超低地球轨道卫星架构：新兴技术的军事综合应用

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2026年10月7日 17:15
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2026年6月，美国某机构发布硕士论文《超低地球轨道卫星架构：新兴技术的军事综合应用》，全文105页，把约90—450公里的超低地球轨道（VLEO）定位为一条长期被忽视、正在回归的作战轨道，用减阻构型、空气吸气电推进、原子氧防护涂层、钙钛矿太阳能电池四项使能技术论证 VLEO 星座的可行性，并以 DARPA“Ouija”计划为核心案例，给出把 VLEO 编入联合部队的六条建议。

一、被重新发现的 90—450 公里

（一）环境是第一道门槛

VLEO 的定义来自 2026年3月版联合出版物 JP 3-14《联合太空作战》：距地面约90—450公里。这个高度落在热层和电离层之内，电离层 F2 层恰好位于约300公里附近，是高频（HF）传播研究的关键区域。挑战有三层。第一层是大气阻力，Crisp 等人的研究给出量化结论：低于约250公里运行的卫星，如果没有持续推进手段，数天到数周内就会再入坠毁；250—450公里之间，寿命也只能以周到月计。第二层是原子氧（AO）侵蚀，NASA 长期曝露装置（LDEF）1984年4月由挑战者号航天飞机部署到约480公里轨道，在轨69个月的材料实验显示，航天器部件与 AO 分子以8公里/秒的相对速度碰撞，产生4.5—5 eV 的“迎风”能量侵蚀材料。DARPA 与 Orion Space Solutions 给出的对比是：相对400公里的 LEO 卫星，250公里和200公里轨道的 AO 侵蚀速率分别约为25倍和100倍。

第三层是等离子体扰动。赤道等离子体泡（EPB）和中尺度行进电离层扰动（MSTID）会劣化通信链路、干扰 GPS 信号并导致航天器充电，而因为没有来自 F2 层内部的自下而上探测数据，国防部和科学界至今难以预测这些扰动的动态。约250公里高度的轨道周期只有85—90分钟，单星过顶时间极短，光学与合成孔径雷达载荷的成像幅宽也被压得很窄。

（二）历史：用过、躲过、如今回来

美军不是第一次用 VLEO。1960—1972年的 CORONA 胶片侦察卫星（“发现者”计划代号，1995年解密）以120—200公里近地点飞行，用70毫米胶片相机拍摄了超过86万张影像，地面分辨率12.9米，代价是单星寿命只有数天到数周。此后美军转向更高轨道，1970年代到本世纪初 VLEO 基本处于弃用状态。转折点是欧空局：GOCE 重力卫星1996年立项，2009年3月发射，在260公里高度用低迎风面气动构型加连续电推进一路运行到2013年11月，验证了“气动设计+持续电推进”的技术路线。日本 JAXA 的超低轨试验卫星 SLATS（Tsubame）2017—2019年在167.4—270公里之间运行，创下地球观测卫星最低轨道的吉尼斯世界纪录。RAND 公司对“新太空时代”的定义是商业工业驱动的太空转型，发射成本下降和拼车发射服务让这条轨道重新具备了经济性。

二、四项使能技术把寿命从几天拉到几年

论文的核心技术判断浓缩在一张就绪度评估表里。气动构型和连续电推进已经过 GOCE、SLATS 飞行验证（TRL-9），真正的瓶颈在空气吸气电推进（ABEP）和钙钛矿太阳能电池（PSC），而这恰恰是2018年以来进展最快的方向。

表1：论文表1，VLEO 使能技术就绪度评估（据原文改编）

（一）减阻与推进

布里斯托大学 Walsh 等人的研究给减阻划出了量化区间。内部容积缩减50%配合双锥构型可实现21%—35%的减阻，但考虑任务载荷的实际尺寸约束，容积缩减25%、减阻13%—27%是更现实的工程区间。推进侧的关键突破是 ABEP：欧空局2018年在真空舱内完成“冲压电推进”（RAM-EP）首次点火，模拟200公里高度的大气环境——采集大气分子、电离后喷出，推进剂取自稀薄大气本身。Crandall 与 Wirz 在2022年的结论是：240公里以下、任务期三年以上的场景，ABEP 是最优推进方案。目前 ABEP 介于 NASA TRL-4到5之间，Redwire 的 SabreSat 项目（DARPA“Otter”合同）正把在轨 TRL-6/7 的 ABEP 概念推向演示。

图2：内部容积缩减与阻力降低的关系（原图注：Drag reduction by internal volume reduction. Source: [29].）

