美國政府空間碎片政策研究

段鋒

(國防大學軍事管理學院,北京 100091)

1 引言

1968年底,人類制造的空間碎片僅有數百片。現在,據歐洲航天局(ESA)測算,10cm以上碎片約有36500個,1～10cm之間的約有100萬個,1mm～1cm之間的約有1.3億個。在持續變差的空間碎片環境下,美國作為世界上航天技術最先進、航天事業最發達的國家,其官方空間碎片政策的構成、作用、影響、發展等值得我們關注。

本文中政策一詞多數情況下泛指美國各級政府部門、行業組織、智庫、研究機構甚至是商業公司等,正式發布的專門針對空間碎片的或包含了空間碎片相關條款的法律、法規、政策、指令、技術標準、行業規范、最佳實踐等。

2 美國政府構建了比較完整的空間碎片政策體系

美國政府空間碎片政策可以分為國家級政策和部門級政策。國家級政策是指美國聯邦政府總統行政辦公室及其下設機構頒布的空間碎片相關政策。部門級政策是指美國政府內閣部及其下設機構,以及獨立政府機構頒布的空間碎片相關政策,如圖1所示。

圖1 美國政府空間碎片政策體系Fig.1 The architecture of United States governmental space debris policies

2.1 國家級空間碎片政策

國家級政策中,《國家航天政策》作為指方向、定目標的頂層文件,對美國軍事航天、情報界航天、民用航天、商業航天等各部門具有全局性、戰略性指導作用,在美國航天界具有重要地位。1988年,里根政府第二份《國家航天政策》首次在官方文件中提及空間碎片問題,要求各航天部門要努力使空間碎片的產生最小化。此后歷屆政府的《國家航天政策》均在之前基礎上不斷予以充實。在特朗普政府《國家航天政策》中,空間碎片相關規定融入“保護太空環境以增進太空活動長期可持續性”部分。

特朗普政府于2018年6月頒布的3號航天政策指令(SPD-3)《國家太空交通管理政策》作為美國政府第一份專門的太空交通管理政策,對空間碎片這一影響太空交通的重要因素予以高度關注,多處論及空間碎片減緩、相關政策修訂和主動碎片移除等。

《美國政府軌道碎片減緩標準實踐》(USGODMSP)是美國最重要的、專門的國家級空間碎片政策。2019年12月,根據SPD-3的指示,國家航天委員會對2001年版USGODMSP進行了修訂。新版政策規定了限制正常運行過程中的碎片釋放;使意外爆炸產生的碎片最小化;選擇安全的飛行軌跡和運行設置;太空設備的任務后處置等減緩目標和相應的減緩標準實踐,另外還規定了一些具體種類太空活動的減緩標準實踐。

2021年1月和2022年7月,美國先后發布了《國家軌道碎片研究與發展計劃》和《國家軌道碎片實施計劃》。兩份文件均由白宮科學技術政策辦公室(OSTP)下屬的國家科學技術委員會(NSTC)的一個跨部門工作組起草,分別以OSTP和NSTC名義發布。兩份文件均聚焦碎片減緩、碎片跟蹤與表征、碎片整治(remediation)等三個方面,前者提出了14個須深入研究的領域,后者指出了44項更為具體的須落實事項。與USGODMSP相比,兩份文件涉及的技術領域不僅大幅超出了碎片減緩,而且也將“提高防護能力和撞擊抵抗力”等納入其碎片減緩范疇。不過,作為OSTP職權范圍內的政策,兩份文件主要關注的是科技、研發領域,目的是為美國政府相關部局提供軌道碎片方面技術性的引領和協調。在一定意義上可以認為,兩份文件為其他的更為宏觀、更加著眼全球太空活動的相關政策提供了長遠的、基礎性的技術支撐。

需要注意的是,USGODMSP(下文簡稱ODMSP)文件名稱中的定語“U.S.Government”十分關鍵,它界定了本政策適用對象只是美國聯邦政府的太空系統(主要是國防部和國家航空航天局),并不直接作用于商業航天界,但它是相關部門制定面向商業航天界空間碎片政策的重要參考。

