太空碎片减缓措施：研究成果

如同在本章导言中所说，太空碎片探测是建立太空碎片数据库的基础，也是如何进行航天器防护的基础。就航天器防护而言，有两种方式:一种就是根据太空碎片探测的数据，以及太空碎片模拟实验的情况，选用适当材料建造航天器，抵御小碎片的撞击;一种就是采用规避措施，让航天器躲避太空碎片的撞击。在太空碎片飘向航天器之前，地面控制中心对航天器实施制动，规避太空碎片。2009年12月，美国空军上校莫斯(Chris Moss)透露自从2009年2月以来，52个组织一共进行了32此碰撞规避制动[1]。2009年10月3日，中国首次宣布进行了此类制动[2]。除了进行上述这些技术措施外，重要的是如何减缓太空碎片的产生。这是各国尤其是有能力、将来有能力进行太空活动国家、组织、实体的义务。太空碎片清理则是一项更高的技术要求，目前，实用性还有待提高。

一、《太空碎片减缓指南》

针对日益严重的太空碎片问题，国际社会开始谋划如何减缓。1992年，NASA、欧空局、日本、俄罗斯等国、国际组织在美国休斯敦召开有关太空碎片问题的研讨会。1993年，美国、俄罗斯、欧洲、日本等国发起，在俄罗斯加里宁格勒成立了机构间太空碎片协调委员会(Inter-agency Space Debris Coordination Committee，IADC)。该机构每年召开一次国际学术会议，研讨太空碎片及其相关问题，旨在协调各国航天行动，促进各国在太空碎片研究领域的合作与交流，共享成果，解决太空碎片问题。该机构成为目前国际协调太空碎片研究的唯一的官方权威机构，在技术上应对太空碎片问题发挥了重要作用。目前，该机构包括11个成员国、组织，它们是意大利、法国、中国、德国、欧空局、印度、日本、美国、乌克兰、俄罗斯和英国。其中，中国国家航天局是1995年加入该组织的。该机构除了一个指导工作组外，还包括4个特殊工作小组，即探测(measurements，WG1)、环境与数据库(Environmentanddatabase，WG2)、防护(Protection，WG3)和缓解(Mitigation，WG4)4个技术领域[3]。

IADC减缓技术组于2002年正式通过、颁布了《IADC太空碎片减缓指南》。该指南适用范围从计划进入地球轨道的航天器和运载火箭末级项目计划开始，直到发射、在轨运行和任务终止后处置的全过程。就航天器而言，涉及发射、在轨运行和重返地面(大气层)或者进入处置轨道三个阶段。《IADC指南》涉及6个方面:(1)限制正常运营期间释放碎片;(2)使在轨解体的可能性减至最小;(3)保护地球静止轨道;(4)低地轨道上太空系统任务结束后的弃置;(5)其他轨道区太空系统任务结束后的弃置;(6)防止在轨碰撞。其中第3—5点都是涉及航天器任务终止之后的处置问题，包括重返地面(大气层)或者进入其他轨道。

根据反馈的意见，2006年IADC又通过了《太空碎片减缓指南修正草案》，不过此次是以联合国外层空间和平利用委员会科技小组委员会名义通过和颁布的，因此成为联合国外空委的《太碎片减缓指南》，把IADC《指南》的6点变为7点，即(1)限制在正常运作期间释放碎片;(2)最大限度地减少操作阶段可能发生的解体;(3)限制轨道中意外碰撞的可能性;(4)避免故意自毁和其他有害活动;(5)最大限度地降低剩存能源导致的任务后解体的可能性;(6)限制航天器和运载火箭轨道级在任务结束后长期存在于近地轨道区域;(7)限制航天器和运载火箭轨道级在任务结束后对GEO区域的长期干扰。这个减缓指南较之“初版”要完善些，尤其增加了禁止对卫星进行自毁、其他有害行为。两个版本的《太空碎片减缓指南》，是指导各国太空碎片减缓的文件，但不具有法律约束力。

两个版本的《指南》的太空碎片减缓包括减缓技术标准、减缓管理标准、减缓技术措施和减缓效能评估四个方面。从技术上讲，减缓太空碎片包括限制太空碎片的产生、消除已有太空碎片和减少太空碎片影响。三大方面各自又包括几个措施:限制太空碎片产生，通过限制操作性碎片、限制陨落碎片和钝化来实现;消除已有的太空碎片，包括离轨和消除措施;减少太空碎片影响则主要通过保护重要轨道区域实现(见图6-2)。

