1、Q.J 中华人民共和国航天行业标准FL 1005 QJ 3221-2005 空间碎片减缓要求Requirements for space debris mitigation 2005-04-11发布2005一07一01实施国防科学技术工业委员会发布060508000034 Q13221-2005 目。昌为了保护空间环境，减少或消除运载器和航天器运行期间产生的空间碎片，机构间空间碎片协调委员会(TADC)于2002年4月发布了TADC空间碎片减缓指南)，作为所有成员共同遵守的准则。同时(IADC空间碎片减缓指南将提交联合国外空委(UNCOPUOS)，由联合国各成员国政府签署，我国也必须在未来的航
2、天活动中贯彻与实施。根据(IADC空间碎片减缓指南的要求，我们起草了空间碎片减缓要求。本标准由中国航天科技集团公司提出。本标准由中国航天标准化研究所归口。本标准起草单位:中国航天标准化研究所、八0五所、一部、五。一部、中科院空间中心。本标准主要起草人:徐春风、张文祥、张小运等3QJ 3221-2005 空间碎片减缓要求1 范围本标准规定了运载器和航天器减少空间碎片的产生、降低空间碎片对空间系统危害程度的要求和应采取的减缓措施。本标准适用于进入地球轨道的航天器和运载器的设计、发射、运行及任务后处置。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后
3、所有的修改单(不包含勘误的内容或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注目期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GJB 421A-1997 卫星术语GJB 1702一1993卫星轨道术语GJB 2496-1995 载人飞船航天工程术语3 术语和定义3.1 3.2 3.3 3.4 GJB 421A一1997、GJB1702一1993和GJB2496一1995确立的以及下列术语和定义适用于本标准。空间碎片space debris 轨道碎片orbital debris 地球轨道上的一切无功能的人造物体(包括它们的碎块和部件)。空间系统spa
4、ce systems 运载器轨道级和航天器的统称。运载器轨道级launch vehicle orbital stages 运载器滞留在地球轨道上的任一级。钝化passivation 消除或释放空间系统中存贮的、可能导致在轨爆炸解体的能源的措施。钝化措施包括将任务结束的运载器轨道级和航天器中剩余的推进剂和增压剂耗尽或排空、将蓄电池放电和压力容器减压。3.5 离轨deorbit 空间系统寿命终止前，人为地使其离开原来的运行轨道以便再人大气层所作的机动飞行。3.6 变轨reorbit 空间系统人为地从原来的运行轨道转移到弃置轨道所作的机动飞行。QJ 3221-2005 3.7 解体breakup 空
5、间系统由于自身能源激发或与其他物体碰撞等产生毁灭性碎裂，并将碎片释放进地球轨道的任何事件。3.8 3.9 处置阶段disposal phase 从空间系统飞行阶段结束起，至空间系统采取减缓措施结束止。保护区域protected regions 保护区域(见图。包括:a) 区域A，低地轨道(LEO)区域一一从地表面延伸到2000km高度的球形区域:b) 区域B，地球同步区域一一由以下高度规定的带状环形区域:一一下界高度等于地球静止轨道高度(35786km)减去200km:一一上界高度等于地球静止轨道高度(35786km)加上200km;一一纬度在一15。至150。/一-赤道飞飞圈1保护区域区域B
6、3.10 弃置区disposal region 弃置轨道disposal orbit 供永久性放置任务后的空间系统的区域(或地球轨道)。超GEO弃置区:高度在35986km以上。注:除超GEO弃置区外，其他弃置区尚未被国际社会认可，如NASA、NASDA设置的高度在2500km到19900km的低高度弃置区和高度在20500阳1到35286阳1的高高度弃置区。4 符号和缩略语2 QJ 3221-2005 下列符号和缩略语适用于本标准。LEO一一lowea巾orbit.低地轨道:GEO-geostationary earth orbit.地球静止轨道:GT命一-geostationatransf
