太空交通管理迫在眉睫

——致彭斯副总统和国家航天委员会的一封公开信

Space Exploration - - 太空探索 - 编译/ 蓝天翼

在佛罗里达召开首届IAA空间态势感知会议时,笔者在空间评论上看到了一篇名为《就太空交通管理致彭斯副总统和国家太空委员会的一封公开信》的文章,向副总统彭斯和新成立的国家太空委员会呼吁尽快成立联邦太空交通部门统筹管理美国太空交通并引领国际相关组织,现将文章部分摘译如下。

统筹太空交通管理(STM)面临多种多样的太空活动,所有权归属和责任划分都很复杂,急需一个统一的联邦部门来管理。美国应该率先做出积极的姿态,起到领导示范的作用,让其他国际组织有序地加入进来。太空交通管理的问题与多个美国政府部门的现有和未来职能密切相关。太空交通管理的任务主要包括:

空间态势感知 (SSA):SSA 技术主要由美国空军研发与执行,现在商业公司和民间公司也在积极开发这项技术。未来,我们需要一个统一的系统来 监控所有的太空物体,追踪这些太空物体的位置和轨道,避免碰撞。目前,美国空军、美国联邦航空管理局、国务院和商务部等部门和组织都在进行这些工作。但是需要有一个统一的办公室来快速有效监控所有太空物体和实时预测潜在的碰撞。 轨道碎片区域的安全操作:目前,美国空军正在政府和商业组织的协助下监控太空中的系统和碎片,但是,这项工作目前由不同的单位分工负责。在实际工作中,美国宇航局负责移除太空碎片(但是并无相关的预算资金来完成这 项工作);美国联帮航空管理局负责商用发射的安全问题(但是轨道飞行的安全无人负责);国防部负责预测交汇点;在合作和协调方面,国际机构间空间碎片协调委员会 (IADC) 的工作取得了一些成绩,但是远远不够,还需要进一步与国际伙伴加强协调合作。未来几年内,已规划的 13103 个新的LEO轨道通信卫星将发射升空,我们不能再停留在毫无下文的松散探讨中,我们需要行动。

我们需要建立一个新的联邦机构——太空交通管理联邦机构(FSTA),负责管理美国卫星的飞行,协调相关

国际组织,实现共同目标。要建立FSTA,需要发展太空交通管理系统,将统一空间态势感知的职能由FSTA 和国防部共同管理,把轨道安全飞行的职能分给美国空军,由美国空军在国际组织间协调。

进行太空交通管理的迫切性

未来十年,太空中可追踪和不可追踪的物体都将激增,太空交通管理迫在眉睫。目前,在地球轨道上有约1400颗运行中的卫星,与大约 7400吨的轨道碎片在一起。其中,800颗运行中的卫星在LEO轨道上。某些高度和倾角的LEO轨道上已经挤满了正常运行的卫星和轨道碎片,危机四伏。LEO轨道上目前大部分的卫星是民用和军用卫星,但是不久以后,私营航天公司计划发射多达2万颗新的商用卫星,且大部分将在LEO轨道(高度在400 公里~ 1400公里)运行,这使得近地轨道上的商业用途将会激增。

在近地轨道上,600公里~ 1020 公里高度的几个轨道带已经拥满了运行中的卫星和轨道碎片,非常危险。460公里~ 660公里的高度上目前看没有那么拥挤,但是可追踪的对象也日益增多。我们要注意,这里仅仅显示了可追踪物体的数量和质量,还有大量碎片物体无法追踪到。因为现有的追踪系统一般只能追踪到大于10厘米的物体,无法追踪到小的物体。

据估计,在地球轨道上共有70 万个直径从1厘米到10厘米不等的空间碎片未被追踪到,对航天器和人类都很危险,且我们无力抵挡。即使是一个直径1厘米的弹片(玩具弹珠那么大)在LEO轨道上的冲击速度都会达到时速56000公里,能够完全摧毁一颗数吨的卫星,或损坏国际空间站,甚至伤及执行舱外任务的航天员性命。一个100克的螺丝都会对国际空间站的舱段造成致命一击。

