低成本+高分辨，军事应用潜力大！-极低地球轨道（VLEO）航天器现状与发展。

1月前浏览1483

本文摘要（由AI生成）：

极低地球轨道（VLEO）是一种距离地球表面 250 至 450 公里的轨道，具有更高的分辨率和更快的通信速度，但也面临着大气阻力的挑战。本文探讨了 VLEO 在卫星应用中的价值和潜力，指出其高度低的特点可以提高卫星图像分辨率、降低成本，还能减少空间碎片威胁。随着技术的发展，VLEO 将在天基防御战略中发挥关键作用。目前，许多国家和公司都在进行现代 VLEO 演示，以实现更高分辨率的图像和更快的数据传输。欧洲国防局（EDA）也召集两个欧盟成员国，共同开发了一种可以在 LEO 和 VLEO 之间机动的卫星演示器，该项目名为 LEO2VLEO，预算为 1000 万欧元，目标是在两年后进行太空发射。该项目将由荷兰、奥地利和 EDA 共同合作完成，EDA 将提供全程支持。

极低地球轨道（VLEO）是指距离地球表面250至450公里的轨道

通常极低地球轨道指距离地球表面250公里到450公里的轨道。极低轨道航天器（VLEO）能够实现更高的分辨率和更快的通信，但大气阻力是主要的挑战！在低空飞行卫星可以大幅降低星座的成本。

在航空航天和国防卫星遥感不断发展的背景下，极低地球轨道（VLEO）的战略意义越来越明显。具体而言，在传统近地轨道（LEO）卫星一半高度（通常为250至350公里）飞行的卫星距离地面的距离是传统近地轨道卫星的一半，因此能够更好地观察地面。将卫星定位在离地球更近位置的能力为军事和情报行动开辟了新的可能性。虽然在这个高度上绕轨道飞行需要克服工程上的挑战，但研发工作的成果现在正在实现。然而，VLEO并不是一个真正的新领域。
在冷战时期，美国早期涉足天基侦察的项目包括科罗纳卫星计划。1960年，一架空军U-2侦察机在苏联上空收集图像时被地对空导弹击落，这加速了美国开始从卫星而不是飞机收集头顶图像的计划。科罗纳号于20世纪60年代和70年代初发射，是中央情报局与空军合作采购和运营的一系列战略侦察卫星。事实上，这些卫星是经过改造的Agena火箭末级，配备了在VLEO高度（通常低于150公里）飞行的相机。当时还不存在数码相机，因此胶片将被放置卫星返回舱中返回地球，然后由美国的情报分析员回收和处理。虽然当时将火箭转化为卫星是一种新的VLEO方法，但在今天并不实用。

早在2017年，总部位于圣地亚哥的Skeyeon公司的首席执行官Reedy曾邀请公司团队证明在该轨道航天应用的不可能性，但是经过1年多的研究，该团队不但不能证明在该轨道的航天器不能发挥作用，反而证明工作于该轨道的航天器能够发挥作用。Skeyeon公司一直在开发和测试一个小型卫星星座的关键组件，以提供约250公里高空的高分辨率每日地球图像。Skeyeon公司并非唯一开发工作于远低于传统轨道卫星的公司。总部位于旧金山的地球观测站和德克萨斯州奥斯汀的艾伯多也在筹集资金，计划将卫星送入极低地球轨道（VLEO）。与此同时，欧盟向“发现者”号投入了570万欧元（670万美元），这是一个“地平线2020”研究项目，旨在“彻底重新设计”用于低空作业的地球观测卫星。

为什么大家都对VLEO感兴趣？卫星的成本往往随着高度的升高而上升。靠近感兴趣的目标可以降低望远镜光学的成本。靠近地面站允许减少了对无线电功率的需求，减少了对大型太阳能电池板的需求。对于通信任务来说，较低的轨道意味着较低的数据传输延迟。此外，VLEO使卫星暴露在更少的辐射下，可以应用更多非宇航级的器件。
泰雷兹阿莱尼亚航天公司（Thales Alenia Space）在2016年一篇关于Skimsats的论文中解释说，将卫星高度从650公里降低到160公里会导致“在相同的性能下，雷达射频功率降低64倍，通信射频功率降低16倍，光学孔径直径降低4倍，Skimsats是法意公司为VLEO设计的小型卫星。Cognitive Space首席执行官、前BlackSky首席技术官Scott Herman曾表示：“要想获得更高的分辨率，并在一个小卫星世界中发挥作用，你唯一的选择就是降低卫星轨道”。

Thales Alenia Space公司 Skimsat卫星在轨渲染图

在技术层面VLEO也存在严峻的挑战。在450公里的高度以下，大气阻力将极大缩短卫星的寿命，除非星载推进或外力将其提升得更高。VLEO卫星以前曾经进行过飞行试验。2009年至2013年，欧洲航天局的重力场和稳态海洋环流探测器航天器GOCE在氙燃料电动推进器的帮助下保持在240-280公里的高度。氙还为电动推进器提供动力，使日本宇宙航空研究开发机构的超低空试验卫星（SLATS）在2017年至2019年间保持在约200公里的高度。幸运的是，对于专注于VLEO的小公司来说，各种新的轻型电动推进器正在实验室和轨道上证明了自己的实力。此外，德国斯图加特大学空间系统研究所获得了Discoverer的资助，用于测试空气呼吸式电动推进器的关键技术，这是一种将稀薄大气转化为VLEO卫星推进剂的推进器。大气阻力也不全是坏事，其限制了VLEO卫星碎片的产生，并确保卫星失效时迅速进入地球大气层。