7、erorbit.地球静止转移轨道。5 管理要求5.1 基本要求为保护空间环境，避免空间碎片危及空间活动和空间系统的安全，所有研制方和用户在规划和运行空间系统时，从立项阶段开始就应将空间碎片减缓规划引人空间系统的寿命周期。在空间系统的设计、发射、运行和任务后处置阶段采取与任务目的、费用相适应的空间碎片减缓措施，目的是使在发射、人轨、在轨运行及任务后产生的空间碎片减至最少。空间碎片减缓措施包括如下内容:a) 制定空间系统各研制阶段空间碎片减缓计划和减缓实施方案:b) 在空间系统的设计阶段落实空间碎片减缓措施;c) 在空间系统的发射及人轨阶段将空间碎片的产生减至最少的措施:d) 在空间系统的在轨运行
8、及任务后将空间碎片的产生减至最少的措施:e) 确保空间系统在轨运行阶段一旦发生故障时能有效控制空间碎片产生的应对措施;。在设计与运行管理系统中，建立与落实空间碎片管理职责，保证空间碎片减缓计划的实施。5.2 管理5.2. 我国空间碎片管理工作由国家航天局统一管理。5.2.2 空间系统的研制方应建立和完善空间碎片管理体系，每个空间项目应有空间碎片减缓责任人。5.2.3 研制方应制定空间系统寿命周期空间碎片减缓计划和实施方案，上报主管部门。5.2.4 主管部门或受其委托的有关机构(或组织)负责对空间碎片减缓汁划进行评审，并下达正式的空间碎片减缓计划。5.2.5 研制方根据下达的空间碎片减缓计划，结
9、合空间系统的研制实际，制定空间碎片减缓管理计划。5.3 减缓方案5.3.1 每个计划或项目应制订一个可行的空间碎片减缓方案并文件化。该减缓方案应包括以下内容:a) 空间碎片减缓工作的管理计划;b) 空间碎片产生方式及数量的评估与减缓措施的计划:c) 对有可能产生空间碎片风险源的限制措施:d) 空间系统任务后的处置方案:e) 有几种可能性存在时选择的理由:f) 空间碎片减缓的备选方案:g) 剪裁、弃用本标准的具体内容、理由及可能产生的后果;h) 符合本标准的建议的原始文件5.3.2 空间碎片减缓管理计划应包括以下内容:a) 根据空间碎片的不同起因，逐项明确研制单位的管理责任:b) 若对本标准进行
10、剪裁，应说明剪裁的内容和理由:c)根据空间碎片的不同起因，逐项开展碎片减缓活动，制定减缓活动的工作内容、计划进度、落实减缓责任和选用的参考文件。，、J Q13221-2005 5.4 剪裁研制方可以根据合同的要求、任务目的、经费和周期等条件，对技术上难以达到的空间碎片减缓要求或成本过高的减缓措施进行剪裁。剪裁后的空间碎片减缓的要求、采取的处置措施应形成报告，并上报主管部门批准。5.5 空间系统评审在各研制阶段的评审中应包括对空间碎片减缓方案的评审。空间碎片减缓方案的评审应包括以下内-节:a)在空间系统设计和运行中采取的空间碎片减缓措施是否与技术条件、任务要求和费用一效能一致:b) 空间系统产生
11、碎片的可能性和碎片减缓措施的选择(包括设计措施的选择是否合理。包括:一一在正常运行和故障条件下产生轨道碎片的可能性，以及相应的技术措施是否切实可行与有效:一一空间系统与空间碎片、微流星体或其他空间系统在轨碰撞产生空间碎片的可能性，以及是否有应对措施:一一任务后处置措施的选择是否合理。5.6 事后调查应调查和分析每次意外在轨爆炸或空间系统与其他物体相撞导致解体的原因，进行技术归零，提出预防类似事件再次发生的措施，完成管理归零，并将结果上报主管部门。6方案阶段6.1 限制正常运行期间释放碎片的数目6.1.1 应尽可能选择将发射阶段和运行阶段释放进轨道中的物体的数量和其他因老化同空间系统分离或剥离的
12、物体数量减至最少的设计方案。6. 1.2 不应制订任何会将物体释放进轨道的项目或实验，除非通过评估能证明从长远角度看此项目对轨道环境的影响以及对其他在轨运行空间系统的危害性低到可以接受的程度。6.1.3 对绳系系统的潜在危害性应分别作为完整系统和分离系统进行分析。6.2 使在轨解体的可能性减为最小6.2.1 不计划或不实施会导致产生长期空间的故意解体。但是，为了降低再人大气物体撞击地面的风险，不禁止在低高度上(如:90km或更低的高度上)的故意毁坏空间系统。6.2.2 应有防止在轨运行及任务后空间系统发生意外爆炸和解体的技术措施。6.2.3 不应在被保护区对空间系统及其部件实施有意的自毁。6.
