超低地球轨道卫星：缓解太空拥挤的新方案与技术优势

在目前约有 15,000 颗卫星绕地球运行。其中大多数，如国际空间站和哈勃望远镜，都位于近地轨道（LEO），其最高点距离地球表面约2,000 公里。但随着越来越多的卫星被发射到近地轨道（仅 SpaceX 的星链互联网星座最终就会向那里发射数千颗卫星），该地区变得有点拥挤了。

还有一条距离地球更近的轨道，有望缓解太空拥挤的状况。这条轨道被称为VLEO，即超低地球轨道，距离地球表面仅有100至400公里。

目前，超低地球轨道（VLEO）卫星相比高轨道卫星具有诸多优势。VLEO卫星的优势包括：能够提供更高分辨率的图像、更快的通信速度以及更先进的大气科学技术。

超低频电磁波的优势

来自超低地球轨道卫星的图像更清晰，因为它们比高轨道卫星能更清楚地观测地球，就像靠近一幅画作能看得更清楚一样。这意味着它们能提供更高分辨率的图像，用于农业、气候科学、灾害响应和军事监视等领域。

射频信号强度会随着距离迅速衰减，但超低地球轨道卫星可以离地面近一半，使传感器的灵敏度提高四倍。

对于雷达有效载荷而言，这种效应更为显著。雷达发射的射频能量会照射到地面，然后反射回来，这使得探测能力提升了八倍。此外，轨道还增强了星座架构的韧性，使其不仅能够向下观测地面目标，还能向上观测以追踪碎片或支援导弹防御。

端到端通信速度更快，非常适合实时通信，例如电话和互联网服务。虽然信号传输速度相同，但传输距离更短，因此延迟降低，对话更加流畅。

许多天气预报都依赖于地球上空云层的图像，因此，更近距离地拍摄这些图像意味着更高的分辨率和更多的数据可用于预报。

由于这些优势，政府机构和工业界正在努力开发超低地球轨道卫星。

阻碍因素：大气阻力

你或许会好奇，为什么迄今为止，这片太空区域一直被避开用于持续的卫星运行。主要原因只有一个：大气阻力。

人们通常认为太空是真空的。那么，太空究竟从哪里开始呢？虽然大约100公里高空—被称为冯·卡门线—被广泛认为是太空的起点，但实际上太空并非突然与大气层完全分离。相反，随着你远离地球，大气层会逐渐稀薄。

在极低地球轨道及其以下，地球大气层仍然足够厚，会减缓卫星的运行速度，导致轨道最低的卫星在数周甚至数天内脱离轨道，并在坠落回地球的过程中燃烧殆尽。为了克服这种大气阻力并保持轨道运行，卫星必须不断地向前推进——就像逆风骑自行车需要持续踩踏板一样。

在太空中，卫星使用各种类型的推进器进行推进，这些推进器提供所需的推力以防止减速。但在极低地球轨道（VLEO）上，推进器需要始终或几乎始终处于工作状态。因此，传统的推进器很快就会耗尽燃料。

幸运的是，地球在极低地球轨道上的大气层仍然足够厚，大气层本身可以作为燃料使用。

创新型推进器技术

利用一个类似骑自行车时张大嘴巴的“勺子”收集大气，然后使用高功率微波加热收集到的大气。加热后的气体随后通过喷嘴喷出，推动卫星前进。我们的团队将这一概念称为“吸气式微波等离子体推进器”。我们已经在实验室的真空室中演示了一个原型推进器，该真空室模拟了 80 公里（50 英里）高空的大气压力。

这种方法相对简单，但潜力巨大，尤其是在大气层较厚的低空。而在大气层较薄的高空，航天器可以使用其他航天器正在研发的各种类型的超低地球轨道推进器，以覆盖更大的高度范围。

我们的团队并非唯一从事推进器技术研究的团队。举个例子：美国国防部与国防承包商红线公司合作开发了“水獭” （Otter ）超低地球轨道卫星，该卫星采用了红线公司研发的吸气式推进器技术。

宾夕法尼亚州立大学真空室中一台吸气式推进器点火

另一种将卫星保持在超低地球轨道（VLEO）的方案，利用了我毕生致力于研究的技术，是将一颗低轨道卫星用长系绳与一颗高轨道卫星连接起来。虽然NASA从未试飞过这样的系统，但上世纪90年代系绳卫星系统任务的后续计划是，利用航天飞机将一颗卫星释放到更低的轨道，并用一根超长的系绳将其连接起来。我们目前正在重新研究该系统，看看改进后是否适用于超低地球轨道。

其他

克服阻力虽然是最困难的，但这并非唯一的挑战。超低地球轨道卫星会暴露在高浓度的原子氧中，原子氧是一种活性极强的氧，会迅速腐蚀大多数物质，甚至包括塑料。

卫星的材料还必须能够承受超过 1500 摄氏度的极高温度，因为摩擦会使卫星在穿过大气层时升温，这是所有航天器从轨道重返大气层时都会发生的现象。

这些卫星的潜力正在推动研究和投资，而此前提出的任务也已成为现实。不久之后，借助超低地球轨道卫星，您的互联网、天气预报和安全保障服务可能会得到显著提升

担忧

是不是太低了？

目前业内领军人物普遍预期，随着产量增加，成本将会下降，但超低地球轨道（VLEO）卫星的成本仍有可能与高轨道卫星一样高。较短的使用寿命和“自清洁”功能意味着卫星运行不稳定和发射失败的可能性更高。

低轨道带来的大气阻力更大，可能导致意外脱轨。由于每个星座包含大量卫星，因此准备发射的备用卫星数量将超过中地球轨道（MEO）或地球同步轨道（GSO）星座。较短的使用寿命加上更高的意外脱轨风险，意味着需要更多卫星来填充和备份星座，并进行更多次发射。

VLEO星座的真正成本究竟如何，只有时间才能给出答案，最终将由拥有资金的各方来决定其收益是否大于成本

优势

为了更好地了解超低地球轨道（VLEO）及其带来的机遇，之前欧洲航天局（ESA）发起了一项创意征集活动，旨在寻找利用VLEO独特特性并应对其挑战的创新方法。

我们也在寻找？

1. 利用 VLEO 的独特特性或与更高轨道相比改进运行方面的新任务和系统概念。
2. 针对超低地球轨道（VLEO）的新技术开发活动，例如吸气式推进系统、防护材料和涂层、导航和控制等，也鼓励与再入和空间资产可能再利用相关的构想。
3. 旨在更好地了解超低地球轨道飞行器面临的挑战和机遇的研究活动。
4. 其他能利用VLEO 的航天项目

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