低轨卫星最低轨道高度及其发展意义

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一、天与空的区别

“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围，通过气球、飞机、飞艇等航空器可达；而大气层之外的空间，才可以称之为“天”，一般需要通过火箭才可到达。

1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会决议规定，“地球表面100Km以上空间为航天空间，为国际公共领域，100Km以下空间为航空空间领域”。而天与空之间的分界线便是“卡门线”。

二、卫星轨道的最低运行高度

主要是考虑气象因素，大家知道地球有一个大气层，90%大气质量在30Km以下，30Km以上逐渐稀薄了。随着高度的增加，空气密度急剧下降：

• 在距地面100Km的高度上，空气密度为海平面的一百万分之一；
• 在120Km高度上，空气密度为海平面的几千万分之一；
• 在200Km高度上，空气密度只有海平面的五亿分之一。

由于卫星以7.9公里／秒的速度飞行会受到很大的阻力，并且与空气磨擦会产生数千度甚至上万度的高温，从而烧坏卫星。因此，必须把卫星的轨道选在稠密大气层以外，即120公里的高空，这时空气密度只有地面的几千万分之一了。

三、卫星轨道更低有什么好处？

往更低处，抢占太空价值制高点。低轨、大规模星座构建是当前卫星行业的发展趋势，但地球轨道空间的轨位和频率资源是有限且不可再生的。这个事实，在马斯克的太空探索技术公司（SpaceX）大规模部署近地轨道卫星的“星链”计划公布后，才逐渐引发了人们的危机意识。

根据国际电信联盟规定，卫星频率及轨道使用的规则是“先到先得”。已知300至1000km左右的低轨道大约能够容纳5.8万卫星，而“星链”计划如果实现，最高将占据4.2万颗卫星的轨道位置。“星链”也在往更低处延伸，其二期申报的三个高度和倾角共7518颗卫星，轨道高度已低至335.9至345.6km之间。

“整个航天行业的形态都受到了颠覆。”作为应对，中国2020年推出了代号为“GW”的星座计划，计划发射的低轨卫星总数接近1.3万颗。但至此，如果算上已经在运行的卫星，以及一些停止工作但仍然飘荡在太空中的“死卫星”，低轨道空间的资源规划已经接近枯竭。

在这样的背景下，瞄准更低的轨道，成为了争夺太空“通行证”的新突破口。

卫星在超低轨道飞行本身具有很多优势。根据测算，如果卫星从650千米的轨道高度降至160千米而保持稳定飞行，性能不变的前提下，雷达频射功率需求会降低64倍，通信频射功率需求会降低16倍，光学孔径直径需求会降低4倍。

这意味着，信息的传输效率将得到提高，卫星的载荷重量将大大减轻，同时还能降低研制和发射成本，使卫星更适合批量化生产、高密度发射。

四、超低轨道卫星的运行难点

从300km起，卫星就进入了所谓的超低轨道。 这是一片动力学环境极其复杂的空间：从600km下降到300km以下，大气密度会增加数千倍，空气阻力骤增。卫星还受到地球引力更强烈的“拉扯”，很容易失控坠入大气。不仅如此，由于残余大气中存在高浓度腐蚀性原子氧，还会导致卫星出现材料剥蚀、性能退化等现象。维持卫星在超低轨道上长期稳定运行，客观上存在很高的技术门槛。拿我国在轨的航天器来说，中国空间站的轨道高度是400km，资源、高分、环境等卫星大部分运行在400-2000km之间，再往高处，也有卫星运行在3.6万千米高空的地球同步轨道。但在超低轨道上，目前并没有飞行器长期驻留。

五、国内外对超低轨卫星的探索现状

世界范围内，超低轨道空间的高价值越来越受到航天力量的重视。欧空局在超低轨道卫星的研究上的投入高达10亿多欧元，2009年，它们曾发射重力场和海洋环流探测卫星GOCE，在250-260 km的轨道上运行近5年后坠落。

2017年，日本发射了“超低轨道技术试验卫星”（SLATS），测试了从发射到在轨运行的一系列关键技术，最低运行轨道达到了180km。

眼下，发展势头最迅猛的是美国。由飞行器制造商洛马公司前高级系统工程师创办的反照率公司（Albedo）计划在2027年实现24颗超低轨道卫星组网，运行在200至300千米的轨道；美国空军支持的地球观测者（Earth Observant）公司设计的 “魔鬼鱼”（Stingray）卫星计划在250km的轨道完成组网，能够向美国空军、陆军提供近乎实时的卫星图像。

这些国家在超低轨道方面的布局各有侧重，比如欧空局的项目主要服务于自然科学研究，美国侧重遥感应用，日本虽然做出了应用层面的探索，也公布过一系列后续计划，但受到行业发展等种种原因限制，都未能实施。

整体来看，美欧国家主要超低轨道项目的技术水平都还处在业务化和实用化的前夜。加入超低轨道空间的探索，中国起步不迟，但已经时不我待。

六、我国对超低轨卫星的探索

2023年7月22日13时07分，浙江企业赛思倍斯智能科技有限公司（Cspace）研制的超低轨道试验卫星“乾坤一号”在酒泉卫星发射中心发射升空。

“乾坤一号”试验卫星的入轨高度为500公里，未来将根据任务需求，在300公里、268.13公里、250公里的轨道高度完成超低轨道长期稳定飞行业务，最终到达200km以下的轨道，突破太空极低轨道高度完成短期飞行业务试验。

2020年，赛思倍斯在浙江成立，瞄准了超低轨道空天智能飞行器这条新赛道。据了解，除了这家科创企业以外，国内公布了超低轨道卫星计划的只有中国航天科工集团，上周他们宣布将在今年底完成首发星发射，在2030年前完成300颗通遥一体卫星的在轨组网运行。

在“乾坤一号”立项之初，国内没有完整地开展过超低轨道长期飞行试验，在构型设计、轨道维持和姿态控制等核心技术上，研发团队均进行了大量创新。

而这次发生的主要任务就是“验证”：四次大幅度降轨，尽可能地摸清超低轨道不同高度的空间环境特征，全方位验证卫星的飞行控制、平台能力等关键技术，为后续超低轨道空天智能飞行器的型谱化研制铺平道路。

比如，在超低轨道长时间运行，需要持续、高效的电推进系统进行长期轨道维持，这是“乾坤一号”完成飞行业务最重要的技术保障；环境动态变化剧烈，不确定因素极多，需要控制系统作出更加实时、精准的分析判断，对卫星高精高稳定度姿态控制技术也提出了极高的要求。

七、网页链接

1. 5G，上天了! 卫星和基站擦出了火花?
2. 百度知道-地球卫星的最低轨道高度是多少？
3. 潮声丨揭秘我国首颗超低轨卫星：比星链更低，它拿下新空间“通行证”