来源：万物源自比特

摘要

超低轨道（Very Low Earth Orbit, VLEO）通常指地球表面以上160至300公里高度的轨道空间，是低地球轨道（LEO）向下的延伸，也是一个物理环境和工程范式都截然不同的全新太空运行域。本报告旨在全面、深入地剖析VLEO卫星技术，涵盖其定义、发展历史、核心挑战、革命性优势、关键使能技术以及全球竞争格局。报告首先回顾了从早期军事侦察（如美国的CORONA计划）到现代科学探索（如欧空局的GOCE卫星）的VLEO发展历程，揭示了技术进步如何推动该领域的战略价值演变。报告详细分析了VLEO环境带来的四大核心挑战：剧烈的大气拖曳、高浓度的原子氧腐蚀、复杂的空气动力热效应以及严峻的平台姿态控制难题。与挑战并存的是VLEO所赋予的颠覆性优势，包括无与伦比的对地观测分辨率、显著优化的通信链路性能、天然的“自清洁”轨道环境以及潜在的成本效益。为克服挑战并发挥优势，本报告系统阐述了轨道维持与拖曳补偿技术（特别是吸气式电推进）、耐原子氧新材料、先进导航制导与控制（GNC）系统、低阻气动外形设计以及高效热控系统等关键技术突破。最后，报告展望了VLEO的未来发展，分析了美国、欧盟和中国在该领域的战略布局和宏伟蓝图，指出VLEO正成为全球太空经济和地缘战略竞争的制高点。报告得出结论，随着使能技术的不断成熟和商业应用的加速落地，VLEO卫星将在未来十年内占据低轨卫星星座的巨大份额，深刻重塑全球航天产业格局。

1. 引言：人造地球卫星与超低轨道卫星

自20世纪中叶人类迈入太空时代以来，人造地球卫星已成为现代文明不可或缺的基础设施，深刻地改变了通信、导航、气象、科学研究和国家安全等领域。卫星运行的轨道空间并非均质，不同的轨道高度对应着迥异的物理环境和应用价值。在众多轨道类型中，超低轨道（Very Low Earth Orbit, VLEO）作为一个长期以来被视为“飞行禁区”的特殊区域，正凭借技术突破迅速崛起，成为全球航天领域竞相争夺的新战略前沿。

VLEO并非简单地指代更低的低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO），而是一个具有独特物理特性和工程挑战的独立运行域。通常，VLEO被定义为距离地表160至300公里高度的地球轨道空间，部分定义可适当放宽至100至400公里的范围 ¹。在这一高度，稀薄但不可忽略的大气层成为影响卫星生存和运行的主导因素，带来了传统高轨卫星无需面对的严峻挑战，同时也孕育了前所未有的机遇。理解VLEO的价值与挑战，需将其置于人造卫星发展的宏大历史背景之中。

1.1 人造地球卫星发展简史

人造地球卫星的历史始于1957年10月4日，前苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星“斯普特尼克一号”（Sputnik I）⁷。这一历史性事件不仅开启了人类的太空时代，也点燃了美苏之间的“太空竞赛”。美国迅速做出回应，于1958年1月31日发射了其第一颗卫星“探索者一号”（Explorer I），该卫星搭载的科学仪器发现了地球周围的范艾伦辐射带，取得了重大的科学突破 。

早期的卫星主要服务于军事侦察和科学探测目的。随着技术的进步，卫星的应用领域不断拓宽。到了20世纪90年代，商业卫星通信和地球观测开始兴起，卫星逐渐渗透到民用和商业领域，成为全球信息社会的重要支柱 。

进入21世纪，随着“星链”（Starlink）和“一网”（OneWeb）等大规模低轨宽带互联网星座的部署，LEO轨道变得日益拥挤 ¹⁰。这种轨道资源的紧张，加之对更高性能（如更高分辨率、更低延迟）服务的追求，共同推动了航天界将目光投向更低的轨道——VLEO。尽管早期任务已涉足这一区域，但直到近期，使能技术的成熟才使其长期、可持续的商业化运营成为可能 ⁵。

1.2 超低轨道卫星发展史

VLEO的探索与利用并非朝夕之事，其发展历程清晰地反映了技术能力与战略需求之间的动态演进。从冷战时期短暂的军事侦察，到验证关键技术的科学实验，再到如今雄心勃勃的商业星座计划，VLEO的战略价值经历了从秘密的军事优势到公开的科学发现，再到颠覆性的商业服务的深刻转变。这一演变过程本身就是一部“创新驱动发展”、“技术驱动战略雄心”的辉煌历史。

    1.2.1 CORONA计划：超低轨道侦察的先驱

VLEO的首次大规模应用可以追溯到冷战高峰期的美国“科罗娜”（CORONA）间谍卫星计划（1959-1972年）。该计划由中央情报局（CIA）和美国空军联合执行，其核心目标是对苏联、中国等“禁区”进行高风险U-2侦察机无法覆盖的照相侦察 。为了获得尽可能高的图像分辨率，CORONA卫星被部署在极低的轨道上，部分任务的近地点高度低至约160公里（100英里）。

CORONA计划在技术上极具开创性。卫星由“雷神-阿金纳”（Thor-Agena）火箭发射，其最核心的技术是胶片回收系统。卫星在轨拍摄的胶片被装在一个被称为“卫星返回飞行器”（SRV）的返回舱中，完成任务后，返回舱点燃制动火箭脱离轨道，再入大气层，最终由特种飞机在空中进行拦截回收 ¹³。CORONA计划对美国国家安全产生了深远影响，它提供的海量情报极大地提升了美国对苏联洲际弹道导弹（ICBM）部署规模的认知准确性，从根本上改变了战略情报的获取方式 。1995年，超过80万张CORONA影像解密，为后来的环境科学、考古学和地质学研究提供了宝贵的历史数据档案 ¹⁴。

