本刊记者 徐菁

治理空间碎片"任重道远"-专访空间碎片研究专家韩增尧

本刊记者 徐菁

空间碎片是人类航天活动对空间环境的污染物,俗称"太空垃圾",也是人类须共同面临的环境问题.人类有责任找出有效的治理方法,给后人留下洁净的空间,而且解决空间碎片问题需要各航天国家的共同努力.2014年5月12日,第32届机构间空间碎片协调委员会(IADC)会议在北京召开,与会各成员国和机构的专家们就空间碎片问题进行了广泛而深入的探讨.为此,本刊记者专访了空间碎片研究专家韩增尧研究员.

记者:人类对空间碎片的研究开始于什么时候?当时空间碎片状况是怎样的?近年来,空间碎片的状况有哪些变化?

韩增尧:自从1957年人类发射第一颗人造地球卫星,空间碎片问题就开始存在.20世纪60年代至80年代,美国、俄罗斯等国航天发射次数处于巅峰时期,基本保持在每年100次以上,而这些航天活动又没有采取必要的减缓措施,于是出现了大量火箭上面级或航天器爆炸解体的事件,使空间碎片问题变得日益突出,因而逐步引起国际社会的关注.

几十年来,人类的航天活动一共产生了4万多个可编目的空间碎片(俗称大碎片),其中有2万多个已经陨落.2000年以前,可编目空间碎片数量大体以每年250个左右的速度递增,并在2000年突破1万个,之后,有明显加速趋势.截止到2014年3月,根据美国空间监视网提供的统计数据显示,其数量已接近17000个.

记者:请您谈谈空间碎片的危害性.如果人类任由空间碎片的发展,若干年后会导致什么局面?

韩增尧:人类越来越深刻地认识到空间碎片的危害性.首先,随着空间碎片数量的不断增加,对在轨正常运行的航天器造成的威胁会越来越大,一旦在轨航天器受到碎片撞击,可能会造成粉碎性解体,比如2009年发生的美俄卫星相撞事件直接造成卫星解体,瞬间产生了2000多个碎片.其次,在轨航天器几乎无法规避微小空间碎片的撞击,会对航天器造成一定的隐患.一个直径1mm的碎片可以轻易击穿卫星的壁板,对卫星内部造成损伤.美国曾发射过一个"长期暴露实验装置"(LDEF),这个装置在太空中飞行了69个月,然后由航天飞机带回地面,科学家对其表面进行了详细的研究,发现其上看得见的撞击坑有34000多个,大于0.5mm的撞击坑有5000多个.每年,美国航空航天局都有"国际空间站"表面遭微小碎片撞击的报道.在航天飞机退役前,每次执行任务返回后,技术人员都会对航天飞机表面进行详细检查,被撞击的痕迹少则几十处,多则上百处,并因此多次更换受损的舷窗.此外,每年都会有一定数量的空间碎片陨落大气层.在空间碎片陨落过程中,大部分会烧蚀殆尽,但也会有一些耐烧蚀部件残留,如果陨落到地面,可能会对地面上的人员财产安全造成威胁;如果残留部分具有放射性,则需要采取严格的防护措施.

正是由于空间碎片的危害性非常大,如果我们现在还不采取措施,任由其发展,有科学家估计到2050年在低地球轨道上会发生"链式"反应,有可能像美国大片《地心引力》一样,碎片相撞产生更多碎片,然后连锁发生更多的相撞,使碎片数量急剧增加,最终出现人类无法控制,导致低地球轨道资源不可用的局面.

空间碎片已成为一个全球性问题.1988年召开的第44届联合国大会上,第一次在决议中列入了空间碎片问题;1993年联合国大会把空间碎片问题作为一个专题;1995年联合国将其作为一个优先审议的项目;2005年联合国和平利用外层空间委员会(以下简称联合国外空委)技术小组起草了《空间碎片减缓指南》,并于2007年表决通过.

记者:您能否给我们介绍一下机构间空间碎片协调委员会?我国加入该委员会后开展了哪些工作?

韩增尧:机构间空间碎片协调委员会是目前唯一一个从事空间碎片研究和协调的非政府组织.该委员会于1993年成立,当时我国以观察员身份参加,1995年国家航天局代表我国政府参加.目前,委员会有包括中国、美国、俄罗斯、欧洲航天局等在内的12个成员,基本上包括了世界主要的航天国家.机构间空间碎片协调委员会下设5个组,其中,指导组由各国政府和航天机构的官方代表参加,主要指导4个技术组的工作,这4个技术组包括观测组、环境和数据库组、防护组及减缓组,分别针对不同的领域开展工作,同时还进行合作交流和研究,共同商讨治理空间碎片的对策.