13、3 防止航天器在运行阶段相互碰撞6.3.1 地球静止轨道航天器应在经度方向上相互之间保持合理的距离，防止碰撞。6.3.2 地球圆轨道上的航天器应防止与在同一高度轨道上运行的其他航天器相碰撞。6.4 任务后的处置6.4.1 应提出空间系统任务后的处置计划，确定适当的处置措施(在轨回收、再入大气层或移至弃置轨道)，并具有保证完成处置所需的功能和性能的设计方案。6.4.2 确定适当的运载火箭飞行弹道方案，以便在有效载荷分离后更有效地处置上面级。6.4.3 对近地轨道航天器采取离轨措施时，-般应使其轨道寿命少于25年。7 设计阶段4 QJ 3221-2005 7.1 一般要求空间系统的设计应使其在运行
14、期间产生碎片的可能性以及使自身成为危险的碎片源的可能性降至最低。应通过设计及试验确定控制碎片产生的相关事项，并通过详细设计验证问题的解决。7.2 限制在正常运行期间释放碎片的数目7.2.1 空间系统应设计成在运行时不释放碎片:如果不得不释放，则释放碎片的数量、范围和轨道寿命应最小。7.2.2 空间系统应设计成尽可能不释放可能滞留在地球轨道上的物体，除非不择放将带来无法解决的技术或经济问题。其设计原则是:a) 单个有效载荷的发射，除有效载荷外，只能有一个部件(如:上面级进人轨道:b)多个有效载荷的发射，除有效载荷外，最多不超过2个部件(如:上面级、多有效载荷适配器结构)进人轨道:c)有效载荷中与
15、任务相关的部件(如:电线的附属物，展开天线的压紧机构、远地点助推发动机防热罩、固体推进剂推力器的喷口盖、观察仪器的保护罩、爆炸螺栓、弹簧、包带等)应设计成释放后能系留住的方式;不能系留的，应设计相应容器将其包容:d) 尽量不使用进入轨道的非有效载荷装置，禁止使用用于释放有效载荷的Yo-Yo消旋装置:e)处于亚轨道的空间物体(如:运载火箭的级、多有效载荷发射的适配器结构)不应产生进入地球轨道的空间碎片。7.2.3 应选择在空间环境中产生尽可能少的碎片的(结构、贮箱、推进剂、设备、表面材料等)材料和工艺。如:使用通过辐射、冲击、温度交变等试验证明可防止碎片大量产生的材料和工艺。7.3 便在轨解体的
16、可能性减为最小7.3.1 空间系统的每个项目都应利用故障模式和影响分析或等效分析，证明在任务中不存在可能会导致意外解体的故障模式。如果不能排除这种故障，则应通过设计或运行程序使发生故障的概率为最小。7.3.2 空间系统应设计成能在任务后排除可能发生意外解体或爆炸的起因。7.4 防止航天器在运行阶段相互碰撞在航天器运行轨道设计时，应估算和限制在轨道寿命期内同其他空间物体碰撞的概率，小碎片碰撞可引起机构的失控，妨碍任务后的处置，应采取防护措施:为了避免同己知编目的空间物体碰撞，航天器应具有规避机动的能力。7.5 任务后的处置7.5.1 回收采用返回舱回收时，应尽可能减少再人前分离、释放而留在轨道上
17、的物体。7.5.2 再入7.5.2.1 当以再人大气层方式处置空间系统时，在设计上应使落到地面的残骸越少越好，以降低撞击地面的风险。同时落到地面的残骸，不应含有放射性物质、有毒物质或其他任何污染环境的物质。否则应将污染影响控制在允许的范围内。7.5.2.2 空间系统最好设计成以可控方式再人，以便选择残骸的落点。7.5.2.3 若可控方式难以实现，则应使空间系统在再人大气层过程中能被气动加热降低残存率。7.5.3 弃置轨道当回收和再人两种处置方式均不能实现时，空间系统应设计有适当的推进系统和推进剂贮量，以便3 QJ 3221-2005 完成将任务后的空间系统送人弃置轨道所需的变轨机动。7.5.4