图6-2 减缓太空碎片措施表

这三种减缓太空碎片的措施，大体上可以分为两类，即预防性技术措施和治理技术措施。前者是指在航天器发射、在轨运行和任务终结后处置三个阶段中，通过技术尽可能地减少太空碎片的产生;后者则是通过技术消除轨道上存在的太空碎片。

二、太空碎片减缓情况

在航天大国、强国努力下，IADC制定并颁布了《太空碎片减缓指南》和联合国外空委的《太空碎片指南》。根据这两个《指南》的精神，世界主要航天大国也相继发布了各自的太空碎片指导手册及其减缓技术标准，尽管在内容上各有侧重。

美国的在轨航天器最多，而且还在继续研发更多的航天器抢占太空轨道和频率资源，同时谋求太空霸权。因此，从理论上讲，美国的航天器最多，被太空碎片撞击的概率也应最大，故美国很注意太空碎片的减缓。我们从前面论述的美国花大气力发展太空碎片探测并对太空碎片进行编目，可以理解美国对太空碎片撞击航天器的担心。当然，美国对太空碎片的关注是经历了一个过程的。

1984年美国颁布《商业太空发射法》，首次明确提出“通过和平利用太空环境促进经济增长和企业活动”，虽然并没有明确提出减缓太空碎片的产生，并处理该问题，但是“和平利用太空环境”的言词无疑表达了对太空环境保护的关注，也就是说这个法律隐含着对太空碎片进行减缓的要求[4]。1992年NASA颁布的管理指令“1700.8”，明确提出了“限制轨道碎片产生的政策”(Policyfor Limiting Orbital Debris Generation)，要求限制太空碎片的产生，并对太空碎片进行处理［该政策被1997年的NASA政策指令(Policy Directive8710.3)取代］。1995年NASA颁布太空碎片减缓标准[5]。1997年，美国政府颁布《太空碎片减缓标准办法》[6]。2007年8月NASA通过太空碎片减缓的技术标准，即“限制轨道碎片的程序”，到2009年9月进行了4次修改[7]。

1997年颁布的《太空碎片减缓标准办法》成为指导美国太空碎片减缓的总政策。2006年8月小布什总统颁布的太空政策强调:(1)公私部门、机构在采购和运行航天器、发射和在太空进行有关试验，遵守《太空碎片减缓标准办法》;(2)商务部和运输部应与联邦通信委员会协调，解决轨道碎片问题;(3)美国鼓励外国和国际机构采取旨在最大限度减少碎片的政策和办法，并在有关碎片研究和碎片减缓技术上进行交流与合作[8]。2010年7月奥巴马政府颁布的太空政策再次强调遵守该《办法》，“强化减缓轨道碎片的措施”，把太空碎片的产生最小化，保护太空环境，促进太空的和平、安全与负责任的利用[9]。

《太空碎片减缓标准办法》虽然只有短短的4页，但其他的有关配套措施与技术标准的文件，详细地说明了减缓标准。《办法》涉及的主要内容有:

(1)常规行动期间碎片产生的控制。设计航天器和火箭的顶端部分在正常运转情况下不产生碎片，或者使碎片产生最小化。大于5毫米的碎片在轨道上存在超过25年。(2)使意外爆炸所产生的碎片最小化。项目和计划应该评估和限制飞行行动期间或任务完成后的意外爆炸。(3)限制其他航天器受到任务结束后的意外爆炸的风险。航天器或火箭顶端部分的能源，应该耗尽或者处于安全状态下。(4)在轨碰撞概率最小化。项目与计划应该评估与限制运转的航天器被人造物体、流星体碰撞而成为太空碎片的概率。(5)任务后的处置。应该考虑火箭组成部分、火箭顶端、航天器、其他载荷的使命终结的处置程序，使其对未来太空飞行的影响最小化。航天器、火箭顶端部分应该以三种方法中的一种进行处置:一是重返大气层方案，在其任务终结后，使用大气拖曳使航天器、火箭顶端在轨时间不超过25年。它们在重返地球大气层时，造成人员伤亡的概率应该不大于万分之一。二是推进到处置轨道方案。在近地轨道(LEO)和中地轨道(MEO)之间，使航天器进入近地点2000千米、远地点19700千米的轨道上;在中地轨道和地球同步轨道之间，使航天器进入近地点20700千米、远地点35300千米的轨道上;高于地球同步轨道，要使航天器进入近地点高于36100千米的轨道上;逃逸轨道，使航天器远离地球轨道，使之逃离地球。三是直接回收。在任务结束后，直接将其回收使之从轨道上消失。

