級任務(wù)后離軌處置、再入，任務(wù)規(guī)劃與文件記錄等方面，并對運載火箭軌道級的設(shè)計和運行提出了相關(guān)建議。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)目錄(ISO網(wǎng)站預(yù)覽)Fig.3 Standard contents

3.2 軌道級及其數(shù)目

根據(jù)ISO 24113中3.13術(shù)語定義，作為運載火箭產(chǎn)生推力且進入軌道的完整模塊，均被稱為Launch vehicle orbital stage。雖然大部分運載火箭只有最后一級能進入軌道，但考慮到某些火箭可能需要加載上面級多次變軌，導(dǎo)致不止一個級段進入軌道，因此，將Launch vehicle orbital stage翻譯為運載火箭軌道級比運載火箭末級更合適。

在避免釋放操作性空間碎片方面，本標(biāo)準(zhǔn)列出了常見的空間碎片形式。對于發(fā)射一個航天器但產(chǎn)生兩個軌道級的發(fā)射任務(wù)只允許一個軌道級留軌的規(guī)定，潛在要求其中一個軌道級必須主動離軌。若該級段不具備離軌能力，則應(yīng)將其最終彈道設(shè)計為亞軌道。

3.3 預(yù)防在軌解體

在預(yù)防在軌解體方面，本標(biāo)準(zhǔn)提出了剩余推進劑排放主要途徑。對于剩余推進劑排放的兩項注釋，是為了避免混合比偏差或排放壓力梯度不合理而引發(fā)爆炸。對排放方向的建議則是為了增強軌道級的離軌效果，縮短其留軌壽命。本標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)范了壓力容器鈍化方式優(yōu)先級。文中提出壓力臨界值概念，旨在避免壓力容器在內(nèi)壓作用下因碰撞觸發(fā)解體，產(chǎn)生更多碎片。

3.4 預(yù)防發(fā)射碰撞

在預(yù)防發(fā)射碰撞方面，結(jié)合我國和美、俄、法、日等國運載火箭發(fā)射前空間碎片碰撞分析的成功經(jīng)驗和空間站安全需求，本標(biāo)準(zhǔn)明確了相關(guān)要求和推薦指標(biāo)。

3.5 離軌處置

在離軌處置方面，本標(biāo)準(zhǔn)鼓勵器箭雙方協(xié)調(diào)發(fā)射軌道參數(shù)，以便軌道級滿足處置要求。對于目標(biāo)圓軌高度超過600km的航天器發(fā)射任務(wù)，若運載火箭軌道級缺乏主動離軌能力，建議器箭雙方優(yōu)化發(fā)射軌道高度，先將航天器送入較低的停泊軌道并進行檢查，再通過航天器自身變軌至目標(biāo)軌道。相比常規(guī)圓軌直接發(fā)射，該發(fā)射新策略一方面可大幅縮短火箭末級留軌壽命，甚至可以精簡運載末級的再次啟動，從而提高發(fā)射可靠度，另一方面還可提供器箭分離后的航天器狀態(tài)檢查機會，避免失效航天器進入目標(biāo)軌道。另外，降低發(fā)射軌道高度，還可能提高航天器可用運載能力，增加其推進劑攜帶量，延長運行壽命或離軌處置能力[5]。

與此同時，本標(biāo)準(zhǔn)明確否定了將軌道級近地點高度抬升至2000km以上高度的處置方案。因為在空間碎片演化仿真時，為確保在未來100年內(nèi)能有效控制空間碎片增長，施加了停留或穿越低地軌道(LEO)、靜地軌道(GEO)以及二者之間區(qū)域的所有空間物體均須滿足25年的限制條件。

另外，本標(biāo)準(zhǔn)還給出了大橢圓軌道級離軌用推進劑的設(shè)計原則，主要是考慮到大橢圓軌道受到日月攝動影響較大，留軌壽命不確定度較高。本標(biāo)準(zhǔn)還明確了運載火箭軌道級留軌壽命計算方法和再入操作標(biāo)準(zhǔn)程序。

3.6 安全再入

在再入方面，本標(biāo)準(zhǔn)鼓勵采用材料替換、優(yōu)化布局等消亡設(shè)計措施，并且允許受控再入過程對軌道級實施結(jié)構(gòu)自毀，以便更早形成更小碎片并充分燒蝕，進一步降低碎片對地面人員的傷亡率。

4 建議措施

隨著全球運載火箭發(fā)射任務(wù)日益密集和空間碎片的迅速增多，國際社會出于對太空環(huán)境保護、太空長期可持續(xù)性的考慮，對空間碎片減緩要求日益嚴(yán)格。運載火箭軌道級，特別是我國大型軌道級無控再入，常受到國際社會廣泛關(guān)注，甚至部分勢力趁機進行惡意炒作。這一局面不利于我國樹立負(fù)責(zé)任航天強國的形象。為此，本文給出如下建議：

(1)國內(nèi)航天界，尤其是器箭雙方在進行發(fā)射軌道高度優(yōu)化協(xié)調(diào)時，不僅應(yīng)考慮運載能力，還應(yīng)考慮器箭的離軌處置能力；

(2)我國新研火箭應(yīng)盡可能采取主動受控離軌措施；

(3)在發(fā)射低軌航天器時，可嘗試增設(shè)小型末級、合理選擇入軌參數(shù)等方式，以避免大型級段直接入軌；

(4)在大型軌道級或航天器再入事件宣傳報道方面，通過及時發(fā)布落區(qū)預(yù)報、地面?zhèn)雎史治鰯?shù)據(jù)和再入、解體、墜落視頻動畫等相關(guān)信息，正面回應(yīng)國際社會的關(guān)注。

5 結(jié)語

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893旨在為各國在運載火箭軌道級空間碎片減緩方面提供可行、規(guī)范的設(shè)計要求和參考，統(tǒng)一規(guī)范對空間環(huán)境的保護要求，將有助于全球航天產(chǎn)業(yè)相關(guān)活動更加符合ISO 24113的頂層要求，以減少對空間保護區(qū)域的不利影響。

本文按照三個階段梳理了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 20893近八年的研制歷程，并對本標(biāo)準(zhǔn)意義和主要內(nèi)容相關(guān)背景和深層次目的進行了解讀，并且針對我國運載火箭軌道級受控離軌和再入方面的現(xiàn)狀，提出了相關(guān)建議。希望上述歷程回顧與解讀有助于讀者對本標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求的深入了解。