    1.2.2 ESA GOCE卫星：精绘地球重力场的“太空法拉利”

如果说CORONA证明了VLEO的军事价值，那么欧洲空间局（ESA）的“重力场和稳态海洋环流探测器”（GOCE）任务（2009-2013年）则展示了其巨大的科学潜力 ¹⁶。GOCE的目标是以前所未有的精度绘制地球重力场，并由此推导出精确的“大地水准面”（Geoid）模型 。

为了最大限度地捕捉地球重力场的微弱变化，GOCE必须在约255公里的极低轨道上运行 。为应对该高度上剧烈的大气拖曳，GOCE采用了两项革命性技术。首先是其独特的气动外形设计，其纤细的箭头状结构和尾翼使其能够像飞机一样稳定地“飞行”，最大限度地减少了大气阻力，被誉为“太空中的法拉利”¹⁷。其次，GOCE搭载了一套先进的离子电推进系统，该系统能够产生微小但持续不断的推力，实时、精确地补偿大气拖曳力，使卫星实现了真正意义上的“无拖曳”飞行 。GOCE的成功运行，不仅为地球科学提供了宝贵的数据，更重要的是，它首次验证了通过持续推进来维持VLEO长期稳定运行的可行性，为后续的VLEO任务奠定了坚实的技术基础。

    1.2.3 JAXA SLATS卫星：探索轨道维持极限的“燕子”

在日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“超低高度技术试验卫星”（SLATS）任务（2017-2019年）中，VLEO轨道维持技术得到了进一步的极限验证 。这颗被昵称为“燕子”（Tsubame）的卫星，其核心任务目标就是测试和验证在VLEO中长期运行所需的关键技术，特别是离子发动机对抗高大气阻力的能力 ¹⁹。

SLATS首先被发射到较高的轨道，然后通过化学推进和大气制动相结合的方式，逐步降低轨道高度 。在其任务末期，SLATS成功地在167.4公里的创纪录低轨道上稳定运行了7天 ¹⁹。在如此低的高度，大气密度极高，SLATS需要同时使用离子发动机和化学推进器来维持轨道。这一成就被吉尼斯世界纪录认证为“地球观测卫星的最低轨道高度”。此外，SLATS还搭载了传感器，收集了关于该高度大气密度和原子氧对材料腐蚀影响的宝贵原位数据，为未来VLEO卫星的设计提供了重要的实验依据 。

    1.2.4 欧盟DISCOVERER项目：迈向“零燃料”飞行的探索

在GOCE和SLATS成功验证了电推进拖曳补偿技术后，欧盟通过其“地平线2020”计划资助的DISCOVERER项目（2017-2022年）将目光投向了更具革命性的目标：实现商业上可行的、长寿命的VLEO任务 ²¹。

该项目的核心是开发一系列颠覆性技术，其中最引人注目的是“吸气式电推进”（Atmosphere-Breathing Electric Propulsion, ABEP）系统 ²¹。ABEP系统的理念是直接捕获VLEO中稀薄的大气分子作为工质，通过电离和加速来产生推力，从而实现“零自带燃料”的轨道维持 ²¹。这一概念一旦实现，将从根本上解除卫星寿命受限于燃料携带量的束缚，开启近乎无限任务时长的可能性。除了ABEP，DISCOVERER项目还研究了先进的低阻材料和利用空气动力进行姿态控制的技术 。项目的试验卫星SOAR（Satellite for Orbital Aerodynamics Research）在轨对这些概念进行了初步验证，为未来VLEO卫星的商业化运营铺平了道路 。

    1.2.5 中国“乾坤一号”与商业航天的VLEO实践

近年来，中国在VLEO领域也取得了显著进展，呈现出商业航天与国家队协同发展的态势。商业航天公司赛思倍斯（CSpace）研制的“乾坤一号”（Qiankun-1）卫星是中国在VLEO领域的先行者 ²³。该卫星于2023年7月发射，是中国首颗VLEO技术试验卫星，旨在验证VLEO平台的关键技术 ²³。截至目前，“乾坤一号”已在268.13公里的超低轨道上稳定运行超过两年，实现了“天回归”对地观测能力，标志着中国商业航天已掌握VLEO卫星平台技术 。此外，中国航天科工集团（CASIC）也已于2024年5月发射了“楚天一号”（Chutian-001）技术验证星，并计划构建一个由300颗卫星组成的VLEO星座，显示了国家队在该领域的战略布局 ²⁷。

商业航天公司赛思倍斯（CSpace）研制的“乾坤一号”（Qiankun-1）卫星是中国在VLEO领域的先行者

    1.2.6 美国SpaceX“手机直连”：重塑卫星通信格局

美国商业航天巨头SpaceX公司正利用VLEO的独特优势，推动一场通信领域的革命。其“手机直连”（Direct to Cell）项目旨在通过部署在VLEO的第二代“星链”卫星，为全球范围内的普通智能手机提供无缝的短信、语音和数据服务，彻底消除地面蜂窝网络的信号盲区 ¹。