俄罗斯也是一个航天强国，也很重视太空碎片问题。1993年，俄罗斯发表关于其太空政策的优先地位的声明，强调发展太空事业有助于促进俄罗斯的发展，有助于增进人民的福祉，有助于解决人类所面临的全球性问题。因此，俄罗斯的太空政策与事业应该保证太空活动的安全，包括对太空环境的保护。这里所提及的保护太空环境，就明确包含着减少太空碎片污染的问题。

1993年5月，俄罗斯颁布《太空活动法》，成为俄罗斯航天领域的基本法。本法尽管并没有明确谈及太空碎片减缓，但是在若干条文中可以找到俄罗斯对太空碎片减缓的规定。该法第四条第1款确立了俄罗斯航天活动的9项原则，其中第7项原则谈及太空活动的安全保险，包括太空环境保护。显然，太空碎片的减缓成为太空环境保护原则的一个方面。同时该条第2款规定，为确保俄罗斯的战略与生态安全，俄罗斯禁止在太空放置、部署核武器和其他任何大规模杀伤性武器;禁止在太空试验核武器和其他大规模毁灭性武器;禁止利用太空物体和其他航天器作为军事手段影响环境或其他敌对目的;禁止将月球和其他星体用于军事目的;禁止故意对包括太空物体在内的航天活动安全制造直接威胁;禁止使太空受到有害污染，可能导致环境发生不利变化，包括在太空故意毁坏物体。此外，凡俄罗斯签署的国际条约所禁止的其他航天活动在俄联邦管辖范围内亦属禁止之列[10]。虽然这一条款也没有明确指出太空碎片的减缓问题，但是法条所列举的太空行为都会直接或间接产生太空碎片。俄罗斯用法律将这些产生太空碎片的行为列为非法活动，明确无误地表明支持太空碎片减缓。

根据《太空活动法》第九条有关航天活动许可证的规定，1996年俄罗斯政府颁布了有关太空活动许可证发放条例，专门针对太空科学、太空经济活动而设计的许可证程序规则。有关实体向俄罗斯航天署递交的申请包括证明其太空活动安全(包括生态和防燃防爆)和太空技术装置可靠的证明文件。太空署进行审查后，如果属实则向其颁发许可证，否则，太空署可以终止许可证的效力或取消许可证。提交太空活动安全和技术装置可靠的证明文件，就是要求实体把太空碎片产生最小化，保证太空环境，减少太空事业因太空环境而造成的损失[11]。

2000年，俄罗斯航天署颁布《太空碎片减缓标准》，规定在航天活动全过程减缓太空碎片的几项义务:发射任务结束关闭发动机时，降低燃料舱的压力并排放剩余的推进剂;在任务结束后，推进装置中剩余的推进剂要燃尽;排除或尽量防止运行部件与航天器分离;航天器上的电池要耗尽;航天器上不得带有自行毁坏装置。除此之外，俄罗斯还颁布了一些规范性文件，如太空碎片减缓的特别技术规则《近地太空技术性污染条件下的太空活动的安全性要求》和国家标准《航天器、轨道级关于太空碎片减缓的基本要求》[12]。

欧空局作为一个欧洲航天组织，也是一个技术实力强大的航天“玩家”，对太空碎片的关注也是由来已久。2001年颁布《欧空局太空碎片减缓手册》，并于2003年3月通过修订版。这两个版本厚度几百页，其中文版长达270页[13]。2008年欧空局颁布《太空碎片减缓要求》[14]，《要求》作为欧空局采购所有太空系统时的适用标准，即适用于火箭、卫星和载人物体的采购。《要求》规定限制太空碎片(特别是在LEO和GEO被保护区)的最低要求和在太空系统或其部件再入地球大气层时降低风险的最低措施。欧空局的太空碎片减缓指南在《减缓手册》中有明确规定，主要体现在第7章中，主要涉及以下几个方面的内容。

