國外空間碎片清除最新發展

宋博 李侃 唐浩文（北京空間科技信息研究所）

1 空間碎片環境加速惡化，空間碎片主動清除勢在必行

空間碎片是人類探索和利用外層空間的產物，通常包含失效航天器、火箭體、剩余燃料及氣體、航天器材料、生活垃圾等。根據歐洲航天局（ESA）2020年底發布的信息，地球軌道上尺寸大于10cm的空間碎片超過3.4萬個，尺寸1～10cm的空間碎片超過90萬個，尺寸0.1～1cm的空間碎片約1.3億個。

近年來，人類空間活動顯著增加，低軌巨型星座井噴式發展，使在軌空間物體數量快速上升。截至2021年3月17日，全球共進行了6039次航天發射，發射入軌航天器10750個。2020年全球發射航天器1278個，創歷史新高，約為2010年發射數量的10倍和2019年發射數量的3倍，其中，僅美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）衛星就發射了833顆，未來計劃共發射42000顆。巨型星座普遍采用的小型衛星由于入軌失敗率、運行中失效率、不受控離軌率較高等原因，或將使空間碎片環境加速惡化。

另一方面，當前航天器壽命末期鈍化等減緩要求的執行情況不佳，且已實施減緩措施的航天器仍有可能發生解體或碰撞。例如，2021年3月10日美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的諾阿－17（NOAA－17）衛星發生在軌解體，截至3月20日美國負責空間監視的天軍第18空間控制中隊稱已跟蹤到16片較大的解體碎片。而NOAA曾公開表示，NOAA－17在退役前已進行了減緩處理，包括星上蓄電池斷接和推進劑貯箱泄壓等。

空間碎片環境日益惡化，使航天發射和在軌衛星運行安全受到愈發嚴重的威脅，空間碎片問題的嚴重性和治理的迫切性，已受到主要航天國家越來越多的重視。主動清除空間碎片，且優先清除失效航天器和火箭箭體等大型碎片，成為越來越多國家的共識。

2 國際層面發展現狀

國際政策法規基本架構初步建立，但在空間碎片清除方面仍存在制度性缺陷。目前，空間碎片治理相關規則標準主要是機構間空間碎片協調委員會（IADC）頒布的《空間碎片減緩指南》、2019年聯合國和平利用外層空間委員會（COPUOS，簡稱聯合國外空委）新通過并發布的《外空活動長期可持續性指南》序言與21條準則、國際標準化組織（ISO）通過的2019《空間系統—空間碎片減緩要求》，以及由我國主導制定并發布的ISO 20893《空間系統—運載火箭軌道級空間碎片減緩詳細要求》等。

總體來看，現有國際層面的政策法規為建立空間環境保護和空間碎片減緩的基本構架奠定了一定基礎，在實踐中促進了空間活動的安全和秩序，但尚未建立起全面有效的空間碎片減緩政策法規體系，在空間環境治理，尤其是空間碎片清除方面尚存在制度性缺陷，主要表現在:一是現行空間法和條約未對“空間物體”“空間活動”等術語進行準確界定或充分說明，這對判斷實施空間碎片主動清除的合法性至關重要；二是現有國際政策標準不具有法律約束力，難以強制實施，比如《空間碎片減緩指南》的執行情況并不理想，低軌衛星按規定實施25年離軌的比例約為60%左右；三是現有國際政策標準對新情況的適應性不足，如低軌空間物體25年內離軌的要求已經難以適合當前衛星數量數以萬計的巨型星座的爆發式發展新態勢；四是違反相關規定的國家責任難以落實，比如一國實施空間碎片清除如果損害了他國利益必須給予賠償，但多數情況下難以證明某個特定行為的主體是誰、且證明該行為造成了特定損害。

聯合國外空委2019年發布的《外空活動長期可持續性指南》序言和21條準則中有關條款，是國際社會達成的最新共識。其中，涉及空間碎片減緩的條款主要包括：準則B.1：提供最新聯系信息并分享關于空間物體和軌道事件的信息；準則B.2：改進空間物體軌道數據的準確度，并加強空間物體軌道數據分享實踐和效用；準則B.3：推動收集、分享和傳播空間碎片監測信息；準則B.4：在受控飛行所有各軌道階段期間進行交會評估；準則B.5：擬訂發射前交會評估務實做法；準則B.8：不考慮其物理和操作特點對空間物體的設計和操作；準則B.9：采取化解空間物體失控再入大氣層相關風險的措施；準則B.10：在使用穿越外層空間的激光束光源時遵守防范措施。

