近地轨道空间资源开发，人类做得怎么样？

人类文明发展史，就是对地球资源的探索开发史。人类从农业文明跨入工业文明，生产力的逐渐提升使得可开发的资源范围越来越广：从地表到地下，从陆地到深海，从分子层面到原子层面。航天先驱齐·奥尔科夫斯基曾把地球比喻成人类的摇篮，它提供无尽的资源促成了今日的人类先进文明。而在这航天时代的起点，人类的资源开发，正逐渐转向太空。近地轨道空间资源开发，就是第一站。

一、近地轨道空间资源为何如此宝贵？

近地轨道一般认为在距离地球200-2000千米的空间内，这里是地球与广袤太空的交界处，恰到好处地满足了两个重要条件：已处于太空之中，且距离地球较近。使得这里成为人类航天最宝贵的空间资源。

只要进入近地轨道，航天器就不必受到地球引力的强大束缚，自身所受到引力主导的合外力成为轨道运动的向心力，仅需极少推进剂即可维持长期稳定的环绕地球轨道。太空环境中，航天器处于失重状态，所受到的地球大气、磁场和电离层影响会大幅低于地球表面，这给太空应用带来了得天独厚的优势。例如，由于地球大气等因素影响，宇宙辐射能够抵达地球表面的仅有可见光、部分红外线、微波和无线电波等，且地表依然受到气象条件、光污染和人类通信等电磁活动影响，大量的高能电磁波几乎被完全屏蔽。而进入近地轨道后，这一切将会大幅改观，人类望向宇宙的“深空之眼”立即变得无比清澈，近地轨道因而成为众多太空望远镜的首选地点。

从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小，所以诸多望远镜选择进入太空（图源：公共版权+本文注释）

近地轨道半径较小、航天器运动速度更快，围绕地球一周的轨道周期也更短。位于近地轨道的天宫空间站（390千米高）轨道周期仅为1.5小时，位于中远轨道的北斗三代卫星（21500千米高）轨道周期就变成12小时，而位于地球静止轨道的天链二号卫星（35800千米高）轨道周期竟然长达24小时。显而易见，如果在近地轨道进行大规模卫星组网，可以很便利实现全球高频覆盖，成为对地观测真正的“天网”，各方面意义极大。

从已有的人类航天历史、乃至可以预见的将来而言，人类航天逃离地球的能力依然基于对各种推进剂的化学能开发，但这也导致我们还远没有到达随意突破太阳引力的地步，只能把地球附近、最多远至地月空间的边界作为人类航天的主舞台。其中，近地轨道距离地球最近，意味着火箭发射难度最低，从这里返回地球的难度也最低。

人类在成为跨行星生存物种之前需要首先爬出地球摇篮，近地轨道，就是人类的第一个“学步车”。

二、近地轨道空间资源有哪些？

1.载人航天轨道

人类发展航天的最初原因和最终目标非常一致：让人类离开地球表面。失重和距离地球较近这两大因素，使得载人航天轨道成为整个近地空间最宝贵的资源。

载人航天常用的轨道高度是400千米，这个高度是维持航天器效率与寿命的折衷：太低了存在稀薄空气会缓慢降低轨道，导致维持稳定轨道的成本过高，需要自身推进系统频繁工作或利用高频率的货运飞船等推高轨道；而如果轨道太高补给难度更大，所受到的地球电离层和磁场庇护更少，距离范艾伦辐射带更近，很容易受到异常太阳和宇宙辐射等空间天气影响，面临的风险更高。

中国载人航天任务常用轨道倾角（约41.5度）星下轨迹，实际足以覆盖地球绝大部分中低维度区域

轨道倾角仅需保持40-50度附近即可。一方面，绝大部分人类活动都处在中低纬度区域，球形的地球注定中低纬度区域已经占据了最大的面积比例。例如，轨道倾角51度的国际空间站能稳定观测地球约85%的面积，两极附近面积过小且人类活动极少，没有必要进行成本很高的全球覆盖“通导遥”；另一方面，人类主要航天大国都处在中低纬度区域。火箭发射效率与纬度密切相关，纬度越低能利用的地球自转惯性越大，火箭发射效率就会越高。苏联/俄罗斯选择在可利用区域距离赤道最近的哈萨克斯坦拜科努尔建立发射场（北纬46度，载人和货运）、美国选择在最南端的卡纳维拉尔角（北纬28.5度，载人和货运）、中国因为历史原因选择在酒泉（北纬41度，用于载人发射）和后来选择南端的海南文昌（北纬19.5度，用于货运和空间站），均有这方面考量。