（二）涂层与电池

原子氧涂层的代际更替直接决定 VLEO 卫星能不能长期活下来。基准材料 Kapton 聚酰亚胺的 AO 侵蚀率约为3×10⁻²⁴立方厘米/原子；NASA 第一代硅基涂层的质量损失比 Kapton 低约两个数量级，商用涂层 NuSil CV-1144-0 低约三个数量级，但2022年的模拟实验显示其在高温下开裂，并且 AO 交互导致航天器增重、阻力上升。目前最有希望的是 JAXA 与日本制铁联合开发的杂化硅氧烷-聚酰亚胺薄膜 BSF-30：飞行实测侵蚀率低于 Kapton 的0.6%，暴 AO 后表面粗糙度仍保持在纳米级，已经随国际空间站和 SLATS 完成三次飞行试验，达到 TRL-6。电源侧，钙钛矿-硅叠层电池在 AM1.5G 光谱下效率已达约35%，理论上限44%，单结效率约29%与传统硅电池持平，MISSE-13 在国际空间站为期十个月的实验验证了其对辐射和 AO 的天然耐受性。

三、政府先行，商业待发

论文盘点的全球格局是：政府需求拉动研发，商业资本在等一个信号。作者的原话是，技术不到 TRL-7 或者没有政府合同，商业公司不会把资本投进 VLEO。

（一）美国：四份合同铺路

DARPA 的两份合同是美国的 VLEO 主线。Ouija 计划2022年启动，向 Orion Space Solutions 授出超过2000万美元，用于电离层与 VLEO 环境表征；Otter 计划2023年启动，向 Redwire 授出4400万美元演示 ABEP。其余合同围绕配套能力：2024年洛克希德·马丁获400万美元开发 SWOOP 在轨无线按需光学供电，LeoLabs 获空军研究实验室120万美元开发可跟踪 VLEO 目标的 S 波段二维直接辐射阵列；Albedo 在2025年 Clarity-1 成功发射后拿到 AFRL 第二笔1200万美元合同。太空军与 NASA 的 STP-S30 任务已于2025年12月把 DiskSat 构型试验星送入轨道，任务是从 LEO 机动到 VLEO 验证该构型的持续运行能力。

图3：DiskSat 构型卫星堆叠部署概念（原图注：National Aeronautics and Space Administration DiskSat bus render. Source: [47].）

（二）欧盟与日本：两条技术路线

欧盟走的是“星座先行”路线。欧洲防务局2024年3月宣布1000万欧元的 LEO2VLEO 计划，联合荷兰、奥地利建设可在 LEO 与 VLEO 之间机动“军事危机响应星座”；2026年3月再授1600万欧元的 VLEO-DEF 合同，集结西班牙、法国、卢森堡、葡萄牙、斯洛文尼亚与 SENER、泰雷兹阿莱尼亚宇航、空客防务与航天等17家欧洲主承包商，设计欧洲首型 VLEO 专用航天器；配套的还有2025年授予 Kreios Space 的800万欧元 ABEP 推进器研发合同。日本则保持低调，主要押注 BSF-30 涂层和电推进的持续研究，JAXA 计划2026年发射 OHISAMA 任务，在约400公里高度验证太空太阳能收集与向地面传输。

（三）中国：论文单列对标对象

作者对中国一节的判断用了“重度投入”（heavily invested）这个词。中国航天科工2023年启动楚天星座计划，2024年发射弹头构型试验星楚天-001（2024年珠海航展展出），并宣布2027年建成192颗卫星、2030年扩展到300颗的 VLEO 星座目标；2025年11月，前两颗楚天-2卫星与试验卫星系列的技术试验星一同发射。中国科学院的海哨一号（HS-1）2024年发射，在约350公里高度提供50厘米分辨率、160公里幅宽的合成孔径雷达影像。论文还提到，2026年3月复旦大学宣布 VLEO 技术与 ABEP 推进器设计取得突破，计划2027年初推出工程样机。

图4：中国航天科工楚天-001构型，2024年珠海航展（原图注：China Aerospace Science and Industry Corporation Chutian-001 design, Zhuhai Air Show 2024. Source: [61].）

（四）商业：一个15亿美元的市场等待引爆

BIS Research 的市场测算被论文反复引用：VLEO 商业市场2024年规模约1040万美元，2034年预计达到15亿美元。监管通道已经打开——联邦通信委员会2026年1月有条件批准星链在340—365公里高度部署卫星；亚马逊 Leo（原柯伊伯计划）2025年4月首次发射，到2026年4月在轨241颗。Albedo 的 Clarity-1 在2025年完成飞行验证后，公司已以 TRL-9 的 Precision 平台对外提供“全栈 VLEO 服务”，但随即放弃自营 VLEO 商业影像、转向政府合同，这个细节被作者当作“政府需求先于商业需求”的证据。EOI Space 的 StingRay 卫星计划2026年底试验发射，60颗星座的目标是15厘米地面分辨率、45分钟重访；Vantor（原 Maxar Intelligence）目前在 LEO 提供34厘米原生分辨率，ICEYE 以60余颗卫星提供25厘米 SAR 影像、下一代 Gen4 预计低至16厘米——论文认为 ICEYE 是最可能把 SAR 星座下沉到 VLEO 的商业公司。

