空间碎片减缓“5年规则”的来龙去脉.pdf
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1、Vol.23 No.22023空间碎片研究SpaceDebrisResearch第 23 卷 第 2 期2023 年空间碎片减缓“5 年规则”的来龙去脉段锋(国防大学军事管理学院,北京 100091)摘 要:1995年美国提出的空间碎片减缓“25年规则”在全球范围内被广泛采纳,但小卫星、大星座的迅速兴起对该规则的实际效果带来很大挑战。2022年9月,独立于白宫、向国会汇报的联邦通信委员会率先发布空间碎片减缓“5年规则”。联邦通信委员会此举维护了其在美国国内空间碎片减缓领域的领先地位。下一步,美国政府行政分支很可能会在新版美国政府轨道碎片减缓标准做法中采纳“5年规则”,并利用“5年规则”来引领和
2、塑造空间碎片减缓国际规则。“5年规则”的推出预示着空间碎片减缓规则体系整体上趋于严格,可能将带动主动碎片移除技术、政策、产业的发展。关键词:空间碎片减缓;主动碎片移除;5年规则;25年规则DOI:10/19963/ki.2096-4099.2023.02.006 中途分类号:D999.1 文献标识码:AOrigin and Development of the 5-Year Rule for Space Debris MitigationDUAN Feng(Military Management College,National Defense University,Beijing 10009
3、1,China)Abstract:The 25-year rule for space debris mitigation formulated by NASA in 1995 has been adopted by many countries and organizations worldwide.However,the effect of this rule is being seriously challenged by the rising small satellites and mega-constellations.In September 2022,the FCC,indep
4、endent of the White House,reporting to the Congress,introduced preemptively the 5-year rule for space debris mitigation,and has thus maintained its leadership in the area of space debris mitigation in the US.The executive branch of the US government may adopt the 5-year rule in next US Government Or
5、bital Debris Mitigation Standard Practices,and so further shape the international rules.The emerging of the 5-year rule indicates that the space debris mitigation rules are becoming more rigorous,in the meantime,it can probably promote the development of the Active Debris Removal(ADR)technologies,po
6、licies as well as the ADR industry.Key words:space debris mitigation;active debris removal;5-year rule;25-year rule1 引言2022年9月30日,独立于白宫的美国联邦通信委员会(FCC)不顾国会劝阻,在美国国家航空航天局(NASA)重新审查美国政府轨道碎片减缓标准做法之际,率先发布空间碎片减缓“5年规则”,要求工作在或穿越2000 km以下低地球轨道(LEO)区域的航天器,在任务结束后须尽快离轨再入大气层,且最晚不超过5年1。该规则建立在美国航天界主流意见基础上,反映了新52空间碎
7、片研究第 23 卷航天给空间碎片环境带来的严峻挑战,与原“25年规则”相比,其严格程度大幅提升。5年规则既是一项单纯的空间碎片减缓指标,也是衡量空间碎片减缓规则体系严格程度的最具代表性的标志。25年规则转变为5年规则,预示着空间碎片减缓规则体系整体上趋于严格。2 曾经成功的25年规则1995年8月,NASA发布限制轨道碎片指南及评估程序,要求“限制任务完成后的轨道寿命为25年,或机动至处置轨道”,最早提出了适用于LEO区域的25年规则,用于规范NASA航天器的空间碎片减缓行为。这条规则随后被美国国防部、FCC等政府部门采纳,用于规范各自职权范围内航天器的碎片减缓行为。2001年,第一版美国政府
8、轨道碎片减缓标准做法(USGODMSP,以下简称ODMSP)也采纳了这一规则,用于指导所有联邦航天器的空间碎片减缓行为。2019年11月修订的ODMSP仍然保留了该规则。25年规则在美国之外也具有广泛影响力,不少国际组织和国家采纳了该规则。2002年,机构间空间碎片协调委员会(IADC)发布的第一版空间碎片减缓指南采纳了该规则。IADC还指出,他们考察了限制任务后轨道寿命对碰撞概率、碎片数量增长的影响,发现25年是一个合理的、合适的时限2。在IADC之后,国际标准化组织也在其ISO 24113航天系统:空间碎片减缓要求中采纳了该规则。我国也在国标GB/T 34513-2017/ISO 2411