3 國外發展現狀與最新動向

美國

（1）國內政策標準體系初步建成，將空間碎片治理上升到國家層面頂層指導綜合施策

美國對空間碎片治理高度重視，上升到國家層面，在《國家空間政策》中明確提出要實施空間碎片減緩，并發布《國家空間交通管理政策》《美國軌道碎片研究與發展計劃》等文件，在其指導下形成并及時調整《美國政府軌道碎片減緩標準實踐》《限制軌道碎片程序標準》等相關標準，指導規范領域發展。

《國家空間政策》發布于2020年12月9日，從頂層提出空間碎片治理的基本方針和重點方向：一是繼續主導制定并推動采納國際和行業標準與政策，繼續提供空間態勢感知基礎數據和基本的空間交通協調；二是遵循并定期更新《美國政府軌道碎片減緩標準實踐》，在航天器采購和運行、發射服務、在軌試驗和實驗期間，在符合任務要求和考慮效費比情況下，限制產生新的碎片；三是加強技術和方法研發，更好地掌握軌道碎片特性、減緩風險、消除危害，增進對當前與未來碎片環境的了解；四是與盟友和伙伴協調，評估和發展空間碎片主動清除能力，作為長期保證關鍵軌道區域飛行安全的潛在方法。

《國家空間交通管理政策》著眼太空領導地位和太空國際規則主導權，聚焦空間交通管理提出發展目標和舉措。

《美國軌道碎片研究與發展計劃》為限制/跟蹤/表征和清除空間碎片提供具體指導，明確了軌道碎片風險管理的基本要素和優先事項。

（2）將空間碎片清除納入在軌服務體系，制定遠期愿景與規劃

鑒于空間碎片清除與在軌服務在目標抓捕與精細操控、高效軌道轉移等方面具有很多共性技術，美國未將空間碎片清除單獨制定發展規劃，而是將其納入在軌服務大體系，作為在軌服務的初級階段，開展相關體系設計和規劃設想。

早在2007年末，即“軌道快車”（Orbital Express）計劃成功實施、影響空前的時候，美國即與多國專家圍繞在軌服務體系架構、未來前景進行了研討，在綜合考慮政治、經濟、技術等條件下，結合能力差距和可行性分析，形成了在軌服務應用前景路線圖。近期，重點以衛星輔助入軌與離軌（含空間碎片離軌清除）、故障檢查等應用場景為主；中遠期，在軌服務對象擴展到高中低軌道的各類衛星，甚至月球軌道和火星軌道上的衛星，執行輔助入軌/離軌（含空間碎片離軌清除）、故障檢查與維修、多用途燃料補加器、燃料庫、零件庫建設等多種任務。

2012年，美國國家航空航天局（NASA）發布《空間技術路線圖與優先級》，面向2035年明確航天技術發展路線圖，將在軌組裝、模塊更換、維修、地球靜止軌道（GEO）自主燃料加注與重定位（含GEO軌道碎片離軌）等自主在軌服務關鍵技術明確列入第四技術領域。

從2009年開始，美軍把在軌服務正式列入任務領域，在《聯合條令：空間作戰》（JP3－14）等條令中均明確將在軌服務作為保障美軍軍事航天裝備穩定運行和應急重構增強的重要作戰任務之一，將相關技術作為軍事航天領域未來10～35年科技研發重點。

目前，軍、民在軌服務項目分別在美國國防高級研究計劃局（DARPA）和NASA主導下形成了一定技術基礎，并大力推進新項目。2020年11月，NASA牽頭帶領國防部和情報界開展“在軌服務、裝配與制造任務”（OSAM）國家計劃。2021年2月5日，DARPA提出“新型軌道與月球制造、材料和質量效率設計”（NOM4D）項目，計劃開拓適應性、離地制造技術，以及生產大型空間和月球結構。