减少任务相关物体(MRO)，也就是操作性碎片。它包括火箭和有效载荷分离产生的碎片(如航天器适配器、护罩和夹紧带)及航天器展开和试运行期间释放的物体(如爆炸螺栓、太阳电池阵止动销和镜盖)。大多数这类物体都以相对于母体的低速释放出，因此仍然靠近运行轨道，有可能导致增加与有效载荷和背景环境的碰撞概率。这对GEO轨道特别重要，在那里无自然沉淀机理如大气阻力来清除这些多余的物体。但对MRO的释放可进行规划，有步骤地限制这种碎片源。将MRO总数减至最低的最好办法首先显然是不产生MRO。鼓励系统设计尽可能将被释放的物体(如天线展开机构、护盖、爆炸螺栓、残留液收集发动机、热屏蔽等)保留在主体中。在某些情况中，通过采用牵索或专用的捕获装置来实现，也可选择材料和基本系统技术(如贮箱、表面材料、结构等)使之能抗环境衰变(如辐射暴露、原子氧腐蚀、热循环)。

减少意外解体事件。主要对航天器实施钝化技术处理，包括燃烧或排空剩余推进剂;排空所有增压系统，或带一个减压机构，保证在太阳加热情况下不会爆炸;对蓄电池放电，断开充电线路，或采取适当的设计方案，保证处于永久放电状态。

减缓故意解体的影响。航天器在过去出于许多原因进行过故意自毁，包括在轨试验反卫星武器，太空系统的故意破坏可产生许多与意外爆炸一样的非常危险的碎块，但由于是有计划进行的事件，可采取措施将其对环境的影响减至最小。为尽量减少地面撞击灾祸风险，在大气层再入时有计划对太空系统进行破坏是允许的，但应在足够低的高度上进行，使随后产生的碎块自身不会再变成轨道碎片。

减缓在轨碰撞的影响。为增加航天器的生存性，可以进行如下措施:对关键/敏感部件加装外部屏蔽;尽可能采用冗余部件;太空系统内部隔开，产生更多的内部屏蔽，从而限制二次碎片损坏影响;配置内部装置，使最关键的部件得到比不太关键部件更强的保护(即“间接屏蔽”技术);配置航天器结构，使碎片撞击的概率最小化。在减少碰撞上可采取:必要时进行防撞机动;如必要，改变计划的任务轨道高度，降低碰撞概率;在GEO进行协调位置保持。

任务后的处置。《手册》提出的建议是直接回收、立即离轨、有限寿命离轨、变轨至运行区域外。在进行离轨措施时要保证太空系统不会因系统故障或燃料计量不精确而滞留于或非常靠近原运行轨道;将因设计改进(为实现所需的离轨要求)而引起的新的任务故障机理减至最小。

印度是一个具备深空探测能力的发展中国家。印度太空研究组织(ISRO)在考虑自己的太空碎片减缓的政策立场时就特别强调了自己是发展中国家这一现实。印度认为，太空环境恶化影响人类未来的太空发展，因此高度重视太空碎片的减缓;同时，太空环境应当得到有效保护，确保所有国家有权、平等地进入太空;国际社会在太空碎片减缓上应该采取自愿原则;有关太空碎片的数据库应该向IADC成员或其他感兴趣的国家开放;联合国外空委员会的法律小组应该讨论太空碎片问题，讨论范围应该是广泛的、综合的;印度支持外空委《太空碎片减缓指南》成为未来讨论太空碎片减缓唯一的基础。而且印度特别强调，目前太空环境恶化是所有国家共同造成的，但是每个国家由于其太空能力大小不同，对太空环境恶化所应承担的义务和责任理应有所不同，也就是说在保护太空环境上国际社会应该建立在“共同但有区别的原则”基础上[15]。这一点类似于国际社会在应对全球变暖而在减少CO2上的义务与责任。

在太空碎片减缓方面，印度基本上遵照联合国《指南》指导本国的太空碎片减缓。具体情况:(1)运载火箭顶端部分的钝化。(2)开发与太空碎片相关的软件，测试太空碎片与正在运行的太空物体相隔距离，从而避免太空碎片撞击这些太空物体。(3)将其地球同步卫星任务即将结束时推离地球同步轨道。如2003年6月，ISRO把本国的INSAT-2C卫星推离出地球同步轨道位置[16]。

