1.2 人类空间活动的开展

20世纪，作为人类最伟大的成果之一，空间航天器技术把人类千百年来探索宇宙空间奥秘的梦想变成了现实。从1957年10月4日前苏联第一颗人造地球卫星Sputinik-1升空至今，空间航天技术已经过五十多年的发展。五十多年来随着航天运载器技术、航天器技术和航天测控技术的不断发展与进步，空间技术已广泛地应用于宇宙空间科学研究和各种军事与民用领域中。

1.2.1 地球空间分布和轨道类型

我们将地球大气层以外的宇宙空间的飞行称为空间航天飞行，相应的飞行器则称为空间飞行器。通常宇宙空间分为3个区域：近地空间、中空间和远空间。一般将距地球表面60～160km的范围称为近地空间。通常飞机在这个空间不能飞行，只有专用的飞行器如空天飞机、远程导弹等可以飞行，同时仍可用空气动力控制它们的机动。距地面160～500km的高度范围称为中空间。在此高度上采用速度为8～11km/s的载人和不载人空间飞行器，如宇宙飞船、中低轨卫星、载人空间站、航天飞机等空间飞行器。从中空间上限到大约两倍地球到月球距离的高度范围（500～900 000km）以外称为远空间。

与宇宙空间可以分为近地空间、中空间和远空间相对应，人造卫星的轨道也可以分为低轨道（LEO）、中轨道（MEO）和高轨道（GEO），如图1.1所示。此外，还有地球同步转移轨道（GTO）和大偏心轨道（HEO）。LEO上的主要航天器有照相侦察卫星、电子侦察卫星、通信卫星、导航卫星、气象卫星和海洋监视卫星，宇宙飞船和载人空间站也一般在这个高度活动。GEO上的航天器主要以气象卫星、通信卫星、早期预警卫星为主。

1.2.2 空间技术发展概况

空间技术是一门涉及多学科、多工业部门的复杂技术。五十多年来，美国和前苏联在发展空间航天技术方面取得了显著进步和多项成果。欧洲联盟、日本、印度和我国也根据各自的需求研究和发展了相应的空间系统和技术。以美国、前苏联为代表的航天技术的开发和利用可以体现空间技术的基本发展概况。

20世纪50年代末和60年代中期，美国、前苏联制订了广泛应用于军事目的的空间航天计划。在此期间对军用卫星、反卫星武器、空间站、航天飞机、反弹道导弹武器方面进行了开发和试验。经过20世纪50年代末到60年代中期运载火箭的研制、发射和航天器的研制、发射、运行，以及地面测控网和地面应用台站的研制与部署，掌握了不载人航天技术，发射了气象、导航、通信、侦察、测地、导弹预警及核爆炸等试验卫星。20世纪60年代中期以后，航天技术首先在军事上得到了广泛应用，大量发射了侦察、军事通信和导弹预警等军用卫星。

进入20世纪70年代，航天技术进一步提高和改进，发射在空间停留时间长的大型载人空间站，研制航天飞机，各种应用卫星向多功能、高性能、长寿命的方向发展，照相侦察卫星的照相分辨率大幅度提高，电子、光学照相侦察兼备，通信卫星扩大通信容量并增强抗干扰能力，各种军用卫星考虑增加防止遭受突击破坏、提高生存能力的措施。

20世纪80年代至90年代开始了更为广泛地将宇宙空间用于军事目的的计划。具有代表性的是美国进行的“战略防御倡议”（SDI）计划，即“星球大战”计划。该计划设想建立一个以航天技术为基础，从空间武器为核心，包括空间、空中和地面在内的“空、天、地”在内的立体导弹防御系统，相继开发和研制了多项有关空间攻防武器和保障系统。20世纪90年代中期，SDI计划终止，修改为发展战区导弹防御（TMD）系统和国家导弹防御（NMD）系统。在这个时期，除发展和建立天地一体战术移动通信系统，提高侦察卫星的分辨率和探测能力，进行防激光和抗核加固，采用隐身、变轨、抗电子干扰技术和携带自卫武器等以外，还制订了新的航天计划，包括太阳系探测、建立永久性空间站、建立月球基地将宇航员送上火星等计划，改进运载火箭技术，进行货运航天飞机和高级空天飞机等计划。