这项技术的关键在于，VLEO卫星上搭载了先进的eNodeB调制解调器，使其能够像一座“太空中的手机信号塔”一样，直接与地面上的标准LTE手机通信，用户无需更换手机或安装任何特殊应用 。更低的轨道高度极大地改善了通信链路预算，降低了延迟。SpaceX计划部署数千颗此类卫星，已于2024年启动短信服务，并计划在2025年提供语音、数据和物联网（IoT）服务 ¹。这一宏伟计划展示了VLEO在颠覆传统电信市场方面的巨大商业潜力，截至2025年7月，SpaceX公司已发射部署在VLEO的第二代“星链”卫星660颗，轨道高度介于330-350km区间，并计划在2025年底完成共计880颗此类VLEO卫星的发射。根据业内市场分析，部署在VLEO的第二代“星链”卫星从2025年起，将为SpaceX公司带来每年至少1亿美元的收入。

    1.2.7 美国Albedo公司：追求极致分辨率的商业遥感

另一家美国初创公司Albedo Space则将VLEO的优势聚焦于地球观测领域，致力于提供商业市场上前所未有的超高分辨率影像 ¹。Albedo的目标是提供10厘米全色和40厘米多光谱分辨率的卫星影像，这一指标此前仅为顶级军用侦察卫星所能达到 ³¹。

实现这一目标的核心策略就是将卫星部署在约274公里的VLEO轨道上 。更低的轨道高度意味着在不增加卫星相机口径和成本的前提下，可以获得数倍于传统LEO遥感卫星的分辨率。Albedo的首颗技术验证卫星“Clarity-1”已于2025年3月成功发射，公司计划最终部署一个由24颗卫星组成的星座，为农业、保险、基础设施监控和政府情报等领域提供“航空级”的影像服务 ³¹。Albedo的商业模式清晰地证明了VLEO在高端地球观测市场的巨大价值。

2. 超低轨道的物理环境与核心挑战

尽管VLEO展现出巨大的应用前景，但要在这一区域实现卫星的长期、稳定和高效运行，必须首先克服其独特而严酷的物理环境所带来的多重挑战。VLEO环境最显著的特征是存在不可忽略的稀薄大气，这使得VLEO卫星的设计理念与传统真空环境下的卫星截然不同，更像是一种融合了航天器与高超声速飞行器的混合体。设计VLEO卫星是一个高度耦合的多物理场工程问题，对气动、材料、热控、推进和控制等多个领域都提出了前所未有的要求。

2.1 大气拖曳效应：轨道维持的永恒之战

VLEO卫星面临的首要且最严峻的挑战是大气拖曳（Atmospheric Drag）。在100至400公里的高度，尽管大气极其稀薄，但其密度仍足以对高速飞行的卫星产生显著的阻力。该高度范围属于“自由分子流”（Free Molecular Flow）区域，空气分子的平均自由程远大于卫星的特征尺寸，这意味着气体分子间的碰撞可以忽略不计，大气阻力主要源于气体分子与卫星表面的直接碰撞 ³⁴。

大气拖曳力的大小可由以下公式描述：

F_D=1/2*ρ*v²*C_D*A

其中，F_D是拖曳力，ρ 是大气密度，v 是卫星的轨道速度（约7.8 km/s），C_D 是阻力系数，A 是卫星在飞行方向上的迎风面积。从公式可以看出，拖曳力与大气密度成正比，而大气密度随高度的降低呈指数级增长。例如，从600公里下降到300公里，大气密度会增加数千倍 。

这种剧烈的拖曳力导致卫星轨道能量不断损失，轨道高度持续下降，这一过程被称为“轨道衰减”（Orbital Decay）。轨道衰减是一个正反馈过程：拖曳力使轨道降低，卫星进入密度更高的区域，从而导致拖曳力进一步增大，衰减速度也随之加快 。在没有动力补偿的情况下，VLEO卫星的在轨寿命极短，可能从几个月缩短到几天甚至几小时 ¹²。

更具挑战性的是，VLEO的大气密度并非恒定，而是受到太阳活动的剧烈影响。在太阳活动高峰期，太阳发出的紫外线和X射线辐射会加热地球高层大气，使其膨胀，导致特定高度的大气密度显著增加 ³⁹。这种不可预测的密度变化给卫星的轨道预测、任务规划和燃料消耗管理带来了巨大的困难 。因此，持续的轨道维持成为VLEO卫星生存的先决条件。

2.2 原子氧腐蚀：材料的“隐形杀手”

除了物理性的拖曳效应，VLEO环境还存在严重的化学腐蚀威胁，其主要来源是高浓度的原子氧（Atomic Oxygen, AO）。在150至650公里的高层大气中，强烈的太阳紫外辐射会分解双原子氧分子（O₂），形成化学性质极其活泼的原子氧 ¹。

当卫星以约7.8 km/s的高速穿行于VLEO时，其迎风面与AO的碰撞能量高达4.5至5电子伏特（eV）。这一能量足以打破大多数有机材料的化学键，特别是广泛应用于航天器的聚合物材料，如用于太阳能电池板基板和热控毯的聚酰亚胺（Kapton）⁴⁴。AO与这些材料发生化学反应，将其表面转化为挥发性的氧化物（如CO、CO₂、H₂O），导致材料发生剥蚀、质量损失和性能退化 ⁴⁴。

这种腐蚀效应会严重损害卫星关键部件的功能。例如，太阳能电池板的保护层被腐蚀后，电池效率会下降；热控涂层的光学特性（吸收率和发射率）发生改变，会破坏卫星的热平衡；结构材料的强度也会受到影响。衡量AO腐蚀程度的关键参数是“原子氧通量密度”（AO Fluence），即单位时间内单位面积上撞击的AO原子总数，它决定了材料的总腐蚀量 ⁴²。因此，为VLEO卫星选择或开发具有强抗原子氧腐蚀能力的材料至关重要。

