太空新赛道：超低地球轨道（VLEO）卫星的角逐与展望

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在地球大气层边缘，一场全新的太空竞赛正在悄然上演。如今，众多公司竞相开发一类新型卫星 —— 超低地球轨道（VLEO）卫星，其运行轨道高度低于传统卫星，距离地球更近，旨在开拓这片尚未被充分挖掘的太空领域。

目前，约有 10,000 颗卫星正以高达 17,000 英里 / 小时（27,000 公里 / 小时）的速度环绕地球飞行。而 VLEO 卫星则试图突破常规，在更低且更不稳定的轨道运行，贴近地球大气层顶部。这一高度的航天器被称为超低地球轨道卫星，与更高轨道的卫星相比，它们需要对抗来自大气层上层空气更大的阻力，否则就会被地球引力拉回地面。然而，一旦成功，这些卫星或许能实现 “永远飞行” 的奇迹。
据了解，地球轨道通常按高度划分不同部分。最高的是高地轨道，约 22,000 英里（36,000 公里）及以上，卫星在此进入地球静止位置，常用于电信和天气监测；中地球轨道从约 22,000 英里（36,000 公里）延伸至地球表面上方 1,200 英里（2,000 公里）；近地轨道则延伸到 250 英里（400 公里）高度，国际空间站就位于此。而 VLEO 被宽泛定义为国际空间站以下、高度约 60 英里（100 公里）的轨道区域。
由于地球大气层的影响，在 VLEO 运行困难重重。大气中的分子撞击卫星会使其动量减少，被地球引力拖向地面。一颗留在中地球轨道或以上的卫星可绕地球运行数千年，而在 VLEO 中，卫星的持续时间可能仅有数月、数周甚至数天，取决于其速度、形状和质量。当卫星下降到约 60 英里（100 公里）高度时，较厚大气层产生的强烈摩擦会使其承受数千度高温，最终解体。
尽管困难重重，仍有少数先驱公司勇于尝试。他们设计的卫星能够在这些异常低的高度绕地球运行，同时收集空气并将其转化为推进剂。这种名为吸气式电力推进（ABEP）的技术，本质上是在卫星前部固定一个大桶或开口，大气中的气体分子流入后被电离产生产生推力的等离子体。
目前，已有多家公司和研究机构投身于 VLEO 卫星的开发。如欧洲航天局的重力场和稳态海洋环流探测器（GOCE）卫星，2009 年发射，轨道高度约 155 英里（250 公里），利用离子推进系统抵消大气阻力，虽最终耗尽燃料，但展示了在 VLEO 运行所需的设计选择。
近期，英国的 Stellar 高级概念公司获得英国政府 390,000 英镑（510,000 美元）赠款，计划到 2027 年将搭载小型地球观测相机的 ABEP 技术卫星发射到太空，作为原理验证；西班牙的 Kreios 空间公司也在开发 ABEP 原型机，目标是 2026 年试飞，其卫星将在 125 至 155 英里（200 至 250 公里）高度进行测试，这里被认为是推力和阻力平衡的最佳高度。
美国国防部的 Otter 计划已承诺超过 2000 万美元（1600 万英镑），助力多家公司开发吸气式 VLEO 卫星。其中，Redwire 正在设计名为 SabreSat 的 “轨道无人机”，有望实现无限的 VLEO 轨道；其欧洲分支机构还在开发名为幽灵的 VLEO 卫星，作为欧洲航天局 Skimsat 项目的一部分，虽不采用吸气技术，但依靠特殊材料和空气动力学设计减少阻力。
在 VLEO 运行卫星具有诸多优势。对于地球成像，离地球越近，图像分辨率越高，可使用更小相机获得相同数据质量，或用相同相机获得更高分辨率，这对军事、民用领域，如海事、农业、野火监测等都大有用处；在通信方面，VLEO 卫星更接近地面，对于太空互联网服务意义重大，可像手机信号塔一样将互联网直接传送到手机，实现直接到单元的星座通信。据预测，VLEO 卫星服务的全球市场到 2032 年可能达到 150 亿美元（115 亿英镑）。
不过，VLEO 卫星也面临一些问题。一方面，VLEO 中产生的碎片有时会被抛到更高轨道，给其他卫星带来威胁，如 2019 年印度反卫星导弹试验产生的碎片就被送上了 870 英里（1,400 公里）的高度，并在轨道上停留了 18 个月；另一方面，卫星在这样的高度对太阳活动敏感，太阳活动起伏会使地球大气层收缩或膨胀，影响卫星运行，2022 年新发射的 2022 颗 SpaceX Starlink 卫星就因地磁暴导致大气阻力增加，被拉回地球并燃烧殆尽。
尽管挑战重重，但不可否认，人们对 VLEO 这片位于太空边缘的区域兴趣日益浓厚。这场竞赛的胜利者，将有望开启太空技术的新时代，为人类探索太空、利用太空资源带来更多可能。