图5：Albedo Space Precision 商用 VLEO 平台（原图注：Albedo Space Precision very low Earth orbit satellite bus render. Source: [70].）

四、Ouija：第一份来自 F2 层内部的实测数据

Ouija 是论文的轴心案例，任务目标用 DARPA 自己的话说：量化太空高频噪声环境，改进电离层表征，支援作战人员能力。HF 频段（3—30 MHz）靠电离层折射实现超视距传播，是远程航空通信、舰岸通信、遇险报警和超视距雷达的底层频谱资源，但电离层长期是 HF 传播预测中的“不受控变量”——因为没有来自 F2 层内部的原位测量。Ouija 选择在约300公里的 F2 层附近运行，300公里以下预期寿命约90天，全任务6—8个月。

图6：DARPA Ouija 计划概念与高频传播路径（原图注：Defense Advanced Research Projects Laboratory Ouija concept with example high-frequency propagation paths. Source: [6].）

技术领域一（TA-1）由 Orion Space Solutions 主承包，核心是 Kraken 卫星。Kraken 定于2026年经国际空间站 NanoRacks 部署器在 LEO 释放后降轨进入 VLEO，整星约250瓦、80公斤，减阻设计带来约50%的阻力削减。星上集成了论文称之为“首个重要 F2 层原位数据库”的完整载荷套件：HF 传感器、固定偏置探针、跟踪阻抗探针、扫描朗缪尔探针、Q 阻抗探针、悬浮电位探针、扫描阻抗探针、三轴磁强计、三轴加速度计、原子氧探针、16通道等离子体密度频谱仪和 DC 至33 kHz 的电场频谱仪等，规格详见 DARPA-SN-25-15 文件。技术领域二（TA-2）由 Systems & Technology Research 牵头，目标有两个：建立能模拟100公里及以下尺度电离层扰动的近实时同化模型，以及能对“地面到 VLEO”传播做高保真预测的 HF 模型。

图7：Orion Space Solutions Kraken 卫星（原图注：Orion Space Solutions Kraken satellite render. Source: [99].）

数据消化靠 Orion 的两级同化系统 M3SDA。第一阶段粗同化以全球为范围，融合 GNSS 电离层总电子含量、测高仪等地面数据和 COSMIC-2 星座等在轨数据，算例为4度水平分辨率、5公里垂直间隔、约15分钟一轮；第二阶段细同化只在星下点周围半度范围内用 Kraken 原位数据做高频更新。支撑这套系统的是2022年 Orion 与海军研究实验室（NRL）、空军研究实验室联合构建的“噪声真值模型”（NTM），该模型用两年测高仪数据构建，精度显著高于传统方差真值模型。作者打了一个海军出身的比方：EXBT 消耗性温深声呐浮标之于反潜战的声速剖面，正如 VLEO 原位测量之于 HF 传播预测——没有新鲜的原位数据，模型再大也 只是历史数据的回声。

五、军事应用：从 NIIRS 8 级影像到《海军作战条令》

（一）影像：10厘米是“圣杯”

2026财年国防授权法案修正案（H.R. 3838）为 VLEO 圈定的四类军用场景是：情报监视侦察、动态瞄准、战术通信和竞争后勤。影像端的量化对比来自帝国理工学院2024年的研究：同样采集25厘米地面分辨率的 SAR 影像，250公里高度只需100公斤卫星、1.85平方米阵面、400瓦峰值功率；550公里高度则需要150公斤、3平方米和1400瓦。航天风投机构 Marlinspike Partners 把亚10厘米地面分辨率称作 VLEO 军事应用的“圣杯”。按美国科学家联合会发布的图像判读分级标准（NIIRS），Vantor、ICEYE 等商业产品（20—40厘米）处于 NIIRS 7——能识别战斗机挂架与整流罩、区分坦克与三维假目标；10厘米原生分辨率可达 NIIRS 8——能识别轰炸机机身铆接线、车辆雨刷和人体四肢。Albedo 的 Clarity-1 在2025年因技术故障未产出10厘米影像，但公司报告了98%的取景成功率，修正后的 Vicinity 任务定于2027年发射。

图8：Albedo 与 European Space Imaging 10厘米地面分辨率样例（原图注：Albedo and European Space Imaging 10-centimeter ground sample distance promotional imagery example rendering. Source: [118].）