2.3 复杂热效应：空气动力加热与热管理难题

传统高轨卫星的热控系统（Thermal Control System, TCS）主要处理太阳辐射、地球反照和红外辐射以及内部设备产热这三大热源 ⁴⁹。然而，VLEO卫星还必须面对一个额外的、不容忽视的热源——空气动力加热（Aerodynamic Heating）。

空气动力加热源于大气分子与卫星表面的高速碰撞，将卫星的部分动能转化为热能。尽管VLEO大气稀薄，但极高的飞行速度使得这种能量转换为卫星表面带来了显著的热流。这种热效应主要集中在卫星的迎风面，可能导致局部温度急剧升高，对材料和设备造成损害 。

VLEO卫星的热控挑战是双重的：一方面，在光照区，TCS需要同时散发来自太阳、地球和空气动力加热的巨大热量；另一方面，在阴影区，卫星会迅速冷却，TCS又需要为设备保温，防止温度过低。这种剧烈的冷热交变循环和空气动力加热的引入，对TCS的设计提出了极高的要求。设计师需要通过精密的计算流体力学（CFD）或直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法来准确预测热流分布，并采用先进的热控材料和器件（如热管、辐射器）来有效管理热量，确保所有部件都工作在允许的温度范围内 ⁵¹。

2.4 平台稳定性与高精度姿态控制（GNC）

强大的空气动力不仅影响轨道，也对卫星的姿态稳定性构成了严重威胁。空气动力作用在卫星表面产生的合力作用点被称为压力中心（Center of Pressure, CP），而卫星的质量中心被称为质心（Center of Mass, CM）。如果CP与CM不重合，空气动力就会产生一个力矩，即空气动力矩（Aerodynamic Torque），试图使卫星绕质心转动 ⁵⁵。

在VLEO环境中，空气动力矩是主要的外部干扰力矩，其量级远超太阳光压和重力梯度等其他干扰力矩 ³⁵。这个力矩不仅数值大，而且会随着大气密度的波动和卫星姿态的变化而实时变化，具有很强的不确定性。对于需要高精度指向的遥感或通信任务而言，这种持续且不稳定的干扰力矩是一个巨大的挑战。它会轻易地使传统的姿态控制执行机构，如反作用轮，因吸收过多角动量而迅速饱和，导致姿态失控 。

因此，VLEO卫星的制导、导航与控制（Guidance, Navigation, and Control, GNC）系统，特别是其姿态确定与控制子系统（ADCS），必须具备更强的鲁棒性和控制能力。这不仅需要更精确的姿态传感器和更强大的执行机构，还需要更先进的控制算法来实时估计和补偿这些剧烈的空气动力干扰 ⁵⁹。

2.5 卫星气动外形设计的特殊考量

对于绝大多数高轨卫星而言，其外形设计主要由有效载荷的布局、太阳能帆板的朝向以及运载火箭整流罩的空间限制所决定，空气动力学几乎不在考虑之列。然而，对于VLEO卫星，气动外形设计从一个次要约束一跃成为决定任务成败的首要因素 ¹⁷。

VLEO卫星的气动设计有两个核心目标：

1.最小化阻力：为了降低轨道维持所需的燃料消耗，设计时必须尽可能减小阻力系数（CD）和迎风面积（A）。这催生了许多与传统“盒子加帆板”卫星截然不同的设计，例如GOCE卫星的细长箭头形结构，以及其他旨在减少正面碰撞截面的流线型或楔形设计 ¹⁸。

2.利用空气动力：更高阶的设计思想是变废为宝，将空气动力从纯粹的干扰转化为可利用的资源。通过精心设计卫星外形和可动舵面，可以产生一定的升力。优化的升阻比（Lift-to-Drag Ratio, L/D）不仅可以 passively 稳定卫星姿态，甚至可以 actively 用于姿态机动或进行微小的轨道平面调整 ⁶³。这种“航天器-飞行器”一体化设计理念，是VLEO卫星设计的精髓所在。

综上所述，VLEO环境的复杂性决定了其卫星设计必须采取一种系统性的、多学科交叉的整体方法。气动、推进、材料、热控和GNC等子系统之间存在着深刻的耦合关系，任何一个环节的设计变更都会对其他系统产生连锁反应。正是这种将大气从纯粹的障碍转变为潜在资源的创新思维，将会驱动着VLEO技术的不断前行。

3. 超低轨道的革命性优势

尽管VLEO环境充满挑战，但全球航天强国和商业巨头之所以投入巨资进行探索和开发，是因为这一轨道区域能够提供传统更高轨道无法比拟的革命性优势。这些优势根植于一个最基本的物理原理：更近的距离（proximity ）。 proximity 带来了性能的指数级提升，并从根本上改变了卫星应用和服务的成本效益方程，甚至将会催生全新的商业模式。

3.1 革命性的图像质量提升

对于地球观测任务而言，VLEO最直接、最核心的优势在于能够实现图像分辨率的飞跃。图像的空间分辨率通常用地面采样距离（Ground Sample Distance, GSD）来衡量，GSD表示图像中单个像素在地面上对应的实际尺寸，其值越小，分辨率越高。GSD与轨道高度的关系可以通过以下简化公式来理解 ⁶⁷：

