空间碎片天基主动清除技术相关 法律、政治及经济问题分析
作者：朱鲁青 关丹（北京空间科技信息研究所）
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近年来，人们越来越认识到空间碎片问题的严重性，特别是在低地球轨道，不能对其置之不理或者仅采取简单的减缓手段。对空间环境演化预测的研究表明，目前的减缓措施并不能够充分保证人类在空间的安全出入以及对近地轨道环境的长期使用。如果希望可持续地开展空间活动，就需要考虑空间碎片天基主动清除技术（ADR）。该技术目前尚未实施。其中不仅有技术可行性的原因，还涉及法律、政治及经济等问题。另外，在当前有限的资金形势下，空间碎片天基主动清除技术的成本问题也无法忽视。
1面临的非技术层面的挑战
法律和政治方面的挑战
从20世纪70年代开始，科学家们提出自由探索外层空间。然而，目前空间碎片已严重威胁到了空间的可持续利用，空间碎片成为运行航天器面临的主要危害。碎片的连锁碰撞效应使得对运行航天器的碰撞预警和碰撞规避机动次数增加。同时，空间碎片也会导致地球上生命和财产受到威胁。但目前还没有国际上一致公认的关于「空间碎片」的定义。
目前采取的碎片监测和减缓技术都是解决空间碎片问题的被动措施，被动措施应该与主动碎片清除措施相结合。但是由于碎片定义的模糊、责任归属的复杂性和许可证条例等问题，使得公共机构和商业企业在空间碎片清除方面的活动面临着高风险。
当前，国际空间法条款无法有效处理空间碎片的产生和减缓问题，1967年生效的《外空条约》第9条的「空间环境保护条款」甚至没有提到空间碎片。由于没有明确的「空间碎片」定义，使得无法确定哪些空间物体可以被清除。即便可以区分空间碎片，但适用于空间物体的国际条例使得碎片清除问题复杂化。1972年生效的《责任公约》第3条规定：任一发射国的空间物体在地球表面以外的其他地方，对另一发射国的空间物体，或其所载人员或财产造成损害时，只有损害是因前者的过失或其负责人员的过失而造成的条件下，该国才对损害负有责任。
通过对《责任公约》的深入分析，目前还没有任何国家层面的法律条款来阻止空间碎片的产生和强制要求采取空间碎片减缓措施。而且，一旦出现空间碎片造成的损害，各国通常会通过协商和经济补偿来避免履行全部责任，从而减轻了相应的责任。《外空条约》第7条规定：发射或促使发射空间物体的国家，或从其领土或设施发射空间物体的国家，要承担国际责任，对发射物体在地球、天空或外空，包括月球和其他天体使另一国受到损害，应负赔偿责任。《责任公约》第3条和《外空条约》第7条所构建的责任框架不便于促进碎片的清除，因为需要确定每块碎片的发射国，碎片清除方必须与发射国进行协商，发射国是唯一对碎片具有所有权和控制权的一方。另外，有一种可能就是发射国放弃空间物体，在确定这个事实之后，该空间物体的清除可以不得到发射国的许可，但发射国还保留对该空间物体造成的损害的赔偿责任。
考虑到目前空间碎片的数量众多，上述方法已不大可行，尤其是在商业领域，商业航天在航天活动中越来越重要。另外，一些空间物体具有重要或秘密用途，或是《国际武器贸易条例》（ITARS）清单中的物品。《国际武器贸易条例》特别规定，不经过美国国会批准，航天器和相关部件不能向外国公司或外国转移。该条例同样适用于美国的空间物体和使用美国技术的空间物体。实际上大部分空间物体都属于《国际武器贸易条例》受控项目，只有极少的项目不受《国际武器贸易条例》限制。但这不是空间碎片天基主动清除技术无法开展的唯一原因。如果空间碎片天基主动清除活动引起第三方的损害，那么携带使用空间碎片天基主动清除技术航天器的发射国将承担损害赔偿责任。承担赔偿责任也是发放给私人公司空间碎片天基主动清除技术许可证的条件之一。由于空间环境拥挤以及缺乏空间态势感知和空间交通管理的能力，空间碎片天基主动清除技术是有风险的，因此，此类许可证的发放受到很大阻力。目前的国际空间法公约和文件无法建立一个适用于空间碎片天基主动清除技术的法律制度，即便是新签署的《空间碎片减缓指南》也没有明确要求各国对所产生的空间碎片承担责任。
基于上述考虑，为了促进空间碎片的主动清除，国际社会需要采取以下措施：
1）明确对空间碎片的定义，从而使空间活动的执行者可以继续推进空间碎片天基主动清除技术相关实践和技术的开发；
2）明确一个具有前瞻性的法律制度，明确责任分担的公私合作方式；