1996年，日本太空机构颁布了太空碎片减缓标准，要求所有太空项目计划都必须采用和遵循该标准。该标准从任务相关碎片产生、故意和意外在轨爆炸、任务后处置和再入风险等几个方面提出了要求:防止可能产生大量碎片的在轨爆炸事件发生;规定地球同步轨道区域航天器转移至更高的轨道上空;缩短运载火箭末级在轨道上的滞留时间;减少航天器任务期间的太空碎片数量;缩短航天器在任务结束后在轨滞留时间。日本太空机构还做出了一些具体要求。如对航天器结束任务和运载火箭末级的处置要求，如轨道低于750千米(轨道寿命一般为25年)，则不需要进行离轨处理，可以让其在大气拖曳下轨道自然下降;如轨道高度在750—1000千米，则以消耗5%的推进剂进行离轨操作，使其寿命低于25年;如轨道高度在1000—1500千米，则要把其送入废弃轨道上;如高于1500千米的轨道，则要把其送到1700千米的废弃轨道上[17]。

三、太空碎片减缓技术措施

太空碎片减缓研究的根本目的就是减少太空碎片，遏制太空环境恶化的势头，实现太空环境保护，保证人类未来对太空资源的开发与利用。大体而言，太空碎片减缓的措施包括两大类，即预防措施和治理措施。前者主要指采取有关措施确保航天器发射、在轨运行和使命结束全过程中，尽可能地减少太空碎片的产生;后者指采取措施清除轨道上的太空碎片。预防技术措施包括系留、钝化、垃圾轨道、重复使用;治理技术措施包括脱轨、回收、收集和燃烧。

系留(tether)。系留是指将航天器在发射和工作中产生的抛弃物系留在航天器上的技术。这要求在设计时就要采取措施，使运载火箭和航天器在发射和运行过程中将抛弃物最小化。对于那些非抛弃不可的零部件，如火箭的整流罩，星箭分离装置的包带、仪器探头或镜头的保护罩等，要求它们被释放之后仍能依旧连接在火箭末级或航天器上;对于爆炸螺栓爆炸产生的碎片，则需要用收集器将其全部“回笼”，不让它们在轨道上飘散。此种方法原则上成本不是很高，目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段路程。

钝化(passivation，或译为消能)。钝化就是消能，也就是消除或断绝能使火箭末级或在轨航天器发生爆炸的能源。消能的措施包括将使命结束的运载火箭末级中的剩余推进剂和高压气体耗尽或排空;将惯性器件和运动部件的能量耗尽;将火箭末级或航天器内电池的电路永久性切断，从而消除可能引起爆炸的源头。钝化可以从几个方面着手。

一是，推进剂的钝化。末级火箭在星箭分离之后，留在贮箱中的大量剩余推进剂就变成了祸根，必须及时将这些剩余推进剂清空，从而消除发生爆炸的潜在危险。清除推进剂的方法有两种，一种是简单地将推进剂排放出去，另一种是发动机再次点火，将推进剂燃烧殆尽。前者对箭体运动的影响很小。后者会产生较大的推力，影响箭体的轨道，此时需要避免与有效载荷(航天器)碰撞。目前，欧空局的阿里亚娜火箭采用第一种方式排空推进剂;美国的德尔塔火箭和半人马座末级火箭在释放有效载荷以后，先进行一次小的机动变轨，也就是重新启动火箭发动机，使其离开有效载荷一段距离(以防污染有效载荷)，然后将剩余推进剂燃烧掉。日本的H-1和H-2火箭的末级在完成与有效载荷分离之后，采取上述两种方式，将剩余推进剂和喷气燃料排空。我国的长征四号乙运载火箭末级也增设了排放系统，在星箭分离之后，排放系统将剩余的液体推进剂和高压气体排空。近地轨道卫星基本上都采用表面张力贮箱，这种贮箱的有效挤出率大于98%[18]，在卫星结束任务后只需打开阀门，可以排空贮箱和管路中的推进剂和气体。压力容器内的高压气体也可以完全排空。

二是，电池钝化。该措施是在卫星任务终结后，先切断蓄电池充电回路，并及时通过放电回路释放蓄电池所储存的剩余电能。解决的办法就是在卫星蓄电池的充电控制电路上设置遥控开关，在卫星结束任务后，通过遥控指令断开其充电电路，放完剩余电量。对电池钝化的技术比较成熟，运用广泛。