GSD=轨道高度×像元尺寸/相机焦距

从该公式可以看出，在相机参数（像元尺寸和焦距）不变的情况下，GSD与轨道高度成正比 。这意味着将卫星的轨道高度降低一倍，其分辨率就能提升一倍（GSD减小一倍）。例如，一颗在500公里LEO轨道上GSD为20厘米的卫星，如果将其部署在250公里的VLEO轨道上，其GSD将能达到10厘米 。

这一物理优势带来了两种颠覆性的可能性：

1.用更小的成本实现同等性能：VLEO卫星可以用更小、更轻、成本更低的相机（即更短的焦距）达到与更高轨道上更大、更昂贵的卫星相同的分辨率 。

2.实现前所未有的性能：利用最先进的光学系统，VLEO卫星可以突破现有商业遥感卫星的分辨率极限。美国Albedo公司计划提供的10厘米GSD商业影像，正是基于这一原理，旨在将过去仅限于国家级侦察卫星的“看清车牌”级别的详查能力商业化 ³¹。

3.2 增强的几何定位精度与测绘潜力

除了图像更清晰，VLEO还能让图像“更准确”。几何定位精度指的是确定图像中任意地物精确地理坐标（经纬度和高程）的能力。这对于高精度地图测绘、目标定位和变化监测至关重要。

定位精度的提升同样源于更近的距离。卫星在轨运行时，其自身的位置和姿态信息（由星上GPS和星敏感器等设备测得）总会存在一定的误差。在对地面目标成像时，这些误差会被投射到地面，形成一个“不确定性锥体”。轨道高度越低，从卫星到地面的投射距离就越短，同样的姿态或位置误差在地面上造成的绝对定位误差就越小 ⁴。因此，VLEO卫星能够以同等水平的星上导航设备，实现远高于LEO卫星的几何定位精度，为分米级精度的全球测绘提供了新的可能。

3.3 通信链路性能优化与低延迟

对于通信卫星而言，VLEO的优势同样显著，主要体现在两个方面：链路预算的改善和通信延迟的降低。

链路预算改善：卫星通信的信号强度在空间传播中会随着距离的增加而衰减，这种现象被称为自由空间路径损耗（Free-Space Path Loss, FSPL）。FSPL与传输距离的平方成正比。将轨道高度从750公里降低到250公里，传输距离缩短为原来的三分之一，FSPL将减小为原来的九分之一，换算成对数单位，相当于链路预算获得了约9.5 dB的巨大增益。这笔“天上掉下来的”增益可以被灵活运用：可以大幅降低卫星或地面终端的发射功率，从而减小功耗和成本；可以缩小天线尺寸，实现终端设备的小型化和便携化；或者在功率和天线不变的情况下，大幅提升数据传输速率 ⁶。SpaceX的“手机直连”服务正是利用了这一优势，使得普通手机的微弱信号也能被卫星接收。

低延迟：信号在真空中以光速传播，因此通信延迟与传输距离成正比。一颗在250公里VLEO轨道的卫星，其单向信号传播延迟约为0.83毫秒；而一颗在750公里LEO轨道的卫星，延迟则为2.5毫秒 。虽然绝对值都很小，但在实时交互应用（如语音通话、在线游戏、远程操控等）中，每一毫秒的延迟都至关重要。VLEO提供的超低延迟特性，使其成为支持未来6G等对延迟极度敏感应用场景的理想选择 ⁶。

3.4 “自清洁”轨道的环境效益与空间可持续性

VLEO环境中剧烈的大气拖曳，虽然是卫星运营的挑战，却也带来了一项宝贵的环境效益——轨道“自清洁”（Self-Cleaning）。任何在VLEO轨道上的失效卫星、火箭残骸或碰撞碎片，都会在强大的大气阻力作用下迅速降低轨道，并在数月至数年内再入大气层烧毁 ⁴¹。相比之下，在600-800公里的LEO轨道上，空间碎片的轨道寿命可达数十年甚至上百年 。

VLEO的这种自清洁特性，从根本上抑制了空间碎片的长期累积，极大地降低了发生“凯斯勒综合征”（Kessler Syndrome）——即由一次碰撞引发连锁碰撞，最终导致整个轨道层被碎片覆盖而无法使用的灾难性场景——的风险 ¹²。在LEO轨道日益拥挤、空间碎片问题日益严峻的今天，VLEO作为一种本质上更具可持续性的轨道资源，其战略价值愈发凸显。

3.5 成本效益优势：发射、制造与运营

综合以上优势，VLEO卫星在全生命周期内展现出显著的成本效益。

●发射成本：运载火箭将载荷送入轨道需要克服地球引力做功，轨道高度越低，所需的能量越少。这意味着同一枚火箭可以将更重的载荷送入VLEO，或者用更小、更便宜的火箭发射同等质量的卫星，从而有效降低单位质量的发射成本 ⁴。

●制造成本：如前所述，VLEO卫星可以用更小、更简单的载荷实现与高轨卫星同等甚至更高的性能，这直接降低了卫星平台的尺寸、质量和复杂性，从而降低了制造成本 。此外，VLEO轨道位于范艾伦辐射带下方，且有一定的大气屏蔽作用，辐射环境相对温和。这使得卫星可以更多地采用价格低廉、性能更高的商业级现成（COTS）电子元器件，而无需昂贵的宇航级抗辐射加固器件，进一步压缩了制造成本 ⁴。

