太空军探索VLEOVLEO作战

  

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来源：AerospaceDefense

作者：James.W

随着商业公司、大学和研究机构开发出在越来越低的轨道上运行卫星的新方法，太空军正在关注并考虑如何在近期和长期内利用这些进步。

过去十年间，美国太空军一直在努力用数量庞大、成本更低的近地轨道（LEO）卫星星座来补充其在地球同步轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）上部署的大型、昂贵且功能强大的卫星。太空发展局（SDA）已开始向LEO部署通信和导弹预警卫星，而太空系统司令部（SSC）正在探索在LEO部署定位、导航和授时卫星的方案。

军事力量向LEO的迁移得益于率先行动的商业公司，它们证明了小型、相对廉价的卫星星座能够为客户提供切实可行的能力。如今，随着更广泛的航天工业开始将目光投向更低的轨道，即超低地球轨道（very low-Earth orbit，VLEO），美国太空军也在权衡自身如何在这一轨道上运作。

虽然美国太空军尚未决定是否或何时开始向那里发射卫星，但副首席科学官Gillian Bussey表示，太空军将VLEO视为一个新兴的兴趣领域。

“从根本上讲，展望未来部队，VLEO肯定有一席之地，”Bussey表示。“我认为它能够融入整体架构，但问题在于如何具体地融入以及融入哪些方面。”

航天界将VLEO定义为地球上方约150至350公里之间的区域，尽管也有人认为其范围略微超出这个范围。该范围内的环境条件可能差异很大，但通常情况下，由于飞行挑战重重，航天运营商都避免在该区域进行持续运行。原子氧的存在使得VLEO对大多数卫星及其部件具有腐蚀性，而空气密度又会造成极大的大气阻力，因此需要采用新型推进方案来维持轨道高度。此外，这也使得卫星难以追踪。

但低空飞行也有其优势：更快的通信和数据传输速度、更精确的定位以及更高分辨率的图像，无论传感器是观测地球上的事件还是观测更高轨道上的活动。VLEO卫星还可以支持五角大楼“金穹”Golden Dome计划的目标，增强现有的导弹预警、跟踪和防御能力，甚至可能充当天基拦截器。

即使是VLEO的极端条件也并非全无益处。该区域常被描述为具有自清洁能力，因为阻力环境会导致碎片在数周内自然脱离轨道，而不是像如今LEO那样滞留并造成各种危险。造成阻力的大气密度也能部分吸收辐射，从而降低卫星的辐射暴露。这应该会降低卫星的制造和购买成本，而且至关重要的是，降低卫星在LEO遭受核爆炸影响的可能性——在2024年有报道称俄罗斯正在建造在轨核武器之后，这一担忧日益加剧。

近年来，这些优势重新激发了商业界和政府对VLEO的兴趣。此外，大国计划将自己的卫星送入该轨道也推动了这一趋势。大国国有航天工业计划在2030年前发射一个遥感星座进入VLEO。大国还成立了一个产业联盟，以协调该地区的标准制定和研究工作。

尽管美国尚未做出类似承诺，但西方公司和国防机构一直在资助研究和演示项目，以更好地了解VLEO的严酷环境对卫星的影响——测试潜在的环境缓解措施，并验证预期的性能提升是否真实存在。这些创新包括：减少阻力的卫星、高功率太阳能电池阵列、能够承受原子氧腐蚀的工程材料，以及能够在更严苛的VLEO高度执行更长时间任务的吸气式电推进系统（Air-Breathing Electric Propulsion, ABEP）。

Bussey表示，这些努力大多前景可观，如果最终取得成功，可能会推动军方开展VLEO行动。她指出，过去一年里，她的办公室收到了来自国会和白宫关于VLEO飞行的问询，这在太空军内部引发了更多讨论。

全面且分布广泛的卫星星座很可能是长期项目，需要进一步的研究和投资。Bussey强调，关于太空军如何以及何时启用某项能力的决策不属于她的职权范围，但她表示，太空军需要更好地了解在VLEO作战的成本和能力权衡，以及哪些高度最适合关键任务。

她说：“在将VLEO卫星纳入更大的架构时，太空军需要对高度、成本和卫星数量之间复杂的权衡空间进行探索。”

但Bussey表示，太空军近期或许可以利用VLEO进行快速重建。过去三年，太空军一直在提升其战术反应能力，展现出在短时间内订购并发射有效载荷的能力——无论是替换受损卫星还是以更强大的能力应对威胁。

Bussey表示，在VLEO进行重组可以增强系统的韧性，而且卫星的尺寸和较低的成本可以为该服务提供更多的发射选择。

“你可以使用很多现成的商用组件，如果发生什么事需要重建，你可以随时投入使用，”她说道，随后又补充道，“只需投入最少的科技资金，太空军如果愿意，就可以发展出快速重建能力，以便在LEO核爆炸或大规模碎片事件后继续在VLEO进行太空行动。”

Bussey表示，如果发生灾难性事件导致无法进入LEO，大国可能会获得备用能力，这尤其令太空军担忧。

“太空军的职责是保障我们在太空、往返太空的利益，这包括所有需要保护这些利益的太空区域，”Bussey说。“大国正在投资VLEO……我认为，如果大国能够重建和利用太空，而我们在这方面的能力却非常有限，这将对美国造成不可接受的不对称。”

VLEO作战

     