18、钝化7.5.4.1 空间系统的设计应满足钝化的要求。7.5.4.2 应耗尽推进剂贮箱中的燃料，清除高压容器内的残留压力。7.5.4.3 当不能耗尽推进剂贮箱中的燃料和清除高压容器内的残留压力时，设计应满足以下条件:a) 穿透性撞击不会引起推进剂发生爆炸:b) 推进剂不会因贮箱加热发生放热性分解:c) 不会发生导致自燃的推进剂混合泄漏:d)贮箱的设计(如:爆炸前泄漏设计和放热设计，要使累积的压力不超过可能导致贮箱爆炸的压力。7丘4.4蓄电池在结构上和电气上应正确设计，以保证不会发生爆炸解体事故。7丘4.5安全自毁装置的设计应保证不会因不当的指令、外部加热或射频干扰等引起意外的爆炸。7点4.6控制
19、程序的设计应使控制系统的飞轮、动量轮等贮能器件在飞行任务完成之后停止转动。7.6 运载火箭设计7.6.1 尽可能减少正常工作时释放到轨道上的物体7.6.1.1 运载火箭的设计应尽可能使在正常工作时不释放成为轨道碎片的物体。对不得不释放的操作性碎片，力求以较低的近地点高度或以较大的面积一质量比方式释放，以尽量减少碎片的轨道寿命。7.6.1.2 对于运载火箭的连接件、紧固件、级间段、爆炸螺栓和包带、整流罩、发射多有效载荷用的有效载荷支承结构(下整流罩和适配器、保护罩、喷口盖等应被系留住。7.6.1.3 末级固体火箭发动机不使用后端喉部塞式点火器，除非在工程上非用不可。7.6.1.4 使用推进装置代
20、替偏航配重块和偏航调整块，以防止运载火箭的上子级和下子级之间发生碰撞:7.6. 1.5 所有紧固件(如:爆炸螺栓、夹紧带等宜紧固在母体上，对于两头不能系留的，宜设计相应的容器将其包容。7.6.1.6 起旋装置不能同运载火箭末级分离。7.6.1.7 工作完毕的沉底发动机等辅助系统不应分离7.6.2 任务后来级处置的设计7.6.2.1 运载火箭未级在完成将有效载荷送人轨道且与有效载荷分离后，应具有实施轨道机动的能力，以避免对有用轨道产生干扰。7.6.2.2 末级结构的设计应使其在再人大气过程中能被气动加热烧毁，以便将撞击地面的风险降低到允许的范围。7.6.2.3 若末级在再人大气层过程中不能完全烧
21、毁，则应考虑采取受控再人方式，使残骸落到安全区。7.6.2.4 对不能再人的运载火箭末级，应设计相应的系统在任务完成之后实施有效的钝化操作。1.6.3 防止在轨解体的设计7.6.3.1 为防止废弃的末级解体产生大量空间碎片，在设计上应采取消除可能引起意外爆炸因素的措施。7.6.3.2 残留在推进剂贮箱和管路中的剩余推进剂的处理措施包括:6 QJ 3221-2005 a)对采用共底结构的贮箱进行排放处置时应注意保持共底两侧合理的压差，以保证排放过程的安全，在完成必要的离轨机动以后应将剩余推进剂完全排放:b) 对于那旦元推进剂系统，燃烧剂和氧化剂中至少有一种能完全排放;c) 排放管路应有防冷冻阻塞
22、的设计;d) 若存在因受热使压力升高的可能性，则应增设减压装置(如:减压阀等。7.6.3.3 高压系统的处理措施包括:a) 高压系统应设计有排放流体、降低压力的功能:b) 排放管路应有防冷冻阻塞的功能:c)若不能采用排放方式时，则系统的结构应具有足够的安全余量，以保证在预测的受太阳加热时不致破裂:d) 也可增设压力释放装置(如:减压阀等。7.6.3.4 蓄电池的处理措施包括:a) 应设计有减压阀，以防止内压上升;b) 应具有切断充电电路的功能，以防止蓄电池破裂而导致末级解体。7.6.3.5 遥控自毁装置的处理措施包括:a)遥控自毁装置应保持在点火温度以下，且留有足够的安全余量，以保证在受太阳加