（二）通信：1.2毫秒延迟与 HF 备份

国际太空大学2026年的分析给出延迟对比：VLEO 双向通信延迟1.2—3.0毫秒，LEO 为13.3—238.7毫秒。但 VLEO 的地面足迹随之大幅缩小（见图9），单星过顶窗口更短更稀，论文的评估是：VLEO 通信要成为有效架构，需要数千颗量级的卫星数来保证通信窗口，否则只能作为 LEO 及更高轨道通信体系的战术补充。星链的军事版星盾（Starshield）已凭借高保障加密载荷承接国防部合同，VLEO 批准落地后将是现成的受益者。HF 侧的实战教训来自2025年 Mehle 与 Ward 对国家训练中心24-03轮次和“融合计划”演习的分析：在拒绝、降级、中断太空作战环境（D3SOE）想定中，卫星通信被拒止后，部队靠 HF 背负台和车载电台恢复了火力指挥链路——结论是 HF 可用，但部队训练严重不足。

图9：各轨道高度地面足迹对比（原图注：International Space University orbital regime ground footprint comparison example. Source: [121].）

（三）接入《航行计划2024》与33号工程

论文把 VLEO 的价值锚定在时任海军作战部长弗伦奇蒂上将的《航行计划2024》与33号工程上——该计划的明确假想情景是2027年前与中华人民共和国的冲突。作者提出的运用方式不是建造常驻星座，而是把 VLEO 卫星当“消耗性弹药”：平时库存待命，征候升级时按需大规模部署，把有限的设计寿命集中用在冲突窗口里。落到四条能力线上——远程火力方面，NIIRS 8—9 级影像服务 F2T2EA 打击链的发现、定位、跟踪与评估环节，可补充太空发展局“增殖作战人员太空架构”跟踪层；反探测方面，印太司令部司令帕帕罗2024年对参议院说，C-C5ISRT“将是第一场战斗，要么是联合部队的赋能能力，要么是（解放军的）阿喀琉斯之踵”，第34任海军作战部长考德尔2025年8月上任后在《2026年海军作战条令》里写道“谁先看见敌方舰队并有效打击，谁就在海战中占据关键优势”——VLEO 轨道速度快、地面传感器跟踪难，卫星本身自带隐蔽优势；竞争后勤方面，亚10厘米影像用于监控海上交通线和霍尔木兹海峡、红海等咽喉要道；分布式海上作战方面，VLEO 低延迟节点可作为 CJADC2 杀伤网的消耗性补充，对冲 D3SOE 对传统星座的打击。

（四）制度空白：条令落后于技术

截至2026年4月，国防部没有正式的 VLEO 战略。VLEO 首次进入联合条令是2026年3月版 JP 3-14 新增的第六章；2025年12月行政令14369号《确保美国太空优势》点名“从超低地球轨道到地月空间”，但现行国家太空政策和国防部太空战略仍未把 VLEO 当作独立的轨道层级；太空军《太空作战框架》和 SFDD-1 条令也未把 VLEO 与 LEO 区分。按 DOTmLPF-P 框架逐项检查：条令要改写、STARCOM 要开课、太空系统司令部可用“地面站即服务”合同补足全球测控、采办可走太空快速能力办公室和商业增强太空预备队两条现成通道。

六、结论与建议

结论是：VLEO 将在这个十年内成为主要作战轨道，商业市场“已蓄势待发”。论文同时承认自己的分析取态乐观——“太空很难”（Space is Hard），技术延期和预算波动都可能推迟进度，但全球范围的政府合同广度和使能技术成熟度构成了总的证据链。论文向美国国防部和太空军提出六条建议：

●改写条令。把现有 LEO 条令中适用部分改写为 VLEO 专门条令，纳入阻力、原子氧、过顶窗口短、任务寿命短等环境差异，下一次太空军《太空作战框架》与 SFDD-1 修订时落实。

●开设课程。太空训练与战备司令部（STARCOM）面向卫士与值班席位设置 VLEO 专业课程，覆盖推进管理、原子氧效应和短过顶窗口的操作要领。

●预留采办线。修订太空军《商业航天整合战略》，为 VLEO 商业公司与“太空即服务”“地面站即服务”合同预留快速采办通道。

●换一个心智模型。把 VLEO 卫星当消耗性弹药而非昂贵星座来指挥运用。

●建立库存。储备可快速部署的 VLEO 航天器，由作战司令部按 theater 级效果申请调用，可联合商业伙伴按商业增强太空预备队机制执行。

●建造星座。待 ABEP、先进涂层与钙钛矿电池成熟后，建造并维持一型多年度在轨运行的 VLEO 星座。