●运营成本：虽然轨道维持需要持续消耗推进剂，但吸气式电推进等颠覆性技术的出现，有望将运营成本降至极低水平 。

这些优势的叠加，使得VLEO不仅是技术性能的制高点，也成为商业模式创新的沃土。它降低了进入高性能空间应用的门槛，使过去只有国家级项目才能承担的能力（如亚米级详查、全球无缝通信）进入商业公司的视野，从而催生了CSpace、Albedo和SpaceX等一批以VLEO为核心竞争力的新兴企业，推动了整个航天产业的“降维打击”和市场格局的重塑。VLEO卫星的出现，正在将竞争领域从传统的卫星制造和发射，扩展到与无人机、高空平台甚至传统航空测绘等行业的跨界竞争，开辟了“从太空提供航空级服务”的全新市场。

4. 关键技术突破与解决方案

要将VLEO的巨大潜力转化为现实，必须攻克第二章所述的一系列严峻技术挑战。近年来，全球范围内的研究机构和商业公司在推进、材料、控制、气动和热控等领域取得了一系列关键技术突破。这些创新不仅旨在“对抗”恶劣的VLEO环境，更致力于“利用”这一环境的独特性，从而催生出高效、可靠且具备商业可行性的VLEO卫星平台。这些技术构成了VLEO革命的工程基石。

4.1 轨道维持与拖曳补偿技术

持续对抗大气拖曳是VLEO卫星的首要任务，这要求推进系统具备长期、稳定、高效提供推力的能力。

●高比冲电推进系统：电推进（Electric Propulsion, EP）是当前VLEO任务的主流选择。与化学推进相比，电推进系统（如霍尔效应推进器和离子发动机）的比冲（Specific Impulse, Isp，衡量推进剂使用效率的指标）要高出一个数量级。这意味着它们可以用更少的推进剂产生相同的总冲量，从而能够支持长达数年的轨道维持任务 ⁶⁶。ESA的GOCE卫星和JAXA的SLATS卫星就是成功应用离子发动机进行拖曳补偿的典范，赛思倍斯的“乾坤一号”卫星则是国际上首个长期应用霍尔电推进的超低轨道卫星，它们验证了高比冲电推进在VLEO环境下的可靠性和有效性 ¹⁸。

●吸气式电推进（ABEP）：ABEP是VLEO轨道维持技术的终极发展方向，被誉为该领域的“圣杯”⁸²。其核心工作原理是：通过一个特殊设计的进气道（Intake）捕获VLEO轨道上极其稀薄的大气分子（主要是氮气、氧气等），然后将这些“就地取材”的分子送入一个电推进器中进行电离和高速喷出，从而产生推力来补偿大气阻力 ⁸³。ABEP的最大优势在于它无需携带任何推进剂，理论上可以使卫星的任务寿命不再受燃料限制，而仅取决于星上硬件的可靠性 。欧盟的DISCOVERER项目在ABEP技术研发方面走在前列，并已在地面上成功进行了原理验证，为实现VLEO卫星的“无限续航”奠定了基础 。

4.2 耐原子氧新材料与先进防护涂层技术

应对原子氧（AO）的化学腐蚀，是确保VLEO卫星长期可靠运行的另一关键。目前主要有两种技术路径。

●先进防护涂层：在易受腐蚀的敏感材料表面（如聚酰亚胺薄膜）涂覆一层抗AO的惰性材料，是最直接的防护手段。常用的涂层材料包括二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）等陶瓷材料，它们能有效隔绝AO与基底材料的接触 。

●自钝化聚合物材料：更先进的解决方案是开发本身就具备抗AO能力的“智能”材料。这方面的杰出代表是POSS改性聚酰亚胺 ⁴⁷。其作用机理是：将含有硅氧笼状结构的POSS纳米颗粒作为单体，通过共聚反应嵌入到聚酰亚胺的分子链中 ⁴⁷。当这种复合材料暴露在AO环境中时，表面的有机聚合物成分会被腐蚀，但同时，分散在其中的POSS颗粒会与AO反应，原位生成一层致密、坚固的玻璃态二氧化硅（SiO₂）钝化层 。这层钝化层能有效保护下方的聚合物免受进一步的侵蚀。更神奇的是，如果这层保护膜被微小碎片划伤，暴露出的新鲜POSS-聚酰亚胺材料会再次与AO反应，重新生成保护层，实现“自愈合”。实验数据表明，POSS改性聚酰亚胺的AO腐蚀率仅为传统Kapton材料的1%左右，是未来VLEO卫星外层材料的理想选择 ⁴⁵。

4.3 VLEO环境下的先进导航、制导与控制（GNC）系统

为应对VLEO环境中巨大且多变的空气动力矩干扰，GNC系统必须进行针对性的设计和创新 ⁵⁶。

●鲁棒控制算法：传统的PID控制器在强干扰环境下可能表现不佳。因此，需要开发更先进的控制算法，如基于大气模型预测的自适应控制或滑模控制，这些算法能够实时估计和补偿空气动力干扰，保证卫星的高精度指向和稳定 ⁵⁷。

●新型姿态控制执行机构：除了增强传统执行机构（如反作用轮）的性能外，研究人员还开发了利用空气动力本身的创新控制方式。

○气动舵面控制：在卫星上安装类似飞机机翼的可动舵面或襟翼。通过偏转这些舵面，可以主动改变卫星表面的气压分布，从而产生可控的气动力矩，用于姿态调整或干扰抑制。这种方法巧妙地将最大的干扰源转化为了控制力源 ⁹³。

