随着快速发展的商业卫星领域希望利用甚低地球轨道（VLEO）的优势，一些卫星公司认为这将变革商业和国防太空应用。甚低地球轨道位于距地球表面250至400公里的太空边缘。

Arcfield子公司Orion Space Solutions的战略副总裁兼首席技术官查德·菲什（Chad Fish）表示：“甚低地球轨道令人无比兴奋，因为它是一个新的前沿领域。”

靠近地球的好处显而易见：图像更清晰、信号质量更好、定位更精确、延迟更低、频谱利用更高效，并且轨道具有“自我清洁”功能，碎片会自然衰减。

Redwire Space Missions总裁汤姆·坎贝尔（Tom Campbell）称，根据信号类型，甚低地球轨道与地球的接近程度极大地增强了感知能力。

他解释道：“射频（RF）信号强度会随距离迅速下降，但甚低地球轨道使卫星与地面的距离缩短一半，使传感器的感知能力提高四倍。”

对于雷达有效载荷而言，这种效果更为显著。在雷达有效载荷中，射频能量被发射到地面然后反射回来，这意味着感知能力提高八倍。该轨道还使卫星星座架构更具弹性，不仅可以俯瞰地面，还可以仰望追踪碎片或支持导弹防御。

然而，这些好处也伴随着挑战：始于卡门线的甚低地球轨道需要持续推进或重新助推以维持其高度。而且甚低地球轨道位于高层大气中，周围环绕着原子氧。与对生命至关重要的氧气（O₂）不同，原子氧寿命短暂，几乎能与所有物质迅速发生反应。它会造成显著的气动阻力，导致卫星和系统的轨道迅速衰减。

尽管存在这些缺点，自20世纪60年代以来，甚低地球轨道就被用于美国的间谍卫星任务。在甚低地球轨道飞行的间谍飞机拍摄高分辨率监视图像，并将其放置在配备隔热罩的特殊再入舱中投放。

如今，由于推进技术和材料科学的有前景的进展，人们对甚低地球轨道重新产生了兴趣。

瞻博研究公司（Juniper Research）电信与连接团队的高级研究分析师亚历克斯·韦伯（Alex Webb）表示：“甚低地球轨道的市场潜力巨大，全球商业和国防领域都有投资兴趣。”

瞻博研究公司大胆预测，到2027年，全球对甚低地球轨道的投资将增长到220亿美元，三年内增长1100%。到2030年，甚低地球轨道上的运行卫星数量预计将超过620颗，与2025年计划的少量资产相比大幅增加。

而且，美国并非唯一关注距地球最近轨道的国家：根据美国太空部队的《太空威胁情况说明书》，中国正在为商业和军事应用大力投资甚低地球轨道技术。中国航天科工集团公司（CASIC）计划到2027年拥有192颗卫星集群，到2030年拥有300颗，运行高度在距地球150至300公里之间。

几家航天企业正在竞相为甚低地球轨道部署新技术和平台。与地面的较短距离实现了超低延迟通信和更快的数据传输速率，为地面用户提供近乎实时的情报，这是现代军事行动以及电信、灾害响应和环境监测的关键要求。

推进和材料方面的研究突破

吸气式电力推进系统的进展以及材料科学的突破推动了人们对甚低地球轨道日益增长的兴趣。

宾夕法尼亚州立大学工程设计、电气工程和航空航天工程教授斯文·比伦（Sven Bilén）指出：“在甚低地球轨道运行的最大挑战是保持在该轨道上。”他也是美国国防高级研究计划局（DARPA）国防科学办公室一项100万美元研究的首席研究员，该研究是其“电荷和谐破坏机会”项目的一部分。

他解释说，该项目要求的轨道“在技术上定义为低于甚低地球轨道，有时我们称之为次卡门线轨道”，大约距地面100公里或60英里。

比伦补充道：“你如何在航天器上获得运行系统所需的能量？通常，甚低地球轨道航天器表面覆盖着太阳能电池板。这样可以收集更多电能，但也会产生更多阻力。”

宾夕法尼亚州立大学及其研究合作伙伴佐治亚理工学院正在进行第二年的研究，开发一种新型吸气式微波等离子体推进器，以帮助甚低地球轨道航天器保持在轨道上。

佐治亚理工学院丹尼尔·古根海姆航空航天工程学院威廉·R.T.奥克斯二世学院主席、联合首席研究员米切尔·沃克（Mitchell Walker）指出，推进剂需求会根据昼夜循环、季节和太阳活动的变化而变化。因此，“甚低地球轨道要求推进装置具有高度的灵活性和适应性，远远超过传统系统。”

沃克解释说，一个主要的技术挑战是设计系统，使推进剂（在甚低地球轨道主要是大气中的氧气）以比进入时更高的速度排出，这一过程类似于喷气发动机而非传统太空推进。

比伦表示，该研究处于实验室演示阶段，“但要将其发展为可飞行的原型还有很多工作要做。”

