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2022年太空安全的挑戰 2022 Challenges to Security
2022/03
Defense Intelligence Agency
https://www.dia.mil/Portals/110/Documents/News/Military_Power_Publications/Challenges_Security_Space_2022.pdf
由美國國防情報局發布,旨在探討2022年全球太空發展趨勢、問題與美國所面臨的挑戰。

一、競爭和擴張時代的太空依賴
1. 能力:太空相關技術影響美國人的生活方式,包含了家庭、交通、電網、銀行系統及全球通訊。這些技術是過去60多年來政府及民間共同努力的成果。太空技術還讓美國及其盟國可以將軍力投射到衝突和不穩定地區,並使美國能夠搜集有關外國威脅的重要情報。
2. 競賽:美國和前蘇聯之間的太空競賽始於1957年莫斯科發射了第一顆人造衛星史普尼克1號。中國在20世紀末和21世紀初崛起為太空強國,且俄羅斯在後蘇聯時代繼承了蘇聯的太空技術,並將太空和太空反制能力納入其國家戰略,挑戰美國的地位,更擴大了太空的軍事化。
中國和俄羅斯正開發各種技術,以減少對美國太空技術的依賴,進一步挑戰美國在太空領域的地位,並試圖創造新的全球太空規範。伊朗和朝鮮也將繼續發展和推動電子戰能力,以減少太空通信和導航受到美國的控制。
3. 擴散:越來越多國家的太空能力正在增加,包括飛彈預警、衛星定位與追蹤敵友活動、目標識別以及提供導航服務。不斷強化的衛星遙測能力也使得所有國家越來越難以隱藏敏感的測試及軍事行動。
隨著越來越多民間企業取代政府提供衛星發射、通信、太空遙測及載人太空飛行等服務,太空商業化也持續成長。這些企業正對有能力支付費用的公私部門提供太空技術、服務和產品。
4. 太空反制:太空正日益軍事化。一些國家已經開發、測試與部署了各種衛星及太空反制武器。中國和俄羅斯正在開發新的太空系統,以提高其軍事效能並減少對全球衛星定位系統等美國太空系統的依賴。北京和莫斯科還建立了獨立的太空部隊。隨著中國和俄羅斯的太空和太空反制能力增強,兩國都將太空場景納入其軍事演習。與此同時,中國和俄羅斯正在聯合國尋求太空非武器化的協議。中國和俄羅斯太空和太空反制武器的擴張及許多國家正崛起的太空實力,也促使許多國家正是制定自己的太空政策,以確保自身在太空領域的安全並促進相關服務。
5. 碰撞:低地球軌道上的大型廢棄物發生碰撞的可能性正不斷增加,由於發射衛星的數量不斷增加,這樣的趨勢估計將持續到2030年。

二、至2030年及未來的關鍵太空議題
可重複使用太空技術的發展:商業機會與軍事優勢
傳統上,為了發揮設備的最高效能,進入太空大多採用一次性的火箭、衛星和太空艙。這也使得太空飛行變得十分昂貴。可重複使用的技術雖然在開發上更為困難且所費不貲,但可大幅降低單次太空飛行的成本。越來越多國家仿效美國開發可重複使用的太空飛行器。
中國運載火箭技術研究院於2020年12月22日首次發射以長征8號火箭改裝的可重複使用衛星運載火箭。中國企業星際榮耀(i-space)計劃在2021年底發射中國首個為商業開發的可重複使用衛星運載火箭,稱為雙曲線2號,但因為雙曲線1號的故障而可能延遲。中國還在開發兩種部分可重複使用的太空艙,以取代神州太空艙,成為新一代的載人太空船,並作為微重力實驗與快速太空設備測試的廉價平台。
2019年,俄羅斯火箭推進公司NPO Energomash的首席設計師表示,該公司正在推展一項可重複使的衛星運載火箭製造的計畫。同時也希望對RD-180火箭發動機進行改裝,期待可以達成重複使用10次的目標。另一家俄羅斯太空公司Myasishchev正在設計可重複使用衛星運載火箭的第一節,此節火箭將在第二節火箭脫離後返回發射中心。
太空飛機是另一種可重複使用的技術。相較於傳統衛星,太空飛機具有更強的機動性。開發太空飛機需要克服高超音速飛行、稀薄的大氣環境和極端外部溫度等難題。中國已經開發出具有彈道飛彈彈頭運載能力的高超音速滑翔飛行器,此技術可能是進一步太空應用的重大成就。中國正在研製神龍和騰雲太空飛機。2020年,中國將其首架太空飛機的原型機發射到地球軌道,並停留2天後返回地球。北京表示,其太空飛機正在測試可重複使用的太空技術,作為推動和平利用太空的基礎。其神龍計畫早在2011年便進行了跌落實驗,而騰雲則僅完成了模型機的風洞測試。俄羅斯在過去的20年中宣佈了多個太空飛機計畫,但在1988年模仿美國太空梭製造的暴風雪號唯一一次試飛後,並沒有取得重大的進展。
可重複使用的太空飛行技術還將應用於商業太空旅遊在地球次軌道及軌道的飛行中。可重複使用技術所降低的成本將是降低票價與擴大市場的關鍵。英國、日本和俄羅斯的公司都在開發以旅遊為目的的太空飛行器。