23、热温度上升的情况下不致起爆:b) 末级在完成任务以后，应切断遥控自毁装置的点火电路。7.7 航天器设计7.7.1 尽可能减少正常工作时抛弃在轨道上的物体7工1.1航天器从人轨到任务结束的正常工作期间，应尽可能减少释放会成为空间碎片的物体。7.7.1.2 地球同步轨道(GEO)航天器的远地点发动机不应与航天器分离。7.7.1.3 推进系统不宜使用喷口盖。7工1.4远地点发动机壳体的防热层应选择不易脱落的材料。7.7.1.5 有效载荷仪器的保护罩，太阳电池阵的压紧机构、展开机构，天线释放机构的部件等应采用系链或其他手段留住。7.7. 1.6 消旋装置不应使用Yo-Yo消旋器，而采用喷气消旋装置。7
24、工2航天器运行监测系统的设计航天器运行阶段应进行与碎片减缓有关参数的监测，主要包括:a) 推进剂贮箱的压力和温度:b) 蓄电池的压力、温度和电压:c) 与姿态控制系统故障有关的参数。7.7.3 任务后处置措施的设计7.7.3.1 留有变轨机动所需的推进剂航天器携带的推进剂总量中，应包括按照任务后的减缓措施规定处置机动所需的推进剂估算量，这一估算量应包括考虑姿态与轨道控制系统性能偏差后所必需保留的推进剂裕量。7.7.3.2 剩余推进剂监视与测量的设计为确定任务结束时刻，需要随时掌握航天器中推进剂剩余量，因此应备有推进剂的监视和测量手段。R J QJ 3221-2005 特别是对于地球静止轨道航天
25、器，剩余推进剂量应保证足以完成将航天器变轨进人弃置区。7.7.3.3 满足再入安全要求的设计低地轨道的航天器以再人大气层方式处置时，航天器的结构设计应保证再人残骸的地面撞击风险在允许范围之内。即使采取受控再人，航天器在结构设计上也应使落至地面的残骸为最少，以降低出现故障时的地面撞击风险。若航天器在再人大气层过程中不能保证完全烧毁，则应采取受控再人方式，控制落点以降低地面撞击风险。7.7.3.4 任务后展开机构收拔的设计航天器特别是地球静止轨道航天器的展开机构，在可能的条件下应设计成完成任务后可以收拢，以减小航天器在弃置轨道上受到的摄动。7.7.4 防止意外爆炸的设计7.7.4.1 航天器应具有
26、在完成任务后消除可能引起意外碎裂或爆炸的能源的功能。在设计过程中要满足钝化要求。7.7.4.2 航天器在完成任务和处置机动以后，应将剩余的推进剂和增压剂耗尽或排空。若不能排空，应增设减压装置，以保证在预测的受太阳加热的情况下不致解体。7.7.4.3 蓄电池应具有在任务结束时切断充电电路并将剩余电能完全帮放的功能。在结构上应安装减压装置(如=减压阀)，以防止内压升高、蓄电池破裂而导致航天器解体。7.7.4.4 压力容器应排放到能确保不会发生解体的程度。采用安全设计也可以降低推进和增压系统发生解体的危险。对于热管的设计应有足够安全余量，不致在任务结束后，因受热而破裂。7.7.4.5 自毁装置设计应
27、保证不会因不当的指令、热控加热或射频干扰等引起意外的毁坏。7.7.4.6 在消除存储的能量过程中，应具有使飞轮和动量轮停转的功能。7.7.4.7对其他形式的储能进行评估，并采取适当的减缓措施。7.7.5 远地点发动机的设计7工5.1液体远地点发动机工作完毕后，应将可能引起意外爆炸的剩余推进剂耗尽或排空:排放管路应有防冷冻阻塞的功能:当不能完全排放或耗尽时，应在设计上采取加固措施，防止因热环境变化而引起解体。7工5.2由远地点发动机、姿态与轨道控制推力器、推进剂输送管路、共用贮箱等组成的统一推进系统，应具有为远地点发动机输送推进剂的专用管路，使得在发动机工作完毕后能切断与其他部分的联系，并将管路
