段锋
(国防大学军事管理学院,北京 100091)
1968年底,人类制造的空间碎片仅有数百片。现在,据欧洲航天局(ESA)测算,10cm以上碎片约有36500个,1～10cm之间的约有100万个,1mm～1cm之间的约有1.3亿个。在持续变差的空间碎片环境下,美国作为世界上航天技术最先进、航天事业最发达的国家,其官方空间碎片政策的构成、作用、影响、发展等值得我们关注。
本文中政策一词多数情况下泛指美国各级政府部门、行业组织、智库、研究机构甚至是商业公司等,正式发布的专门针对空间碎片的或包含了空间碎片相关条款的法律、法规、政策、指令、技术标准、行业规范、最佳实践等。
美国政府空间碎片政策可以分为国家级政策和部门级政策。国家级政策是指美国联邦政府总统行政办公室及其下设机构颁布的空间碎片相关政策。部门级政策是指美国政府内阁部及其下设机构,以及独立政府机构颁布的空间碎片相关政策,如图1所示。
图1 美国政府空间碎片政策体系Fig.1 The architecture of United States governmental space debris policies
2.1 国家级空间碎片政策
国家级政策中,《国家航天政策》作为指方向、定目标的顶层文件,对美国军事航天、情报界航天、民用航天、商业航天等各部门具有全局性、战略性指导作用,在美国航天界具有重要地位。1988年,里根政府第二份《国家航天政策》首次在官方文件中提及空间碎片问题,要求各航天部门要努力使空间碎片的产生最小化。此后历届政府的《国家航天政策》均在之前基础上不断予以充实。在特朗普政府《国家航天政策》中,空间碎片相关规定融入“保护太空环境以增进太空活动长期可持续性”部分。
特朗普政府于2018年6月颁布的3号航天政策指令(SPD-3)《国家太空交通管理政策》作为美国政府第一份专门的太空交通管理政策,对空间碎片这一影响太空交通的重要因素予以高度关注,多处论及空间碎片减缓、相关政策修订和主动碎片移除等。
《美国政府轨道碎片减缓标准实践》(USGODMSP)是美国最重要的、专门的国家级空间碎片政策。2019年12月,根据SPD-3的指示,国家航天委员会对2001年版USGODMSP进行了修订。新版政策规定了限制正常运行过程中的碎片释放;使意外爆炸产生的碎片最小化;选择安全的飞行轨迹和运行设置;太空设备的任务后处置等减缓目标和相应的减缓标准实践,另外还规定了一些具体种类太空活动的减缓标准实践。
2021年1月和2022年7月,美国先后发布了《国家轨道碎片研究与发展计划》和《国家轨道碎片实施计划》。两份文件均由白宫科学技术政策办公室(OSTP)下属的国家科学技术委员会(NSTC)的一个跨部门工作组起草,分别以OSTP和NSTC名义发布。两份文件均聚焦碎片减缓、碎片跟踪与表征、碎片整治(remediation)等三个方面,前者提出了14个须深入研究的领域,后者指出了44项更为具体的须落实事项。与USGODMSP相比,两份文件涉及的技术领域不仅大幅超出了碎片减缓,而且也将“提高防护能力和撞击抵抗力”等纳入其碎片减缓范畴。不过,作为OSTP职权范围内的政策,两份文件主要关注的是科技、研发领域,目的是为美国政府相关部局提供轨道碎片方面技术性的引领和协调。在一定意义上可以认为,两份文件为其他的更为宏观、更加着眼全球太空活动的相关政策提供了长远的、基础性的技术支撑。
需要注意的是,USGODMSP(下文简称ODMSP)文件名称中的定语“U.S.Government”十分关键,它界定了本政策适用对象只是美国联邦政府的太空系统(主要是国防部和国家航空航天局),并不直接作用于商业航天界,但它是相关部门制定面向商业航天界空间碎片政策的重要参考。
2.2 部门级空间碎片政策
美国国防部、美国国家航空航天局(NASA)、运输部联邦航空管理局(FAA)和联邦通信委员会(FCC)均颁布有空间碎片相关政策。
国防部没有发布专门的空间碎片政策,相关精神体现在部分指示中。国防部指令3100.10(航天政策)简短涉及空间碎片,表示将推动负责任、和平、安全地利用太空,包括遵守ODMSP。国防部指示3100.12(太空支援)包含了比较详细的限制碎片方面的程序和责任,其对于释放在轨驻留25年以上、大小在5mm以上碎片必须给出正当理由的规定具有独特性,但作为一份发布于2000年的文件,其对于坟墓轨道的相关规定及部分数据已显过时。