三、載人太空飛行與月球計畫
未來,人類的太空飛行,包含往返月球及月球以外的太空行動可能會增加。各國為了在太空發展上取得優勢,不斷投入研發資源,在開發月球、火星,甚至小行星上潛在的大量資源的努力上競爭。太空探索倡議也是許多國家合作,並從科學發現和技術創新中獲益的機會。此趨勢也將進一步推動許多國家在地球軌道之外的進一步合作。
在過去二十年裡,登月被視為國家太空技術實力的展現。此外,許多國家也參與了載人太空飛行,已經有超過40個國家透過美國或俄羅斯的太空任務實現太空人軌道飛行。許多國家更透過對月球和火星的探測任務,增進了人類的地球科學相關知識。

四、太空飛行的挑戰:碎片和軌道碰撞
由於全球快速增加的衛星發射數量、太空反制武器測試及衛星碰撞、電池爆炸產生的碎片,低地球軌道中大型廢棄物之間碰撞的可能性估計在2030年之前都會不斷上升。這也增加了確保太空運行安全與維持太空環境穩定的難度。
截至2022年1月,包括持續活動中的衛星在內,地球軌道上記錄在案,大小超過10公分物體共有25,000個。對於太空飛行器而言,最大的威脅是那些介於5到10公分無法被追蹤的物體。估計有60萬到90萬件無法追蹤的碎片存在於低地球軌道中。
在2007年以前,這些碎片大部分來自於衛星運載火箭的爆炸。而今日,有記錄的碎片主要來自於三大事件:2007年中國摧毀了自己已失效的氣象衛星、2009年美國通信衛星與俄羅斯衛星意外碰撞,以及2021年俄羅斯的反衛星彈道飛彈測試。
在已紀錄的天體中,有近1,300個體積大於汽車的大小,這些低地球軌道廢棄物對於低地球軌道的太空運作造成威脅。這些天體的相互碰撞,估計將再產生3,500-15,000個可被追蹤的碎片及55,000到225,000個無法追蹤的碎片,此外,典型的衛星解體將會產生250個可被追蹤的碎片。聚集在1,500公里地球軌道的大型廢棄物每年的碰撞率為5,000分之一,而位於850公里地球軌道廢棄物的碰撞率大概為每年800分之一。
太空碎片可能對於人造衛星或太空飛行器造成危害。不論衛星製造商增加額外的防護,提升衛星對抗撞擊的能力,或者增加額外的燃料對可能的撞擊進行迴避,都將增加成本,也縮短了衛星的壽命。這也造成各國將發生更多的衛星來維持各項功能,對太空垃圾的問題而言成為惡性循環。
碎片留在軌道上的時間與它的大小及高度有關—物體越小、軌道越高,存在的時間越長。地心引力會將較低軌道的碎片帶入地球,透過與大氣層的阻力燃燒,達到自然清潔的作用。一些在500公里軌道的完整物體可在軌道上停留大約10年。隨著距離超過1,500公里,這些廢棄物可能在軌道上停留超過一萬年。
1993年,美國為太空營運商制訂了碎片指南,該指南也被許多國家和聯合國所屬太空碎片協調委員會採用。在低地球軌道中,所有的物體都將被留置在軌道上,並規劃在其任務結束25年內消失。通常結束任務的物體會被放在650公里以下的軌道上。然而,即使國際和國家指南具有法律約束力,且所有國家都遵守規範,之前63年間遺留下來的的太空垃圾仍然是嚴重的問題。更何況,目前符合指南規範的比例只有50%。不斷增加的太空垃圾將影響全球的政策制定者,同時也促進了太空垃圾清除技術的發展。
黃奕嘉
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