《空间碎片减缓要求》主要变化及建议

唐明亮,王颖,古艳峰

(上海宇航系统工程研究所,上海201109)

1 引言

近年来,随着国内外商业航天的蓬勃发展,多家公司均推出了数量巨大的卫星星座计划,尤其是近地轨道 (LEO)类型的商业发射次数明显增多,参见图1。

由于每年发射进入太空的火箭和卫星数量大幅增加,因此空间碎片也相应增加。截至2019年4月初,在编的空间碎片 (直径一般大于10cm)数目近2万个,参见图2。国际上对遏制空间碎片快速增长的呼声也逐渐升高。其中,固体运载火箭和大幅采用工业级元器件的小卫星以其低成本优势,增幅明显。由于固体火箭发动机在推力下降段容易产生较多的固体熔渣,微小卫星本体尺寸和变轨能力普遍较小,有效运行寿命较短,因此对地面跟踪监视和其他LEO高价值卫星正常运行提出更高要求。

图1 LEO发射次数统计[1]Fig.1 LEO launch statistics[1]

图2 空间物体编目数量变化图[2]Fig.2 Variation of number of catalogued space objects[2]

图3 停留和穿越LEO的空间物体数量随轨道高度分布图[1]Fig.3 Distribution of the number of space objects residing and traversing LEO with orbital altitude[1]

目前停留和穿越LEO区域的空间碎片分布情况见图3。

ISO TC20/SC14/WG7负责编制的ISO 24113《空间碎片减缓要求》[3]是ISO空间碎片减缓标准体系的顶层标准,在国际航天界拥有很大的影响力。部分国家政府将其视作规范本国航天活动的法律。相当多的国家在制定本国相应标准时基本等同采用该标准。按照ISO相关规定,ISO TC20/SC14/WG7负责编制的ISO 24113《空间碎片减缓要求》自2011年发布第二版后,近年进行了第三版修订阶段。在新版标准修订过程中,为遏制空间碎片的快速增长,并保持标准本身的先进性,WG7工作组加严了空间碎片减缓的相关要求。目前,新版已进入 Final Draft International Standard(FDIS)阶段,即将正式发布。为维护我国作为负责任航天大国的形象,国内航天界有必要针对空间碎片减缓相关要求的变化及时调整相关发展策略,采取必要的改进措施。

2 主要变化及其背景

相比上一版本ISO 24113:2011,对该标准最新版的要求和建议的主要变化及其背景作如下分析:

背景:为限制运载火箭单次发射可释放空间碎片的总数量。相比原版本,对于多星发射,限制了支承舱数量。此处的空间碎片包含运载火箭留轨级及其释放出的支承舱和头罩等物体。该项变化旨在鼓励运载火箭末级采用并联布局方式执行一箭多星发射。对于末级具备离轨能力的运载火箭,则可以使用2个支承舱。对于单次发射产生2个火箭留轨级的情况,则不能再释放支承舱等其他空间碎片。

(2)熔渣限制要求。固体火箭在地球静止轨道 (GEO)和LEO保护区均不得排放超过1mm的熔渣的约束。

背景:经相关分析,若LEO内的空间碎片直径超过1mm,就具备足够能量对在轨航天器造成严重损伤[4]。在真空环境中,对于常见的采用潜入式摆动喷管设计的固体发动机,其推力下降段形成的喷出物的直径基本上介于100μm～5cm之间,质量占整个装药量的0.04%～0.65%,喷出速度为0～100m/s,足以对航天器构成空间碎片威胁[5]。因此,增设该项内容的目的是限制固体火箭大颗粒燃烧熔渣在LEO的排放,从而降低与航天器的碰撞风险。

(3)防碰撞要求。停留在GEO的航天器应具备可重复的变轨机动能力;对于具备可重复变轨机动能力的航天器,应设计成能够主动实施碰撞风险管理,并在运行阶段加以落实;航天器在设计阶段须完成遭受空间碎片或流星体碰撞导致解体的风险评估。

背景:为了避免碰撞引起航天器解体,增加上述要求。考虑到运载火箭留轨级一般有效运行寿命较短,且不具备可重复变轨能力,因此未对其作防碰撞要求。

(4)成功处置概率要求。航天器或运载火箭留轨级的成功处置概率0.9不再是条件概率,而是全概率。

背景:新要求加严了成功处置概率。主要背景是经相关推演仿真,需要提高处置概率,才能有效延缓空间碎片增长,考虑到当前各国的工业水平,已作一定程度的妥协。

跨文化学习是英语阅读学习重要的一部分,隐喻与文化存在紧密的依存关系，不了解文化背景及中西文化差异，在英语阅读及隐喻理解过程中就会出现歧义、误解等现象。因此，在阅读教学中树立文化教学意识，传授语言的同时同步传授文化知识，将授课重点放在与作品相关的英语文化知识，包括宏观的社会文化语境和微观的具体情境语境知识,指导学生对语境因素进行分析,可以帮助学生准确获取隐喻意义,培养学生的跨文化习得能力及隐喻思维的形成。

(5)再入风险建议。明确建议空间碎片再入对地面人员构成的伤亡风险上限值为10-4。

背景:空间碎片再入过程中,120km高度对应位置可视为再入点,并且一般会在80km高度附近解体。随后,各碎片因面值比不同,坠地时距离再入点的射程也远近不同,一般在500～1200km范围内。大部分低密度材料可在坠落过程中烧毁,但仍有部分碎片仍然能够在返回过程中幸存,对地面人员财产构成威胁。当碎片动能超过15J时,就被视为对人员有较大威胁。

新建议主要是为了加强对运载火箭或航天器的再入风险管控。当无控再入对应的伤亡风险超过要求值,则需要改为受控再入,且受控再入的失效概率与伤亡概率的乘积不得超过伤亡风险上限值。目前,美、欧、日等航天界均采用该数值。