NASA空间碎片政策分为管理性和技术性两类。当前,管理性政策是《NASA限制轨道碎片及评估流星体和轨道碎片环境的程序要求》(NPR 8715.6B),主要规定了相关部门、人员的职责及要求。技术性政策是《限制轨道碎片的程序》(NASA-STD-8719.14C),详细规定了空间碎片减缓方面统一的工程与技术要求,其适用对象是高度超过130km、速度超过地球轨道速度的物体。
FAA主责是航空业务,《美国法典》第51卷第509章《商业航天发射活动》赋予其管理非联邦航天发射、再入(须为完整再入,而非碎片残骸等)活动的职权。以此为法律依据,FAA在《联邦法规》第14篇第450部分《发射与再入许可要求》(14 CFR PART 450)中详细设定了相关的程序和要求,其中包含了轨道碎片减缓的相关规定。《可重复使用运载器任务操作要求与限制》(14 CFR PART 431.43)中,关于可重复使用运载器的碎片减缓要求与PART 450基本一致。
需要注意的是,国防部和NASA本身就是太空系统开发、运行的“运动员”,其空间碎片政策只适用于其参与的太空系统。FAA和FCC是相关太空系统开发、运行的“裁判员”,拥有空间碎片领域的行政管理职权,其空间碎片政策适用于商业太空系统及部分民用太空系统,不适用于国防部和NASA的太空系统。
美国政府空间碎片政策总体上呈发展进步态势,但各部门政策发展快慢不一。NASA的8719.14系列自2007年发布至2021年,已不同幅度地更新8次,而FCC的空间碎片政策和ODMSP均只更新了一次。
当前的空间碎片政策比过去要严格。与2001年第一版相比,新版ODMSP包括了不少定量要求:限制LEO区域每个上面级或航天器产生的碎片总量不超过100物/年;意外爆炸概率低于0.001;与10cm以上物体碰撞概率不超过0.001;与小物体碰撞概率不超过0.01;任务后处置成功率不低于0.9等。新版ODMSP还响应当前快速发展的空间技术现状,新增了关于大星座、小卫星(包括立方体卫星)、交会与接近操作和卫星服务、主动碎片清除、系绳系统等五个方面的碎片减缓规定。
ODMSP虽然经过了修订,但作为国家级空间碎片政策,仍被认为只向前迈进了一小步。被诟病最多的是依然保留了25年规则。主要原因是NASA声称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,反而会增加运营费用,故反对修改该年限。25年规则是2001版ODMSP中的规定。当时太空中只有约800颗工作卫星,约10000个10cm以上的空间碎片。但随着小卫星技术尤其是立方体卫星技术的快速发展,2013年以来全球入轨航天器数量显著增加,2017年以来增势更加明显。2000-2013年间全球平均每年入轨110个航天器,2017-2019三年间则超过了470个。2021年1月23日,SpaceX公司创纪录地一箭发射143颗卫星。该公司计划发射最多达40000颗的“星链”卫星,这将是人类自1957年以来发射航天器总数的近4倍。小卫星寿命相对较短,补充快,且基本无主动离轨能力,由此形成的空间碎片环境将与此前迥然不同。因此,普遍认为由庞大数量的小卫星构成的大星座若仍然采用25年规则,以及0.9的任务后处置成功率(而且当前的遵守比例也不高),将无法改善甚至不足以维持当前空间碎片水平。所以,支持缩短25年规则、提高任务后处置成功率的呼声非常高。此外,一些研究表明,即便没有新的发射,碎片之间的碰撞也将持续产生更多碎片,需要采用主动碎片清除技术来维护地球轨道的长期可持续性。奥巴马政府《国家航天政策》、SPD-3均要求发展主动碎片清除技术,但新版ODMSP并未对此做出明确规定。国家航天委员会应该十分清楚这些不足,所以鼓励各部门在可能的条件下“采取额外的步骤”来限制轨道碎片的产生。相对而言,《国家轨道碎片研究与发展计划》和《国家轨道碎片实施计划》的政策敏感性要低一些,所以两份文件对主动碎片清除有着较为深入细致的规定。但是,这两份基础性的文件构想的技术图景要转化为顶层的、支撑美国太空领导地位的空间碎片政策,还将面临国际层面的法律、政治、管理等多方面的挑战。
1995年8月,NASA按照《限制轨道碎片产生的政策》(NMI 1700.8)指令精神,发布了《限制轨道碎片指南及评估要求》(NSS 1740.14)。NMI 1700.8与NSS 1740.14的搭配,以及替代二者的8715.6系列与8719.14系列的搭配所展现的管理标准与技术标准的配合,在航天领域产生了不小的影响。