○内部移动质量块：在卫星内部安装可以在一维或多维方向上移动的质量块。通过精确控制质量块的位置，可以主动改变整个卫星的质心（CM），从而改变空气动力作用点（CP）与质心之间的力臂，以此来调节或抵消空气动力矩 。

4.4 低阻气动外形设计与升阻比优化策略

VLEO卫星的设计过程体现了航天工程与航空工程的深度融合。利用先进的计算工具，如直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法，工程师可以在计算机上精确模拟自由分子流环境下的气动特性，从而优化卫星的外形设计 ³⁵。

●低阻设计：优化的首要目标是减阻。常见的策略包括：采用高长宽比的细长体构型、使用楔形或锥形头部以减小正面冲击、以及对侧面进行平滑处理以减少摩擦阻力 ³⁴。ESA的GOCE卫星就是低阻设计的经典案例。

●升阻比（L/D）优化：更高阶的设计策略是优化升阻比。通过设计非对称外形或翼面，使卫星在与大气相互作用时不仅产生阻力，还产生升力 ⁶⁴。一个较高的升阻比意味着可以用较小的姿态调整来产生显著的横向力。理论上，这种气动升力可被用于执行一些轨道机动，例如耗能极大的轨道倾角变更，这对于传统依靠化学推进的卫星来说是极其奢侈的操作 ⁶⁵。

4.5 高效热控系统设计与验证

为应对包括空气动力加热在内的复杂热环境，VLEO卫星需要高效且可靠的热控系统 ⁵⁰。

●被动热控：这包括选择具有特定太阳吸收率和红外发射率的热控涂层，使用多层隔热组件（MLI）包裹卫星主体以隔绝外部热流，以及通过高导热的热带将热量从发热部件传导至散热区域 ⁵⁰。

●主动热控：对于大功率设备或有严格低温要求的载荷，需要主动热控技术。除了传统的电加热器和低温制冷机外，环路热管（Loop Heat Pipe, LHP）是VLEO卫星的理想选择 。LHP是一种高效的被动两相流传热装置，它利用工作流体的蒸发和冷凝来传递热量，通过毛细芯的毛细力驱动流体循环，无需任何泵等运动部件。LHP能够长距离、低热阻地传输大量热量，非常适合将卫星迎风面或内部电子设备产生的集中热量高效地传递到背阳面的散热器上 ¹⁰¹。

这些技术的协同发展，正在将VLEO从一个充满挑战的“禁区”，转变为一个充满机遇的、可持续开发的新领域。特别是ABEP和自愈合材料等前沿技术的突破，预示着VLEO卫星正从受限于消耗品（燃料、材料寿命）的“一次性”系统，向着仅受硬件可靠性限制的“永久性”平台演进，这将从根本上改变空间基础设施的经济学和运营模式。

5. 未来前景与全球竞争格局

随着关键技术的成熟和VLEO独特优势的日益凸显，这一轨道空间正迅速从科学探索的前沿阵地转变为全球地缘战略和商业竞争的核心赛场。美国、欧盟和中国等主要航天力量都在加速布局，旨在抢占VLEO的战略制高点。一场围绕VLEO的“轨道圈地运动”已经拉开序幕，其竞争格局将深刻影响未来数十年的太空秩序。

5.1 美国：加速抢占VLEO战略制高点

美国正通过政府与商业双轮驱动的模式，全方位、大力度地推进其在VLEO领域的领导地位。

●商业力量引领创新：以SpaceX和Albedo为代表的商业公司是美国VLEO战略的急先锋。SpaceX计划在VLEO部署多达7000颗卫星，构建其“手机直连”全球网络，旨在颠覆传统电信行业 。Albedo公司则凭借其提供10厘米分辨率影像的“2+24”颗卫星星座计划，直接挑战国家级情报机构的传统优势领域，意图在高端地球观测市场建立垄断地位 ¹。

●政府与军方加紧布局：美国政府，特别是国防和情报部门，已将VLEO视为未来空间对抗和情报获取的关键领域。美国国家侦察局（NRO）正在构建一个庞大的、由数百颗卫星组成的“分布式LEO架构”（Proliferated LEO Architecture），其中相当一部分预计将部署在VLEO，用于实现高重访率、高韧性的情报、监视与侦察（ISR）能力 ¹⁰⁴。美国太空军也启动了多个VLEO项目，如“金穹”计划，旨在利用VLEO卫星进行战术级ISR和空间态势感知，以应对大国竞争环境下的挑战 ¹。

综合来看，预计未来三到四年内，美国将在低于350公里的VLEO空间部署超过8000颗通信、遥感及攻防卫星，其明确的国家战略意图是通过规模优势和技术优势，牢牢掌控这一新兴战略空间 。

5.2 欧盟：依托技术积累谋求太空自主

与美国的大规模星座部署相比，欧盟的VLEO战略更侧重于核心技术的自主可控和前瞻性研发布局，旨在确保其在未来太空竞争中的独立地位。

欧盟的信心源于其深厚的技术积累。ESA的GOCE任务为其在VLEO飞行器设计、气动分析和拖曳补偿技术方面积累了宝贵的实践经验 。而DISCOVERER等前沿研究项目，则使其在吸气式电推进（ABEP）这一颠覆性技术上占据了世界领先地位 ²¹。这种“技术先行”的策略，旨在从根本上解决VLEO飞行的核心瓶颈，为未来部署不受制于人的自主VLEO系统奠定基础。