三是，运动部件钝化。该措施就是要求在卫星任务结束后对其进行卸载使之停止运动。解决的办法就是在运动部件的控制电路中设置断电开关，等卫星任务结束后通过遥控指令断开运动部件的供电[19]。此种措施也是经济可行的。

设立垃圾轨道(或称坟墓轨道graveyardorbit)。就目前而言，要彻底解决太空碎片问题，除了资金之外，还存在技术难题，很难在短时间解决太空碎片清除的问题。目前的权宜之计是把最具应用价值的区域划为保护区，使大部分航天器能够在比较安全的环境下运行。国际社会共同倡议在地球外层空间要划出两个必须受到保护的空域，即近地轨道受保护区和地球同步轨道受保护区。在这两个保护区工作的航天器，以及在这里形成的碎片都需要采取一定的措施离开这区域。第一个区域就是近地轨道区域——从地球表面延伸到2000千米高的球壳形区域;第二个区域就是地球同步轨道区域——35786千米高度。这一高度的上界高度为35986千米(即地球同步轨道高度加上200千米)，其下界高度为35586千米(即地球同步轨道高度减去200千米)。还有一个需要保护的区域就是，半同步轨道区域，其上下界线就是20200千米加减200千米。在这三个区域之外的空间可视为垃圾轨道。也许有朝一日，人们发现目前设置的垃圾轨道弃置区具有重要的利用价值，到那时再要清理垃圾轨道会面临很大的困难。(https://www.xing528.com)

采用垃圾轨道措施，就是在航天器工作寿命行将结束之前，可利用其剩余的推进剂将其推到一条规定的、专用于埋葬“寿终”航天器的坟墓轨道，不让它们在空间任意游荡，影响和干扰正常工作的航天器。地球静止轨道卫星在推进剂耗尽以后，失去保持定点位置的能力，在地球扁率和日月引力摄动的作用下发生漂移，每天两次穿过地球静止轨道面，对正常工作的地球静止卫星构成威胁。为避免这样的卫星成为妨碍正常运转的同步轨道卫星，将它送入垃圾轨道(即高于同步轨道300—400千米圆轨道上)是目前唯一实际可行的办法。方式就是采取多次变轨，使之达到垃圾轨道位置上。进行此项操作是有风险的，因为在寿命末期，卫星上还剩余多少推进剂，往往不易测准。过早进行操作让其进入垃圾轨道，限制了该卫星的工作时间，是一种巨大浪费;如果过迟地采取措施，有可能无法将卫星送入垃圾轨道，对于正常卫星来说则又是一个威胁。

重复使用。推进剂耗尽的火箭末级和任务终结的航天器，沦为太空垃圾显然是一种浪费或损失;如果设法使它们再入大气层烧毁，虽可防止太空碎片产生，但会污染人类赖以生存的大气环境。为避免此种情况发生，美国的航天飞机就是一种有益的尝试，而且取得了很好的效果，尽管维持费用很高。目前，专家们一直在研究运载火箭和某些航天器的重复使用问题。例如，可用单级入轨火箭或新型航天飞机等可多次重复使用的太空运输系统来代替目前一次性使用的运载火箭;用可以在轨维修、在轨加注燃料和从轨道上回收的空间平台来代替一次性使用的卫星，从而减少硬件的消耗和太空碎片的产生。前述的美国验证在轨自动交会技术试验就是此类尝试。

回收(retrieval)。该措施是指利用有能力返回地面的航天器将太空碎片捕获并带回地面。目前只有美国的航天飞机和俄罗斯的宇宙飞船可将碎片捕获并带回地面。由于回收的代价高昂，到目前为止，仅采用过有限的几次，如前所述的“长期暴轨装置”(LDEF)、“欧洲可回收平台”(即“尤里卡”，EURECA)。而且进行回收的都是为试验在轨碰撞实验、维修在轨航天器，而不是进行清除太空碎片。回收的办法也只适用于清除低轨道上的太空碎片，因为不论是美国的航天飞机，还是俄罗斯的飞船可达到的轨道高度也只距离地面600千米。