9、3:2011空间碎片减缓要求中规定:“运行在LEO保护区的航天器或运载火箭轨道级(长期或周期性出现在LEO保护区),应限制其任务结束后仍然出现在LEO保护区的累积时间最大值不超过25年。”3法国的步子迈得最大,在世界上第一个将该规则写进了本国法律(2008年空间活动法)4,使该规则的约束力大幅增强。2011年,法国退役了两颗小型高椭圆轨道SPIRALE卫星,两颗卫星都在任务完成后降低了近地点高度;法国国家空间研究中心降低了DEMETER卫星轨道,都是为了满足25年规则要求5。不过,联合国和平利用外层空间委员会的空间碎片减缓指南没有写入25年规则(事实上这份文件没有任何定量要求)。一般来说,与航
10、空航海领域相比,太空领域达成国际规则的难度要大很多,但从25年规则被接受的广度以及持续了二十多年的事实来看,美国战略与国际研究中心的一份报告认为其是“迄今为止太空领域最为成功的规则之一”6的判断是比较中肯的。3 新航天带来的挑战1995年提出25年规则时,太空领域仍然处于自1957年以来的发射次数少,卫星质量大、造价高、数量少的模式。但进入21世纪后,以小卫星(包括小、微、纳、皮、飞卫星)、大星座为标志的新航天(也有说第二个航天时代)逐渐兴起,尤其是2013年以来入轨卫星数量开始显著上升。对于寿命只有几年甚至几个月的小卫星,25年将是其工作寿命的数倍、数十倍。由此造成空间碎片数量和近距离会合次
11、数急剧增加,“凯斯勒综合症”可能性大幅上升。多数观点认为,25年规则已明显不能适应形势要求。美国航空航天公司(AEROSPACE)的分析表明,若继续执行当前的25年规则,那么到2100年,在LEO将形成超过10万个棒球大小的物体,到2200年则是50万个,而且这些数量的物体还仅仅是由21世纪20年代发射的卫星星座产生的。当前的任务后处置要求已不足以防止地球轨道的“公地悲剧”7。所以,一直以来缩短25年时限的呼声都很高。欧盟太空特使、欧洲对外行动署太空任务小组负责人卡里纳克拉埃博士就说:“25年时限必须更新”“我认为LEO的离轨应尽可能地快,或者是在一个非常负责任的时限内”8。不过,2019年版
12、ODMSP仍然保留了25年规则,这令许多航天界人士感到愕然。在这次ODMSP修订过程中,连“太空战争贩子”美国国防部都支持缩短25年时限,但牵头修订工作的NASA却是最激烈的反对者之一。主要原因是NASA首席轨道碎片科学家J.-C.刘博士认为,他们的模拟研究表明,比25年更短的时限并不能实现轨道碎片总量增长的显著下降,反而会增加运营商费用1。另外也有一份研究支持刘博士的观点,第 23 卷空间碎片减缓“5 年规则”的来龙去脉53该研究认为,任务后寿命为25年、10年或0年,对200年后空间物体数量影响不大;但任务后处置50%成功率与80%以上成功率,对200年后空间物体数量的影响则存在极大差别9
13、。不过,反对刘博士的人认为NASA的模型忽略了800 km以下产生的碎片,虽然这些碎片在数十年内将再入大气层,但这些碎片依然显著增加了致命的、不可跟踪的碰撞风险和避碰负担10。25年规则的遵守率很成问题。对于约600 km以上的空间物体,无法依靠大气阻力自然满足25年内离轨的要求,往往必须消耗推进剂或是加装各种主被动离轨装置才能满足要求,给运营商带来成本上的压力,使得25年规则的遵守情况一直不太好。在新航天时代,其后果会更加严重。对于一个由数千乃至数万颗卫星构成的星座,即便刚好满足90%的处置成功率,其10%的处置失败数量也将是灾难性的。据欧空局空间碎片办公室的数据,当前,载荷的任务后处置遵守
14、率约为60%,若排除自然遵守的(即轨道高度较低而在25年内自然大气衰减的),任务后处置遵守率降至仅20%;火箭箭体的遵守率要好很多,约为80%11。所以,除了缩短年限,也有科学家认为,最简单、最有效的阻止空间碎片增长的途径是提高25年规则的遵守率12。4 FCC率先提出5年规则虽然美国制定的25年规则等标准规范有着广泛的世界影响力,但实际上美国政府在空间碎片管理上并不太协调。目前,美国政府在空间碎片减缓领域大致存在两条管理线。第一条由政府行政分支主导,标志性文件即白宫层面的ODMSP,用以约束国防部、NASA等部门的航天器;第二条由FCC主导,FCC不隶属于政府行政分支,向国会而非白宫负责,这
15、在很大程度上使FCC在制定空间碎片减缓规则时少了行政部门间的“掣肘”。早在2004年6月FCC就颁布了针对“轨道碎片减缓”的相关文件,正式进入空间碎片管理领域(事实上FCC是否具备空间碎片管理职权,即便在FCC内部也存在争议),并在实际的许可证发放过程中沿袭了NASA提出的25年规则。在规则制定方式上,FCC采取了“征询修订再征询再修订”循环迭代的模式。2018年11月19日,FCC发布了针对“新太空时代的轨道碎片减缓”和“轨道碎片减缓”两个主题的拟定规则的通知与再审议指示,对多项规则的修订进行征询,其中就包括是否需要缩短25年时限。2020年4月24日发布针对“新太空时代的轨道碎片减缓”主题
16、的报告与指示以及拟定规则的进一步通知(实际上是由报告与指示和拟定规则的进一步通知合二为一)。该文件指出,2018年征询后的大多数反馈意见支持将25年缩短,但在具体缩短至多少年、是否对所有类型航天器均适用同一标准上存在分歧,故该文件保留了25年规则,但继续针对该问题从多个技术手段不同、严格程度不同的细分路径上开展征询,如:是否可以不用设时限的方法,而代之以对机动能力提出要求?是否采纳5年时限,但允许申请者提出合理证据以延长时限?是否明确要求尽可能快地离轨,且不超过任务后5年13?在2022年9月针对“太空创新”和“新太空时代的轨道碎片减缓”主题的第二份报告与指示中,FCC进一步权衡了各航天企业、
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