3）提升开展空间碎片天基主动清除的技术能力；
4）开发更精确的监测能力，以便对空间碎片进行分类和信息共享，建立透明和信任措施，成立机构来跟踪和保存轨道碎片数据；
5）开发更高效的空间交通管理系统，降低空间碎片天基主动清除技术运行风险。
经济挑战
对空间碎片天基主动清除技术方案进行分析和权衡应考虑商业和经济因素。首先是技术的成本结构；其次是该项活动所提供的价值。后一个问题应注重政策方法，目前有几个不同的方案可完成此项工作。比如：空间发射运行的国际税费或许可制度。税费管理机构通过购买商业供应商的技术服务来进行碎片清除。另外，如果能明确某一需要清除碎片的所有人，碎片所有人可以通过付费来清除该碎片。另外一种方案可能包括那些位于危险区域的资产，可以通过向商业空间碎片天基主动清除技术的服务机构支付「时费用」或直接针对某一特定的威胁付费来保护其空间资产。
在确定谁付费之后，需要确定付费金额。在特定的付费体系下，为进行价值评估，了解利益相关方对该活动价值的认定是非常重要的。根据碎片清除活动的成本，以及潜在目标之间的综合考虑和候选方案，可以确定技术成本和价值。如果空间碎片天基主动清除技术活动成本小于估算的价值，或小于候选方案（如碰撞规避机动）的成本，那么该清除活动就值得开展，相关利益方将利用相应支付机制来购买该服务。
碎片清除的价值也可以通过确定碎片对附近空间资产造成的风险来衡量。在这种情况下，价值的估算取决于多个因素，包括谁是利益相关方、时间范围及处理风险的方式。由于碎片及其潜在的增长（灾难性的风险和简单的任务受到限制的风险），价值确定必须考虑碰撞风险。另外，还必须考虑面临风险的空间资产的时间折损（包括现在和未来的空间资产），和在不同时间点降低风险的成本（空间物体处于完整状态下清除碎片的成本，或在碰撞或解体事件之后碎片更为分散时进行碎片清除）。这种风险不仅适用于直接面临碰撞风险的空间资产，同时也适用于概率小、时间折损大，但仍有可能面临未来碰撞及后续效应影响的空间资产。
空间碎片天基主动清除技术面临的另一个重要障碍是开发实用的技术和制定连贯的技术发展路线图。为使碎片清除服务的利益相关方信服，必须考虑建造一个验证样机。无论是私有企业资助的还是政府国防部门或空间机构支持的验证机任务，都需要解决一些技术问题，建立一个基线任务成本并解决运行方面的问题。一旦验证机通过方案验证，不仅未来应用更加实际，提供了技术开发的成本参考，同时还可以建立适用的管理框架，使商业化运行成为可能。
假设已经解决了法律或政策方面的问题，而且不会对商业化空间碎片天基主动清除技术进行限制，那么，技术方案的主要商业目标是：
1）明确利益相关方的价值定位；
2）考虑一定时间范围的损耗，对多个空间资产建立风险模型；
3）辨识候选方案，并对这些方案进行权衡分析。
2技术系统评估
打分法
打分法是对系统性能中重要指标进行跟踪。利用打分法针对特定指标对空间碎片天基主动清除技术项目进行评估。该方法最终就是选取衡量指标和权重。所选指标体现了空间碎片天基主动清除技术的价值。该方法应特别考虑法律和政策方面的指标及经济和技术方面的指标，对不同空间碎片天基主动清除技术项目进行分析。
技术项目打分法
根据打分法，在法律框架（LF）、政策框架（PF）、技术框架（TF）、经济框架（EF）4个框架下对空间碎片天基主动清除技术项目进行打分评估。该指标和框架构成的体系代表了技术任务考虑的所有因素。该体系同时也给出了一个「完美」线路，从中可以看出所有指标需要达到的最佳得分。
政策和法律框架
由于政策框架和法律框架联系紧密，所以一并考虑。选择的5个指标分别是：国家、战略、合作类型、法律框架和武器化的可能性。
（1）国家
空间碎片天基主动清除技术项目所属国家非常重要，因为涉及到太空，需要考虑许多问题。通常，项目所属国家不仅影响到项目所使用的技术和可用的经济资源，同时也显示了在现有国际空间法框架下可以离轨的物体。
在特定的资源和法律框架下，如果项目发起国是由美国或俄罗斯单独发起的，由于上述原因，项目的得分校低。该分数还与低地球轨道碎片所属国有关。由于俄罗斯和美国碎片数量比其他国家的总和还要多好几倍，因此，由美国或俄罗斯参与的国际项目通常可以获得较高的分值。
（2）战略
如果该项目是由航天局或类似机构支持，在详细战略规划下开展的关于碎片处理的项目，那么该项目就具有较高的价值。详细的战略规划将保证和承诺应对法律、技术和风险方面的挑战。