2.2 部門級空間碎片政策

美國國防部、美國國家航空航天局(NASA)、運輸部聯邦航空管理局(FAA)和聯邦通信委員會(FCC)均頒布有空間碎片相關政策。

國防部沒有發布專門的空間碎片政策,相關精神體現在部分指示中。國防部指令3100.10(航天政策)簡短涉及空間碎片,表示將推動負責任、和平、安全地利用太空,包括遵守ODMSP。國防部指示3100.12(太空支援)包含了比較詳細的限制碎片方面的程序和責任,其對于釋放在軌駐留25年以上、大小在5mm以上碎片必須給出正當理由的規定具有獨特性,但作為一份發布于2000年的文件,其對于墳墓軌道的相關規定及部分數據已顯過時。

NASA空間碎片政策分為管理性和技術性兩類。當前,管理性政策是《NASA限制軌道碎片及評估流星體和軌道碎片環境的程序要求》(NPR 8715.6B),主要規定了相關部門、人員的職責及要求。技術性政策是《限制軌道碎片的程序》(NASA-STD-8719.14C),詳細規定了空間碎片減緩方面統一的工程與技術要求,其適用對象是高度超過130km、速度超過地球軌道速度的物體。

FAA主責是航空業務,《美國法典》第51卷第509章《商業航天發射活動》賦予其管理非聯邦航天發射、再入(須為完整再入,而非碎片殘骸等)活動的職權。以此為法律依據,FAA在《聯邦法規》第14篇第450部分《發射與再入許可要求》(14 CFR PART 450)中詳細設定了相關的程序和要求,其中包含了軌道碎片減緩的相關規定。《可重復使用運載器任務操作要求與限制》(14 CFR PART 431.43)中,關于可重復使用運載器的碎片減緩要求與PART 450基本一致。

需要注意的是,國防部和NASA本身就是太空系統開發、運行的“運動員”,其空間碎片政策只適用于其參與的太空系統。FAA和FCC是相關太空系統開發、運行的“裁判員”,擁有空間碎片領域的行政管理職權,其空間碎片政策適用于商業太空系統及部分民用太空系統,不適用于國防部和NASA的太空系統。

3 美國政府空間碎片政策的進步落后于太空技術的發展

美國政府空間碎片政策總體上呈發展進步態勢,但各部門政策發展快慢不一。NASA的8719.14系列自2007年發布至2021年,已不同幅度地更新8次,而FCC的空間碎片政策和ODMSP均只更新了一次。

當前的空間碎片政策比過去要嚴格。與2001年第一版相比,新版ODMSP包括了不少定量要求:限制LEO區域每個上面級或航天器產生的碎片總量不超過100物/年;意外爆炸概率低于0.001;與10cm以上物體碰撞概率不超過0.001;與小物體碰撞概率不超過0.01;任務后處置成功率不低于0.9等。新版ODMSP還響應當前快速發展的空間技術現狀,新增了關于大星座、小衛星(包括立方體衛星)、交會與接近操作和衛星服務、主動碎片清除、系繩系統等五個方面的碎片減緩規定。

