作者：黃宛寧 / 中科院空天信息創新研究院

　　來源：中科院空天信息創新研究院供稿

　　衛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星。

　　近年來，隨著我國航天事業的快速發展，微小衛星、立方星、低軌衛星星座、北斗衛星導航、星間鏈路等這些曾經的專業名詞越來越多地出現在科技媒體的熱點中，衛星已經被越來越多的人熟知。

　　衛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的就是地球同步軌道衛星，例如氣象衛星、寬帶通信衛星、高分辨率對地觀測衛星（部分）。這類衛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域提供持續不斷的服務。

　　但是 GEO 有一個缺點，就是太遠了。要保持衛星軌道周期與地球自轉周期相同，必須達到距離地表約 35800 公里的高度，而這對于通信衛星和對地觀測衛星代價有點大。通信衛星必須提高發射功率和發射天線增益，遙感衛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 衛星一般身軀龐大，圖為最近剛剛發射的東方紅五號衛星平臺

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

　　中低軌衛星雖然高度大大降低，通信路徑損耗大幅度減小，同樣光學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周期不一致，所以并不能持續保持在國土上空，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的衛星呢？

　　近年來比較流行的一個解決方案是低軌衛星星座，例如馬斯克的 starlink、oneweb、我國的鴻雁等低軌衛星星座，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星分布在不同的軌位上，一顆衛星過境馬上有另一顆衛星入境，這樣整個系統依然能夠提供不間斷的服務。

星鏈概念圖

　　當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射 30000 多顆衛星，相當于目前天上所有衛星的總和的數十倍。其次，低軌衛星的建設是一個長期工程，在沒有大規模建成之前，通信服務都不是持續的，這個過程并不能對普通用戶提供服務，只能針對軍方這類特殊用戶的特殊需求提供服務，這些收益能否支撐它完成星座的建設也是一個問題。第三，類似星鏈這樣的低軌衛星星座給空間飛行器的飛行安全帶來了巨大的隱患。

空間碎片環境變化圖源：NASA

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

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

　　科學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，實現類似于地球靜止軌道衛星的效果。

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構，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、雷電等天氣現象，而且風速和風向的變化沒有明顯的規律，不但有水平氣流，還存在垂直氣流，例如客機飛行過程中遇到的氣流顛簸現象。

地球大氣分層

　　但平流層的環境就好很多，首先是沒有雨雪現象，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季節和地域不同變化，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區域上空盤旋飛行。

　　平流層飛艇雖然有很多優點，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，飛艇要想裝很多設備發揮作用，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問題，這就好比做一架會飛的模型飛機和做一架空客 A380 的技術難度完全不可同日而語一樣。

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

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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