NSS 1740.14是世界上第一份空间碎片减缓指南,比日本宇宙开发事业团在1996年3月发布的《空间碎片减缓标准》(NASDA-STD-18)还要早7个月。NSS 1740.14的核心内容在于五个方面:对正常运行过程中释放碎片的评估;对意外爆炸和故意解体产生碎片的评估;对在轨碰撞产生碎片的评估;太空设备的任务后处置;太空系统部件再入残骸。该文件奠定了美国空间碎片减缓的理论框架。2007年8月28日发布的NASASTD-8719.14及后续版本延续了该理论架构,ODMSP也只是在其基础上进行了小幅的合并与新增。事实上,ODMSP正是NASA和国防部共同牵头制定的。
NASA之所以成为美国空间碎片减缓技术标准的领导机构,其标准之所以能够成为美国国家标准的基础,源于其强大的技术实力和长期的太空管理、运行经验。NASA开发的“碎片评估软件”(DAS)原本用于局内项目的碎片评估,但后来在商业航天界得到广泛应用,原因是商业航天企业必须向FCC提交碎片评估报告,而FCC自身无相关软件开发能力,DAS由此成为FCC指定的评估工具之一。此外,NASA开发的空间碎片环境模型ORDEM3.0、流星体环境模型MEMR2,以及国际空间站运用的“碎片规避机动”(DAM)软件,都是已经成熟运用的空间碎片相关软件工具。也正因为拥有强大的技术实力,NASA有底气在部分空间碎片减缓指标上采用比ODMSP更加严格的标准来约束自己的计划和项目。
当前,美国对商业航天机构行使空间碎片管理职权的政府部门是FAA和FCC。在航空域与航天域尚无明确界限的条件下,FAA碎片管理职权运用的物理范围是从地面上升至运载火箭上面级。不过,14 CFR PART 450重点关注的是在发射、再入过程中产生并立即坠落地表的碎片,而关于通常意义上的,即长时间驻留太空的空间碎片的规定,主要是共计100多字的§450.171(a)《轨道碎片减缓》部分,以及§450.169《发射与再入避碰分析要求》中关于发射、再入过程中与大中型轨道碎片碰撞概率不超过1×10的规定。
与FAA相比,FCC的空间碎片管理职权要大很多。一是表现在管理范围更宽。其管理项目不仅包括了正常运行期间和任务后处置时的空间碎片减缓、25年规则等ODMSP中所规定的内容,而且许多项目已经超出了单纯的空间碎片减缓领域,如FCC对小卫星三面均在10cm以上等规定已经涉及到了空间态势感知、太空交通管理领域;在其《关于建议的规则制定的进一步通知》中,FCC征求公众意见的内容还包括了履约保证、对政府进行补偿等与空间碎片减缓相距更远的议题。另外,如“部署装置”这样的处于发射末段,此前属于FAA和FCC“两不管”的项目也于近年被FCC纳入其空间碎片减缓管理范畴。二是表现在管理标准严格,FCC空间碎片减缓相关指标要求基本与ODMSP保持一致,要求披露的内容则多于8719.14C。而且,在其制定的关于优化小卫星审批的规定中,诸如小卫星总在轨寿命须6年以下、轨道高度须600km以下、须携带避碰及离轨推进剂等严格要求,甚至超出了8719.14C的标准。
作为一家主管无线电通信管理的机构,FCC深度介入空间碎片减缓事务的做法即使在委员会内部也遭到质疑。FCC委员布兰登·卡尔质问“我们是做这些评估的专业机构吗?”且认为这本质上是“火箭科学”。外部的反对声音更大。2018年6月发布的SPD-3指定商务部牵头负责美国太空交通管理事务。11月,FCC开始积极修订2004年《轨道碎片减缓第二报告与指示》。国家航天委员会领导层对此感到不悦,商务部长威尔伯·罗斯则对FCC主席阿基特·帕伊感到暴怒。然而,2020年5月,商务部国家海洋和大气局(NOAA)在新颁布的《私营遥感太空系统许可》中明确,NOAA将接受FCC的空间碎片减缓标准,同时在办理相关许可过程中放弃空间碎片减缓要求,这样也可避免与FCC的重复监管。
FCC之所以在空间碎片管理的“地盘争夺”中胜出,最重要原因是其独立于白宫,只向国会负责的地位“优势”。其次,美国政府各部门在空间碎片管理及太空交通管理领域存在的诸多“乱象”也为FCC的扩权提供了契机。另外,FCC也有着业务上的天然优势——由于几乎所有种类卫星都无可避免地需要使用无线电通信进行遥控遥测及天地信息传输,所以基本上所有非联邦卫星均需向FCC申请无线电许可。这也是NOAA放弃自身空间碎片审查职权而将之“托付”给FCC的直接原因。事实上,NOAA的“弃权”行为不仅无损于美国政府的空间碎片减缓努力,而且还有利于减轻商业航天界的负担。也正因如此,太空专家布莱恩·威登支持FCC的努力,认为其将美国推上了空间碎片减缓领域的领导地位。
