国防部高级研究计划局希望拓展卫星的飞行范围

关于“代达罗斯计划”,我们所知如下。
2022年6月,一枚火箭搭载一颗飞往近地轨道的卫星发射升空。美国太空军/Joshua Conti

去年秋天,DARPA宣布正在寻找新的方法来维持卫星在太空较低边缘的运行。美国国防部高级研究计划局(DARPA)致力于探索“天空蓝”技术,并创造能够实现新工具的创新。“代达罗斯计划”(于10月宣布)是一种管理地球之外、但又不太远的天空运行的卫星的方法。该计划征集意见稿描绘了DARPA希望解决的技术挑战,以扩展在轨道上可以实现的功能。

DARPA将极低地球轨道(VLEO)定义为距离地球表面450公里(约280英里)以下的轨道。相比之下,近地轨道(LEO)的高度为2000公里(1200英里)。根据DARPA的说法,在极低地球轨道运行的好处包括“提高光学成像的空间分辨率,提高雷达和激光雷达系统的信噪比,以及提高地理空间定位精度”。所有这些都有助于卫星上的摄像头和其他传感器更好地观察地球下方的活动,并更快、更准确地通信这些观测结果。 

此外,DARPA指出,将卫星送入VLEO更便宜、更容易,并提到“增加了运载火箭的插入能力,以及在质量、体积和成本上的节约”。比所有这些更重要的是,由于VLEO离地球非常近,并且远离其他卫星,低轨道卫星可以减少辐射防护的需求,并且通常不在大多数轨道碎片的影响范围内。

该公告还指出,“与更高轨道相比,与政府间空间碎片协调委员会(ISSDC)准则的合规负担有所减轻”,这很可能是因为极低轨道使得卫星通常避开了更繁忙的轨道通道。

战争与和平中的碎片

轨道碎片是卫星,特别是军用卫星日益严重的问题。尽管太空浩瀚,但轨道并非如此,越来越多的可利用轨道空间被人类制造的物体占据。 

其中一些物体纯粹是科学用途的,面向遥远的星空,而许多物体则用于服务于地球上的目的。通信卫星、侦察卫星,甚至用于记录下方天气的观测卫星,都可能成为潜在目标,一旦战争蔓延到太空。如美国、俄罗斯、中国和印度等国已展示的反卫星导弹,证明了这种能力很普遍。

用导弹摧毁卫星会产生碎片,从导弹残骸到卫星残骸,这些碎片会持续存在于轨道上。在2021年11月,俄罗斯摧毁了其自己的“宇宙”号卫星,将碎片散布到轨道上,其中一些碎片至今仍在。

即使没有战争摧毁的威胁,当现有碎片与卫星碰撞时,也会产生新的碎片,进一步危及轨道上的所有物体。这些碰撞的风险随着每个新物体进入轨道而增加,因为碎片可能从碰撞中朝多个方向传播,从而危及更远或更近轨道的卫星。

飞近热层

轨道空间存在摩擦,特别是当卫星离大气层越近时。近地轨道卫星会受到大气阻力的影响,因为与地球大气结合的气体粒子会随着太阳的周期而膨胀和收缩。这反过来会增加卫星的摩擦力,需要卫星通过机载发动机进行轨道修正,或者导致轨道退化,直到卫星重新进入大气层。热层,或从约90公里(56英里)高处开始的区域,延伸到“地球上方500至1000公里(311至621英里)之间”,这一范围会波动。

极低地球轨道完全处于热层内。这使得在极低地球轨道上维持卫星的挑战变得独特,并解释了为什么DARPA可能会专门设立一个项目来应对这些挑战。这些挑战包括大气阻力和空气动力学阻力、空间天气、在比低轨道更低的高度为航天器电池充电,甚至原子氧侵蚀,即大气层较低区域常见的O2被热层中的单原子氧取代的现象。原子氧会破坏化学键,这对于由化学化合物制成的卫星来说是一个问题。

在“代达罗斯计划”中,DARPA致力于展示能够实现长期、持续的极低地球轨道运行的新技术,尽管存在这些独特的危险。如果该计划成功,它将能够实现一层新的卫星基础设施,将窄指向性的传感器对准下方的世界。

“代达罗斯计划”本身是保密的,征集意见稿指出承包商需要拥有设施的安全许可和项目工作人员的秘密许可。该计划的名字来源于希腊神话中的伊卡洛斯,他骑着蜡翼飞得离太阳太近而坠落身亡。伊卡洛斯的父亲代达罗斯则更为谨慎,他飞得较低,得以幸存。

 

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Kelsey D. Atherton

科技领域特约撰稿人

Kelsey D. Atherton 是一名军事技术记者,自 2013 年起为《大众科学》供稿。他报道无人机器人和其他无人机、通信系统、核企业以及用于规划、发动和缓解战争的技术。


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