比星链更低处，揭秘全国首颗浙企研制超低轨道试验卫星乾坤一号

　　浙江在线7月24日讯（见习记者 涂佳煜 通讯员 宋星瑶）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。

　　烈日炎炎的戈壁滩上，细长的谷神星一号遥六运载火箭直冲云霄，在一片欢呼声中，很快消失在人们的视野。另一头，指挥中心内仍然一片安静，所有人屏息凝神，注视着屏幕上高度、速度两条曲线缓缓爬升——整流罩分离，卫星从火箭末端探出头来；乾坤一号分离，卫星轻盈脱身，缓缓展开太阳翼；终于，随着乾坤一号成功入轨的数据传回，大厅里爆发出热烈、持久的掌声。

　　在任务密集的酒泉卫星发射中心，这仅仅是一次再常规不过的卫星发射。然而，乾坤一号承载的使命却非同一般。

　　作为我国第一颗超低轨道试验卫星，它的发射应用将填补我国超低轨道技术应用领域的空白，也意味着在竞争激烈的航天赛场上，浙江企业再一次拔得头筹。

　　挑战极限

　　这颗卫星有何不一般

　　乾坤一号试验卫星的入轨高度为500千米，未来将根据任务需求，在300千米、268.13千米、250千米的轨道高度完成超低轨道长期稳定飞行业务，最终到达200千米以下的轨道，突破太空极低轨道高度完成短期飞行业务试验。届时，它的最低轨道高度将接近航天器可以绕地球运行而不会坠落的极限。

　　从300千米起，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500千米下降到300千米以下，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层。不仅如此，由于超低轨道空间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。”赛思倍斯创始人、董事长郭世亮告诉记者，直到今天，在人类的航天活动走出太阳系、走向遥远深空的同时，这片离我们最近的空间依然是“人迹罕至”。

　　“乾坤一号”超低轨道试验卫星概念图。赛思倍斯提供

　　拿我国在轨的航天器来说，中国空间站的轨道高度是400千米，资源、高分、环境等卫星大部分运行在400~2000千米之间，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。

　　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。记者了解到，除了这家科创企业以外，国内公布超低轨道卫星计划的只有中国航天科工集团，13日，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。

　　而这次发射的主要任务就是“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。

　　乾坤一号的外形也独具匠心：它的主体部分是长方形，但比传统卫星更加细长；两侧的太阳翼一共有三折，但展开后并不在一个水平面上，而是先下掠一定角度，让人联想到飞机的机翼。

　　郭世亮告诉记者，由于超低轨道环境更接近低层大气，乾坤一号的某些特征有着“航空器”的影子。“我们综合考虑了气动力矩、轨道动力、能源、任务载荷等方面的因素设计卫星的减阻构型，整整迭代了9次方案，确保卫星能在稳定运行的同时，节省星上的资源。”他说。

　　打个比方，如果说传统的卫星是在一条风和日丽的高速公路上行驶，超低轨道卫星就是驾驶着越野车，迎着风暴，在崎岖的道路上疾驰，风力、风向、路况还在不断变化，但仍要给“乘客”营造同样平稳的乘坐体验，完成载荷任务。

　　“从技术层面说，超低轨道技术对于飞行器空天一体、智能化水平的高要求，能够带动面向任务、场景的一系列创新，发展空间巨大，这也是超低轨道技术高难度中蕴含高价值的体现。” 郭世亮说。

　　先到先得，抢占太空新空间

　　为什么这颗卫星要瞄准超低轨道空间？

　　“超低轨道空间是未来十年航天强国必争的战略资源，属于太空价值的制高点。这个领域做好了，民营航天企业照样可以成为国家战略科技力量。”郭世亮说。

　　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。浙江大学航空航天学院教授幺周石告诉记者，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1000千米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345.6千米之间。

　　“整个航天行业的形态都会被颠覆。”幺周石说，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，瞄准比“星链”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、常态化发射。

　　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250~260千米的轨道上运行近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180千米。

　　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250千米的轨道完成组网，能够向美国空军、陆军提供近乎实时的卫星图像。

　　郭世亮告诉记者，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，日本虽然进行了应用层面的探索，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，欧美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。”郭世亮说，加入超低轨道空间的探索，中国起步不迟，但已经时不我待。

　　赛思倍斯乾坤一号卫星杭州发射运控现场

　　未来应用场景，仅受制于想象

　　乾坤一号搭载了可见光面阵相机和高光谱成像仪两款相机，采用同光轴的安装方式，用于验证超低轨道稳定成像技术，可以对地表同区域进行同时相观测。对于它来说，飞得更低，意味着看得更清楚；轨道半径更小，绕地一圈时间更短，对于同一区域动态变化的监测能力也更强。

　　在遥感领域，超低轨道卫星将大有可为。“一旦技术突破，超低轨道遥感卫星的分辨率可以做到比肩航空遥感无人机，达到0.1至0.2米。同时，它又可以在全球任意位置获取图像，对于获取同样的数据，卫星的成本可以降到无人机的10%到20%。”郭世亮说。

　　当前，军事侦察、地质勘探、灾害预警等许多重要领域都依赖于卫星数据，但我国的卫星遥感应用普遍存在成本高、效率低、应用少等问题，难以保障重大行动对关键信息时效性的迫切需求。