与适用于更高轨道的方形卫星不同，VLEO卫星可能是圆柱形或像箭头一样尖的，以减少大气阻力。航空航天公司（Aerospace Corp.）认为VLEO是DiskSat的一个很有前途的应用，DiskSat是一颗形状像板的卫星，带有星载推进器以保持其直立。航空航天公司任务系统工程高级科学家Richard Welle表示，作为DiskSat演示的一部分，航空航天公司计划在低至250公里的高度进行持续测试。

DiskSat示意图

曼彻斯特大学的研究人员正在他们的稀有轨道空气动力学研究设施和轨道空气动力学卫星（SOAR）上测试减少地面阻力的材料，这是一个由发现者资助（Discoverer-funded）的立方体卫星，于2021年6月从国际空间站实施了空间部署。SOAR配备了一台光谱仪来测量大气密度、成分和风速。三个单元的立方体也有类似飞机飞行控制表面的鳍。

1） NanoCom ANT430
2） NanoTorque GST600
3） NanoPower P31u
4） NanoPower BP4与HG2细胞
5） NanoMind A3200和NanoCom AX100
6） NanoMind A3200，Astrofein WDE，Novatel 719
7） NanoUtil堆叠断路器，带NanoSense M315和EPSON G370
8） Astrofein RW-1
9）空气动力学有效载荷
10） ISIS 3U结构
11） INMS有效载荷
12）太阳能电池阵列（MSP500和P110）
13）感应GSSB级间
14） NanoUtil FPP
15）空气动力学有效载荷部署套件

SOAR卫星

SOAR卫星使用控制表面进行一些空气动力学控制机动，通过在卫星上安装不同的附件来产生空气动力学扭矩。无论何种材料限制阻力，都必须证明其对VLEO中高水平的原子氧具有弹性。日本宇宙航空研究开发机构400公斤SLATS上的一台仪器测量了原子氧，并监测了其对样品材料的影响。类似的研究正在世界各地的实验室继续进行。对于工作月VLEO轨道的卫星而言，原子氧看起来像是致命的问题。然而，Skeyeon公司后来在一个专门的原子氧测试设施中发现了有前景的样品材料，该公司目前正在国际空间站的外部平台上进行试验。。

卫星星座运营商也非常清楚VLEO的好处。2019年，Planet将地球观测SkySat的高度从500公里降低到450公里，以提高SkySat图像的分辨率。
太空探索技术公司透露，根据联邦通信委员会2018年批准的计划，计划将约7500颗星链卫星发射到335至346公里的高度。
对于未来的星座，VLEO轨道航天将节省大量成本。商业航天实践证明，卫星高度高度是一个巨大的成本决定因素，而成本是决定你能发射多少卫星的关键因素。按照每颗卫星20万至30万美元的价格，一个100颗卫星的星座以每像素一米的分辨率收集每日全球图像将花费2000万至3000万美元。Albedo的创始人，这是一家专注于捕捉每像素10厘米分辨率的地球图像的初创公司。
地球观测站（Earth Observant）正在与2020年美国空军小企业创新研究合同一起开发VLEO地球成像卫星。根据SBIR.gov网站上发布的摘要，该合同资助了一颗能够收集25厘米分辨率图像并在几分钟内“直接向作战人员”传输数据的卫星的研制工作。地球观测组织联合创始人兼首席执行官Christopher Thein表示：“VLEO可以以很小的成本实现地球观测。”。“潜力巨大，因为人们想要更高分辨率的数据。”艾伯多首席执行官托弗·哈达德（Topher Haddad）在开始寻找获得每像素10厘米分辨率的地球图像的方法之前，并没有专注于VLEO。哈达德说，第一步是弄清楚“我们能飞多低”。哈达德还没有准备好分享答案，但这家初创公司已经筹集了1000万美元，用于建造一个冰箱大小的卫星星座，以收集10厘米分辨率的电光图像和2米分辨率的红外图像。

空中客车防务与航天公司、BlackSky、Capella Space、Iceye、Maxar Technologies、Planet和Satellogec等公司已经在传统的近地轨道和地球静止轨道上收集了大量的卫星地球图像。尽管如此，目前的市场并不能让所有人都满意。如果新的VLEO星座成功地为新的星座筹集资金并应对各种技术挑战，它们可能会填补这类新的商业航天遥感市场。

乌克兰战争以新的方式突显了卫星图像的力量，并已经改变了军方战术上使用轨道侦察的方式，改变了公众的看法。例如，当俄罗斯最初准备特别军事行动时，美国政府购买了更多的商业卫星图像，以前所未有的水平向公众和乌克兰提供信息流，没有留下质疑俄罗斯意图的余地。