ODMSP雖然經過了修訂,但作為國家級空間碎片政策,仍被認為只向前邁進了一小步。被詬病最多的是依然保留了25年規則。主要原因是NASA聲稱他們的模擬研究表明,比25年更短的時限并不能實現軌道碎片總量增長的顯著下降,反而會增加運營費用,故反對修改該年限。25年規則是2001版ODMSP中的規定。當時太空中只有約800顆工作衛星,約10000個10cm以上的空間碎片。但隨著小衛星技術尤其是立方體衛星技術的快速發展,2013年以來全球入軌航天器數量顯著增加,2017年以來增勢更加明顯。2000-2013年間全球平均每年入軌110個航天器,2017-2019三年間則超過了470個。2021年1月23日,SpaceX公司創紀錄地一箭發射143顆衛星。該公司計劃發射最多達40000顆的“星鏈”衛星,這將是人類自1957年以來發射航天器總數的近4倍。小衛星壽命相對較短,補充快,且基本無主動離軌能力,由此形成的空間碎片環境將與此前迥然不同。因此,普遍認為由龐大數量的小衛星構成的大星座若仍然采用25年規則,以及0.9的任務后處置成功率(而且當前的遵守比例也不高),將無法改善甚至不足以維持當前空間碎片水平。所以,支持縮短25年規則、提高任務后處置成功率的呼聲非常高。此外,一些研究表明,即便沒有新的發射,碎片之間的碰撞也將持續產生更多碎片,需要采用主動碎片清除技術來維護地球軌道的長期可持續性。奧巴馬政府《國家航天政策》、SPD-3均要求發展主動碎片清除技術,但新版ODMSP并未對此做出明確規定。國家航天委員會應該十分清楚這些不足,所以鼓勵各部門在可能的條件下“采取額外的步驟”來限制軌道碎片的產生。相對而言,《國家軌道碎片研究與發展計劃》和《國家軌道碎片實施計劃》的政策敏感性要低一些,所以兩份文件對主動碎片清除有著較為深入細致的規定。但是,這兩份基礎性的文件構想的技術圖景要轉化為頂層的、支撐美國太空領導地位的空間碎片政策,還將面臨國際層面的法律、政治、管理等多方面的挑戰。

4 NASA在空間碎片減緩技術性標準制定領域處于領導地位

1995年8月,NASA按照《限制軌道碎片產生的政策》(NMI 1700.8)指令精神,發布了《限制軌道碎片指南及評估要求》(NSS 1740.14)。NMI 1700.8與NSS 1740.14的搭配,以及替代二者的8715.6系列與8719.14系列的搭配所展現的管理標準與技術標準的配合,在航天領域產生了不小的影響。

NSS 1740.14是世界上第一份空間碎片減緩指南,比日本宇宙開發事業團在1996年3月發布的《空間碎片減緩標準》(NASDA-STD-18)還要早7個月。NSS 1740.14的核心內容在于五個方面:對正常運行過程中釋放碎片的評估;對意外爆炸和故意解體產生碎片的評估;對在軌碰撞產生碎片的評估;太空設備的任務后處置;太空系統部件再入殘骸。該文件奠定了美國空間碎片減緩的理論框架。2007年8月28日發布的NASASTD-8719.14及后續版本延續了該理論架構,ODMSP也只是在其基礎上進行了小幅的合并與新增。事實上,ODMSP正是NASA和國防部共同牽頭制定的。

NASA之所以成為美國空間碎片減緩技術標準的領導機構,其標準之所以能夠成為美國國家標準的基礎,源于其強大的技術實力和長期的太空管理、運行經驗。NASA開發的“碎片評估軟件”(DAS)原本用于局內項目的碎片評估,但后來在商業航天界得到廣泛應用,原因是商業航天企業必須向FCC提交碎片評估報告,而FCC自身無相關軟件開發能力,DAS由此成為FCC指定的評估工具之一。此外,NASA開發的空間碎片環境模型ORDEM3.0、流星體環境模型MEMR2,以及國際空間站運用的“碎片規避機動”(DAM)軟件,都是已經成熟運用的空間碎片相關軟件工具。也正因為擁有強大的技術實力,NASA有底氣在部分空間碎片減緩指標上采用比ODMSP更加嚴格的標準來約束自己的計劃和項目。

5 FCC空間碎片政策在商業航天領域影響力最大

當前,美國對商業航天機構行使空間碎片管理職權的政府部門是FAA和FCC。在航空域與航天域尚無明確界限的條件下,FAA碎片管理職權運用的物理范圍是從地面上升至運載火箭上面級。不過,14 CFR PART 450重點關注的是在發射、再入過程中產生并立即墜落地表的碎片,而關于通常意義上的,即長時間駐留太空的空間碎片的規定,主要是共計100多字的§450.171(a)《軌道碎片減緩》部分,以及§450.169《發射與再入避碰分析要求》中關于發射、再入過程中與大中型軌道碎片碰撞概率不超過1×10的規定。

