在目前約有 15,000 顆衛(wèi)星繞地球運(yùn)行。其中大多數(shù)，如國(guó)際空間站和哈勃望遠(yuǎn)鏡，都位于近地軌道（LEO），其最高點(diǎn)距離地球表面約2,000 公里。但隨著越來(lái)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(huì)向那里發(fā)射數(shù)千顆衛(wèi)星），該地區(qū)變得有點(diǎn)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(shì)。VLEO衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)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(jìn)的大氣科學(xué)技術(shù)。

超低頻電磁波的優(yōu)勢(shì)

來(lái)自超低地球軌道衛(wèi)星的圖像更清晰，因?yàn)樗鼈儽雀哕壍佬l(wèi)星能更清楚地觀測(cè)地球，就像靠近一幅畫(huà)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(xué)、災(zāi)害響應(yīng)和軍事監(jiān)視等領(lǐng)域。

射頻信號(hào)強(qiáng)度會(huì)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(duì)于雷達(dá)有效載荷而言，這種效應(yīng)更為顯著。雷達(dá)發(fā)射的射頻能量會(huì)照射到地面，然后反射回來(lái)，這使得探測(cè)能力提升了八倍。此外，軌道還增強(qiáng)了星座架構(gòu)的韌性，使其不僅能夠向下觀測(cè)地面目標(biāo)，還能向上觀測(cè)以追蹤碎片或支援導(dǎo)彈防御。

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

許多天氣預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)。

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

阻礙因素：大氣阻力

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

人們通常認(rèn)為太空是真空的。那么，太空究竟從哪里開(kāi)始呢？雖然大約100公里高空—被稱為馮·卡門(mén)線—被廣泛認(rèn)為是太空的起點(diǎn)，但實(shí)際上太空并非突然與大氣層完全分離。相反，隨著你遠(yuǎn)離地球，大氣層會(huì)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(huì)減緩衛(wèi)星的運(yùn)行速度，導(dǎo)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(guò)程中燃燒殆盡。為了克服這種大氣阻力并保持軌道運(yùn)行，衛(wèi)星必須不斷地向前推進(jìn)——就像逆風(fēng)騎自行車(chē)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(jìn)器進(jìn)行推進(jìn)，這些推進(jìn)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(jìn)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(jìn)器很快就會(huì)耗盡燃料。

幸運(yùn)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(jìn)器技術(shù)

利用一個(gè)類似騎自行車(chē)時(shí)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(guò)噴嘴噴出，推動(dòng)衛(wèi)星前進(jìn)。我們的團(tuán)隊(duì)將這一概念稱為“吸氣式微波等離子體推進(jìn)器”。我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室的真空室中演示了一個(gè)原型推進(jìn)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(duì)簡(jiǎn)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(jìn)器，以覆蓋更大的高度范圍。

我們的團(tuán)隊(duì)并非唯一從事推進(jìn)器技術(shù)研究的團(tuán)隊(duì)。舉個(gè)例子：美國(guó)國(guó)防部與國(guó)防承包商紅線公司合作開(kāi)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(jìn)器技術(shù)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)真空室中一臺(tái)吸氣式推進(jìn)器點(diǎn)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(zhǎng)系繩與一顆高軌道衛(wèi)星連接起來(lái)。雖然NASA從未試飛過(guò)這樣的系統(tǒng)，但上世紀(jì)90年代系繩衛(wèi)星系統(tǒng)任務(wù)的后續(xù)計(jì)劃是，利用航天飛機(jī)將一顆衛(wèi)星釋放到更低的軌道，并用一根超長(zhǎng)的系繩將其連接起來(lái)。我們目前正在重新研究該系統(tǒng)，看看改進(jìn)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(huì)暴露在高濃度的原子氧中，原子氧是一種活性極強(qiáng)的氧，會(huì)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(guò) 1500 攝氏度的極高溫度，因?yàn)槟Σ習(xí)剐l(wèi)星在穿過(guò)大氣層時(shí)升溫，這是所有航天器從軌道重返大氣層時(shí)都會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象。

這些衛(wèi)星的潛力正在推動(dòng)研究和投資，而此前提出的任務(wù)也已成為現(xiàn)實(shí)。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(yù)報(bào)和安全保障服務(wù)可能會(huì)得到顯著提升

擔(dān)憂

是不是太低了？

目前業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍人物普遍預(yù)期，隨著產(chǎn)量增加，成本將會(huì)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(yùn)行不穩(wěn)定和發(fā)射失敗的可能性更高。

低軌道帶來(lái)的大氣阻力更大，可能導(dǎo)致意外脫軌。由于每個(gè)星座包含大量衛(wèi)星，因此準(zhǔn)備發(fā)射的備用衛(wèi)星數(shù)量將超過(guò)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(fēng)險(xiǎn)，意味著需要更多衛(wèi)星來(lái)填充和備份星座，并進(jìn)行更多次發(fā)射。

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

優(yōu)勢(shì)

為了更好地了解超低地球軌道（VLEO）及其帶來(lái)的機(jī)遇，之前歐洲航天局（ESA）發(fā)起了一項(xiàng)創(chuàng)意征集活動(dòng)，旨在尋找利用VLEO獨(dú)特特性并應(yīng)對(duì)其挑戰(zhàn)的創(chuàng)新方法。

我們也在尋找？

1. 利用 VLEO 的獨(dú)特特性或與更高軌道相比改進(jìn)運(yùn)行方面的新任務(wù)和系統(tǒng)概念。
2. 針對(duì)超低地球軌道（VLEO）的新技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)，例如吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)、防護(hù)材料和涂層、導(dǎo)航和控制等，也鼓勵(lì)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(jī)遇的研究活動(dòng)。
4. 其他能利用VLEO 的航天項(xiàng)目

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