21世纪初10～25年，随着卫星小型化技术的发展，人类将开展更大规模的宇宙空间探测。登陆飞船将到达金星、木星及土星，继续探测天王星和海王星等，人类将更加深入地了解宇宙的奥秘。预计到21世纪中期，人类将实现太空工业化、商业化目标。

1.2.3 空间航天器的类别与作用

根据轨道特点的不同，航天器分为无人航天器和载人航天器两大类。各种用途的人造地球卫星、远程弹道导弹、空间探测器属于无人航天器。载人飞船、空间站和航天飞机为载人航天器。

空间技术对科学研究和国民经济的发展起着重要的作用。卫星通信、卫星导航、气象观测、大气测量、卫星遥感等，已成为衡量国民经济发展程度和综合国力的重要标志。

在军事上，空间技术更显示出巨大的威力。以侦察、预警、通信、导航和各种战场保障为目的的航天系统已成为战略指挥、控制系统的中枢，是现代军事强国战略力量的重要支撑部分。部署在空间的各类侦察卫星可对地面军事设施及部队调动等情况了如指掌，卫星通信和卫星导航为部队指挥调动与精确定位提供了技术保障，各种战略导弹则是现代战争中远程精确打击的主要手段。在海湾战争、科索沃战争中，以美国为首的多国部队动用了七十余颗卫星为其军事行动服务，在现代化技术战争中起了重要作用。随着空间航天技术的进一步发展，更多、更先进的航天器将广泛应用于军事目的，外层空间已成为继陆、海、空之后的另一战场，未来战争将是陆、海、空、天四维一体化的战争。

1.2.4 空间环境的现状

从1957年第一颗人造地球卫星上天至今，人类半个世纪的空间活动在空间中留下了大量的碎片目标。这些人造空间目标是人类空间活动的缩影。它们均是通过运载火箭发射的，包括有效载荷、末级火箭箭体及一些与发射活动有关的物体，如箭体连接器、镜头盖等。除此以外，还有一些无意产生的物体，如航天员在舱外活动时无意丢失的螺丝刀、火箭发动机燃烧产生的渣粒、前苏联侦察卫星泄漏的冷却液及卫星的剥蚀物等。其中，空间目标最主要的是在轨航天器或火箭爆炸产生的，有些在发射20年后还停留在轨道上。

为了对地球轨道上的人造物体及空间环境有一个清晰的了解，有必要对尺寸较大的目标建立统一的信息库，包括它们的轨道、来源（与哪一次发射有关）和目标特性。最复杂的空间目标编目数据集是美国国家航空航天局（NASA）卫星状态报告（SSR）及美国战略司令部（前身是美国空间司令部）的所谓双线元（Two-Line Element）编目表。所有这些数据均是来自美国空间监视网（Space Surveillance Network，SSN）的观测数据和轨道测定。由于SSN的雷达和望远镜的灵敏度限制，目前在LEO上只能对尺寸大于等于10cm的空间目标进行观测和编目，在GEO上的观测物体大小则为1m左右。

从1957年到2002年1月，一共进行了4191次发射，共释放了17 050个空间目标，包括有效载荷、火箭箭体及与任务有关的物体。这些发射活动共产生27 044个可检测和跟踪的目标。在这27 044个目标中，有18 051个已经进入大气层烧毁，目前留在轨道上的仍有8993个目标。图1.2显示了在轨编目空间目标数量的演化情况。从1962年开始，在轨目标数呈近线性增长，每年大约增加260个。由于太阳活动会影响大气密度，导致空间目标陨落的速度发生变化，因此线性率变化的周期为 11 年。1990年到1991 年，随着前苏联的解体，人类的航天活动明显减少了。而在此之前，前苏联的航天发射在最高峰时曾占据世界航天发射总数的80%。从1965年到1990年，每年的航天发射保持在110± 10次左右，前苏联解体之后，发射数量减少了一半左右。从2001/2002年开始，发射次数稳定在每年60次左右。在发射次数减少、太阳活动周期及航天器发射后的钝化措施等因素的共同影响下，从1994年开始在轨目标数量保持在9000个左右。