沃克预计，一个可飞行的系统将在不久的将来发射。“问题是，它的性能如何，能持续多久？”

科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学教授蒂莫西·明顿（Timothy Minton）正在解决另一个甚低地球轨道问题：原子氧大气对卫星系统的腐蚀作用。他的团队正在开发新的材料系统，不仅能抵抗原子氧的恶劣影响，还能最小化气动阻力，这一双重目标对于延长卫星在甚低地球轨道的使用寿命和减少燃料消耗至关重要。

明顿的团队率先使用了先进聚合物，并通过原子层沉积技术涂覆了如氧化铝和氧化锆等超光滑、抗原子氧的涂层。这些涂层保护并延长了卫星表面的使用寿命。

明顿说：“如果要延长卫星在甚低地球轨道的使用寿命，同时具备抗原子氧和低阻力性能至关重要。”他的研究重点还包括利用分子束 - 表面散射数据开发气体 - 表面模型来预测阻力。

是低地球轨道（LEO）拥挤问题的解决方案吗？

如果这些和其他研究突破使甚低地球轨道适用于长期任务，它可能为日益拥挤的低地球轨道环境提供一种替代方案。预计未来五年内将有多达7万颗卫星发射到低地球轨道，其中大部分来自中国。

韦伯表示：“低地球轨道的拥挤状况肯定是卫星供应商关注的问题，但甚低地球轨道在观测和通信方面的优势绝对是其巨大吸引力。”

作为一个具有“自我清洁”功能的轨道，甚低地球轨道为低地球轨道面临的轨道拥挤问题提供了一个有吸引力的解决方案。菲什认为：“在低地球轨道能做的事情，在甚低地球轨道都能做，而且做得更好。你能获得更清晰的测量结果、更精确的数据和前所未有的新视角。”

Orion Space正在参与美国国防高级研究计划局的客座研究员计划，以增进对甚低地球轨道区域的了解。该公司正准备部署国防高级研究计划局的“占卜板”（Ouija）纳米卫星，该卫星专为在甚低地球轨道进行长期运行而设计。原定于6月发射的这次任务将携带一套电离层和高频传感器及仪器，以帮助对甚低地球轨道进行分类，为国防高级研究计划局提供关于高频环境的新见解，为未来的国家安全和通信计划提供信息。

商业企业拥抱甚低地球轨道

另一家甚低地球轨道企业Albedo位于科罗拉多州，最近将业务重点完全转向为甚低地球轨道市场构建平台，而不是销售从甚低地球轨道收集的商业图像。

该公司联合创始人兼首席执行官托弗·哈达德（Topher Haddad）表示：“我们全力投入甚低地球轨道领域。”

该公司计划将其甚低地球轨道卫星和卫星平台推向其他运营商，尽管其目前的客户是像国家侦察局（NRO）和空军研究实验室（AFRL）这样的政府机构，它们希望利用Albedo于3月发射的“清晰一号”（Clarity - 1）甚低地球轨道卫星提供的数据。“清晰一号”设计为在距地球300公里以下的轨道运行，可作为禁飞区和冲突地区飞机或无人机的替代方案。

国家侦察局正在根据其“战略商业增强”计划从Albedo的卫星购买可见光和热红外数据。空军研究实验室去年3月向Albedo授予了高达1200万美元的资金，以共享其甚低地球轨道在轨数据，支持该实验室的新任务和有效载荷开发工作。

哈达德表示，甚低地球轨道与地球的接近程度为下一代卫星系统带来了新的可扩展性和性能。

他说：“甚低地球轨道为多个任务集实现了一个完美的三重组合。如此接近地球能实现卓越的能力，但成本并不高昂。然后，你可以将节省的资金用于增加卫星数量。而且由于阻力和位于辐射带下方，你可以避免低地球轨道的不利情况。卓越、可扩展且多样化。”

解决阻力问题可使卫星在轨道上运行更长时间。Albedo表示，其甚低地球轨道硬件使用的材料和涂层将原子氧的损害降至最低，使其能够实现四年的任务寿命。该公司目前专注于大规模制造。

哈达德表示，垂直整合将加快公司的市场进入速度：“我们内部掌握的环节越多，行动就越快，规模扩张也越大。”

另一家甚低地球轨道企业Redwire Space位于佛罗里达州，已开发了两个甚低地球轨道平台：面向美国市场的“军刀卫星”（SabreSat）和面向欧洲市场的“幻影”（Phantom）。

该公司最近宣布获得美国国防高级研究计划局的第二笔价值4400万美元的资金，用于为该局的“水獭”（Otter）甚低地球轨道任务建造一艘吸气式航天器。根据第二阶段合同，Redwire将为该任务制造并交付其“军刀卫星”平台，国防高级研究计划局希望借此证明在甚低地球轨道进行超过一年的长期飞行是可行的。