（3）廣泛開展空間碎片主動清除概念技術研發，對接捕獲與延壽系統率先實現商業應用

美國在空間碎片機械臂抓捕、天基激光驅離、電動系繩離軌等技術領域已開展了長期研究。當前軍、民雙線推動，按前沿技術攻關和工程應用兩條主線分別發展：一是瞄準技術難度大、具有綜合性在軌服務應用能力的雙/多臂精細操控機器人技術，以軍為主、軍商合作推進技術完善和在軌演示驗證；二是采用商業化模式，利用成熟技術發展具有市場前景的衛星延壽應用系統。

1）“任務拓展飛行器”（MEV）系列。MEV－1已于2019年10月9日發射升空，入軌并接近國際通信衛星－901（IntelSat－901）后，伸出對接機構進入其發動機噴管，將自身和IntelSat－901衛星連接到一起。2020年2月25日，MEV－1與IntelSat－901在墳墓軌道完成對接，為其延壽5年。

MEV－1連接在客戶衛星上，為其延長使用壽命（來源：Nathan Koga/SpaceFlight Insider）

2020年8月15日，MEV－2衛星發射升空，將與Intelsat－10－02衛星在GEO軌道對接后，提供類似延壽服務。

諾格公司（NG）目前正在研制MEV系列航天器的升級型號—“任務機器人飛行器”（MRV），將配備空間機械臂和10～12個“任務擴展箱”。

2）“地球同步軌道衛星機器人服務”（RSGS）系統。RSGS是DARPA在2016年5月啟動的GEO軌道在軌服務試驗項目，計劃研制能夠執行衛星抓捕變軌、檢測修理、載荷更換、附著小衛星安裝等多項任務的“自主服務航天器”（RSV）。該項目衍生于DARPA的“鳳凰”（SETI）計劃，主要目標是為GEO軌道目標提供精細操控能力。RSGS將開展6～9個月的在軌演示試驗，隨后為商業和政府客戶衛星提供有償的商業在軌服務。

“自主服務航天器”示意圖（來源：DARPA）

DARPA將通過政府和社會資本合作（PPP）方式推進項目，海軍研究實驗室（NRL）負責提供2個“近期能驗證的前端機器人”（FREND）機械臂，太空后勤公司（SL）負責研制平臺和發射衛星，并在演示試驗完成后繼續開展商業服務。

歐洲

在政策法規方面，歐盟通過了《歐盟外空行為準則》，并以此為基礎試圖在聯合國通過《外空活動國際行為準則》。2021年初，歐盟在“地平線2020”（Horizon2020）框架下立項空間交通管理規則框架研究項目，并積極在聯合國外空委以及國際宇航科學院等多個平臺牽頭制定相關國際規則。

在發展模式方面，歐洲著眼快速應用，采用政府購買商業服務并向商業公司提供空間碎片清除相關關鍵技術的模式，推動空間碎片清除相關技術發展，并通過在軌演示驗證快速向應用轉化。歐洲已率先通過“碎片清除”項目開展了飛網、飛矛捕獲空間碎片技術的在軌演示驗證，計劃2025年發射全球首個實用性空間碎片主動清除系統清潔太空－1衛星。

（1）“碎片清除”系統

歐洲“碎片清除”（RemoveDEBRIS）任務于2013年10月正式啟動，旨在探索多種軌道碎片捕獲、清除技術。2018年9月，歐洲發射“碎片清除”系統，隨后將立方體衛星用作人造“空間碎片”目標，成功開展了世界首次真實太空環境下飛網抓捕、飛矛穿刺、運動跟蹤、拖曳帆離軌等多項空間碎片清除關鍵技術驗證試驗。

“碎片清除”網捕試驗示意（來源：ESA）

（2）“清潔太空”系統

2020年12月，ESA宣布正式與瑞士清潔太空公司（ClearSpace）簽署了價值8600萬歐元的合同，用于研制清潔太空－1（ClearSpace－1）衛星，并為后者提供關鍵的專業知識。