图1.3显示了发射活动的演变历史及这些发射活动的参与国家。

对8993个在轨编目目标进行分类，31.8%是有效载荷（其中的6%目前仍在工作）；17.6%是废弃的火箭末级及助推器；10.5%是与发射有关的物体；剩下的39.9%是碎片，这些碎片主要是由于爆炸产生的（28.4%是由于末级火箭爆炸，11.5%是由于卫星爆炸）。对它们的轨道区域进行划分，69.2%的空间目标分布在高度低于 2000km的 LEO上；9.3%在GEO上；9.7%在HEO上（包括GEO的转移轨道GTO）；3.9%分布在LEO和GEO之间的MEO上；还有大约7.8%位于GEO外；另有一小部分（大约150个目标）进入了地球逃逸轨道。

1997年在轨编目目标的空间分布如图1.4所示。这是计算机根据1997年美国空间司令部空间目标编目数据库中所有目标的瞬时位置得到的快照图像。从中可以清楚地看到轨道倾角约为0°、偏心率约为0.0、高度约为35 876km的GEO。GEO的编目目标数以每年30个的数量增长，到2002年GEO上共有484个有效载荷（目前仍在工作的及失效的）、108个火箭箭体或助推发动机。

图1.5示出了在轨编目空间目标的质量演化情况。从20世纪60年代中期开始，每年的空间目标质量平均增长速度是 110t，最多的一年增长了 1500t。到2002年，总质量达到5100t。图1.6示出了同一时期内空间目标雷达散射截面积（RCS）的增长情况。到2002年，空间目标总RCS达到42 000m2，最多的一年增加了3600m2。空间目标质量和RCS的增长不仅与各种火箭的运载能力和横截面积有关，还与它们的发射频率有关。截至2002 年，Soyuz火箭、Cosmos火箭、Molniya火箭、Atlas火箭、Delta火箭、Proton火箭、Tsyklon火箭、Titan火箭、Vostok火箭、Ariane火箭的发射次数分别为 1099、422、301、286、280、269、248、199、149和147。这些火箭在轨道上残留的箭体RCS通常为15～30m2，质量通常在数吨。2002年在轨空间目标的质量和RCS主要分布在科学研究、商业和军事最感兴趣的区域。其中，在轨空间目标的质量45.0%分布在LEO区域；28.8%分布在GEO附近；6.4%分布在MEO上；8.7%分布在 GTO和 HEO上；11.1%分布在GEO外。RCS的分布则与质量分布相反，40.9%集中在GEO附近，34.8%在 LEO区域。出现这种现象的原因是GEO卫星通常具有较大的太阳能电池板和天线，而低轨卫星为了克服大气拖曳效应（即克服大气阻力），通常设计得更紧凑。

由于LEO的大气拖曳扰动及HEO的月球-太阳扰动和大气拖曳扰动的影响，许多编目的空间目标逐渐坠入大气层烧毁，还有一小部分通过有意降低轨道或再入控制进入大气层烧毁。到2002年，从1957年以来编目的27 044个空间目标有18 051个目标进入大气层烧毁，占总数的66.7%。与此同时，在自然力或人工降轨机动措施的作用下总共有27 050t（占总数的84%）空间目标进入大气层，这些目标的累积RCS达到85 000m2 （占总数的67%），平均每年再入的编目空间目标质量为800t，RCS为2100 m2。

