非常に低い地球軌道

超低軌道は、軌道高度が 400 km (250 マイル) 未満の範囲であり、民間および政府の衛星運用において、さまざまなシナリオと複数のアプリケーションで商業的重要性が高まっています。アプリケーションには、地球観測、レーダー、赤外線、気象、通信、農村部のインターネット アクセスなどがあります。

2009年、政府は、地球の重力場の正確な測定を行うように設計された欧州宇宙機関の科学衛星「重力場と定常海洋循環探査」^[1] (GOCE) ^[2]などのVLEO衛星に興味を示し始めました。この衛星は、2009年から2013年までの3年間、高度250～300 km (155～186 mi)の軌道を持続的に周回することを実証しました。

中国宇宙局は2011年に天宮1号宇宙ステーションをVLEO軌道に打ち上げ、平均高度355km（220マイル）を周回した。また、 2016年には天宮2号宇宙ステーションを打ち上げたが、いずれもその後軌道から外れている。 2021年に打ち上げられた天宮は、およそ350～450km（217～280マイル）の距離で運用されている。

日本の宇宙機関（JAXA）は、 2017年に超低高度衛星技術試験機（SLATS、「つばめ」）を打ち上げました。同機の軌道は、最初の高度630km（391マイル）から徐々に低下し、271km（168マイル）から最終高度167.4km（104.0マイル）までの7つの異なる高度で運用されました。  

企業はこのVLEOへの関心の高まりに注目した。2016年にSkeyeonは、100〜350 km（62〜218マイル）の軌道での商用衛星運用を記述した最初のVLEO衛星特許を申請し、衛星をVLEO軌道に投入する計画を立てた。^[要出典] Albedo、EOI Space、Thales Alenia Spaceなどの企業が後日計画を発表した。^[3]

2021年6月には「第1回VLEOミッションと技術に関する国際シンポジウム」^[4]が開催され、産業界、学界、宇宙機関、政府から約200名の参加者が登録しました。2022年4月にはDARPAがHF伝送用のVLEOを研究する提案を発表しました^{[5]。また、2022年12月には、VLEOの小型衛星}群を使用した将来の6G通信技術の可能性としてVLEOの利点が言及されています^[6]。

ベラトリックス・エアロスペースのプロジェクト200は、高度200キロメートル未満の軌道を周回する超低軌道衛星の建造を目指している。2026年までに最初の衛星を打ち上げる予定である。^{[7] [8]}

VLEOで運用される衛星の利点は多岐にわたります。^[9]衛星の性能が本質的に高いこと、打ち上げコストと運用コストが大幅に低いこと、リンクバジェットが大幅に改善された通信ペイロードであること、自己洗浄軌道を作成することで、本質的に宇宙ゴミの重大な問題を解決できることなどが含まれます。

大まかに言えば、通信システムにおけるすべての電力利得と損失の測定値です。^[10]衛星の場合、地球から衛星への送信プロセスはアップリンクと呼ばれ、衛星から地球への送信プロセスはダウンリンクと呼ばれます。一方の端で送信された電力ともう一方の端で受信された電力の差は、伝送損失と呼ばれます。電波の電力密度は、主に逆二乗の法則に従って空間内の電磁エネルギーが広がるため、送信機と受信機の間の距離の二乗で減少するため、衛星が地球に近いほど、地球または衛星に信号を送信するために必要な電力が少なくなり、リンク バジェットが向上します。この改善されたリンク バジェットは、同じデータ レートでより低い電力、同じ電力でより高いデータ レート、またはその両方の組み合わせに使用できます。より小型で強力な送信機は、地上ベース、衛星ベース、またはその両方にすることができます。

VLEO軌道が十分に低ければ、本質的に自己洗浄機能を果たし、重大な宇宙ゴミの問題を解決できる。VLEOでは高軌道よりも重力と大気抵抗が大きいため、VLEOの宇宙船は推進力がなくなるか燃料が補給されるまでそこに留まる。推進力がなくなると、小型の宇宙船は再突入時に燃え尽き、大型の宇宙船は燃え尽きたり、分解したりして、地球とその下の住民に危険をもたらす可能性がある。^{[11] [12]}

VLEOで衛星を運用し続けるには、より高い軌道では発生しないいくつかの課題があります。約450 km（280マイル）以下の軌道では、大気抵抗とより高い重力に対抗するために、頻繁な推進バーストや連続推進（GOCEなど）などの新しい技術を使用して衛星を運用する必要があります。^[13]