（3）合作类型
合作指标将侧重空间碎片清除项目国际合作的重要性。因此，对国际项目而言，多国合作的项目分值较高，而双边合作项目基本得不到分数。参加国数量多不仅能够降低总体的开发和运行成本，同时也影响到可被清除的空间物体。
（4）法律框架
应研究在现有国际空间法框架下开展空间碎片天基主动清除技术的可能性。由于「空间碎片」定义不明确，以及责任和许可条例的复杂性，使得公共和私有领域开展碎片清除要面临较高的风险，因此主动碎片清除目前并没有得到推进。空间碎片定义、责任和许可等问题的解决将为项目执行提供条件。
（5）武器化的可能性
空间碎片天基主动清除技术具有双重应用性，如果用于军事目的将违反《外空条约》和国际空间法条款。
技术框架
技术成熟度（TRL）是用来评估所发展技术（设备、材料、部件、软件、工作流程等）的技术成熟程度。设备和航天器分系统的技术成熟度分为1～9个等级。TRL1～4级为革命性的或创新技术，用于任务评估之前或评估期间；TRL5～9级为可获得的技术，用于任务确定阶段。当TRL等级太低时，必须考虑项目可能延期或成本超支。
经济框架
虽然前面已经讨论了经济和商业挑战需要考虑的一些问题，但在本研究的第一阶段，我们将重点考虑3个主要的指标。下一研究阶段，将对经济框架下各个不同的方面进行详细和全面的分析。
运行方案
根据上述讨论，如果仅仅是私有或公共倡议，将不能完全应对这些问题。因此，公私合作的方式是空间碎片天基主动清除技术项目较好的解决方案。
单项任务的成本估算
单项任务成本估算（ECM）是衡量任务总成本（不包括研发阶段成本）的一个指标。单项任务成本包括制造、发射和运行成本。虽然这一项很难获得最高分，空间碎片天基主动清除技术项目可能会开展很多年，以减缓轨道碎片数量增长的趋势。因此，必须降低单项任务成本估算。单项任务成本估算中包含的某些成本，如制造成本会随着任务的开展逐渐降低，但对于传统任务（空间碎片天基主动清除技术任务作为专用有效载荷）来说，发射成本将一直占据总成本的大头。因此，每项空间碎片天基主动清除技术任务都应探索降低发射成本的方法，寻找创新的方式来开展空间碎片天基主动清除技术任务，如搭载发射等。
每千克碎片离轨成本估算（ECD）是衡量任务能力的成本指标。事实上，空间碎片天基主动清除技术项目有时被认为效率低、成本高。碎片离轨成本估算将确定所分析任务的成本效益。
3案例研究
清洁空间－1项目介绍
选择瑞士空间中心的清洁空间－1（CleanSpace－1）项目作为案例进行研究。该项目旨在论证未来用小卫星开展空间碎片清除，计划最早于2018年发射一颗空间碎片天基主动清除技术卫星。首颗清洁空间－1卫星样机将使瑞士的2颗废弃卫星离轨。一旦发射，清洁空间－1卫星将用于清除630～750km轨道高度的目标卫星。为完成碎片清除任务，清洁空间－1将利用小型电发动机进行轨道调整，该发动机目前还处于研制阶段。碎片的抓捕机构正在研制中，它可使以28000km/h速度运动的物体稳定。一旦清洁空间－1卫星捕获目标，2颗卫星将离开原有轨道，再入地球大气层烧毁。
瑞士清洁空间－1卫星
清洁空间－1任务评估
清洁空间－1由瑞士空间中心研制。瑞士空间中心隶属于瑞士洛桑联邦理工学院，具有教育培训的职能，其成员单位包括工业界和学术界。该机构由瑞士教育部支持，但并不完全属于政府所有，因此并不在国家的决策范围内。其成员也不仅仅局限于瑞士工业界或大学，但参与该项目的成员以瑞士公司为主。该中心的19个成员单位和几所大学决定由该中心启动纳卫星技术开发，用来清除空间碎片。清洁空间－1项目于2012年2月15日向公众公布，用于验证卫星对接、捕获技术及运行方案。但2013年6月，瑞士空间中心提供的报告并没有明确该项目将要清除的目标碎片，以及清洁空间－1的外形尺寸，也没有解释该项目如何克服敏感技术带来的安全问题。
由于瑞士采取中立的外交政策，因此，瑞士虽然不是一个航天大国，但却是一个适合启动涉及安全和复杂法律问题、倡议空间碎片天基主动清除技术的国家。但该项目的得分结果却不理想（36分中得到7分），其主要原因是缺少与航天大国的合作，另外该项目的目标仅局限于纳卫星。
该打分方案目前只是一个初步的方法，后续还将进一步增加指标，加以完善。
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