机构间空间碎片协调委员会成立21年来,组织完成了很多次关于空间碎片的相关合作研究.比如,对空间碎片的联合观测,无论是光学观测手段,还是雷达观测手段,各个国家或地区所处地理位置都有一定局限性,只能观测到自身区域上空的碎片,要想掌握全球范围内的空间碎片数据和信息,就必须建立全球空间碎片监测网,通过多个国家的参与来提高空间碎片观测的精确度.另外,该委员会还组织开展地面超速撞击试验,由于空间碎片的飞行速度很快,在低轨的空间碎片飞行速度为7.6km/s,平均碰撞速度可达10km/s,撞击带来的危害是很大的,因此我们需要在地面模拟撞击效应试验,以便对航天器采取必要的防护措施,并评估防护效果.

机构间空间碎片协调委员会的作用是比较明显的,作为联合国外空委科技小组的一个技术支撑组织,发挥着越来越重要的作用.联合国发布的《空间碎片减缓指南》就是在机构间空间碎片协调委员会制定的指南的基础上形成的.

我国加入机构间空间碎片协调委员会以后,全面参与了5个组的工作,比如紫金山天文台每年都参加联合观测太空危险目标的陨落,并对其进行预报,而且我国的预测精度在各成员国的排名比较靠前.我国还参与了多国联合地面撞击试验,通过地面超高速撞击试验,对各国试验数据的准确性进行比较,验证各国超高速撞击设备的能力和水平.我国研究的防护工具和方法在机构间空间碎片协调委员会中有比较好的反响,并成功应用于天宫-1目标飞行器的空间碎片防护设计上.

记者:目前观测空间碎片采取什么手段?我国有卫星来观测空间碎片吗?

韩增尧:现在,国际上观测空间碎片的手段还是以地基观测为主,包括无线电手段和光学手段,对于低轨道的空间碎片主要是采用"电磁篱笆"、雷达进行观测;而对高轨道空间碎片的观测则以光学手段为主.

地基与天基观测各有不同的优势,它们互相补充.地基观测设备可以把光学望远镜口径和雷达功率做得很大,但是,由于地基观测受到地域条件的限制,难以实现全球布网.而天基手段可以覆盖全球,但因航天器平台资源有限,所以探测距离和精度也会受到限制.

目前,我国还没有在轨卫星用于碎片观测,不过,有理由相信,未来我国必将发展天基观测手段,为获取空间碎片的数据提供更多途径.

记者:目前,世界主要航天国家在空间碎片研究方面取得了哪些重要成果?如何减缓空间碎片的产生?是否会制定相关公约?

韩增尧:以美国为主的航天国家在空间碎片方面开展的工作,主要也是围绕机构间空间碎片协调委员会所涉及的4个层面展开.首先是通过地基和天基手段进行碎片观测,实现数据共享;然后是碎片数据库的管理,如美国的北美防空司令部对空间碎片数据进行管理,并在此基础上开展碰撞预警的相关研究和工程应用;第三是防护,即应采取怎样的防护措施,来提高航天器抵御空间碎片撞击的能力,如美国针对"国际空间站"的主要舱段采取了严格的防护措施,确保"国际空间站"在寿命期间能满足防护要求;第四是减缓,减少轨道上空间碎片的数量,由于美国造成的空间碎片数量是最多的,而且其对卫星的依赖程度也比较高,因此对于治理空间碎片这一问题,美国无论是研究方面,还是工程应用方面,以及制定相应的国际规则等方面都表现得比较积极.

减少空间碎片的产生主要通过以下几个手段:一是避免发生在轨的解体,这就要求运载火箭和卫星在任务结束后采取钝化措施,如排空剩余推进剂;二是避免发生在轨的碰撞,这就要求在轨航天器能够躲避空间碎片的撞击;三是减少运载火箭和航天器任务期间释放的操作性空间碎片,如星箭分离使用的包带、爆炸螺栓帽等.

由于目前联合国通过的《空间碎片减缓指南》没有太多约束力,所以,未来国际社会不排除会制定相关公约,以有约束力的法律条文来约束航天活动.

记者:我国现在有哪些单位在进行空间碎片的研究?近年来在碎片研究方面有什么进展?

韩增尧:目前,我国有包括工业部门、科研院所、高校等单位在内的数十家单位对空间碎片进行研究,近年来在这方面做出了不少成绩.

在空间碎片的监测预警方面,我国的地面监测设备参与了神舟-6~10飞船、嫦娥-1~3探测器的发射预警任务,为载人航天和空间探测任务提供了技术保障.在防护方面,我们自主研制了空间碎片风险评估工具,利用该工具来评估飞行器寿命期间各个部位遭受撞击的风险,并在天宫-1目标飞行器上有针对性地采取了防护措施.现在,天宫-1已经完成2年的预定任务,整个状态良好,表明我们采取的防护设计是可靠的.在减缓方面,"长征"系列火箭上针对空间碎片减缓问题实施了钝化措施,包括剩余推进剂的排空、任务完成后火箭储能部件的消能;而且我国已有多颗地球静止轨道卫星在任务完成后实施离轨,彰显负责任航天大国的形象.在标准规范方面,我国制定了多个空间碎片标准,与国际标准化组织制定的相应标准接轨.