收集。就是利用轨道收集器收集微小太空碎片，然后让其进入大气层燃耗掉。目前，国外进行了大量的研究与尝试。俄罗斯能量火箭太空公司将投资20亿美元建立一个飞行在太空的太空舱，收集太空轨道上的垃圾，如果顺利的话，该太空舱将在太空就燃烧掉，或坠入大海中。能量火箭太空公司计划到2020年完成太空舱的测试，然后在3年内投入使用。它的使用寿命大约15年，足以在太空垃圾问题上作出重要贡献[20]。美国科学家则设计出了一个名为“太空工友”的航天器，它由12只太空“垃圾箱”组成，将在地球同步轨道上运行。当太空中的废弃卫星或碎片飞过时，由电脑控制的机械臂会轻而易举地抓住目标，并放进“垃圾箱”。然后将其分割切碎，使其坠入地球大气层燃烧自毁。

燃烧。这种方法是利用大功率的激光照射太空碎片，使其粉碎、融化甚至气化后迅速发生轨道衰退，使其进入大气层燃烧。由于焚烧效果受激光工作模式和功率的影响，同时也受碎片材质、大小、轨道等因素的影响，因而此种方式只对近地轨道上空的小碎片管用。美国正在试验“激光扫帚”就属于此类措施。该项目是在锁定某个太空垃圾目标后，从地面将发出一束激光，照射在太空垃圾背离地球的一端，利用激光产生的光压使其减速和推动其朝地球的方向运动改变运行方向，最终使其进入大气层，与大气产生强烈摩擦而燃烧。“激光扫帚”是清理低轨道上1—10厘米太空碎片的工具。2000年美国曾投资2亿美元，原计划在2003年进行试验由航天飞机施放一个小的带有定位系统的目标飞行器模拟太空碎片，检验激光照射改变其轨道的效果，后因“哥伦比亚”号航天飞机失事而推迟。激光的功率为15千焦耳，重复频率每秒2次，反射镜直径6米，采用自适应光学在1500千米距离处形成60厘米的光斑照射空间碎片。

离轨(de-orbit)。离轨就是使废弃的火箭或寿终的卫星等太空碎片脱离原来的运行轨道，或者直接让其进入大气层烧毁;或者转移到一条短寿命(25年以下)的轨道上去;或者让其进入垃圾轨道。离轨可分为主动离轨(或有动力离轨)和被动离轨(或无动力离轨)。前者还可以继续分为主动有控离轨和主动无控离轨。

主动离轨，是利用火箭末级或航天器自身推进剂或能量使其离开原来轨道。不管是直接进入大气层，还是进入短寿命轨道，还是进入垃圾轨道，都需要航天器或运载火箭末级有剩余的推进剂或能量，以实现变轨，改变原来的轨道。只不过直接返回地面需要的剩余推进剂较多，降低轨道高度和进入弃置区需要的剩余推进剂较少，比较容易实现。

主动有控离轨，就是使任务结束后的航天器或运载火箭末级在受控条件下再入大气层燃烧或进入预定的着陆场、垃圾轨道。这样的例子有很多，如俄罗斯的进步号货船与和平号空间站分离后，便利用自身的推进系统变轨，脱离运行轨道，再入大气层烧毁;2001年，俄罗斯“和平”号空间站放弃使用后，也以类似方式结束生命;“神舟”5号和7号载人飞船安全着陆;地球同步静止轨道卫星变轨至高于该轨道300—400千米的圆轨道上。

主动无控离轨，是主动有控离轨的一种替代方式，指在初始离轨时仅提供一次或几次较短弧段的速度增量，或采用长期工作的低推力发动机进行变轨，使其进入寿命低于25年的短命轨道;或者让其进入垃圾轨道。

被动离轨，是利用大气阻力、地球磁场产生的拽力，或者太阳光压力，降低太空碎片的轨道高度，进而使其进入大气层燃烧。一般来说，在多数情况下，丢弃在低于500千米的近圆轨道或近地点很低的大偏心率轨道上的航天器或火箭末级，其轨道寿命不超过25年。如果能够利用日月引力摄动，可缩短此类太空碎片的轨道寿命。

高层大气对太空碎片的阻力和高层大气密度成正比，也和太空碎片垂直于运动方向的横截面积成正比，阻力所形成的加速度，即太空碎片离开轨道陨落的速度和太空碎片的质量成反比。在相同的高层大气密度和太空碎片质量的条件下，只要增加太空碎片的横截面积就可以加速太空碎片陨落，增加的面积越大，陨落得越快。因此，离轨方式可以采用增加太空碎片面积的方式达到加速其离轨的时间。例如，可在火箭末级或卫星上加装可增加大气阻力的装置，例如大面积的帆板或充气伞，使用前折叠贮存在火箭末级或卫星内，工作时将其展开或充气，形成很大的迎风面积，增加大气阻力，迫使卫星速度降低，脱离运行轨道，最后再入大气层烧毁。利用大气阻力脱轨的方法，其优点是结构比较简单，不要求控制姿态，但其缺陷就是在轨道高度超过1000千米就不灵了。

