空间碎片减缓“5年规则”的来龙去脉.pdf

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 100091，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，independent 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 Orbital 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，policies 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 24113：2011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。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、行业机构等的反馈意见。其中，Lynk Global公司、商业小卫星频谱管理协会（CSSMA）、欧洲通信卫星公司、开普勒通信公司等支持保留25年规则。SpaceX、Maxar、铱星、波音、商业航天飞行联盟（CSF）、航空航天工业协会（AIA）等更多的机构支持缩短至5年。值得注意的是波音公司，其在FCC的意见征询中一贯秉持维护企业自主、反对严格约束、否定FCC意见的立场，但此次也同意了5年规则。最终，第二份报告与指示决定采纳严格的5年规则，但提供了两年过渡期。事实上，企业界对 5 年规则已经有了充分的考量。2019 年 9 月，一些业务领域涵盖了遥感、通信、发射等的老牌和新创航天企业，包括Maxar、国际通信卫星公司、铱星、国际移动卫星公司、SES、行星、一网、维珍轨道等公司，共同发起成立了太空安全联盟（SSC），同时发布了题为卫星运行可持续性最佳做法的一整套的40项建议措施14，其中就包括“采用化学推进或电推进离轨的航天器运营商，应努力在任务结54空间碎片研究第 23 卷束后5年内完成离轨工作”的建议15。但两个月后出台的新版ODMSP并未采纳5年规则。两年后FCC采纳5年规则，在很大程度上也是这些航天企业自我觉醒的结果，这些企业在短期利益与长远太空环境、长远企业利益之间做出了取舍。这在一定意义上可以认为FCC顺应了企业界的建议和呼声，做出了一个参与度较高、有着较强执行基础的决策。FCC颁布5年规则，延续了其一贯的独立于白宫而“自行其是”的做法。国会虽然支持空间碎片减缓，但担心FCC的行动会在美国空间碎片管理领域造成冲突16。在规则颁布前的9月27日，众议院科学、太空与技术委员会致信FCC，声称NASA正在重新评估ODMSP，且提到了对FCC空间碎片管理职权的质疑，表达了对FCC缺乏与其他部门协调的忧虑，呼吁FCC推迟发布该文件。不过，FCC并未接受众议院的意见。5 5年规则的发展走向美国政府内部极有可能会统一于5 年规则。FCC未接受国会的劝阻，在政府行政分支正在研究修订ODMSP之际发布第二份报告与指示，先入为主地确立5年规则，很可能会让后者陷入被动。不过，白宫科学技术政策办公室太空政策主任助理埃津内乌佐-奥科罗的表态却很淡定和大度，她表示，FCC的指令与正在进行的对ODMSP的审查并不冲突，“FCC现在是，将来也仍然是轨道碎片机构间工作小组的一部分”“这就是一前一后的工作，不是单独的活动”。奥科罗还表示，进行这次审查是因为“25年太长了”16。她的表态预示着此次修订后的ODMSP很大可能会采纳5年规则，从而与FCC在这一关键的空间碎片管理标准上保持一致，避免政府内部两条管理线之间的冲突。不过，5 年规则要想实现较好效果尚待时日。从积极的角度来说，当前全球多数大卫星星座均为美国商业太空系统，它们都处在5年规则的管辖范围内，有望保持较高的遵守率，获得较好的减缓效果。从消极的角度来看，正如AEROSPACE公司一份报告所指出，如果没有经济方面或其他方面的激励，将失效卫星及时、可控地再入以遵守25年规则的比例将依然很低12，以此作参照，可以预见5年规则在具体落实层面（尤其是在太空技术不够发达、经济实力弱的航天国家）遭遇的挑战会更大。空间碎片减缓和全球气候问题一样，是一个全球性问题，单靠一个或少数几个航天国家而不是全部主要航天国家的积极参与，将很难在LEO实现较好的空间碎片减缓效果。而5年规则被各国接受尚需一个过程，这期间还可能出现航天器登记的“方便旗”现象。即使各国接受了该规则，其实际规范效果也存在很大的不确定性。