(6)变轨处置要求。不再允许将位于LEO内的火箭或航天器升轨至LEO和GEO之间区域的处置方式。

背景:在空间碎片演化仿真时,为确保在未来100年内能有效控制空间碎片增长,停留或穿越LEO、GEO以及二者之间区域的所有空间物体均须满足25年限制条件。因此,不再允许将轨道高度在1400～2000km之间的火箭留轨级或航天器从LEO抬升至2000km以上的处置做法。

需要说明的是,对于有变轨机动能力的空间物体,其留轨寿命的起始点是主任务完成时刻,而非离轨操作结束时刻,这是为了避免将较长离轨时间排除在留轨寿命之外。比如某卫星采用气动增阻装置进行被动离轨,其被动离轨的时间应算作留轨寿命的一部分。

3 我国现状

(1)多星布局

目前,对于尺寸较大的卫星,国内现役运载火箭在执行一箭多星发射时,往往不得不采用多星串联布局。在星箭分离正常操作时,可能需要释放多个支承舱 (载荷舱)。

(2)固体发动机熔渣问题

虽然目前固体火箭发射次数较少,且采用液体动力进行末修,发动机工作段喷出的残渣不一定能形成留轨的空间碎片。但固体火箭末级关机入轨后,仍可能飘出一些较大颗粒的残渣形成空间碎片。若入轨高度较高,则对太空环境影响较大。

(3)留轨寿命问题

目前,我国现役大中型液体运载火箭不具备再次点火受控离轨能力。任务高度超过700km的LEO航天器则出于延长使用寿命的目的,一般不进行受控离轨操作。因此,对于700km以上LEO发射任务,我国大部分火箭留轨级和航天器并不满足25年留轨寿命的限制条件。

(4)航天器防碰撞问题

目前,我国已能进行运载火箭发射前的碰撞预警分析,航天器在运行阶段也能针对较大的空间碎片进行防碰撞分析。哈工大发布的SDEEM2015空间碎片环境模型[6],可在航天器设计阶段对空间碎片的碰撞风险的评估和应对。

(5)再入风险问题

由于对再入风险重视程度不够,且缺少必要的再入风险评估通用软件,因此,在大部分的火箭末级和航天器研制过程中,欠缺为降低再入风险而调整设计的经验。

在空间碎片再入预报方面,由于缺乏足够及时的跟踪数据、准确的临近空间数据和精确的再入解体模型,无控再入预报的精度有待进一步提高。

4 措施建议

(1)多星布局限制

为尽量避免分离载荷舱,对于微小卫星的多星发射,鼓励制定微小卫星行业规范,对卫星外形尺寸和接口形式作相应约束,便于运载火箭末级采用中央支撑筒并联布局方式整合来自不同公司的多颗卫星,参见图4;对于来自同一家公司的大中型卫星的一箭多星发射,建议采用卫星自串联布局方式,参见图5。

图4 卫星并联布局Fig.4 Satellite parallel layout

图5 卫星自串联布局Fig.5 Satellite self-series layout

(2)小颗粒碎片限制

尽量减少爆炸螺栓/固体反推火箭火工品的使用,转而采用气动执行机构、冷气喷射、弹簧等实现低冲击解锁分离。对于固体火箭末级,应增加液体动力末修段时长,确保工作段喷出的熔渣处于亚轨道;应取消潜入式矢量喷管设计,改用二次喷射等矢量控制技术,避免末级自旋稳定方式,大幅减少大颗粒熔渣数量;

(3)留轨寿命限制

加强对航天器设计和运行阶段的留轨寿命评审和监督。在设计阶段,若航天器不具备离轨能力,则需将其运行轨道的初始高度限制在600km以下;在运行阶段,若航天器剩余推进剂达到离轨门限值,及时安排受控离轨。

为提高运载火箭留轨级离轨能力,应提高中大型液体推进剂火箭推进剂管理及再次点火、受控离轨能力;

对于无法控制熔渣尺寸和数量的固体运载火箭,则应限制其发射轨道,确保留轨寿命远小于25年限制。

对于目标圆轨高度超过600km的卫星发射任务,若火箭末级无再次点火离轨能力,建议先由运载火箭送入远地点为目标轨道高度,近地点高度小于500km的椭圆转移轨道,卫星再自行变轨圆化。相比常规圆轨直接发射,采用椭圆发射新策略,一方面可大幅缩短火箭末级留轨寿命,甚至可以省去运载末级的再次启动,从而提高发射可靠度。另一方面可以大幅提高卫星入轨质量。以某型火箭为例,对于1100km SSO任务,采用椭圆发射轨道后,卫星入轨质量可增大约30%,而末子级留轨寿命不足2年。卫星可增加推进剂携带量。新增的推进剂除了可用于变轨圆化外,还可延长运行寿命,以及任务后的离轨处置。

(4)跟踪监视

对于正常运行必须释放的微小空间碎片,采用RCS雷达回波增强设计,便于地面跟踪。研发空间碎片监视卫星系统。提高空间碎片跟踪监视能力。

(5)再入风险

研发和推广再入风险评估软件,运载火箭留轨级和航天器采用再入生存率低材料和设计。

5 结束语

通过对比新旧版本的标准,本文列出了主要变化内容及其相应的背景,并结合工程实际提出了若干建议。随着航天商业化浪潮的到来,空间碎片减缓方面的国际标准要求将逐步提高,我国航天界需要未雨绸缪,以更严的规范进行自我约束,加大相关技术研发力度,开发并推广相关分析软件,从而推动碎片减缓技术的发展和应用,提高我国在空间碎片减缓方面的话语权。