世界各国中,美国太空资产最庞大,对太空依赖程度最高,保持太空轨道的“清洁”符合美国战略利益。因此,美国政府长期以来一直试图将自己的空间碎片减缓标准打造成为国际标准。1989年老布什政府《国家航天政策》指出,美国政府将鼓励其他航天国家采纳减少空间碎片的政策和做法。该政策还有力推动了机构间空间碎片协调委员会(IADC)的诞生。1996年克林顿政府《国家航天政策》表示美国将发挥领导作用,推动其他航天国家采纳减少空间碎片的政策和做法。2006年小布什政府《国家航天政策》在语气、对象上又进了一步,指出美国必须发挥领导作用,以推动外国和国际组织采纳减少空间碎片的政策和做法。2010年奥巴马政府《国家航天政策》语气有所缓和,但仍然坚持领导减少碎片的国际标准、工业标准的发展与采纳工作。
美国成功地促成国际上建立起了与美国相似的空间碎片减缓指南。IADC以NSS 1740.14为蓝本,于2002年10月15日发布了第一版《IADC空间碎片减缓指南》。IADC的起源可追溯至1987年10月NASA与ESA代表在法国召开的第一届以空间碎片为主题的国际会议。毫无疑问,NASA在IADC中占据着重要地位。IADC指南的发布,标志着美国政府空间碎片减缓标准成功走上了国际舞台。部分由于克林顿、小布什政府的推动,IADC还在2007年9月1日发布了指南第一次修订版。
2003年,IADC向联合国和平利用外层空间委员会(COPUOS)科技小组委员会第40届会议提交了空间碎片减缓建议案。2007年,联合国外空委通过了《COPUOS空间碎片减缓指南》。该指南与IADC指南主体项目基本相同,但在编排方式上做了调整,最大变化则表现为该指南无一项定量化指标,通篇均为定性要求。这在一定程度上“减缓”了该非约束性指南效能的发挥,见表1。
表1 4种典型空间碎片减缓标准部分定量指标对比Table 1 Comparion of certain quantitive requirements in 4 typical space debris mitigation standards
在IADC发布指南后不久,国际标准化组织(ISO)就成立了一个工作组(TC20/SC14/WG7),以IADC指南为基础,后借鉴COPUOS指南等,于2010年发布了第一版顶层标准《空间系统——空间碎片减缓要求》(ISO 24113)。2011年小幅修改后的第二版为多国采用。我国即以之为基础制定了国家标准《空间碎片减缓要求》(GB/T 34513-2017/ISO 24113:2011)。
美国政府一直对太空领域行业组织及其制定的政策持大力支持态度,如“交会与服务操作执行联盟”(CONFERS)的启动资金就是由国防高级研究计划局提供的。在此环境下,美国的非政府空间碎片政策已初具雏形。2019年,太空安全联盟(SSC)和卫星工业协会(SIA)先后发布了《卫星运行可持续性最佳实践》《商业卫星工业太空安全原则》。美国麻省理工学院媒体实验室、得州大学奥斯汀分校、布莱斯太空与技术公司都在参与世界经济论坛全球未来理事会正在开发的“太空可持续性评级”计划。这些政策、评级与空间碎片较为相关,尤其是SSC的《最佳实践》,虽然是在参考了IADC、COPUOS和ISO标准基础上制定的,但自身特色十分明显。一是严于8719.14C的高标准,如采用化学或电推进离轨方式者力争5年内离轨;任务后处置成功率力争达95%;即使失联也能完全钝化;远地点高于400km者须具备主动避碰能力等。二是先于8719.14C的超前性,如大型星座的径向分隔;航天器设计须考虑便于抓取和离轨;预防“到达即死”(DOA)等。三是异于8719.14C的独立性,如该文件并不完全认同IADC和ISO关于尽早钝化的规定,认为离轨持续期小于5年的航天器应尽可能晚地钝化,以持续保有避撞机动的能力。在当前全球许多航天企业“公司社会责任”不够,导致25年规则的整体遵守率距90%尚有较大差距的情形下,SSC《最佳实践》等高标准的非政府空间碎片政策在国际航天界具有很强的道德感召力和舆论影响力,也为这些政策进入官方文件打下了基础。
美国政府空间碎片政策与非政府政策之间的连接渠道基本上是畅通的。如2019年以来,FCC、FAA、商务部都分别开展了空间碎片政策或航天政策修订方面的公众咨询,一些行业组织和商业航天企业积极提出了意见建议。FCC等部门酌情予以采纳,或拒绝,或继续征询。这种做法可以提高政策的科学性和商业航天企业对政策的接受度。有了畅通的渠道,未来美国政府的部门级空间碎片政策可能会吸纳非政府政策的部分要素,继而对国家级空间碎片政策产生影响。
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