即便如此，FCC仍然计划再进一步在采纳5年规则的同时，FCC已经表示还将继续评估是否需要对大星座施行更加严格的1年规则。6 5年规则的长远影响5年规则将继续在空间碎片减缓规则体系中发挥牵引作用。首先，长远实效将是明显的，将任务后留轨时间从25年缩短为5年意味着LEO区域大型空间碎片、潜在碎片源数量的显著减少。其次，缩短任务后留轨时间后，一些相关问题的严重程度也将相应减轻，更易满足相关标准，如联合国外空委空间碎片减缓指南规定的“使由于所存储能源导致的任务后解体的可能性降至最 低”17。再次，5年规则是定量化的、可核查的标准，LEO区域的航天器或轨道级大多处于相关国家/地区空间态势感知系统监视之下，是否遵守了5年规则是可以核查的。而对于有些规则如NASA规定的“故意解体产生的 1 mm 以上碎片 24 h 碰撞概率不超过10-6”18，由于1 mm碎片远超出当前各国/地区空间态势感知系统能力水平，其落实程度不易得到确证。5年规则将被美国用来引领和塑造空间碎片减缓国际规则。事实上，利用美国庞大的市场、强大的技术实力和雄厚的规则制定能力，来引领、塑造、主导国际空间碎片减缓标准的制定，也是FCC提出5年规则的目的之一。FCC委员内森西明顿就表示，制定此规则是一次将其打造为事实上的国际标准的机会。参考NASA限制轨道碎第 23 卷空间碎片减缓“5 年规则”的来龙去脉55片指南及评估程序逐步扩张影响力的路径，可以预测5年规则在进入新一版ODMSP后，有可能进入新一版的IADC空间碎片减缓指南，再进一步进入联合国外空委空间碎片减缓指南。这一路径也比较符合王国语19所总结的美国的“技术政策国内规则国际软法国际法”外空策略。不过，俄乌冲突爆发后俄罗斯与美西方在太空领域的合作也受到影响，5年规则能否进入或很快进入新一版IADC空间碎片减缓指南可能存在较大的不确定性，进入联合国外空委空间碎片减缓指南的难度可能也很大。因此，美国采用其他路径的可能性也很大，如以新一版ODMSP为蓝本，联合盟友制定本集团内的空间碎片减缓规则体系，与盟友达成统一立场，增加在外空委层面开展规则制定博弈的砝码。此外，将5年规则等引入ISO 标准体系也是一种可能的路径。5 年规则将带动空间碎片移除技术、政策、产业的发展。与25年规则相比，在5年规则约束下，LEO航天器的离轨要求更为迫切。当不能在5年内离轨时，主动碎片移除将是一个合乎逻辑的选项。当前，以Astroscale公司为代表的企业和以CONFERS为代表的行业协会正在持续积累相关的基础技术和业务规范，但与技术的快速进步相比，相关规则、政策的发展十分缓慢。在法律层面，尚缺乏对主动碎片移除的可靠的法理支持；相关国际法尚存在许多模糊处，如缺乏公认的空间碎片定义；在空间碎片是否属于“空间物体”上还存在争议；在空间碎片的管辖与控制权上还存在观点纷争等。当然，也有观点认为只要当事双方签订合同，或国家之间签订谅解备忘录或双边协定，即可实施主动碎片移除20。另一乐观的看法也认为，“宏观法律缺乏确切的解释，因此合同中的微观法律工具将发挥日益重要的作用快速发展的商业化航天工业决不允许法律空白阻碍其各项活动”21。若未来向这一乐观方向发展，5年规则将成为廓清当前政策法律模糊性、开辟新的空间碎片主动移除规则的助推剂。参考文献1 Brian Weeden The United States is losing its leadership role in the fight against orbital debris EB/OL https：/wwwthespacereviewcom/article/3889/1，2020-02-242 FCC 04-130 Second report and orderZ 20043 GB/T 34513-2017/ISO 24113：2011，空间碎片减缓要求S 4 ESPI Towards a European approach to space traffic managementEB/OL https：/espiorat/publications/espi-public-reports/send/2-public-espi-reports/494-espi-report-71-stm，2020-01-175 IADC Steering Group Space debris：IADC assessment report for 2011R 20136 Kaitlyn Johnson Key governance issues in space R 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