1.2.5 空间碎片问题

截至2002年1月，总共有174次在轨空间目标破碎事件被认为与新碎片的产生有关。在许多情况下，不仅仅是碎片来源，甚至是破碎产生的原因都可以在一定程度下被确定。在174次事件中，有48次是减速爆炸或碰撞，共产生2244个在编碎片；有52次可能是由于推进系统爆炸产生的，共产生3558个在编碎片；有7次与电子系统故障有关（主要是电池爆炸），共产生618个在编碎片；有10次是由于空气动力产生的，其中至少有一次是碰撞；另外还有57次事件无法确定发生的原因。除了两次GEO发生的爆炸，其余破碎事件均发生在 2000km 高度以下，有 80%发生在 LEO 上，17%发生在 HEO 和GTO上。

1996年7月24日，法国的Cerise卫星（编号为95-033B）和一个阿丽亚娜一号 H-10火箭末级爆炸产生的碎片（编号为86-019F）发生了碰撞，这是在轨空间目标发生的第一次无意碰撞。H-10火箭末级是1986年2月22日发射SPOT-1卫星时上天的，并在1986年11月13日发生爆炸。这次爆炸在空间中产生了历史上最严重的碎片云，共有488个编目碎片（直到2002年1月，仍有33个碎片在轨道上）。除了这次事件外，至少还有两次碰撞与SDI试验有关。1985年9月13日，Solwind P78-1 卫星被一个反卫星导弹摧毁，导弹是由一架战斗机发射的。拦截点选择在加利福尼亚海岸线，此时卫星正处于上升阶段，轨道倾角为97.6°，高度大约是530km。这次试验的地点选择在新产生的碎片云可以被部署在阿拉斯加的SSN传感器监视到的区域，并且试验产生的碎片在轨寿命不会太长（截至2002年1月，试验产生的285个编目碎片只剩下两个仍在轨）。另一次有意碰撞发生于1 986年9 月 5 日，碰撞发生在USA-1 9 卫星和德尔塔（Delta）火箭末级之间。这次碰撞仅产生13个碎片。图1.7示出了每年破碎事件发生的次数，平均每年发生4.5次。

碎片对在轨航天器造成严重的威胁，其破坏力来自它的速度。空间碎片和航天器撞击时的平均相对速度是10km/s，即36 000km/h。撞击时的动能（与速度的平方成正比）十分巨大，与高速公路上时速为100km的汽车相比，空间碎片的能量和质量为其13万倍的汽车相当。也就是说，一个10g质量的空间碎片撞击航天器时，它的撞击效果就和质量为1300kg、时速为100km的汽车撞击的效果一样，后果将是灾难性的。图1.8示出了被空间碎片击穿的EURECA卫星太阳能电池板。

正当人类雄心勃勃地进军空间、一次次地庆祝征服空间的辉煌胜利时，日益严重的空间碎片问题却敲响了警钟：人类对空间环境的开发已走上了与地面环境相同的“先污染，后治理”的老路，在不知不觉间已经对空间环境造成了严重污染。由于空间碎片具有极大的破坏力，空间环境污染的治理比治理地面环境的困难大得多。当前保护空间环境的措施主要是：①限制空间碎片的产生；②清除已有的空间碎片，包括目前已经在轨道上的碎片和今后航天任务可能产生的碎片；③采取区域性的措施，保护航天活动最有价值的区域，减小对航天器的威胁。包括中国在内的世界主要航天国家（组织）共同倡议在地球外层空间划出两个必须受到保护的区域，即近地轨道区域和地球同步轨道区域，如图1.9所示。在这两个保护区域工作的航天器失效后及在这里形成的碎片都需要采取一定的措施使之离开这两个区域。这两个区域的范围分别为

（1）区域A：近地轨道区域，从地球表面延伸到2000km高度的球壳形区域。

（2）区域B：地球同步轨道区域。

区域B高度下界=地球同步轨道高度（35 786km）-200km

区域B高度上界=地球同步轨道高度（35 786km）+200km

除了采取以上措施外，还必须建立完善的空间碎片跟踪体系，通过监测迅速发现新的碎片，并能够完整、及时、连续地获得精确的轨道资料，提高碎片与航天器碰撞的预警能力。其中，区域A属于地基空间目标探测雷达的作用范围，而区域B主要是靠地基光学探测系统和天基空间目标探测系统完成空间监视任务。