清潔太空－1衛星將是歐洲首個實用性空間碎片主動清除系統，計劃2025年發射。該項目是2012年ESA“歐洲離軌”（e.Deorbit）任務的后續，“歐洲離軌”任務航天器原計劃于2023年發射，計劃在低軌開展主動碎片移除任務，目標為已失效的“歐洲環境衛星”（Envisat），捕獲方式采用網捕方案。后因技術難度過高，任務于2018年12月取消，并重新啟動了“清潔太空”計劃，擬清除的碎片目標更換為質量為112kg、軌道高度約800km的“織女星”（Vega）火箭二級有效載荷適配器（Vespa）。

清潔太空－1衛星將利用搭載的4個機械臂抓捕裝置完成對目標的抓捕操作。同時項目團隊也在研究采用飛網抓捕的替代方案。

清潔太空－1衛星示意（來源：ClearSpace）

日本

在政策法規方面，日本在2020年發布的新版《宇宙基本計劃》中特別指出空間碎片已對日本持續、穩定利用空間構成嚴重威脅，提出將建立日本空間碎片防護制度、參與相關國際規則制定，并研制空間碎片清除衛星。

在發展模式方面，日本采用公私合作、分步發展方式，先期利用技術難度較小的磁吸對接方式，先于美、歐開展了全球首次空間碎片對接捕獲與離軌演示試驗，于2021年3月22日成功發射“空間尺度壽命末期服務-演示驗證”（ELSA-d）系統。同時還在開展天基激光清除空間碎片技術研究，計劃近期在空間站開展試驗。

日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）2017年發布公告，針對軌道高度700～1000km的大型空間碎片征集清除系統及其關鍵技術方案，以及商業化可行性方案，計劃10年內以低成本完成系統研發并商業化。計劃2023年前發射一顆演示衛星，逼近日本H－2A火箭上面級，2026年完成對接和離軌?，F已成功發射ELSA-d演示驗證系統，開展階段性工作。

ELSA-d是空間尺度公司（Astroscale）開展的空間碎片主動清除技術演示驗證項目，該公司由日本人岡田光信于2013年在新加坡創立，總部位于日本東京。ELSA-d重點演示驗證低軌空間碎片交會、對接、離軌等技術，為后續發展實用性空間碎片主動清除系統積累技術和經驗。ELSA-d將是全球首個在真實空間環境下實施的空間碎片搜索-交會-對接-離軌全過程演示驗證任務，標志著空間碎片主動清除向實用化邁進了一大步。

正在進行測試的ELSA-d系統（來源：Astroscale）

ELSA-d由2個航天器組成，即“清除航天器”和用于模擬空間碎片的“目標航天器”，二者連接在一起發射進入高度約550km的低地球軌道（LEO）。

未來，空間尺度公司將與JAXA合作，開展日本H-2A火箭上面級的第一階段任務—“空間尺度主動碎片清除”（ADRAS），計劃2022年底發射任務航天器。

俄羅斯

俄羅斯國家標準委員會（RNSC）于2018年9月通過了用于控制空間碎片的《關于限制航天器在近地空間造成人為污染的一般要求》國家標準，并提出首個“銀河”（Milky Way）天基空間碎片監測與清除綜合系統發展計劃。

2020年1月，俄羅斯航天國家集團（Roskosmos）宣布將建立用于跟蹤空間碎片的“銀河”近地空間危險情況預警天基系統。該系統將由6顆衛星組成，首期發展4顆衛星，2顆用于近地空間監測，2顆用于航天器監視。后續“銀河”系統還將加入2個碎片清除航天器，將高風險空間碎片清除或改變其軌道?！般y河”系統計劃采用人工智能技術，使每天測量次數增加5倍，達到100萬次/天，顯著降低在軌碰撞虛警概率。俄羅斯計劃2027年發射“銀河”首星。

4 結束語

空間碎片清除已成為確?？臻g可持續發展的必要手段之一。美、歐、日等主要航天國家和地區已瞄準空間碎片清除開展了一系列研究，目前著力針對尺寸較大的空間碎片開展在軌試驗驗證，將于未來3～5年邁向工程應用。此外，空間碎片清除面臨的一些國際法律、規則等問題須在全球框架下解決，開展相關實踐是主導和參與空間治理相關國際規則制定工作的基礎和前提。