航天知识科普 | 了解低地球轨道(LEO):天空开发的门户

金钢狼

什么是低地球轨道（LEO）？

    低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）是指距离地球表面约160公里至2000公里之间的轨道区域。这是离地球最近的宇宙空间，也是人类航天活动最活跃的区域。相比更高的轨道，LEO具备低运行成本、便于发射和接收信号等优势，成为人类探索宇宙的“第一站”。

    迄今为止，所有载人空间站，以及大多数卫星，都在LEO。除了1968年到1972年，阿波罗计划的登月任务把人类送到了LEO以外的太空之外，没有人类在LEO以外的太空飞行。

轨道特征

    维持稳定的近地轨道需要达到平均速度约7.8公里/秒，这也就是我们熟知的第一宇宙速度。不过，随着轨道高度的增加，这一速度会逐渐减小。例如，在200公里的圆轨道上，速度为7.79公里/秒，而在1500公里高度时，速度降至7.12公里/秒。

    LEO区域的重力与地球表面相差不大，因为从地面到LEO的距离相对于地球半径来说较小。尽管如此，重力在轨道上完全被用来提供维持圆周运动的向心力，因此轨道上的物体不会产生相对运动或相互作用的趋势。这种状态让轨道上的人或物体感到“失重”，尽管它们实际上仍然受到引力作用。

    LEO中的航天器会受到来自热层（高度约80至500公里）或外大气层（约500公里以上）的稀薄气体的阻力，这取决于它们所在的高度。由于这种大气阻力，卫星通常不会运行在300公里以下的轨道。低地球轨道的航天器需要应对更高的大气密度以及范艾伦辐射带的内侧影响。

    赤道近地轨道（Equatorial Low Earth Orbit, ELEO）是LEO的一部分，其轨道倾角与赤道接近。这类轨道特别适合快速重访地球上低纬度地区。由于与地球自转方向一致的顺行轨道燃料消耗最低，因此ELEO具有所有轨道中最低的Δv要求。
为什么LEO如此重要？

    低地球轨道对卫星的安置所需的能量是最低的。它提供高带宽和低通信延迟。在低地球轨道上的卫星和空间站更便于宇航员和服务人员使用。

    由于将卫星送入低轨卫星所需的能量较少，而卫星成功传输所需的放大器功率较小，因此低轨卫星被用于许多通信应用，如星链计划。一些通信卫星使用更高的地球同步轨道，以与地球相同的角速度运动，在地球上某个位置上看起来是静止的（见GEO）。

    然而，低轨卫星的瞬时视场很小，每次只能观测地球的一小部分并与之通信，这意味着需要一个“星座”来提供连续的覆盖；低轨卫星的轨道衰减速度也很快——它需要周期性地轨道提升以维持稳定的轨道，或者在旧卫星再入大气时更换替代卫星。

    低地球轨道因其独特的位置和特性，对科学研究、商业开发以及国防战略具有深远意义：

航天器和卫星的理想轨道：LEO是国际空间站（ISS）以及绝大多数遥感、通信和科学卫星的所在地。卫星在LEO中运行，可以以较短的延迟传输数据，提供更高分辨率的地面图像。

商业化的蓝海市场：随着SpaceX、OneWeb、北京国电等公司的低轨卫星星座计划推进，LEO成为互联网接入和全球通信的战略高地。这些星座旨在为全球提供高速、低延迟的互联网服务，特别是偏远地区。

航天发射的实验场：由于LEO靠近地球，航天器在此轨道测试和运行的成本相对较低。它是未来深空探测任务的跳板，为技术验证和实验提供了理想的环境。

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引用来源：https://wikimili.com/en/Low_Earth_orbit