28、中剩余推进剂和其他气体排空。7.7.5.3 地球静止轨道航天器的远地点发动机应尽可能设计成工作完毕后不分咛3若由于某些原因非分离不可，则应将它弃置到一条离地球静止轨道更高的弃置轨道上。无论远地点发动机是否分离，工作完毕后都应立即消除所有可能引起意外爆炸的能源。8 运行阶段8.1 交付运行时提供空间碎片减缓的信息空间系统交付运行时，研制单位应提供空间碎片减缓有关特征和设计值的信息，如:推进剂计量精度、推进剂装载量、变轨程序等数据。8.2 防止在轨碰撞应估算和限制在轨道寿命期内同己知物体意外碰撞的模辛。如果不能忽略碰撞的风险，且能获得可靠的轨道数据，应调整发射窗口或使航天器进行规避机动。8 QJ
29、3221-2005 8.3 故障监测8.3.1 在航天器的运行控制中，运行程序应包括监测姿态控制系统、蓄电池、推进系统的程序，用于发现可能导致产生大量空间碎片的故障。8.3.2应定期监测空间系统，一旦检测到故障，应计划并实施适当的恢复措施:否则就应为系统计划并实施离轨和钝化措施。8.4 终止飞行任务运行期间应始终测定推进剂的剩余量。当推进剂剩余量处于临界量时，应终止飞行任务，并采取处置措施。9 任务后的处置9.1 钝化9.1.1 空间系统在运行阶段结束后应进行钝化处置。9.1.2 钝化应在任务结束后立即进行。9.2 低地球轨道(LEO)区域的空间物体9.2.1 通过LEO区域或有可能干扰LEO
30、区域轨道上运行的空间系统，在结束其运行任务后应离轨(最好直接再人大气层)或适当机动到一条能缩短寿命的轨道上。9.2.2 空间系统停留的轨道应为:在正常的太阳活动下，运行结束后就能靠大气阻力限制在轨寿命。其轨道寿命一般限制在25年以内。9.2.3 空间系统再人大气层到这地面的碎片不应对地面和海上的人员或财产造成危险。如:限制残存碎片的数量或使碎片落在无人居住区域。同时，不应将放射性物质、有毒物质或其他污染物质落到地面。9.2.4 在再人大气层前，空间系统应自毁，减少大型空间物体坠落地面的危险。9.2.5在再人大气层前，应遵守相关的空中交通和海上交通管理的规定(如:通知有关当局或部门大型空间系统的
31、再人时间、飞行轨道和相关的地面地域)。9.3 地球静止轨道(GEO)区域的空间物体(从被保护区域移至弃置轨道)9.3.1 完成飞行任务的航天器、轨道级应机动到离开GEO足够远的区域，以避免干扰仍在GEO上的空间系统。变轨结束后其近地点高度的最小增加值t.H应为:t. H=235+(1 000 CRA/m) ( 1 ) 式中:t.H一一变轨结束后其近地点高度的最小增加值，单位为千米(km); 235一一GEO保护区上限高度。OOkm)与变轨的空间系统在月一日和地球引力摄动下最大下降高度(35km)之和，单位为千米(km); 1000-常数，单位为千克千米每平方米(kg km/m 2) ; CR一
32、一太阳辐射压力系数:A/斤1一一般天器有效截面积与干质量之比，单位为平方米每千克(m2/kg)。9.3.2应避免运载火箭轨道级长期滞留在地球同步区域。9.4 其他轨道的空间物体(GTO、MEO)9 QJ 3221-2005 9.4.1 空间系统在结束任务后应进行机动，将轨道寿命缩短到符合低地球轨道(LEO)的寿命限制。如果会对有高利用价值的轨道区域产生干扰，应重新调整轨道位置。9.4.2 如果不能将轨道寿命缩短到25年以下时，应根据其所在的轨道高度机动到适宜的弃置区域。10 meeNlRNmuh70 附求耐要5时缓m肮减，-a剧片m瞅胖引人、阳样空* 中国航天标准化研究所出版北京西城区月坛北小街2号邮政编码:100830 北京航标印务中心印刷中国航天标准化研究所发行版权专有不得翻印2005年7月出版定价:13.00元