2.太阳同步轨道

地球并非完美的球体，赤道附近的直径（6378.1千米）要明显大于极地之间的直径（6356.8千米），存在明显的扁率。这导致发射进入太空的航天器不可避免受到不均匀的地球引力影响，无法保持稳定的轨道倾角，会随着地球的运动缓慢变化。与此同时，地球也在围绕太阳运动，太阳光线与航天器轨道倾角之间的关系也会发生变化。如果想办法设计轨道让二者基本同步，就会实现一种很理想的效果：轨道倾角本身受地球引力的影响与地球围绕太阳自然进动保持一致，都是在一年之内变化整个圆周（360度），那么航天器路过地球上某一地点时的当地时间就基本固定下来。例如，每次穿过赤道时，都是当地时间的下午两点钟。因而，这种轨道得名太阳同步轨道，一般位于地表上空600-800千米，轨道倾角约98度，仅需约100分钟即可环绕地球一周。

地球上的当地时间，都跟太阳光的照明角度相关，这也意味着太阳同步轨道航天器飞过当地时是稳定的照明环境，这对于光学遥感、气象探测和资源勘探等卫星的意义极大，能够稳定反复遍访以获取最有价值信息。而如果更精细设计轨道，让航天器永远沿着地球晨昏线运动（路过当地永远是日出/日落时间），就意味着它在高空可以永远被太阳光线照耀，能量“取之不尽用之不竭”，可实现雷达干涉等非常耗费能量的对地观测，也可用于长期稳定的观测太阳。

以上两大主导轨道，占据了近地轨道资源开发的绝对优势。此外，还有一些轨道是在此基础上的特殊应用。例如，极地轨道（轨道倾角90度）会稳定经过两极上空，在地球自转的自然效应下，可以实现对地球的无死角覆盖，非常适合地球科学研究卫星采用。赤道上空（轨道倾角0度）等低倾角（30-40度）的轨道能覆盖地球上最为稠密人口的区域，商业价值更高。

三、近地轨道空间资源开发在明显加速

近地轨道，一直是人类开发强度最大和收获最多的空间资源。无论是礼炮系列、和平号、天空实验室、航天飞机、国际空间站和天宫等人类重大载人航天工程，还是各类气象、遥感、地学和天文学等高科技含量卫星，都把近地轨道作为首选目的地。而在近些年，随着低轨互联网通信等卫星的快速发射，近地空间在迅速变得拥挤不堪。

SpaceX依靠可回收猎鹰9火箭和低成本星链卫星在迅速占领市场（图源：SpaceX）

仅以美国太空探索科技公司（SpaceX）在建设的星链低轨卫星互联网星座为例，凭借可复用猎鹰9火箭的技术和成本优势，以及卫星的批量化生产成本优势，星链在快速占据近地空间轨道资源，包括太阳同步轨道和中低倾角近地轨道等。在2019-2022的短短三年内，就发射了2300余颗卫星进入近地轨道，其中约2000颗正处在运营或试运营过程中。这意味着单纯从数量来看，SpaceX已经成为事实上的世界第一大卫星运营商，甚至超过剩下所有国家和公司的总和。而目前，它依然在以每月约150颗的速度布网。按照美国联邦通信委员会国际电信联盟批准的数据，星链的长远规划多达5万颗。

在星链快速发展的同时，诸多航天势力也在迅速跟进。以一网、亚马逊、空客、三星、中国星网等企业也在快速布局，纷纷推出了庞大的低轨卫星网络，总数并不亚于星链。这意味着仅在低轨卫星互联网领域，全球就将在未来10-20年内发射可能数万颗卫星，远远超过此前60年内的积累。