近年来，美国（包括几家国内公司和实验室，如麻省理工学院林肯实验室）、欧盟、日本和中国都在进行现代VLEO演示。关键的进步使VLEO卫星能够在以下领域：电力推进、导航、机载计算和低成本数字图像。欧洲航天局的重力场和稳态海洋环流探测器是一些值得注意的现代VLEO任务，该任务于2009年3月至2013年11月投入使用。它的设计目的是在约255公里的高度运行时绘制地球引力图。接下来，2017年，日本宇宙航空研究开发机构发射了搭载传感器和相机的超低空试验卫星。它于2019年完成了任务。最近，欧洲航天局将Skimsat计划授予了泰雷兹阿莱尼亚航天公司和Redwire，该计划旨在通过在VLEO中运行来降低地球观测的成本。
由于这些进步和演示，国家安全任务很快将能够使用VLEO解锁更高分辨率的图像，同时降低成本。可以通过使用较小的发射器来降低成本；使用商业上可买到的相机，这些相机不需要在更高轨道上运行所需的辐射强化电子设备；并且不需要大的光学器件来弥补LEO的更高轨道高度拔。在VLEO中运行不仅仅是为了提高分辨率和节省成本，它还为LEO中日益增长的空间碎片威胁提供了一种独特的缓解措施。
商业发射数量迅速增长的碎片和废弃级导致了轨道碎片问题。一个明显心的例子是俄罗斯的反卫星导弹试验。2021年11月15日，俄罗斯地向太空发射了一枚导弹，瞄准并摧毁了自己的卫星，形成了一团碎片，后来威胁到国际空间站上宇航员（和俄罗斯宇航员）的生命。正如我们在业内所知，许多普通的太空迷通过电影《地心引力》了解到的那样，低地球轨道上的物体碰撞会引起级联连锁反应。低轨轨道上的碎片云可能会持续十年或更长时间。然而，VLEO是自清洁的。碎片和未发射的卫星通常在几天内自然进入地球高层大气并安全解体，从而大大降低了其他运行中的甚近地天体卫星的风险。
中国国防领域的关键企业中国航天科工集团公司宣布了部署VLEO卫星星座的计划。这些卫星的轨道高度在150至300公里之间，代表着中国增强遥感能力的雄心迈出了重要一步，有望实现更高分辨率的成像和更快的数据传输。中国航天科工集团公司在本月早些时候于武汉举行的中国商业航天论坛上透露，到2027年，极低地球轨道（VLEO）星座将由192颗卫星组成，每半小时为用户提供一次空间信息服务，到2030年将扩大到300颗卫星。据《科技日报》报道，全球遥感能力，包括更高的分辨率、更频繁的重访和更快的传输速度，被视为中国“十四五”规划（涵盖2021-2025年）的关键空间基础设施。

前美国太空司令部司令詹姆斯·迪金森将军在2021年发表了题为《没有太空的一天》的战略愿景，其中强调“我们的竞争对手试图阻止我们不受限制地进入太空，剥夺我们在太空活动的自由。”如前所述，VLEO为美国及其盟友提供的价值不容小觑。高分辨率图像、创新推进系统和VLEO行动的可持续性相结合，使其成为未来国防和情报行动的关键领域。随着这些发展，VLEO将在塑造天基防御战略的动态方面发挥关键作用。
SpenceWise是Redwire公司负责任务和平台的高级副总裁，这是一家全球太空基础设施和创新公司，为民用、商业和国家安全项目提供支持。Spence花了超过15年的时间开发、商业化和倡导创新的空间技术和架构，以支持关键的国家安全任务。

欧洲国防局（EDA）召集了两个欧盟成员国，开发了一种卫星演示器，可以从近地轨道（LEO）机动到极低地球轨道（VLEO），然后再机动回来。
该项目耗资1000万欧元，名为LEO2VLEO：军事危机应对卫星星座，与荷兰和奥地利合作，将设计、开发、发射和运行一个由两到四颗卫星组成的星座。它的目标是在两年后进行太空发射。在这种创新的太空技术中，该项目一旦投入使用，就有能力支持军事行动。该项目于2024年1月19日由荷兰、奥地利和EDA签署。它是在EDA的能力技术区（CapTech）空间签署的，这有助于将两国聚集在一起进行这个合作项目。EDA将全程支持该项目。

LEO2VLEO卫星在轨渲染图

作为初步太空能力的证明，LEO2VLEO项目旨在在短时间内展示这种方法的成本效益。虽然VLEO在与空间碎片碰撞时更安全，因为物体最终会燃烧并被拖入地球大气层，但这种高度需要卫星处理原子氧对表面的侵蚀，因此需要更具抵抗力的材料。
开发一颗能够机动返回传统近地轨道的卫星，将通过仅在必要时在VLEO中花费时间来延长其寿命，并提供更低的成本和额外的发射机会。EDA欧盟国防创新中心（HEDI）资助了一项针对这一问题的初步研究；HEDI于2022年在EDA内部成立，旨在促进军事能力的创新解决方案。如果成功，LEO2VLEO演示星可以为未来支持军事任务的全面作战系统铺平道路。

来源：天驰航宇