1 (a) 轨道发射尝试 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6 3 商业发射与政府发射.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 6 按所有者国家和类别发射的 2023 有效载荷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 11 2014 年至 2023 年年底在轨碎片物体数量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 12 2014 年至 2023 年年底在轨物体质量(吨) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 13 2023 年轨道发射及发射相关地球轨道碎片数量 . . . . . . . . . . . . . . . . 32 14 2023 年不受控制的再入 . . . . . . . . . . . . . . . . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... . ... 44 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . . 45 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . 46 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . 47 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . 48 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . 49 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . . 50 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . 51 2023 年发射的 19 颗 SSO 卫星,按降交点地方时排序 . . . . . . . . . 52 20 2023 年发射的地球静止卫星,按经度排序 . . . . . . . . . . . . . .53 21 GEO 数量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... .... .... .... 56
学生,新闻学 摘要 数以千计的人造碎片,即所谓的太空垃圾,以几公里的速度绕着地球旋转。尽管这些粒子中的绝大多数是中国、俄罗斯和美国的错,但它们仍然对地球轨道上的任何物体构成威胁。航天器已经变得极易受到垃圾的攻击,这可能会阻止它们在未来实现其计划的轨道。一些碎片太大,无法保护卫星,但又太小而无法检测到。为应对全球轨道碎片增长问题,人们已经采取了更多措施。特别是,普遍认可的碎片最小化标准禁止向地球轨道添加新的粒子。此外,轨道垃圾科学家一致认为,缓解措施不足以限制轨道上的碎片数量。为了确保即将执行的任务的安全,还需要开发和执行主动清除地球轨道垃圾的系统。考虑到太空垃圾的原因和起源、结构和影响以及实施计划,可以保护高空大气生态免受轨道碎片的影响。此外,由于 50 多年来用于调查、观察和防御的太空旅行,上层轨道上方的区域被轨道垃圾严重污染。九年来导弹发射的总数为这已成为将卫星置于正确轨道以及确保其在任务期间安全的问题。太空垃圾,也称为轨道碎片,包括火箭喷嘴弹、绝缘覆盖物和被毁航天器的碎片。根据任务的不同,这些卫星被放置在不同的轨道上。它们主要发射到 LEO(低地球轨道),即以地球为中心的直径为公里的轨道。其他卫星被放置在 300 万公里高空的高地球轨道上,有些甚至被放置在 GEO(地球静止轨道)上。自太空时代开始以来,大约有 7000 艘航天器被发射,将有效载荷运送到以每秒几公里的速度旋转的一系列地球轨道上。此外,LEO 拥有这些货物的一半以上。它们的尺寸估计在几毫米到几米之间,其中欧洲的 Envisat 是最大的。需要积极清除空间垃圾,因为风险正在迅速上升,是所有航天国家的主要担忧。相距仅一毫米且高速移动的碎片也对正在进行和即将进行的太空任务构成重大威胁。因此,这项研究的作者研究了太空垃圾带来的危险以及科学家和太空组织建议的一些清除方法。简介 太空:一个值得探索的秘密地方。全新、干净、未受破坏。但它有多完整?您向太空发送了多少颗卫星和探测器?我们在那里留下了多少东西?第一个记录在案的太空人造物体实际上不是众所周知的 Sputnik 1,而是将卫星送入轨道的火箭机身。自太空探索初期以来,太空垃圾就一直存在。有