这些较小的空间碎片是在大型航天器或者较大碎片破碎或者遭受撞击后产生的。如果不积极采取措施,即使我们不再发射其他航天器,这些原有的 碎片或者航天器也会产生更多的轨道碎片。如果没有积极有效的太空交通管理措施,那么这 2,0000 多个新卫星会令现有的轨道碎片和卫星情况变得更加危险、更加复杂。因此,全球都应该规划统筹太空交通管理,就像当初飞机激增之时,全世界也进行了规划。

太空探索公司、一网公司和三星公司正在共同规划位于1200 至 1400公里高度不同轨道倾角的超大卫星星座。像这样的近地轨道超大星座每天都会发生 2000 至 3000个交汇警告,其中有两三起会在50米之内。如果这些卫星或者它们相应的上面级发生了哪怕是一起碰撞,都会随之产生一连串的碰撞事件。如果在其他布满卫星的轨道也发生这种 “凯斯勒灾难”,那么全球通信、导航和天气预报最终都可能瘫痪。

中轨道MEO中目前只有96 颗卫星,相对而言碎片较少。但是一网公司将在未公开(目前)的MEO轨道高度发射 1280颗卫星。卫讯公司和O3b公司也计划在8200公里的中轨道发射新卫星。虽然 GPS轨道在 MEO 中的

高度为 2,0200公里,新计划的商业卫星星座及其上面级暂时不会对GPS 造成碰撞的风险。但是,GPS卫星不仅为市场和行业提供导航服务,同时也为金融交易提供精确的时间信息。因此,也需要监督新发射到中轨道的所有卫星。

总之,轨道碎片威胁着我们现在和未来太空开发的计划。我们忽视已经在轨道上的7400吨碎片越久,越不尽快制定新的规定来管理未来几年内发射的 2,0000多颗新的商业卫星及其上面级,我们的未来就会越危险。

建立一个新的联邦机构

统筹太空交通管理(STM)一般定义为管理从地球和其他行星发射的物体的轨道高度、倾角和其他特性的行为,以防止发生物理碰撞或电磁干扰。更具体地说,统筹太空交通管理包含所有协助航天器在地球轨道上安全飞行的系统和程序,包括轨道分配协调、无线电频率协调、太空监视、空间态势感知、碰撞预警和消除,轨道碎片的减缓和消除,发射和再入统筹管理等。这是一个棘手的公共政策问题,要平衡技术、法律和经济因素;要考虑到利益相关者的利益冲突和世界观;还要考虑到复杂的政治 /地缘政治环境中纷繁复杂的责任和权利。

此外,仅仅在太空交通管理中管理好新发射的航天器并不足以为我们的地球轨道卫星和航天器提供安全的环境。我们还需要加强空间态势感知、清除活动碎片(ADR)等,以减少对将要进入太空或目前在空间的生命和财产造成的风险。因此,应该在积极推进太空交通管理的同时也要进行空间态势感知和清除活动碎片活动。加强空间态势感知的重点应该放在追踪直径小于1厘米的轨道碎片与进行更加频繁和准确的碰撞预警,要借助公司领域的新科技进行清除活动碎片的活动。

美国没有统一的太空计划。在美国,太空活动的参与者多种多样,且绝大多数相互之间并无联系,这些参与者从事广泛的太空活动,包括军事、民用和商业活动。太空活动参与者之间缺乏协调,造成了起步失误、进度延误、成本超支和效率低下等。随着私营和公共领域参与者在国防和太空科学方面的活动日益增多,我们需要一个总体的组织结构,促进和协调私营和公共领域参与者的行动,确保太空活动参与者和平、合作使用太空资源,为人类定居太阳系努力。