與FAA相比,FCC的空間碎片管理職權要大很多。一是表現在管理范圍更寬。其管理項目不僅包括了正常運行期間和任務后處置時的空間碎片減緩、25年規則等ODMSP中所規定的內容,而且許多項目已經超出了單純的空間碎片減緩領域,如FCC對小衛星三面均在10cm以上等規定已經涉及到了空間態勢感知、太空交通管理領域;在其《關于建議的規則制定的進一步通知》中,FCC征求公眾意見的內容還包括了履約保證、對政府進行補償等與空間碎片減緩相距更遠的議題。另外,如“部署裝置”這樣的處于發射末段,此前屬于FAA和FCC“兩不管”的項目也于近年被FCC納入其空間碎片減緩管理范疇。二是表現在管理標準嚴格,FCC空間碎片減緩相關指標要求基本與ODMSP保持一致,要求披露的內容則多于8719.14C。而且,在其制定的關于優化小衛星審批的規定中,諸如小衛星總在軌壽命須6年以下、軌道高度須600km以下、須攜帶避碰及離軌推進劑等嚴格要求,甚至超出了8719.14C的標準。

作為一家主管無線電通信管理的機構,FCC深度介入空間碎片減緩事務的做法即使在委員會內部也遭到質疑。FCC委員布蘭登·卡爾質問“我們是做這些評估的專業機構嗎?”且認為這本質上是“火箭科學”。外部的反對聲音更大。2018年6月發布的SPD-3指定商務部牽頭負責美國太空交通管理事務。11月,FCC開始積極修訂2004年《軌道碎片減緩第二報告與指示》。國家航天委員會領導層對此感到不悅,商務部長威爾伯·羅斯則對FCC主席阿基特·帕伊感到暴怒。然而,2020年5月,商務部國家海洋和大氣局(NOAA)在新頒布的《私營遙感太空系統許可》中明確,NOAA將接受FCC的空間碎片減緩標準,同時在辦理相關許可過程中放棄空間碎片減緩要求,這樣也可避免與FCC的重復監管。

FCC之所以在空間碎片管理的“地盤爭奪”中勝出,最重要原因是其獨立于白宮,只向國會負責的地位“優勢”。其次,美國政府各部門在空間碎片管理及太空交通管理領域存在的諸多“亂象”也為FCC的擴權提供了契機。另外,FCC也有著業務上的天然優勢——由于幾乎所有種類衛星都無可避免地需要使用無線電通信進行遙控遙測及天地信息傳輸,所以基本上所有非聯邦衛星均需向FCC申請無線電許可。這也是NOAA放棄自身空間碎片審查職權而將之“托付”給FCC的直接原因。事實上,NOAA的“棄權”行為不僅無損于美國政府的空間碎片減緩努力,而且還有利于減輕商業航天界的負擔。也正因如此,太空專家布萊恩·威登支持FCC的努力,認為其將美國推上了空間碎片減緩領域的領導地位。

6 美國政府空間碎片政策在很大程度上塑造了國際空間碎片減緩指南

世界各國中,美國太空資產最龐大,對太空依賴程度最高,保持太空軌道的“清潔”符合美國戰略利益。因此,美國政府長期以來一直試圖將自己的空間碎片減緩標準打造成為國際標準。1989年老布什政府《國家航天政策》指出,美國政府將鼓勵其他航天國家采納減少空間碎片的政策和做法。該政策還有力推動了機構間空間碎片協調委員會(IADC)的誕生。1996年克林頓政府《國家航天政策》表示美國將發揮領導作用,推動其他航天國家采納減少空間碎片的政策和做法。2006年小布什政府《國家航天政策》在語氣、對象上又進了一步,指出美國必須發揮領導作用,以推動外國和國際組織采納減少空間碎片的政策和做法。2010年奧巴馬政府《國家航天政策》語氣有所緩和,但仍然堅持領導減少碎片的國際標準、工業標準的發展與采納工作。