社会对太空资产的依赖已经增长到如今每个现代国家基础设施的一部分的程度。借助太空技术提供的服务(例如全球导航卫星系统)对于从电信到交通再到银行等各个领域的顺利运营至关重要(Hesse and Hornung,2015),而且这个清单还可以继续。甚至普通民众也已经习惯使用卫星服务,例如卫星电视或手机上的卫星导航。因此,对我们的太空资产的任何威胁对社会来说都是非常重要的问题。截至 2020 年 2 月,太空中大约有 5,500 颗卫星,但实际上只有大约 2,300 颗在运行,这意味着大约有 3,200 颗报废卫星仍在地球轨道上运行,还有火箭的上面级和整流罩以及因解体、爆炸、碰撞、退化或其他异常事件而产生的各种较小物体,这些事件导致碎片的产生。这些物体统称为空间垃圾,其尺寸分布范围从大型完整物体(例如,尺寸大于 10 米且重量为几吨的火箭或大型卫星的部件)到毫米大小的碎片,如油漆鳞片或冷却剂凝固液滴。2020 年初的估计显示,有 34,000 个物体大于 10 厘米,900,000 个物体介于 > 1 至 10 厘米之间,以及惊人的 1.28 亿个物体介于 > 1 毫米至 1 厘米之间。鉴于其高速度和随之而来的高动能,即使是小碎片也会对正在运行的卫星构成重大威胁,因为它们可能会撞击卫星,造成灾难性的后果并导致潜在的关键服务丧失。同时,较大物体之间的高能碰撞会产生真正的爆炸,从而产生数千个碎片。这些碎片反过来会与其他轨道物体相撞,引发连锁反应和滚雪球效应,可能导致整个轨道无法使用。这种极端情况(凯斯勒综合征)最初由凯斯勒在 70 年代研究(凯斯勒和库尔帕莱,1978 年),距离现实并不遥远,因为已经发生了几次碰撞。也许最著名的是俄罗斯军用通信卫星 Cosmos 2,251 与铱星星座卫星之间的碰撞(王,2010 年),这导致碎片数量大幅增加。随着目前正在开发的卫星应用越来越多,需要越来越多的卫星(例如,部署数百颗卫星组成的星座以提供全球连接或万维网),空间垃圾问题变得越来越重要(Virgili 等人,2016 年)。
1. 引言 随着太空环境的使用和商业化程度不断提高,以及太空发射的便利性不断提高,地球轨道上的活跃卫星和轨道碎片数量也不断增加。轨道碎片是指在地球轨道或重新进入地球大气层的人造非功能性物体(包括碎片和元素);自太空探索初期以来,碎片的数量远远超过在轨运行的航天器 [1]。2022 年 7 月,美国空间监视网络的太空物体目录(仅考虑直径大于 5 厘米的碎片)报告了 8,943 艘航天器和 16,393 块轨道碎片。巨型星座(可能包括数万颗联网卫星的舰队)的计划部署标志着卫星运行范式的转变,并将加速已经高度拥挤的低地球轨道 (LEO) 的密集化。随着卫星轨道上越来越拥挤的活跃航天器和轨道碎片,发生碰撞的风险也在增加。碎裂事件可能会产生更多的碎片,有可能导致凯斯勒综合症,这是一种假设的最坏情况(由唐纳德·凯斯勒博士于 1978 年首次提出),即一系列连锁碰撞及其产生的碎片云可能会使地球轨道无法使用 [2]。凯斯勒事件的直接后果可能是深远的,使电信、宽带互联网和天气预报等地面服务陷入瘫痪,同时也妨碍未来的太空利用或探索 [3]。尽管人们越来越意识到轨道碎片带来的风险,但由于监管和政策环境落后于太空的快速发展,减轻和防止碎片的努力受到限制。国际协议和国家立法旨在确保在人烟稀少的太空环境中安全运行,而这种环境与当今拥挤的轨道领域越来越不相似。 1967 年《外层空间条约》和随后的 1976 年《责任公约》构成了国际空间法的基础,确认了空间物体的所有权,但并未直接涉及轨道碎片。根据这些规则,发射国对在其境内发射的物体拥有所有权,其他国家未经发射国同意不得收集这些物体 [3]。此外,发射国有责任赔偿其空间物体造成的损害。在考虑这些空间法基本原则如何适用于轨道碎片时,仍然存在不确定性:尽管大多数国家认为轨道碎片是空间物体,但《外层空间条约》和《责任公约》并未提供明确的定义,而且由于我们对大多数空间物体的跟踪和识别能力有限,在发生碰撞时识别发射国变得很复杂。如果没有监管要求或其他直接激励措施来防止轨道碎片,航天器所有者、运营商和发射提供商在遵守减少轨道碎片产生和风险的自愿准则方面进展缓慢。欧洲空间局 (ESA) 报告称,估计近地轨道上 30% 到 70% 的有效载荷(不包括载人航天)在报废时遵守脱轨准则。ESA 进一步指出,遵守碎片缓解措施的比例正在提高,但仍不足以在长期内显著降低碰撞风险 [2]。轨道碎片带来的挑战与臭氧层损耗等全球环境挑战有着内在的相似之处。司法当局和国际机构不应因为收益不确定而推迟行动,而应行使预防原则——环境法的一项长期信条——该原则建议各国采取行动解决构成长期环境威胁的环境问题,即使没有证据表明会发生危害 [4]。 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的签署和随后的实施是一个显著的例子,表明国际社会有效地动员起来,即使在科学不断发展和不确定的情况下,也致力于解决人类活动对环境造成的有害影响。2022 年 5 月,加伯和兰德发表了一篇论文,建议研究蒙特利尔