尽管欧盟尚未公布类似美国的大规模星座计划，但其在《欧盟太空战略》中明确了追求太空自主的目标。可以预见，未来五年，欧盟将利用其技术优势，在VLEO积极部署服务于其自身经济、安全和防务需求的通信、遥感和空间监视卫星，以避免在这一关键领域对美国或中国产生依赖 。

5.3 中国：国家队与商业航天双轮驱动

中国在VLEO领域的发展策略同样体现了国家力量与市场活力相结合的特点，发展势头迅猛，目标明确。

●商业航天崭露头角：以赛思倍斯（CSpace）为代表的商业公司已经展示了其技术实力。“乾坤一号”卫星在300公里以下轨道的长期稳定运行，是中国VLEO技术走向成熟的重要标志 。

●宏伟的星座计划：更具战略意义的是“天津双超星座”计划。该计划由CSpace与天津地方国资联合发起，目标直指全球顶级商业遥感能力 ¹。根据规划，到2027年将发射8颗VLEO遥感卫星，分辨率对标Albedo公司；到2030年，将建成一个由48颗卫星组成的全球星座，均匀分布在12个轨道面上，并具备星间链路和高速激光数传能力 。这一计划不仅是中国商业航天的一次重大飞跃，也直接构成了对美国在高端商业遥感领域主导地位的挑战。此外，中国星网集团正在主导实施的“国网”星座计划（近13000颗星的庞大计划），也表示出了对VLEO手机直连卫星星座的极大兴趣。相信在不久的将来，“硬刚”星链二代VLEO手机直连卫星的“国网”星座增强版，将会加速出台。

此外，航天科工集团（CASIC）等“国家队”也在规划和部署大规模VLEO星座，显示出中国在该领域自上而下的战略决心 ²⁷。

这场全球性的VLEO竞赛，其本质不仅是商业市场的争夺，更是未来信息权和制天权的竞争。VLEO技术具有显著的军民两用特性：Albedo的10厘米分辨率影像对情报分析价值巨大；SpaceX的手机直连网络在战时可提供极具韧性的通信保障。因此，各国在VLEO的布局都是其国家安全和地缘战略的延伸。

然而，这种近乎疯狂的“轨道圈地”也带来了新的隐忧。尽管VLEO具有“自清洁”特性，可以避免长期空间碎片的累积，但在短期内，数千甚至上万颗卫星同时在狭窄的轨道层内高速运行，将对空间交通管理（Space Traffic Management）构成前所未有的挑战。如何避免运行中的卫星发生碰撞，以及如何进行有效的频谱资源协调，将成为VLEO时代必须解决的问题。

6. 结论

超低轨道（VLEO）正从一个航天领域的边缘概念，迅速演变为决定未来空间能力和商业格局的核心地带。本报告的分析表明，VLEO并非仅仅是LEO轨道的简单延伸，而是一个由独特物理规律主导的、机遇与挑战并存的全新运行域。

报告的核心结论可以归结为以下几点：

（1）VLEO的核心价值在于“距离近”：通过将运行高度降低至传统LEO的一半甚至更低，VLEO卫星在对地观测分辨率、通信链路效率和信号延迟等关键性能指标上实现了指数级的提升。这种物理上的优势是颠覆性的，它使得过去只有耗资巨大的国家级系统才能实现的能力，如今有望通过更小、更廉价的商业卫星平台来实现，从而极大地推动了高性能空间应用的开放化和商业化。

（2）技术瓶颈正在被逐一攻克：长期以来，剧烈的大气拖曳和原子氧腐蚀是阻碍VLEO发展的两大“拦路虎”。然而，以高比冲电推进、吸气式电推进（ABEP）、自钝化POSS聚合物材料、以及基于空气动力的先进GNC技术为代表的一系列关键技术突破，已经为实现VLEO卫星的长期、稳定、高效运行铺平了道路。这些技术创新正在将VLEO环境从一个纯粹的“障碍”转变为一个可部分“利用”的“资源”。

（3）VLEO正成为全球太空竞赛的新焦点：美国、中国和欧盟等主要航天力量均已认识到VLEO的巨大战略价值，并纷纷出台了雄心勃勃的发展计划。无论是SpaceX和Albedo引领的商业浪潮，还是NRO和中国规划的大规模国家星座，都预示着一场抢占VLEO轨道和频谱资源的“圈地运动”已经全面展开。这场竞赛的结果将深刻影响未来全球信息基础设施的控制权和国家安全格局。

（4）VLEO将是未来低轨星座的重要组成部分：综合考虑其性能优势、成本效益和技术可行性，可以预见，VLEO将在未来的太空经济中扮演越来越重要的角色。随着技术的进一步成熟和部署成本的持续下降，VLEO卫星将不再是少数尖端任务的专属，而会成为各类大规模星座的普遍选择。报告中引用的预测指出，到2035年，在全球预计的10万颗LEO卫星中，VLEO卫星的数量可能超过2万颗，并且随着时间的推移，VLEO卫星所占的比例还会持续攀升。这不仅是一个数量上的增长，更代表着空间应用和服务模式的一场深刻变革。

总之，超低轨道卫星技术的发展正处在一个历史性的拐点。我们正在见证一个新太空时代的黎明，在这个时代，天空不再是极限，而我们的后代看到的卫星，很可能跟他们的祖辈们看到的大不一样。

参考文献（略）

作者简介：原文作者江志军，为中国遥感应用协会专家委员会常务委员。

【版权声明】：
本文图文转载于网络，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如涉及作品内容、版权和其他问题，请联系删除。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/u-WYiJSEsl5oHOY_9d9Xgg