尽管关于长期VLEO作战的讨论对国防部而言是一个新转变，但在低层太空区域飞行卫星和其他平台并非如此。事实上，一些最早的国家安全太空计划就位于较低的高度。

“科罗娜”Corona计划是DoD和情报部门联合开展的项目，在1959年至1972年间，卫星在185公里的高空执行了145次侦察任务。在这些高空，卫星拍摄图像——主要拍摄苏联目标，例如导弹发射场和核武器储存设施——并将胶片盒通过带有降落伞的回收舱投放回地球。每次任务持续时间很短，从1天到19天不等。

AFRL太空作战部门的项目负责人Jonah Colman指出，军方目前仍在VLEO开展行动，进行弹道导弹、高超音速导弹以及X-37B等空天飞机的飞行和测试。但这些任务——甚至包括Corona号航天飞机——都是短时任务，这与航天工业目前正在探索的持续性行动面临着不同的挑战。

“问题更多在于你在VLEO上花费了多少时间，以及你在执行什么任务，”他说。

虽然太空环境本身就十分恶劣，但与地球相比，VLEO的大气阻力、原子氧，甚至太空天气条件都更加极端。以阻力为例，一颗在700至1000公里高度飞行的卫星，其总寿命可能因阻力而缩短3%；而他指出，在400公里高度，阻力可能会使航天器的使用寿命缩短两位数百分比。

天气变化和太阳周期可能会造成进一步影响寿命的条件，Colman表示，需要进行更多研究来了解这种影响。

“如果卫星的运行环境低于这个水平，你可能会损失一半、三分之二甚至四分之三的寿命，”他说。“了解环境周期以及这些变化的时间尺度就显得非常重要。”

Bussey指出，随着太空军考虑未来的运营，它将权衡在VLEO作战所带来的近距离优势，以及长期维持这些卫星运行所需的推进和电力。

许多工业界和国防部正在探索的项目都侧重于展示这一点：更长时间的任务以及支持这些任务所需的技术。

去年，总部位于科罗拉多州的初创公司Albedo Space发射了一颗卫星实验，以证明在VLEO上持续运行是可能的——而且该轨道上的航天器能够以比政府目前运营的精美、价值数十亿美元的间谍卫星更经济的方式提供高质量的图像。

由于无线电故障，Albedo公司与名为Clarity-1的卫星在运行九个月后失去了联系。但该公司表示，该卫星已成功从LEO机动至VLEO，并提供的数据证明其能够在VLEO的极端环境下运行长达五年。该卫星拍摄了可见光和热成像图像。目前，该公司正在升级卫星平台，使其功率更高，并集成新的无线电装置，同时解决其在轨运行中遇到的一些组件问题。该公司计划明年发射第二颗卫星Vicinity-1。

与此同时，DARPA正与Redwire和CUA Aerospace合作，通过Otter项目，在VLEO上演示吸气式电推进技术。克服阻力需要推力和动力，卫星通常通过大型太阳能电池阵列和燃料箱来获取这些动力。但在VLEO部署传统的太阳能电池阵列会产生更大的阻力，而且持续任务所需的推力也使得燃料不再是一个可行的选择。

DARPA的设想是利用低密度空气作为推进器的推进剂——该推进器由CUA设计——无需机载燃料。这艘航天器基于Redwire公司的Sabresat平台，采用灵活的太阳能电池阵列配置，旨在最大限度地减少阻力并为电推进系统供电。

“其他VLEO任务的持续时间都有限，因为如果你携带自己的燃料或推进剂，一旦耗尽，任务就结束了，”DARPA战术技术办公室的项目经理Michael Mulqueen表示。“这决定了你的任务寿命。而使用吸气式推进系统，你永远不会遇到推进剂耗尽的问题，因此可以大大延长任务寿命。”

该机构计划在2028财年发射完整的Otter任务，并让航天器飞行至少一年。DARPA于11月5日宣布，它还将在2027年底进行一次持续时间不到24小时的短时任务，以测试吸气式技术。

Mulqueen强调，虽然该项目正朝着关键的设计审查和制造阶段发展，但仍然存在重大风险。

他说：“这些都是前所未有的。技术上仍然存在风险，随着设计的不断完善，我们仍在进行地面测试。我希望在这个过程中能够学到很多东西，并将这些经验用于调整设计。”

行业领袖告诉《空军与太空军杂志》，尽管VLEO仍有一些障碍需要克服，但他们预计不久的将来会有商业卫星在那里飞行——而且商业应用可能会为政府行动铺平道路。

一些公司已经开始进军VLEO，其中SpaceX可能是最引人注目的一家公布相关计划的公司。10月初，美国联邦通信委员会（FCC）批准了SpaceX的申请，允许其部署一个由15000颗卫星组成的星座，运行高度在326至335公里之间。SpaceX计划在2035年前完成全部卫星的发射。该公司还开始将部分现有卫星转移到更低的轨道高度——从约550公里降至480公里以下——以避免碰撞风险并辅助卫星的脱轨过程。

Redwire业务发展高级副总裁Spence Wise表示，向VLEO迁移是向LEO迁移的自然延续，这是政府为分散任务和增强其架构韧性而采取的战略。

“我认为我们已经处于转折点，”Wise说。“我认为，即使在与美国政府和其他欧洲政府的对话中，我们也看到了他们对此的需求和兴趣。我认为很快就会看到他们从调查阶段过渡到全面建设阶段。”

Albedo首席执行官Topher Haddad表示，他认为随着这项技术的成熟和更多卫星在VLEO上展现出更长的飞行时间，其性能优势可能会使其LEO更具吸引力。

Haddad表示：“在很多情况下，VLEO解决方案可以与LEO解决方案相媲美，并且在整体上更好地满足需求。我认为随着这些方案开始投入使用，我们将会看到更多VLEO方案与LEO方案的竞争。”

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