燃料消費量は、軌道が地球に近づくほど飛躍的に増加する。国際宇宙ステーション（ISS）は、もともと地球から平均350 km（217マイル）の軌道を周回していたが、2011年に平均400 km（248マイル）に引き上げられた。^[14]これにより、ISSの年間平均燃料使用量は8,600 kgから3,600 kgに減少した。ISSを平均50 km（21マイル）高く、350 kmから400 kmに移動すると、年間燃料使用量が58％削減された。^[要出典]軌道の減衰により、ISSは現在、年に数回の再ブーストしか必要としない。^[要出典]

VLEOには残留大気があり、軌道維持を計画している衛星に大きな抵抗を生み出します。重力と抵抗に対抗するために燃料が補給されるVLEO/LEO軌道の境界にあるISSとは異なり、ほとんどの大型LEOおよびGEO宇宙船は軌道に到達すると、軌道維持に推進力をほとんどまたはまったく必要としません。マイクロ衛星やナノ衛星などの小型衛星は燃料補給用に製造されておらず、独自の燃料を搭載するか、利用可能なリソースから開発する必要があります。このため、多くの企業や政府がVLEOでの推進にさまざまなコンセプトを利用したエンジンを開発しています。NewOrbit Space社とKreios Space社は、VLEO衛星用の空気吸入式推進システムを開発しています。^{[15] [16]}特に、NewOrbit Space社は真空チャンバー内で完全に空気だけでイオンエンジンを作動させ、中和することができました。これは業界初です。同社の初期結果では、比推力は6380秒で、流入する空気を時速20万キロメートル以上に加速する。これは、空気呼吸電気推進システムが上層大気の抗力を打ち消すのに十分な推力を生み出し、宇宙船が200キロメートル未満の超低軌道で持続的に動作できることを意味している。^[17] Skeyeonは、自立型イオンエンジンを使用した推進システムの特許を保有している。^[18]残留大気の抗力により、宇宙船の空力設計も改善する必要がある。多くの高高度軌道宇宙船の特徴である、軌道上の大きな四角い物体に巨大な太陽電池パネルを取り付ける現在の設計は、超低軌道では機能しない。

^{さらに、VLEO の衛星は、非常に高濃度の元素酸素[19]}にさらされます。これは原子状酸素(AO)としても知られ、非常に反応性の高い酸素で、ほとんどの物質を急速に腐食します。^[20]このため、この軌道上の物体や機器を保護するために特殊なコーティングを使用する必要があります。VLEO 軌道では、大気の最大 96% が AO であると推定されています。^[21] VLEO 高度では、高度が低くなるほど O 原子の総量が指数関数的に増加し、高度 400 km の国際宇宙ステーションが遭遇する量よりも桁違いに多くなります。VLEO 軌道で 1 か月以上過ごす車両には、特殊なコーティングと保護が必要であり、そうしないと急速に腐食します。VLEO で使用するために、AO による損傷からの保護と、AO 原子を弾性的に散乱させる原子レベルで滑らかな外表面という 2 つの重要な利点を同時に提供する材料が開発されて^います。これにより、入射する酸素やその他の原子の拡散散乱を促進する従来の材料に比べて抗力が半分になります。このような材料は、腐食を減らし、抗力を減らすことで、VLEO 衛星の寿命を延ばすことができます。  

いくつかの企業が大規模な衛星群（中には1万基以上の衛星を含む）を構築する計画を立てているため、^[23] 2022年9月29日、連邦通信委員会（FCC）は新しい規則を採用しました。軌道に乗せられた新しい衛星は、ミッション寿命の5年後に軌道から外れるか、墓場軌道に配置されなければなりません。これは、これまで一般的に受け入れられていたミッション寿命の25年後から短縮されました。これは、米国でライセンスされた衛星だけでなく、米国市場へのアクセスを求める他の国の衛星にも適用されます。^[24]衛星所有者は、追加の宇宙ゴミを排除するために、打ち上げ提案とともに軌道外計画を提出する必要があります。これには、軌道外を開始するための推進剤の予約、より多くの燃料を運ぶための打ち上げコストの増加、またはミッション寿命の短縮が含まれる可能性が最も高くなります。

VLEO の衛星も、ミッション完了時に軌道離脱計画が必要になります。ただし、VLEO の大気抵抗は桁違いに大きいため、通常は車両のロール、ピッチ、ヨー方向が維持されるようにする衛星姿勢制御システムに対して、衛星を最も表面積の大きい前方に回転するように指示することができます。運用中は低抵抗方向、ミッション完了後は高抵抗方向となる小型の車両設計は、VLEO 軌道に最適な車両となり、大気圏再突入時の固有の自己洗浄特性を活用できます。