极低地球轨道（Very Low Earth Orbit，简称 VLEO）长期被视为商业卫星的禁区。传统观点认为，这一海拔范围内大气密度虽已极度稀薄，但对航天器产生的阻力仍足以在数周内将其拖离轨道。加之原子氧的化学腐蚀与等离子体环境的电磁干扰，VLEO 一直停留在理论可行、 工程难实现的尴尬境地。Albedo 公司的 Clarity-1 卫星于 2025 年 3 月发射，历经九个月的在轨验证，首次以完整的工程数据证明了 VLEO 商业化运营的可行性。本文将从大气阻力建模与轨道维持两个维度，复盘这一任务的核心技术参数与设计权衡。
VLEO 轨道环境的核心挑战
在传统低轨卫星（约 500 至 800 公里高度）运行时，大气阻力对轨道寿命的影响通常可以忽略不计。然而，当卫星下行至 400 公里以下时，大气分子数密度呈指数级增长，阻力效应开始主导轨道动力学。Clarity-1 的任务目标是将卫星部署至约 275 公里的工作轨道，这一海拔的大气密度约为 400 公里处的三至四倍，对推进系统的持续工作能力提出了严峻考验。
VLEO 环境的特殊性体现在三个相互耦合的物理机制上。首先是大气阻力本身，其量级取决于卫星的迎风面积、质量以及至关重要的阻力系数。其次是原子氧腐蚀效应，在 70 至 110 公里高度形成的原子氧层随大气上行，在 VLEO 高度仍保持较高通量，对太阳能电池板和热控表面产生渐进式侵蚀。最后是高速气动加热与等离子体鞘层对通信链路的影响，这要求天线与射频系统具备更强的抗干扰能力。Clarity-1 的工程团队在设计阶段便将这三项挑战纳入统一的热力学与材料选型框架，而非割裂处理。
阻力系数的在轨标定与模型验证
阻力系数（C_D）是轨道预测中最敏感的参数之一，其数值取决于卫星外形、表面粗糙度以及来流气体的分子状态。在 Clarity-1 任务中，团队采用了高保真大气密度模型与精细化受力分析相结合的预测方法，并在 350 至 380 公里高度进行了多次标定测量。实测结果显示，阻力系数比设计预期低了约 12%，这一偏差直接转化为轨道寿命的显著改善。
标定过程的核心在于利用自然衰减数据进行逆推。Clarity-1 在完成初期调试后，有意识地让卫星经历了一段无推进的被动衰减期，通过精密的轨道跟踪数据反演得到实际阻力系数。团队将测量结果与 GOCE 卫星（2009 年发射的 VLEO 重力场探测任务）的历史数据进行了对比验证，两者吻合度达到亚米级精度。这一验证链路的意义在于，它证明了商业卫星在缺乏专用测量设备的情况下，仍可通过长弧段跟踪数据获取可靠的阻力特性参数。
基于标定结果，Clarity-1 团队推导出了 275 公里高度、完整太阳周期内的平均寿命预测：约五年。这一预测已考虑太阳活动高峰期的中性大气密度抬升效应，并预留了推进剂消耗的裕量。对于后续任务设计而言，这意味着在合理的推进系统配置下，VLEO 卫星可以支撑与传统中轨卫星相当的任务周期，而非此前预期的数周至数月。
原子氧效应的材料工程应对
原子氧对航天器材料的侵蚀是 VLEO 环境的隐性杀手。氧原子在高层大气中经紫外光电离形成高活性物种，其化学活性远超分子氧，能够与有机聚合物发生氧化反应，导致表面质量损失与光学性能退化。传统卫星在较低轨道运行时，原子氧通量已大幅衰减，因此相关防护并非设计重点。Clarity-1 为此开发了全新的太阳能电池阵列设计，在电池盖片与互连结构上采用了耐原子氧镀层与专用密封工艺。
在轨数据验证了这一设计的有效性。Clarity-1 在任务期间经历了超过 100 公里的受控高度下降，随着海拔降低，原子氧通量呈对数增长。然而，峰值功率输出在整个过程中保持稳定，未出现传统电池板常见的功率衰减曲线。这一观测结果表明，针对 VLEO 环境的材料防护已从设计理念走向工程实现，为后续任务提供了可靠的技术基线。