我国政府也加强了对空间碎片的管理工作.2009年12月1日,国家航天局正式发布了《空间碎片减缓与防护管理暂行办法》,用来约束我国工业部门、用户及研制单位的行为,以利于空间碎片的减缓和防护工作有序开展.

2013年10月,我国召开了第7届全国空间碎片学术交流会,对研究进展和成果进行了广泛的交流. 2014年在北京举办的第32届机构间空间碎片协调委员会会议,不仅可以树立我国政府在空间碎片领域负责任大国的形象,而且对促进国际间交流合作、引领我国空间碎片研究向纵深发展有积极作用.

记者:在空间碎片减缓方面存在的主要困难是什么?是否找到有效的解决途径?这种途径什么时候能够投入实际应用?

韩增尧:空间碎片减缓问题一直是各国都感到棘手的问题.一方面,如果不采取一定的减缓措施,在轨解体事件必然会频发,进而产生更多的空间碎片;另一方面,如果采取措施的话,就会给研制部门、用户带来额外的负担,会牺牲某些代价.比如,对于地球静止轨道卫星,在其任务完成后要离轨,而离轨需要燃料,如果不离轨卫星可以延长一些寿命,带来一定的经济效益.此外,以往火箭和卫星的研制流程是较为成熟的,要改变它的设计状态和流程,可能会带来一定的风险,所以无论从单纯的设计部门还是从用户,都不情愿去做这件事.这也是空间碎片减缓工作不好推进的原因之一.

技术障碍是空间碎片减缓工作中遇到的另一个困难.比如,前面提到的地球静止轨道卫星离轨问题,卫星寿命到期时要求运行到地球静止轨道以上300km左右的弃置轨道.然而,目前还没有一种成熟的技术手段能非常精确地测量卫星的剩余推进剂,既能确保卫星离轨,也不浪费推进剂.目前,机构间空间碎片协调委员会还准备出台一个规定,只允许运载火箭和卫星在任务完成后在轨滞留25年.如何推进这个规定也存在很大困难,因为卫星要想离轨陨落所付出的代价是很高的,比如八九百千米轨道的卫星,实施轨道机动直至陨落所需的推进剂能让其在轨道上工作几年时间.

现在,对于地球静止轨道的空间碎片减缓工作还是做得比较好的,因为其所花费的代价不是很高,而且由于地球静止轨道资源非常宝贵,目前这个轨道上已经部署了400多颗卫星,所以,相对来说各主要航天国家对此还是做得比较好的.

不同的轨道高度,在空间碎片减缓措施上所付出的代价不一样,只有少数轨道的卫星在尝试采取减缓措施,还没有形成一种强制性的规定.

有学者提出,未来可以形成这样一种治理空间碎片的模式:由相关法律对航天活动进行约束,对于没有能力治理空间碎片的国家或组织,由商业公司帮助清理,而责任人必须支付清理的费用.这种模式首先基于技术和商业运作的成熟程度,而且存在一定法律层面的问题,至于何时能够付诸实施,恐还有很长的路要走.

记者:从您这些年对空间碎片的研究经验来看,我国未来空间碎片的研究和应对措施应该从哪些方面加大力度?

韩增尧:在政策标准层面,不仅要贯彻执行《空间碎片减缓与防护管理暂行办法》,而且应加强技术标准的制定,为工作部门和用户提供可具操作性的指导文件.

在空间碎片的监测方面,我国的监测设备与国外相比差距还比较大,在改进地基监测手段的同时,要考虑发展天基监测手段,为空间碎片的监测和数据的获取提供支撑.

在预警数据库方面,应加强数据的统一规范管理,提高数据的品质和时效性,为我国在轨100余颗卫星的日常预警提供有效支撑.

在航天器防护方面,我国将要发展载人空间站,对空间碎片防护提出了更高的要求,我们应加强先进防护结构和防护材料的研究;对于大量的在轨卫星,特别是低轨卫星,遭遇空间碎片撞击的风险比较高,我国有必要对卫星的重要部位采取一定的防护措施,提高卫星在轨运行的可靠性.

在轨航天器上应安装一些监测设备,实时对空间碎片的撞击进行观测.我国的空间站,由于长期需要有人照料,航天员滞留时间较长,一旦有空间碎片撞击,航天员应该能够通过空间监测设备在很短的时间内获知相关信息,并了解撞击部位和撞击程度,以便采取相应的补救措施,或采取撤离等应急响应,来保证航天员的安全.

在减缓方面,应着重开展低轨运载火箭和卫星任务后寿命不超过25年的技术措施研究和空间碎片清除研究.

正如地球表面上的环境一样,地球轨道上的环境也未能逃脱先污染、后治理的命运,而且治理的难度更大,周期会更长.美国、欧洲、俄罗斯等国家都召开了多次空间碎片清除的研讨会,提出了若干技术措施和手段,但整体看来,面对这些数量众多、大小不一、高速飞行的空间碎片,无论是技术能力还是财政负担都将是非常严峻的挑战.