缓解指南,可以预见到,未来25年可能会发生空间碎片人口的一倍。 此外,从长远来看,灾难性碰撞事件的增加可能导致空间垃圾对象的乘法增加10倍。 很明显,对IADC指南的广泛采用至关重要,特别是对于低地球轨道(LEO),现在空间流量是2000年观察到的水平的10倍。。 对于这个受保护区域,主要缓解措施是终止生命终止的大气再进入(EOL)。 在过去几年中自然符合25年规则的航天器的份额显着增加,但非自然兼容的飞行员的成功EOL操纵百分比仍然很低。 如果仅考虑后者,直到2017年,只有10%到40%的航天器尊重缓解规则。 在过去的几年中,该价值增加到约50%左右,但主要是由于一个星座的解剖以及被驳回不合规轨道的卫星数量少。 如果将这些百分比与所需的最低合规性阈值进行比较(90%[4] [5]),则很明显,遗传后处置(PMD)仍然是一个有问题的话题。 但是,PMD的可靠性不是必须考虑的唯一要求。 重新输入的航天器本质上意味着对人和货物的风险,其可接受性阈值通常在10 000中的1中定义。 观察这种必要性的一种策略是对针对无人居住的地区进行高推断控制的重新进入。缓解指南,可以预见到,未来25年可能会发生空间碎片人口的一倍。此外,从长远来看,灾难性碰撞事件的增加可能导致空间垃圾对象的乘法增加10倍。很明显,对IADC指南的广泛采用至关重要,特别是对于低地球轨道(LEO),现在空间流量是2000年观察到的水平的10倍。对于这个受保护区域,主要缓解措施是终止生命终止的大气再进入(EOL)。在过去几年中自然符合25年规则的航天器的份额显着增加,但非自然兼容的飞行员的成功EOL操纵百分比仍然很低。如果仅考虑后者,直到2017年,只有10%到40%的航天器尊重缓解规则。在过去的几年中,该价值增加到约50%左右,但主要是由于一个星座的解剖以及被驳回不合规轨道的卫星数量少。如果将这些百分比与所需的最低合规性阈值进行比较(90%[4] [5]),则很明显,遗传后处置(PMD)仍然是一个有问题的话题。但是,PMD的可靠性不是必须考虑的唯一要求。重新输入的航天器本质上意味着对人和货物的风险,其可接受性阈值通常在10 000中的1中定义。观察这种必要性的一种策略是对针对无人居住的地区进行高推断控制的重新进入。不幸的是,该解决方案暗示了对任务预算和设计复杂性的重大影响。第二种可能性是限制在重新进入过程结束时到达地面的碎片。这是设计范围(D4D)方法背后的基本原理。d4d是航天器的有意设计,旨在促进其在大气重新进入期间的破坏,以遵守伤亡风险极限,因此可以扩大可以允许不受控制的再进入的航天器的份额。这将允许耗尽明显的燃料并简化具有经济和可靠性优势的航天器设计。几项研究提出并评估了不同的D4D技术[6] [7] [8]。替代了最坚固的材料,例如钛或钢,结构关节弱化以利用早期碎片的优势,使用多孔材料或特定形状来控制热负荷分布,以及网络的利用或nets或Tethers来减少碎片数量。相对较新的策略是将能量材料掺入航天器空隙中,以最大程度地提高可用的热量[9] [10] [11]。热液对此角色特别有趣[12]。最后一项技术是本文的重点。此方法在此定义为热心(T4D)。在以下各节中,将详细介绍实验运动的预备研究。在HypershallTechnologieGöttingenGmbH(HTG)领导的ESA-TRP Spadexo项目框架中,涉及Politecnico di Milano,DLR-Cologne,Exvisive Powderive Technologies,AirBus Defacties and Airbus Defense and Space,目前正在研究T4D。热电荷已在DLR L2K弧形风洞中进行了测试,以验证该技术的适用性和有效性。特定的努力致力于预测热点点火及其对样品温度的影响,并确保测试设施的安全性。在第2节中,提出了D4D验证和热矿的背景。在第3节中,报告了样品的几何形状和测试活动中使用的公式。第4节描述了实验设置和用于评估能量电荷效应的可测量性的数值模型。在第5节中,选择了三个测试用例以验证计算工具。最后,第6节介绍了项目的结论和下一步。