美國成功地促成國際上建立起了與美國相似的空間碎片減緩指南。IADC以NSS 1740.14為藍本,于2002年10月15日發布了第一版《IADC空間碎片減緩指南》。IADC的起源可追溯至1987年10月NASA與ESA代表在法國召開的第一屆以空間碎片為主題的國際會議。毫無疑問,NASA在IADC中占據著重要地位。IADC指南的發布,標志著美國政府空間碎片減緩標準成功走上了國際舞臺。部分由于克林頓、小布什政府的推動,IADC還在2007年9月1日發布了指南第一次修訂版。

2003年,IADC向聯合國和平利用外層空間委員會(COPUOS)科技小組委員會第40屆會議提交了空間碎片減緩建議案。2007年,聯合國外空委通過了《COPUOS空間碎片減緩指南》。該指南與IADC指南主體項目基本相同,但在編排方式上做了調整,最大變化則表現為該指南無一項定量化指標,通篇均為定性要求。這在一定程度上“減緩”了該非約束性指南效能的發揮,見表1。

表1 4種典型空間碎片減緩標準部分定量指標對比Table 1 Comparion of certain quantitive requirements in 4 typical space debris mitigation standards

在IADC發布指南后不久,國際標準化組織(ISO)就成立了一個工作組(TC20/SC14/WG7),以IADC指南為基礎,后借鑒COPUOS指南等,于2010年發布了第一版頂層標準《空間系統——空間碎片減緩要求》(ISO 24113)。2011年小幅修改后的第二版為多國采用。我國即以之為基礎制定了國家標準《空間碎片減緩要求》(GB/T 34513-2017/ISO 24113:2011)。

7 非政府實體對美國政府空間碎片政策的影響增強

美國政府一直對太空領域行業組織及其制定的政策持大力支持態度,如“交會與服務操作執行聯盟”(CONFERS)的啟動資金就是由國防高級研究計劃局提供的。在此環境下,美國的非政府空間碎片政策已初具雛形。2019年,太空安全聯盟(SSC)和衛星工業協會(SIA)先后發布了《衛星運行可持續性最佳實踐》《商業衛星工業太空安全原則》。美國麻省理工學院媒體實驗室、得州大學奧斯汀分校、布萊斯太空與技術公司都在參與世界經濟論壇全球未來理事會正在開發的“太空可持續性評級”計劃。這些政策、評級與空間碎片較為相關,尤其是SSC的《最佳實踐》,雖然是在參考了IADC、COPUOS和ISO標準基礎上制定的,但自身特色十分明顯。一是嚴于8719.14C的高標準,如采用化學或電推進離軌方式者力爭5年內離軌;任務后處置成功率力爭達95%;即使失聯也能完全鈍化;遠地點高于400km者須具備主動避碰能力等。二是先于8719.14C的超前性,如大型星座的徑向分隔;航天器設計須考慮便于抓取和離軌;預防“到達即死”(DOA)等。三是異于8719.14C的獨立性,如該文件并不完全認同IADC和ISO關于盡早鈍化的規定,認為離軌持續期小于5年的航天器應盡可能晚地鈍化,以持續保有避撞機動的能力。在當前全球許多航天企業“公司社會責任”不夠,導致25年規則的整體遵守率距90%尚有較大差距的情形下,SSC《最佳實踐》等高標準的非政府空間碎片政策在國際航天界具有很強的道德感召力和輿論影響力,也為這些政策進入官方文件打下了基礎。

美國政府空間碎片政策與非政府政策之間的連接渠道基本上是暢通的。如2019年以來,FCC、FAA、商務部都分別開展了空間碎片政策或航天政策修訂方面的公眾咨詢,一些行業組織和商業航天企業積極提出了意見建議。FCC等部門酌情予以采納,或拒絕,或繼續征詢。這種做法可以提高政策的科學性和商業航天企業對政策的接受度。有了暢通的渠道,未來美國政府的部門級空間碎片政策可能會吸納非政府政策的部分要素,繼而對國家級空間碎片政策產生影響。