一颗不一样的卫星：平流层飞艇

　　作者：黄宛宁 / 中科院空天信息创新研究院

　　来源： 中科院空天信息创新研究院供稿

　　卫星是指在围绕一颗行星轨道并按闭合轨道做周期性运行的天然天体。我们平常所说的卫星一般为按照圆形或者椭圆形轨道周期性围绕地球运行的航天器，就是所谓的人造地球卫星。

　　近年来，随着我国航天事业的快速发展，微小卫星、立方星、低轨卫星星座、北斗卫星导航、星间链路等这些曾经的专业名词越来越多地出现在科技媒体的热点中，卫星已经被越来越多的人熟知。

　　卫星按照轨道高度特点可以大致分为下图三类：地球同步轨道 GEO、中轨道 MEO 和低轨道 LEO。

　　其中，与我们生活密切相关的就是地球同步轨道卫星，例如气象卫星、宽带通信卫星、高分辨率对地观测卫星（部分）。这类卫星最大的特点就是相对地面是静止，这样就可以针对我国国土范围所处区域提供持续不断的服务。

　　但是 GEO 有一个缺点，就是太远了。要保持卫星轨道周期与地球自转周期相同，必须达到距离地表约 35800 公里的高度，而这对于通信卫星和对地观测卫星代价有点大。通信卫星必须提高发射功率和发射天线增益，遥感卫星则必须提高探测器的口径，这对航天器来说，必然会增加重量，增大成本。

GEO 卫星一般身躯庞大，图为最近刚刚发射的东方红五号卫星平台

　　GEO 大约每隔 2 度的位置可以发射入轨一颗同步卫星，这样整个地球静止同步轨道也只有大约 180 颗的容量。而现在即便是用上频率复用手段，也已经挤上去好几百颗了。所以仅就静止同步轨道而言，轨道资源相当紧张。    

　　中低轨卫星虽然高度大大降低，通信路径损耗大幅度减小，同样光学探测器的分辨率也大幅度提高，但是它们轨道周期和地球自转周期不一致，所以并不能持续保持在国土上空，存在过境时间的问题。

　　那能不能有一个高度足够低，同时又能够在我们头顶上忠实服务的卫星呢？

　　近年来比较流行的一个解决方案是低轨卫星星座，例如马斯克的 starlink、oneweb、我国的鸿雁等低轨卫星星座，都是要解决一个过境时间的问题。原则上，只有足够多的低轨卫星分布在不同的轨位上，一颗卫星过境马上有另一颗卫星入境，这样整个系统依然能够提供不间断的服务。

星链概念图

　　当然这样的方案也有问题，首先是耗资巨大，马斯克的星链星座计划发射 30000 多颗卫星，相当于目前天上所有卫星的总和的数十倍。其次，低轨卫星的建设是一个长期工程，在没有大规模建成之前，通信服务都不是持续的，这个过程并不能对普通用户提供服务，只能针对军方这类特殊用户的特殊需求提供服务，这些收益能否支撑它完成星座的建设也是一个问题。第三，类似星链这样的低轨卫星星座给空间飞行器的飞行安全带来了巨大的隐患。

空间碎片环境变化图源：NASA

　　一旦有卫星相撞，由于双方的速度都非常高，会形成大量的高速空间碎片，造成更多的撞击风险，可能会成为恶性循环，对全人类的空间飞行器安全形成极大威胁。

　　所以低轨卫星并不是一个解决对地服务的完美方案，铱星就是一个典型的反面案例。

　　科学家们从另一个角度想出了一个解决方案：平流层飞艇。但是它并不是传统意义上的按照闭合轨道周期性围绕地球运行的航天器，所以我们叫它高空“伪卫星”。

　　平流层飞艇为什么是一个可行的解决方案呢？这要从它的原理说起。首先它是一个飞艇，是利用浮力升空的飞行器，飞艇内部填充浮升气体（一般用氦气，氢气因为操作不安全，不在大型浮空器上使用）。原则上，只要它不漏气，就可以在一定高度保持浮力和重力的平衡，那么它就可以在这个高度长期驻留，实现类似于地球静止轨道卫星的效果。

平流层飞艇概念图

　　为什么叫平流层飞艇呢？因为它飞行的高度在平流层，这里有适合它长期驻留的气象条件。

地球大气层是一个洋葱结构，按照其特点分了 5 层，最下面是我们接触最多的对流层，存在雨、雪、雷电等天气现象，而且风速和风向的变化没有明显的规律，不但有水平气流，还存在垂直气流，例如客机飞行过程中遇到的气流颠簸现象。

地球大气分层

　　但平流层的环境就好很多，首先是没有雨雪现象，有利于长期飞行，另外也没有垂直气流，只有水平气流，这样原理上只用保持浮重平衡，就可以长期飞行。平流层底部的高度根据季节和地域不同变化，最低可以到 9km，最高到 18km，所以平流层飞艇飞行的高度选择在 18km 以上。

浮空器飞行在平流层 （图片来源：google）

　　当然能够在这个高度以上飞行的浮空器不止平流层飞艇，还有高空气球，但高空气球没有动力，是随风向飘飞的。

　　平流层飞艇自身是有电力推动的、螺旋桨的，可以控制它飞行的方向，所以平流层飞艇是可以在目标区域上空盘旋飞行。

　　平流层飞艇虽然有很多优点，但是也有一个小问题，就是在 20km 高度空气密度非常低，大约只有地面的6%，能够提供的浮力太小，飞艇要想装很多设备发挥作用，就需要把体积做得非常庞大，尺寸一放大就遇到很多工程技术问题，这就好比做一架会飞的模型飞机和做一架空客 A380 的技术难度完全不可同日而语一样。  

　　目前平流层飞艇还处于关键技术攻关的阶段，但是随着各方面单项技术的突破，我们相信平流层飞艇提供卫星式服务的那天并不会太遥远，那时候平流层飞艇就会成为一颗名副其实的卫星。