对于超过1000千米轨道高度的太空碎片，可以使用电磁曳力来加速陨落。导线在磁场中运动产生感应电流，形成电磁阻力。在近地太空环境中，存在地磁场，在电离层中存在电子和离子，只要给太空碎片套上这样的导电绳索即离轨索，就可以产生地磁阻力。地磁场作用在离轨索上的作用力与航天器运动方同相反，因而使之减速并加快陨落。离轨索越长，曳力越大，陨落越快。这种太空系绳的方法正处于试验阶段。其难点是系绳的伸展机构的可靠性不易保证。意大利曾借用美国的航天飞机释放过二次系绳卫星，均因系绳伸展机构中途卡住，而功亏一篑。

还有一种方式就是利用太阳光压。当然，太阳光的压强是极其微弱的，只有当受照的太阳帆面积足够大时，也能使碎片的轨道逐渐降低高度，最终进入一条短寿命(小于25年)轨道。当然，如何在轨道上展开特大面积的太阳帆，并使其保持对日定向，是一个很大的技术难题。

通过以上介绍，预防和治理太空碎片的几种技术手段各有千秋。但是有些技术不全是成熟的，有的还处于设想与研究阶段。系留、新型的重复使用航天器、回收、焚烧、收集、部分离轨等太空碎片减缓措施还很难投入实际运用，目前甚至今后一段时间内，保护太空环境主要以钝化、垃圾轨道和部分离轨技术为主。研究、试验新式减缓太空碎片的技术措施刻不容缓。

[1] Presentation given to the International Conference on Orbital Debris Removal，Chantilly， VA，10December2009.

[2] Craig. Covault，“U.S. and China face mounting orbital debris hazards，”Spaceflightnow 18November2009. http://spaceflightnow.com/news/n0911/18debris/.

[3] 参见 Inter-agency Space Debris Coordination Committee 网站，http://www. iadc-online.org/index.cgi? item=home。

[4] 参见李斌:“论我国空间碎片减缓立法体系的完善”，《环球法律评论》2008年第4期。

[5] NASASafety Standard 170.14，August 1995. http://orbitaldebris.jsc.nasa.gov/library/NSS1740_14/nss1740_14—1995.pdf.

[6] U.S. Government Orbital Debris Mitigation Standard Practices. http://orbitaldebris. jsc.nasa.gov/library/USG_OD_Standard_Practices.pdf.

[7] Process for Limiting Orbital Debris， NASA-STD-8719. 14 ( with Change4)， September2009.http://www.hq.nasa.gov/office/codeq/doctree/871914.pdf.

[8] U.S. National Space Policy. http://www.fas.org/irp/offdocs/nspd/space.pdf.

[9] National Space Policy of the United States of America，June28，2010.http://www. whitehouse.gov/sites/default/files/national_space_policy_6-28-10.pdf.

[10] 尹玉海、刘飞:“俄罗斯减缓空间碎片的技术与法律措施”，载《中国航天》2007年第8期。

[11] 李斌:“论我国空间碎片减缓立法体系的完善”，《环球法律评论》2008年第4期。

[12] 参见尹玉海、刘飞:“俄罗斯减缓空间碎片的技术与法律措施”，《中国航天》2007年第8期。

[13] 这两个版本的中文版都刊载中国国家航天局网站(Http://www.cnsa.gov.cn)上。

[14] “Space Debris Mitigation for Agency Projects”及其中文版也刊载在中国国家航天局网站上。

[15] 李斌:“印度空间碎片减缓国家机制述评及其启示”，《北京航空航天大学学报》2010年第3期。

[16] 同上书，第41页。

[17] 王海福等:《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第276—277页。

[18] 王海福等:《空间碎片导论》，科学出版社2010年版，第281页。

[19] 同上书，第282页。

[20] “俄罗斯斥资20亿美元清理太空垃圾”，《参考消息》2010年12月1日。