超低地球軌道衛星：緩解太空擁擠的新方案與技術優勢

在目前約有 15,000 顆衛星繞地球運行。其中大多數，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星被發射到近地軌道（僅 SpaceX 的星鏈互聯網星座最終就會向那里發射數千顆衛星），該地區變得有點擁擠了。

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）衛星相比高軌道衛星具有諸多優勢。VLEO衛星的優勢包括：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。

超低頻電磁波的優勢

來自超低地球軌道衛星的圖像更清晰，因為它們比高軌道衛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，用于農業、氣候科學、災害響應和軍事監視等領域。

射頻信號強度會隨著距離迅速衰減，但超低地球軌道衛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，這種效應更為顯著。雷達發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，例如電話和互聯網服務。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據可用于預報。

由于這些優勢，政府機構和工業界正在努力開發超低地球軌道衛星。

阻礙因素：大氣阻力

你或許會好奇，為什么迄今為止，這片太空區域一直被避開用于持續的衛星運行。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，會減緩衛星的運行速度，導致軌道最低的衛星在數周甚至數天內脫離軌道，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，衛星必須不斷地向前推進——就像逆風騎自行車需要持續踩踏板一樣。

在太空中，衛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。因此，傳統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。

創新型推進器技術

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了“水獺” （Otter ）超低地球軌道衛星，該衛星采用了紅線公司研發的吸氣式推進器技術。

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，是將一顆低軌道衛星用長系繩與一顆高軌道衛星連接起來。雖然NASA從未試飛過這樣的系統，但上世紀90年代系繩衛星系統任務的后續計劃是，利用航天飛機將一顆衛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，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。超低地球軌道衛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，會迅速腐蝕大多數物質，甚至包括塑料。

衛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生的現象。

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

擔憂

是不是太低了？

目前業內領軍人物普遍預期，隨著產量增加，成本將會下降，但超低地球軌道（VLEO）衛星的成本仍有可能與高軌道衛星一樣高。較短的使用壽命和“自清潔”功能意味著衛星運行不穩定和發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星，因此準備發射的備用衛星數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，意味著需要更多衛星來填充和備份星座，并進行更多次發射。

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）發起了一項創意征集活動，旨在尋找利用VLEO獨特特性并應對其挑戰的創新方法。

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和系統概念。
2. 針對超低地球軌道（VLEO）的新技術開發活動，例如吸氣式推進系統、防護材料和涂層、導航和控制等，也鼓勵與再入和空間資產可能再利用相關的構想。
3. 旨在更好地了解超低地球軌道飛行器面臨的挑戰和機遇的研究活動。
4. 其他能利用VLEO 的航天項目

歡迎聯系我們！