主动轨道维持的策略与执行
大气阻力的持续作用要求 VLEO 卫星配备高效的推进系统以进行周期性的轨道抬升。Clarity-1 采用了电推进方案，其比冲显著高于化学推进剂，允许在有限推进剂预算内完成长期在轨维持。任务期间，卫星累计执行了超过 30 次机动，展现出每天多次变轨的能力储备。
轨道维持的核心算法是将大气阻力预测与推进剂消耗优化相结合。地面团队开发的自主推力规划系统能够根据实时轨道根数与大气模型更新，计算最优的点火时刻与持续时长。这一系统的验证过程同样基于自然衰减数据：团队有意在某些轨道周期内不执行机动，将实测衰减率与模型预测进行比对，确认推力规划误差控制在可接受范围内。
Clarity-1 还经历了一次真实的在轨压力测试。一次太阳风暴事件临时抬升了高层大气密度，对大多数航天器而言，这意味着轨道衰减速率的急剧加速。然而，Clarity-1 的遥测数据显示，这次事件对其下降率的影响几乎可以忽略。事后分析表明，卫星的预测模型已将太阳活动作为输入参数纳入轨道传播算法，推力规划系统自动增加了补偿机动，整体响应是全自动完成的。
控制系统的降级运行与算法迭代
Clarity-1 任务的一个关键转折点发生在入轨一个月后。当时，四个控制力矩陀螺中有一个发生了飞轮轴承过热故障，随后自动关机保护。故障分析显示，轴承润滑剂的温度耐受极限低于设计预期，这一 corner case 在地面测试中未能充分暴露。更为棘手的是，另外三个陀螺随后也陆续出现类似征兆，团队面临失去全部姿态控制能力的风险。
在仅剩磁力矩杆作为执行机构的条件下，团队开发了创新的三轴控制算法。传统观点认为，磁力矩杆仅适用于动量卸载与慢速指向调整，其控制精度与响应速度均不足以支撑 VLEO 环境下的精细机动。Clarity-1 团队通过在轨迭代，在一个月内将控制精度从最初的 15 至 20 度（部分机动甚至达到 45 度）提升至 5 度以内，基本恢复了正常机动能力。
这一降级运行案例揭示了 VLEO 任务设计中的重要原则。由于大气阻力随姿态变化显著，姿态控制精度直接关联轨道维持效率。传统卫星的姿态失控通常意味着任务终止，而 Clarity-1 证明了在特定设计裕量下（如配备足够强大的磁力矩杆），系统有可能在降级配置下完成核心任务目标。这一经验对后续 VLEO 任务的冗余设计与故障恢复策略具有直接参考价值。
工程参数清单与监控要点
对于计划进入 VLEO 的卫星项目，以下参数需在设计阶段予以重点关注。阻力系数的设计余量建议预留 10% 至 15% 的安全裕度，以应对大气模型不确定性带来的预测偏差。姿态控制系统的降级配置应确保磁力矩杆的扭矩输出能够支撑三轴稳定运行，其最小规格应基于最大预期干扰力矩的 1.5 倍进行选型。原子氧防护需覆盖所有外露表面，关键的太阳能电池与光学窗口应采用经过在轨验证的耐腐蚀材料与镀层。推力规划系统的更新周期建议不超过 15 分钟，以应对太阳活动引发的快速大气密度变化。
在轨监控方面，建议将阻力系数反演作为日常轨道管理的标准流程，每次跟踪弧段结束后更新预测模型。姿态控制精度与推力效率的关联应建立实时评估机制，当控制精度下降超过阈值时，自动触发推力补偿计算。原子氧暴露量可通过累计通量积分进行追踪，结合功率输出与表面质量测量进行交叉验证。
结语
Clarity-1 任务以完整的在轨数据证明了 VLEO 商业运营的技术可行性。阻力系数、原子氧效应与姿态控制这三个维度的工程验证，为后续任务提供了可靠的设计基线。尽管任务后期因通信故障而失去联系，但核心验证目标已经达成。大气阻力建模与主动轨道维持策略的工程化参数已得到实测标定，这意味着 VLEO 不再是理论上的可能，而正在成为商业航天的新前沿。
资料来源：Albedo 官方任务复盘报告（2026 年 1 月）。