坎贝尔将“水獭”描述为一颗具有革命性的吸气式卫星，将展示在甚低地球轨道使用新型电力推进系统。吸气式系统利用卫星或航天器周围的空气并将其转化为燃料。

Redwire面向欧洲市场的甚低地球轨道平台“幻影”设计为在轨道上运行长达五年，并被选用于欧洲航天局的“Skimsat”甚低地球轨道小型卫星演示任务。

坎贝尔表示：“拥有欧洲和美国资助的持续甚低地球轨道开发计划使我们能够很好地为作战人员服务。”他指出，国防领域推动了大部分甚低地球轨道投资，同时也有一些商业投资用于获取高分辨率图像。

Redwire依靠其数字工程工具来模拟甚低地球轨道的空间天气影响，以及大气阻力和原子氧对材料的降解作用。

坎贝尔说：“数字工程是Redwire甚低地球轨道任务和星座开发战略的核心。最终，它将使我们能够快速迭代、验证设计决策，并根据客户的具体要求定制甚低地球轨道星座，确保任务成功并有效利用太空资产。”

另一家位于佛罗里达州的企业Star Catcher正在努力建造可能是太空中的第一个电网，并设想其网络将改变甚低地球轨道的格局。

Star Catcher联合创始人兼首席执行官安德鲁·拉什（Andrew Rush）解释说：“将电力传输与电力推进相结合，实际上可以让你更有效地利用燃料。”他用汽车获得更多汽油来类比卫星获得更多电力，解释说电力与新型电力推进器相结合可以“提高航天器的‘燃油效率’”。

他说：“我们预计Star Catcher将使甚低地球轨道卫星在无需更大太阳能电池板的情况下产生2至10倍的电力。”

Star Catcher于15个月前开始运营。该公司已经进行了多次技术演示，并宣布与太空即服务制造商Astro Digital达成协议，后者将从Star Catcher的电网购买电力为其卫星提供动力。拉什表示，其电网应能及时上线，赶上首批甚低地球轨道卫星发射，并且将受益于加利福尼亚州Viridian等公司在吸气式电力推进方面的进展。

拉什说：“将电源与吸气式技术（如Viridian正在开发的技术）相结合，将在低地球轨道实现真正类似飞机的运行和性能范围。”

Viridian联合创始人兼首席技术官马修·费尔德曼（Matthew Feldman）评论道：“吸气式电力推进将从根本上改变我们发射卫星的方式，使这些航天器能够比以往任何时候都更低、更久地维持运行，甚至可以利用收集的大气推进剂按需进行机动。像Star Catcher的太阳能传输这样的技术将为我们的吸气式电力推进系统等系统提供强大动力，实现更多的任务集。”

Viridian最近因其“空气收集式电动推进器技术”（ASET）获得了两项第二阶段小企业创新研究资金。该系统从高层大气中收集空气作为燃料，创建了一个可补充燃料的卫星平台。

他说：“Viridian已经在地面测试中验证了关键组件，并正在利用这些最新资金加速开发一种能够在甚低地球轨道无限期维持飞行的集成推进系统。”

乐观前景

韦伯表示，甚低地球轨道的价值不仅仅局限于国防应用。瞻博研究公司的这位分析师认为，甚低地球轨道在直接设备通信（D2D）和直接卫星通信方面有强大的应用案例，智能手机和物联网设备可以直接与卫星连接。考虑到全球有近100亿移动用户和40亿蜂窝物联网设备，潜在的可寻址市场规模巨大。韦伯说：“成功应用取决于商业模式和终端用户定价。”

太空探索技术公司（SpaceX）将其直接与手机通信的卫星星座目标设定在甚低地球轨道，最近提交了一个新的星座申请，其中包括位于甚低地球轨道和低地球轨道的卫星。

其他商业应用案例包括地球观测，如高分辨率图像、环境监测和资产跟踪。

展望未来，行业领袖们设想甚低地球轨道未来将像低地球轨道一样广泛应用。

Star Catcher的拉什表示：“很有可能在未来十年内，我们将看到甚低地球轨道出现与低地球轨道类似的大规模卫星星座。”

Albedo的哈达德补充道：“我们将在甚低地球轨道看到数千颗卫星。而且由于其具有‘自我清洁’功能，碎片只会存在几周，使其成为一个真正可持续的轨道。”

Redwire预计，有一天空中和太空资产将在甚低地球轨道协同工作，这对于美国拟议的“金穹顶”（Golden Dome）多层导弹防御系统的任务规划者来说尤为重要，该系统旨在在弹道导弹、高超音速导弹和巡航导弹发射前或飞行过程中进行探测和摧毁。

坎贝尔总结说，将甚低地球轨道卫星与空中平台相结合，将为国家安全任务操作员提供“多种选择，以快速探测、跟踪或应对动态威胁”。

本文编译自 SatelliteToday ，发表于2025-12-02