作者：黃宛寧 / 中科院空天信息創(chuàng)新研究院

　　來源：中科院空天信息創(chuàng)新研究院供稿

　　衛(wèi)星是指在圍繞一顆行星軌道并按閉合軌道做周期性運行的天然天體。我們平常所說的衛(wèi)星一般為按照圓形或者橢圓形軌道周期性圍繞地球運行的航天器，就是所謂的人造地球衛(wèi)星。

　　近年來，隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，微小衛(wèi)星、立方星、低軌衛(wèi)星星座、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、星間鏈路等這些曾經(jīng)的專業(yè)名詞越來越多地出現(xiàn)在科技媒體的熱點中，衛(wèi)星已經(jīng)被越來越多的人熟知。

　　衛(wèi)星按照軌道高度特點可以大致分為下圖三類：地球同步軌道 GEO、中軌道 MEO 和低軌道 LEO。

　　其中，與我們生活密切相關(guān)的就是地球同步軌道衛(wèi)星，例如氣象衛(wèi)星、寬帶通信衛(wèi)星、高分辨率對地觀測衛(wèi)星（部分）。這類衛(wèi)星最大的特點就是相對地面是靜止，這樣就可以針對我國國土范圍所處區(qū)域提供持續(xù)不斷的服務(wù)。

　　但是 GEO 有一個缺點，就是太遠(yuǎn)了。要保持衛(wèi)星軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，必須達(dá)到距離地表約 35800 公里的高度，而這對于通信衛(wèi)星和對地觀測衛(wèi)星代價有點大。通信衛(wèi)星必須提高發(fā)射功率和發(fā)射天線增益，遙感衛(wèi)星則必須提高探測器的口徑，這對航天器來說，必然會增加重量，增大成本。

GEO 衛(wèi)星一般身軀龐大，圖為最近剛剛發(fā)射的東方紅五號衛(wèi)星平臺

　　GEO 大約每隔 2 度的位置可以發(fā)射入軌一顆同步衛(wèi)星，這樣整個地球靜止同步軌道也只有大約 180 顆的容量。而現(xiàn)在即便是用上頻率復(fù)用手段，也已經(jīng)擠上去好幾百顆了。所以僅就靜止同步軌道而言，軌道資源相當(dāng)緊張。

　　中低軌衛(wèi)星雖然高度大大降低，通信路徑損耗大幅度減小，同樣光學(xué)探測器的分辨率也大幅度提高，但是它們軌道周期和地球自轉(zhuǎn)周期不一致，所以并不能持續(xù)保持在國土上空，存在過境時間的問題。

　　那能不能有一個高度足夠低，同時又能夠在我們頭頂上忠實服務(wù)的衛(wèi)星呢？

　　近年來比較流行的一個解決方案是低軌衛(wèi)星星座，例如馬斯克的 starlink、oneweb、我國的鴻雁等低軌衛(wèi)星星座，都是要解決一個過境時間的問題。原則上，只有足夠多的低軌衛(wèi)星分布在不同的軌位上，一顆衛(wèi)星過境馬上有另一顆衛(wèi)星入境，這樣整個系統(tǒng)依然能夠提供不間斷的服務(wù)。

星鏈概念圖

　　當(dāng)然這樣的方案也有問題，首先是耗資巨大，馬斯克的星鏈星座計劃發(fā)射 30000 多顆衛(wèi)星，相當(dāng)于目前天上所有衛(wèi)星的總和的數(shù)十倍。其次，低軌衛(wèi)星的建設(shè)是一個長期工程，在沒有大規(guī)模建成之前，通信服務(wù)都不是持續(xù)的，這個過程并不能對普通用戶提供服務(wù)，只能針對軍方這類特殊用戶的特殊需求提供服務(wù)，這些收益能否支撐它完成星座的建設(shè)也是一個問題。第三，類似星鏈這樣的低軌衛(wèi)星星座給空間飛行器的飛行安全帶來了巨大的隱患。

空間碎片環(huán)境變化圖源：NASA

　　一旦有衛(wèi)星相撞，由于雙方的速度都非常高，會形成大量的高速空間碎片，造成更多的撞擊風(fēng)險，可能會成為惡性循環(huán)，對全人類的空間飛行器安全形成極大威脅。

　　所以低軌衛(wèi)星并不是一個解決對地服務(wù)的完美方案，銥星就是一個典型的反面案例。

　　科學(xué)家們從另一個角度想出了一個解決方案：平流層飛艇。但是它并不是傳統(tǒng)意義上的按照閉合軌道周期性圍繞地球運行的航天器，所以我們叫它高空“偽衛(wèi)星”。

　　平流層飛艇為什么是一個可行的解決方案呢？這要從它的原理說起。首先它是一個飛艇，是利用浮力升空的飛行器，飛艇內(nèi)部填充浮升氣體（一般用氦氣，氫氣因為操作不安全，不在大型浮空器上使用）。原則上，只要它不漏氣，就可以在一定高度保持浮力和重力的平衡，那么它就可以在這個高度長期駐留，實現(xiàn)類似于地球靜止軌道衛(wèi)星的效果。

平流層飛艇概念圖

　　為什么叫平流層飛艇呢？因為它飛行的高度在平流層，這里有適合它長期駐留的氣象條件。

地球大氣層是一個洋蔥結(jié)構(gòu)，按照其特點分了 5 層，最下面是我們接觸最多的對流層，存在雨、雪、雷電等天氣現(xiàn)象，而且風(fēng)速和風(fēng)向的變化沒有明顯的規(guī)律，不但有水平氣流，還存在垂直氣流，例如客機(jī)飛行過程中遇到的氣流顛簸現(xiàn)象。

地球大氣分層

　　但平流層的環(huán)境就好很多，首先是沒有雨雪現(xiàn)象，有利于長期飛行，另外也沒有垂直氣流，只有水平氣流，這樣原理上只用保持浮重平衡，就可以長期飛行。平流層底部的高度根據(jù)季節(jié)和地域不同變化，最低可以到 9km，最高到 18km，所以平流層飛艇飛行的高度選擇在 18km 以上。

浮空器飛行在平流層 （圖片來源：google）

　　當(dāng)然能夠在這個高度以上飛行的浮空器不止平流層飛艇，還有高空氣球，但高空氣球沒有動力，是隨風(fēng)向飄飛的。

　　平流層飛艇自身是有電力推動的、螺旋槳的，可以控制它飛行的方向，所以平流層飛艇是可以在目標(biāo)區(qū)域上空盤旋飛行。

　　平流層飛艇雖然有很多優(yōu)點，但是也有一個小問題，就是在 20km 高度空氣密度非常低，大約只有地面的6%，能夠提供的浮力太小，飛艇要想裝很多設(shè)備發(fā)揮作用，就需要把體積做得非常龐大，尺寸一放大就遇到很多工程技術(shù)問題，這就好比做一架會飛的模型飛機(jī)和做一架空客 A380 的技術(shù)難度完全不可同日而語一樣。

　　目前平流層飛艇還處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的階段，但是隨著各方面單項技術(shù)的突破，我們相信平流層飛艇提供衛(wèi)星式服務(wù)的那天并不會太遙遠(yuǎn)，那時候平流層飛艇就會成為一顆名副其實的衛(wèi)星。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一颗不一样的卫星：平流层飞艇的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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