C2I 2021年航空航天与国防奖得主:发现者

我们许多地球活动所依赖的通信和传感卫星通常在500至1200公里的高度运行。但如果现代世界的这些关键组件能够在低得多的轨道上运行呢?

发现者“地平线2020”项目由曼彻斯特牵头，有8个工业和学术合作伙伴参与。该项目正在推动一系列技术的发展，使卫星能够做到这一点，使它们能够在450公里以下的极低地球轨道(VLEO)运行。

据项目负责人、曼彻斯特大学的彼得·罗伯茨博士称，这种能力可以带来一系列好处，包括减少通信卫星的延迟;提高遥感系统的成像分辨率和使用更小有效载荷的能力，从而降低发射成本。他补充说，使用较低轨道也可以使卫星在运行寿命结束时更容易回收，确保它们不会加剧日益严重的太空碎片问题。

然而，设计在这些较低轨道运行的卫星并克服与剩余大气层相互作用的影响，面临一些重大挑战。

首先，VLEO大气流动与传统空气动力学存在显著差异，主要表现在流型和气体组成等方面。大气是如此稀薄，分子间的碰撞是罕见的，空气动力学主要是粒子直接与表面的相互作用。罗伯茨解释说:“分子在撞击另一个气体分子之前要经过几公里的路程，这意味着所有的空气动力学都是由单独的气体分子与卫星表面直接相互作用驱动的。”“这就变成了一个表面化学和物理的问题，随着这些分子撞击表面，它们如何将动量转化为动量，以及它们如何分散。”

更重要的是，在VLEO中，大气中主要是高度活跃的原子氧，以轨道速度吸附并侵蚀传统的空间材料。罗伯茨补充说:“每个原子都有很多能量，非常想与卫星表面发生反应，所以化学方面存在很多问题。”

尽管这些挑战是重大的，这个多学科团队——包括物理学家、化学家、材料科学家以及空间飞行和卫星设计方面的各种专家——已经取得了一些关键的突破。

大部分的工作集中在发展空气动力学材料，这些材料可以抵抗VLEO中富含原子氧的环境的侵蚀，并鼓励入射气体的镜面反射。这种材料，结合适当的卫星几何形状，可以显著减少阻力，同时产生可用的气动升力，以实现气动姿态控制。这里的发展主要集中在二维，而不仅仅是石墨烯材料，曼彻斯特大学已经为石墨烯材料申请了专利。

如果这些技术中的任何一项将成为商业命题，那么工业界真的需要知道它们将会成功

彼得·罗伯茨博士——曼彻斯特大学

为了表征和分析这些材料的性能，该小组在曼彻斯特大学建立了稀薄轨道空气动力学研究设施(ROAR)，这是一种特殊的地面设施，通过在超高真空室中产生轨道速度的原子氧束来重现VLEO中的流动环境。然后使用定制的质谱仪测量材料样品散射的气体的性质。

该团队还开发、建造、发射了轨道空气动力学研究卫星(SOAR)，并正在运行该卫星，该卫星于2021年6月在国际空间站部署。

这颗卫星部署了涂有不同材料的鳍片，可以将单个样品材料暴露在气流中，同时观察诱导的空气动力。Roberts解释说，随着卫星在VLEO范围内衰减，它会穿过不同的高度，并被用于了解不同高度下的阻力和气体表面相互作用，并在真正的VLEO环境中验证材料的气动性能。

为了可能在未来的卫星上使用，该团队还建造了一个大气呼吸电力推进(ABEP)系统的原型。它结合了大气进气和电力推进器，使用剩余的大气作为推进剂。这种方法避免了携带推进剂的需要，在理想情况下，消除了由于有限推进剂存储的寿命限制。

最后，该团队一直在研究创新的空气动力学控制方法，以克服VLEO大气变化造成的姿态干扰:变化的太阳活动和昼夜周期会产生密度变化，并在两极上空引发高达500米/秒的热层风。罗伯茨说:“气氛是多变的。“如果太阳活动良好，密度就会受到几个数量级的影响——在极端情况下，三个数量级就相当于空气和水之间的差异。”

这些影响，加上大气与地球的同向旋转，意味着大气流动方向很少与卫星速度矢量一致，这对可气动卫星几何形状产生了姿态扰动。

为了解决这个问题，该团队一直在探索与传统驱动器相结合的主动气动表面的使用，并开发了气动姿态控制的新算法，已在SOAR卫星上实现。

发现者团队已经克服了VLEO卫星持续运行的许多关键技术障碍。罗伯茨称，让卫星在低空轨道运行的技术的开发和商业化，可能是帮助英国实现其宣称的到2030年在4000亿英镑的全球太空市场中占据10%份额的关键。

他说，下一步显然是建造一颗应用这些技术的示范卫星，并超越现有的SOAR卫星的能力。“在轨演示是关键，”罗伯茨说，“如果这些技术中的任何一项将成为商业命题，工业真的需要知道它们将会成功。”