超低地球軌道衛(wèi)星：緩解太空擁擠的新方案與技術(shù)優(yōu)勢

在目前約有 15,000 顆衛(wèi)星繞地球運行。其中大多數(shù)，如國際空間站和哈勃望遠鏡，都位于近地軌道（LEO），其最高點距離地球表面約2,000 公里。但隨著越來越多的衛(wèi)星被發(fā)射到近地軌道（僅 SpaceX 的星鏈互聯(lián)網(wǎng)星座最終就會向那里發(fā)射數(shù)千顆衛(wèi)星），該地區(qū)變得有點擁擠了。

還有一條距離地球更近的軌道，有望緩解太空擁擠的狀況。這條軌道被稱為VLEO，即超低地球軌道，距離地球表面僅有100至400公里。

目前，超低地球軌道（VLEO）衛(wèi)星相比高軌道衛(wèi)星具有諸多優(yōu)勢。VLEO衛(wèi)星的優(yōu)勢包括：能夠提供更高分辨率的圖像、更快的通信速度以及更先進的大氣科學技術(shù)。

超低頻電磁波的優(yōu)勢

來自超低地球軌道衛(wèi)星的圖像更清晰，因為它們比高軌道衛(wèi)星能更清楚地觀測地球，就像靠近一幅畫作能看得更清楚一樣。這意味著它們能提供更高分辨率的圖像，用于農(nóng)業(yè)、氣候科學、災(zāi)害響應(yīng)和軍事監(jiān)視等領(lǐng)域。

射頻信號強度會隨著距離迅速衰減，但超低地球軌道衛(wèi)星可以離地面近一半，使傳感器的靈敏度提高四倍。

對于雷達有效載荷而言，這種效應(yīng)更為顯著。雷達發(fā)射的射頻能量會照射到地面，然后反射回來，這使得探測能力提升了八倍。此外，軌道還增強了星座架構(gòu)的韌性，使其不僅能夠向下觀測地面目標，還能向上觀測以追蹤碎片或支援導彈防御。

端到端通信速度更快，非常適合實時通信，例如電話和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。雖然信號傳輸速度相同，但傳輸距離更短，因此延遲降低，對話更加流暢。

許多天氣預報都依賴于地球上空云層的圖像，因此，更近距離地拍攝這些圖像意味著更高的分辨率和更多的數(shù)據(jù)可用于預報。

由于這些優(yōu)勢，政府機構(gòu)和工業(yè)界正在努力開發(fā)超低地球軌道衛(wèi)星。

阻礙因素：大氣阻力

你或許會好奇，為什么迄今為止，這片太空區(qū)域一直被避開用于持續(xù)的衛(wèi)星運行。主要原因只有一個：大氣阻力。

人們通常認為太空是真空的。那么，太空究竟從哪里開始呢？雖然大約100公里高空—被稱為馮·卡門線—被廣泛認為是太空的起點，但實際上太空并非突然與大氣層完全分離。相反，隨著你遠離地球，大氣層會逐漸稀薄。

在極低地球軌道及其以下，地球大氣層仍然足夠厚，會減緩衛(wèi)星的運行速度，導致軌道最低的衛(wèi)星在數(shù)周甚至數(shù)天內(nèi)脫離軌道，并在墜落回地球的過程中燃燒殆盡。為了克服這種大氣阻力并保持軌道運行，衛(wèi)星必須不斷地向前推進——就像逆風騎自行車需要持續(xù)踩踏板一樣。

在太空中，衛(wèi)星使用各種類型的推進器進行推進，這些推進器提供所需的推力以防止減速。但在極低地球軌道（VLEO）上，推進器需要始終或幾乎始終處于工作狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)的推進器很快就會耗盡燃料。

幸運的是，地球在極低地球軌道上的大氣層仍然足夠厚，大氣層本身可以作為燃料使用。

創(chuàng)新型推進器技術(shù)