　　郭世亮表示，超低轨道技术将对这些传统领域带来颠覆性的影响。“光是地理信息行业，国内产值就达到了7500亿。”他说，“但和一些高科技行业相比，它的人均产值还很低，高质量、高价值的数据会带动整个产业的提升。”

　　其实，遥感、通信、导航，传统卫星的三大功能的载荷，超低轨道卫星都能承载。一旦不同功能的卫星实现组网，并与其他轨道的卫星互联，更将产生1+1>2的效果。

　　国家“十四五”规划《纲要》中提到，我国要在新阶段“建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施……打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系”。今年7月9日，我国成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空，正式拉开了卫星互联网工程建设的序幕。

　　作为通信网络基础设施的代表之一，卫星互联网技术的优势是可以弥补地面基站盲点，实现地球各个角落网络信号的全覆盖。

　　幺周石告诉记者，更长远的趋势是把地面系统、航空器，以及超低、低、中、高轨卫星全方位连接，形成空天地一体的综合网络。

　　在这样的基础设施体系中，超低轨道的角色是“承上启下”：一方面，它执行的任务可以与更高轨道的卫星形成互补，分担卫星系统的功能；另一方面，由于距离很短，超低轨道卫星能以更低的成本、更安全、实时地将获取的数据传给航空器、临近空间飞行器等计算基础设施，如果传输回地面直接抵达用户，时延也将达到分钟级别。

　　这将打开怎样的应用场景？幺周石向记者举例，空天地一体化后，对于物联网、车联网、自动驾驶、虚拟现实等对网络数据传输时延要求极高的生产生活领域，如果调用卫星系统，超低轨道将是最佳的选择。

　　“比如医疗物联网，想象在杭州的医生开了一刀，远在地球另一个角落的手术室里，一只机械臂能几乎同时落下，达到这样的效率，远程医疗才能成为可能。”他说。

　　是否会有更多新型业态出现? 郭世亮表示，这是必然的趋势，技术进步带来的变革，仅受限于我们的想象力。

　　“这就像互联网、智能手机出现之前，我们绝对想象不到它会给社会带来如此深刻的改变。”郭世亮说，超低轨道技术的成功验证只是第一步，未来还要交给更多人去想象和创造，以实现各行各业的互利共赢。

　　瞄准赛道，浙江打造航天名片

　　这两周，浙江航天捷报频传，令人振奋。7月12日，由蓝箭航天空间科技股份有限公司自主研制、产于浙江的朱雀二号遥二液氧甲烷运载火箭成功发射入轨，同样创下世界之最。下一阶段，蓝箭航天还将在浙江开启核心产品的批量化生产进程。

　　赛思倍斯也已经在诸暨经济开发区（高新区）落成了空天智能制造基地，二期工程建成后，可实现年产200颗高分辨率遥感卫星的总装、集成与试验能力。未来，还将根据不同的应用需求拓展超低轨道卫星星座与组网应用，预计将在2024年开始发射建设超高分辨率遥感卫星及星座。

　　“浙江的创新创业环境非常吸引我。”谈到为何来到浙江创业，郭世亮表示，这是一件顺理成章的事。

　　一方面，诸暨市将航空航天产业列为重点发展的三大新兴产业之一，为企业落户提供了充分的政策支持，另一方面，赛思倍斯在浙江获得了主要投资，郭世亮还与浙江大学航空航天学院、地球科学学院的多位专家教授有长期紧密的合作。

　　在赛思倍斯的诸暨智能制造基地周围，航空航天产业生态初具，发展势头强劲。诸暨市现有航空航天企业40余家，涵盖卫星测控与研发制造、空天信息、芯片、传感器、光电、电子器件等多个领域，尤其是最近三年，已经引进总投资超过100亿元的数个重大项目。记者还了解到，此次参与乾坤一号任务保障工作的还有诸暨的另一家企业——浙江天链航天科技有限公司。

　　诸暨市科技城建管办相关负责人告诉记者，在科研配套方面，诸暨市政府与浙大、浙大控股集团共同建设浣江实验室，目前已成立了微纳星群与信息技术、智能无人系统、现代导航与感知技术等六个研究中心和三个公共平台。

　　杭嘉湖，是浙江航空航天产业迅速集聚的另一个中心：蓝箭航天中心所在的嘉兴港区航空航天产业园，已引进多个亿元项目；今年5月，中国空间技术研究院杭州中心开工建设，将在浙江打造航天领域原创技术策源地和产业发展新平台。

　　顶层规划上，2021年，浙江发布航空航天产业发展“十四五”规划，提出培育发展商业航天，聚焦商业运载火箭、微小卫星、北斗应用等重点领域。今年，浙江在《关于培育发展未来产业的指导意见》中，将空天信息产业定为了优先发展的9个快速成长的未来产业之一。

　　幺周石认为，虽然浙江的航天工业起步较晚、规模偏小，但随着更多民营航天的“领头羊”企业和重大项目落地浙江，将快速带动起航空航天全产业链的完善和提升，更可以结合浙江已有的大数据、互联网、人工智能等产业优势，创新商业模式，打造新的经济平台、经济增长引擎。

　　“尤其是超低轨道卫星是一条非常独特的赛道。”幺周石说，“瞄准这个领域，浙江有望再打造出一张自己的航天名片。”

　　【深一度】