一个与美国政府机构、商业卫星社区和国际利益相关者建立联系的新的独立民政机构可以为实现太空安全的目标提供一个有效的综合“行动中枢”。因此,我们建议设立一个新的联邦机构——FSTA,这个机构最好能够将制定安全规则的权力与执行法规的权力结合起来,并且开展国际合作。FSTA将是一个独立的、非正式顾问式的机构,不依附于任何其他机构,能够在国内外协调各有关的政府部门和私人机构。但是,美国空军、美国宇航局、美国交通部、美国商务部和其他政府机构的一些部门要整合到 FSTA内。其他不并入FSTA的联邦机构和部门,以及学术和商业团体,将与 FSTA紧密协调,为FSTA 提供建议。

通过行政命令成立一个高层联邦执行委员会来处理统筹太空交通管理、空间态势感知和清除活动碎片是可行的。但是,笔者认为应该通过立法程序建立FSTA。虽然立法程序的过程会相对漫长,但是会建立一个更加稳定的和

持久的太空机构。

美国国防部的一些部门对太空开发有所贡献,自上世纪50年代以来,美国空军一直是军事太空活动的主力。FSTA将从国防部接收空间态势感知信息,把碰撞预警数据发送给国防部,在适当的保密级别协调国防部卫星轨道和频率。总之,国防部的空间资源和实力应该有序、谨慎地整合到FSTA。建议空军建立专门的联络组,与FSTA 的部门联系,就国防部授权的技术转让与FSTA 沟通。

美国空军可以在太空碎片主动清扫方面起到主导作用,空军有能力跟踪碎片、在全球运营通信、发射火箭并在太空开展活动。美国空军是唯一能够与商业实体协调开展太空碎片主动清扫的部门实体。

现在就行动,否则成本会越来越高

新的LEO卫星既是威胁又是机遇。 我们面临着即将到来的新的太空交通问题的爆发,同时面临着清理已经在轨道上的垃圾的任务,我们必须现在就花钱行动,否则未来的行动成本只会越来越高。随着时间的推移,会有更多的空间物体产生碰撞,清理的成本会越来越高。届时,在太空中开展活动的国家将很难拿出足够的资金清扫太空碎片,也很难拿出资金资助国内、国际的统筹太空交通管理的组织。那么有没有其他的方法至少可以清理即将产生的新碎片并为统筹太空交通管理的组织提供资金?

一方面政府可以提供资金,与世界上其他在太空中开展活动的组织协作,资助统筹太空交通管理的项目、增强空间态势感知和空间碎片清除的工作;另一方面则可以是卫星服务的最终用户,他们也可以是商业卫星使用的轨道带中的统筹太空交通管理的资金来源。卫星服务业每年的总收入已经多达1270亿美元,即使是卫星终端用户收入的百分之一都将每年提供超过10 亿美元的资金。在 2,0000 个新的商业卫 星发射到轨道之前,这笔资金还会增加。在发射提供宽带服务的新卫星之后,可用于这一顶目的资金还将大幅增加。

需要采取国家和国际行动

处理太空问题需要全面的国际协调,但是在紧张的政治背景下,军民两用技术可能很难在统筹交通管理、空间态势感知,尤其是空间碎片清除方面采取行动。签署双边和多边协定,以透明公开的方式在共同选择的非敏感碎片目标(比如现有的上面级)上进行空间碎片清除的试验可以大大缓解地缘政治紧张局势,同时也会推进空间碎片清除技术的发展,造福各方。然而,在某种程度上,必须有全球范围内的全球首脑会议,共同探讨这些项目。

但是美国不应坐等通过国际合作来加强太空安全,而是要充分发挥领导作用,通过透明的方式形成国家级的计划和项目,以促成这种国际合作。★

▲近地空间大约有7500 吨的垃圾

▲近地轨道上可追踪物体(直径大于10厘米)的数目及其总质量

▲ 据估计大约有70万颗尺寸大于弹子球的近地空间碎片

▲ 2016 年 8 月 23日的欧洲的 Sentinel-1a 卫星遭遇空间碎片撞击,太阳翼轻度受损

▲ 一片直径不到1毫米的太空垃圾将国际空间站的外窗玻璃撞出了一个宽度为7毫米的破损

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