太空的下一個前沿比您想像的更近 – 歡迎來到極低地球軌道衛星的世界
本文最初發表於 對話。 該出版物為 Space.com 上的文章做出了貢獻 專家之聲：專欄與見解。
大約有15,000顆衛星 旋轉地球。他們中的大多數人，比如 國際空間站 和 哈勃望遠鏡居住在 近地軌道， 或 LEO，距離地球表面 1,200 英里（2,000 公里）。
但隨著越來越多的衛星被發射到近地軌道——SpaceX 星鏈互聯網星座 只有最終才會 再派數千人去那裡 – 該地區的 填滿一點。
這就是為什麼有另一個軌道是幸運的，甚至離地球更近，這有望幫助馴服人群。它被稱為 VLEO，或極低地球軌道距地球表面僅 60 至 250 英里（100 至 400 公里）。
像一個 工程師和教授 誰正在開發將人類存在擴展到地球以外的技術，我可以告訴您，極低地球軌道（VLEO）中的衛星比高空衛星具有優勢。除其他優勢外，VLEO 衛星還可以提供 更高分辨率的圖像、更快的通信和更好的大氣科學。全面披露：我也是維多利亞國防公司的聯合創始人和共同所有者，該公司致力於將 VLEO 和其他太空驅動能源技術商業化。
VLEO 的優勢
來自極低地球軌道衛星的圖像更加清晰，因為它們只是 更清楚地看到地球 與更高的衛星相比，有點像靠近一幅畫可以幫助你更好地看到它。這轉化為更高分辨率的農業圖像， 氣候科學災難響應和軍事監視目的。
端到端通信速度更快，非常適合電話和互聯網服務等實時通信。儘管信號仍然以相同的速度傳播，但它們的傳輸距離縮短了，因此延遲減少了，對話也更加順暢。
很多 天氣預報 依賴於地球上空雲的圖像，因此使這些圖像更接近意味著更高的分辨率和更多的數據可供預測。
由於這些好處， 政府機構 和 行業 正在致力於開發極低地球軌道衛星。
維護：大氣阻力
您可能想知道為什麼到目前為止，持續的衛星運行一直避開這個空間區域。其主要原因有一個： 大氣阻力。
太空通常被認為是真空。那麼空間到底從哪裡開始呢？雖然海拔約 62 英里（100 公里）- 被稱為 馮·卡門線 – 被廣泛視為起點，不存在空間突然開始的硬過渡。相反，當你離開地球時， 氣氛稀薄。
看看
在極低地球軌道及其下方， 地球大氣層 它的厚度仍然足以減慢衛星的速度，導致它們處於較低的高度 數週甚至數天內脫軌當它們落回地球時基本上會燃燒起來。為了抵消這種大氣阻力並留在軌道上，衛星必須不斷向前移動——就像在風中騎自行車需要不斷踩踏板一樣。
為了在太空中推進，衛星使用 不同類型的推進劑這提供了必要的推動力，不讓速度放慢。但在 VLEO 中，推進器必須始終或幾乎始終處於開啟狀態。因此，傳統推進器很快就會耗盡燃料。
幸運的是，VLEO中的地球大氣層仍然足夠厚，大氣層本身可以用作燃料。
創新的推進技術
這就是我的研究的切入點。在賓夕法尼亞州立大學，與佐治亞理工學院合作並由 美國國防部我們的團隊正在開發一種新的推進系統 設計用於在 43 至 55 英里的高空作業 （70至90公里）。從技術上講，這些高度也低於非常低的地球軌道——使得克服阻力的挑戰變得更加困難。
我們的方法是用勺子收集大氣，就像騎自行車時稍微張開嘴一樣，然後使用高功率微波加熱收集到的大氣。然後熱氣體通過噴嘴噴射，推動衛星前進。我們的團隊稱這個概念為 呼吸微波等離子推進器。我們已經能夠在實驗室的真空室內演示原型推進器，該推進器模擬 50 英里（80 公里）高度處的大氣壓力。
這種方法相對簡單，但具有潛力，特別是在大氣層較厚的低海拔地區。在更高的地方，大氣層更稀薄，航天器可以使用其他人正在開發的不同類型的 VLEO 推進器，以覆蓋較大的高度範圍。
我們的團隊並不是唯一致力於推進器技術的團隊。僅舉一個例子：美國國防部與國防承包商有合作夥伴關係 紅線 發展 獺一顆 VLEO 衛星擁有自己的大氣呼吸推進劑技術。
將衛星保留在 VLEO 中的另一種選擇是通過長鏈路將較低軌道衛星連接到較高軌道衛星，該方法使用了我在整個職業生涯中一直使用的技術。儘管美國宇航局從未飛行過這樣的系統，但擬議的後續任務 繫繩衛星系統 20世紀90年代執行的任務是從航天器上用一根很長的繩索將一顆衛星發射到低得多的軌道。我們目前正在審查該系統，看看它是否可以以修改後的形式適用於 VLEO。
其他並發症
克服拖延症雖然是最困難的，但並不是唯一的挑戰。處於極低地球軌道的衛星暴露於非常高的輻射強度下 原子氧它是氧氣的一種高活性形式，可以快速腐蝕大多數物質， 和塑料。
衛星的材料還必須承受高於 2,732 華氏度（1,500 攝氏度）的極高溫度，因為當衛星穿過大氣層時，摩擦力會使衛星升溫，這種現像在所有航天器上都會發生。 從軌道重新進入大氣層。
這些衛星的潛力正在推動研究和投資，擬議的任務已成為現實。 杜松研究 預計僅未來三年就將投資2200億美元。很快，在 VLEO 衛星的支持下，您的互聯網、天氣預報和安全性將會變得更好。