在低轨卫星和所占据的宝贵轨道之外，还有很多更宝贵的无形资源。例如，国际上对于航天通信用电磁波频段利用有着严格规定，以避免过多互相干扰导致的不利影响，这也变相为市场先入者提供了大量的无形财富。快速发展的星链就获得了较大范围的Ku/Ka/E/V等电磁波波段使用权，这些都是不菲的资产，已经在竞争对手一网的破产重组中有所体现。SpaceX至今还未进行上市等资本市场大规模融资，而从创始人伊隆·马斯克另一家企业特斯拉电动车的表现来看，星链给SpaceX未来赋予的资本溢价能力和潜在价值，是难以估量的，这也是众多企业竞相发展低轨卫星互联网的重要原因。

四、保护近地轨道空间资源刻不容缓

表面来看，近地轨道资源几乎是无穷的，因为仅在渺小的地球表面就有几十亿计的汽车、轮船和飞机等交通工具在持续运动，而在太空这一切直接变成了更加广袤的三维空间，对于现有的人类航天器数量级（仅约3000运营中航天器）而言可谓依然“空旷无比”。

但太空也是充满风险的，近地轨道上的每个航天器都在以超过7千米/秒的速度运动，这几乎是高速公路120千米/时限速的200多倍，在这种情况下任一物体的动能极大，破坏力惊人。运营中航天器可能存在诸多偶发风险，例如中国天宫空间站和欧空局风神卫星等就曾受到过星链卫星的碰撞威胁，被迫自主变轨，而如果碰到不可控的太空碎片风险更大。一旦发生航天器之间或与空间碎片碰撞，以及蓄意的反卫星武器试验等事件，太空碎片数量更会骤然增加，且由于不少碎片轨道依然较高，几乎不会经由稀薄大气阻力和太阳光压等因素而消失。

太空中大型太空垃圾分布图模拟（图源：NASA）

根据监测太空垃圾最大的信息库——美国的洲际导弹防御系统雷达网公开的检测数据，目前估计有1.7亿个直径小于1厘米的垃圾垃圾在绕地飞行，有67万个为1-10厘米直径大小，有2.9万个要更大，但它们的实际威胁几乎是一致的。2016年4月，一块极小、完全没有被监测到的太空垃圾碎片击中了国际空间站上的Cupola对地观景台玻璃，造成了一个直径7毫米的裂纹，险些造成悲剧。而如果是厘米级甚至更大的太空垃圾，后果可想而知。

如果不加以控制而放任太空垃圾随意增长，在可以想象的将来，地球将被太空垃圾所覆盖，恐怕任何发射的航天任务都将面临重大威胁，我们必须想办法保持近地轨道的环境清洁。

目前，科学家们提出了很多种应对方案。比如采用再一次航天发射的方式将一个乃至很多小型推进装置安装到废弃的大型卫星上，将它们推回大气销毁；采用安装太阳反射帆的方式，让太阳风将它们逐渐吹离轨道甚至吹入大气；直接发射太空“清道夫”航天器，抓取并清洁附近轨道的各类太空垃圾，随后返回大气一并焚毁。但这些方案，都需要重新进行航天发射，执行的成本和代价都太高，甚至自身都有可能因为任务过于复杂导致失败成为新的太空垃圾。

最好的解决方案是治本：一方面，从一开始就杜绝卫星成为太空垃圾的可能。在卫星和火箭设计时，就留有一定余量，让它们携带够足够的推进剂，在卫星接近寿命终点时采用最后的动力脱离轨道重返大气焚毁。另一方面，也要全人类各航天势力统一制定太空交通规则，防止潜在的碰撞风险，坚决抵制产生太空垃圾的主动行为，共同和平开发太空资源。

结语

正如齐·奥尔科夫斯基所说的下半句一样，“人类不可能永远生活在摇篮里”。太空里的资源几乎是无限的，足够人类迈出摇篮后成为跨越行星际生存的物种。地球几乎所有的能量都来自太阳这颗邻近的恒星，由于距离太远，实际上地球所接受的太阳辐射能量仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射量的约20亿分之一，但已经足以滋养世间万物。而仅在银河系中，就有约1000亿-4000亿颗恒星。

光线抵达近地轨道仅需1毫秒，而抵达其他的恒星却需要数年甚至数亿年。人类迈出摇篮的第一个台阶就是近地轨道，我们更要细心呵护。

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