利用一個類似騎自行車時張大嘴巴的“勺子”收集大氣，然后使用高功率微波加熱收集到的大氣。加熱后的氣體隨后通過噴嘴噴出，推動衛(wèi)星前進。我們的團隊將這一概念稱為“吸氣式微波等離子體推進器”。我們已經(jīng)在實驗室的真空室中演示了一個原型推進器，該真空室模擬了 80 公里（50 英里）高空的大氣壓力。

這種方法相對簡單，但潛力巨大，尤其是在大氣層較厚的低空。而在大氣層較薄的高空，航天器可以使用其他航天器正在研發(fā)的各種類型的超低地球軌道推進器，以覆蓋更大的高度范圍。

我們的團隊并非唯一從事推進器技術(shù)研究的團隊。舉個例子：美國國防部與國防承包商紅線公司合作開發(fā)了“水獺” （Otter ）超低地球軌道衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用了紅線公司研發(fā)的吸氣式推進器技術(shù)。

賓夕法尼亞州立大學真空室中一臺吸氣式推進器點火

另一種將衛(wèi)星保持在超低地球軌道（VLEO）的方案，利用了我畢生致力于研究的技術(shù)，是將一顆低軌道衛(wèi)星用長系繩與一顆高軌道衛(wèi)星連接起來。雖然NASA從未試飛過這樣的系統(tǒng)，但上世紀90年代系繩衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)的后續(xù)計劃是，利用航天飛機將一顆衛(wèi)星釋放到更低的軌道，并用一根超長的系繩將其連接起來。我們目前正在重新研究該系統(tǒng)，看看改進后是否適用于超低地球軌道。

其他

克服阻力雖然是最困難的，但這并非唯一的挑戰(zhàn)。超低地球軌道衛(wèi)星會暴露在高濃度的原子氧中，原子氧是一種活性極強的氧，會迅速腐蝕大多數(shù)物質(zhì)，甚至包括塑料。

衛(wèi)星的材料還必須能夠承受超過 1500 攝氏度的極高溫度，因為摩擦會使衛(wèi)星在穿過大氣層時升溫，這是所有航天器從軌道重返大氣層時都會發(fā)生的現(xiàn)象。

這些衛(wèi)星的潛力正在推動研究和投資，而此前提出的任務(wù)也已成為現(xiàn)實。不久之后，借助超低地球軌道衛(wèi)星，您的互聯(lián)網(wǎng)、天氣預報和安全保障服務(wù)可能會得到顯著提升

擔憂

是不是太低了？

目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍人物普遍預期，隨著產(chǎn)量增加，成本將會下降，但超低地球軌道（VLEO）衛(wèi)星的成本仍有可能與高軌道衛(wèi)星一樣高。較短的使用壽命和“自清潔”功能意味著衛(wèi)星運行不穩(wěn)定和發(fā)射失敗的可能性更高。

低軌道帶來的大氣阻力更大，可能導致意外脫軌。由于每個星座包含大量衛(wèi)星，因此準備發(fā)射的備用衛(wèi)星數(shù)量將超過中地球軌道（MEO）或地球同步軌道（GSO）星座。較短的使用壽命加上更高的意外脫軌風險，意味著需要更多衛(wèi)星來填充和備份星座，并進行更多次發(fā)射。

VLEO星座的真正成本究竟如何，只有時間才能給出答案，最終將由擁有資金的各方來決定其收益是否大于成本

優(yōu)勢

為了更好地了解超低地球軌道（VLEO）及其帶來的機遇，之前歐洲航天局（ESA）發(fā)起了一項創(chuàng)意征集活動，旨在尋找利用VLEO獨特特性并應(yīng)對其挑戰(zhàn)的創(chuàng)新方法。

我們也在尋找？

1. 利用 VLEO 的獨特特性或與更高軌道相比改進運行方面的新任務(wù)和系統(tǒng)概念。
2. 針對超低地球軌道（VLEO）的新技術(shù)開發(fā)活動，例如吸氣式推進系統(tǒng)、防護材料和涂層、導航和控制等，也鼓勵與再入和空間資產(chǎn)可能再利用相關(guān)的構(gòu)想。
3. 旨在更好地了解超低地球軌道飛行器面臨的挑戰(zhàn)和機遇的研究活動。
4. 其他能利用VLEO 的航天項目

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