人類文明發展史，就是對地球資源的探索開發史。人類從農業文明跨入工業文明，生產力的逐漸提升使得可開發的資源范圍越來越廣：從地表到地下，從陸地到深海，從分子層面到原子層面。航天先驅齊·奧爾科夫斯基曾把地球比喻成人類的搖籃，它提供無盡的資源促成了今日的人類先進文明。而在這航天時代的起點，人類的資源開發，正逐漸轉向太空。近地軌道空間資源開發，就是第一站。

一、近地軌道空間資源為何如此寶貴？

近地軌道一般認為在距離地球200-2000千米的空間內，這里是地球與廣袤太空的交界處，恰到好處地滿足了兩個重要條件：已處于太空之中，且距離地球較近。使得這里成為人類航天最寶貴的空間資源。

只要進入近地軌道，航天器就不必受到地球引力的強大束縛，自身所受到引力主導的合外力成為軌道運動的向心力，僅需極少推進劑即可維持長期穩定的環繞地球軌道。太空環境中，航天器處于失重狀態，所受到的地球大氣、磁場和電離層影響會大幅低于地球表面，這給太空應用帶來了得天獨厚的優勢。例如，由于地球大氣等因素影響，宇宙輻射能夠抵達地球表面的僅有可見光、部分紅外線、微波和無線電波等，且地表依然受到氣象條件、光污染和人類通信等電磁活動影響，大量的高能電磁波幾乎被完全屏蔽。而進入近地軌道后，這一切將會大幅改觀，人類望向宇宙的“深空之眼”立即變得無比清澈，近地軌道因而成為眾多太空望遠鏡的首選地點。

從地球表面觀測電磁波的頻譜窗口透明度，真正的有效觀測的窗口極小，所以諸多望遠鏡選擇進入太空（圖源：公共版權+本文注釋）

近地軌道半徑較小、航天器運動速度更快，圍繞地球一周的軌道周期也更短。位于近地軌道的天宮空間站（390千米高）軌道周期僅為1.5小時，位于中遠軌道的北斗三代衛星（21500千米高）軌道周期就變成12小時，而位于地球靜止軌道的天鏈二號衛星（35800千米高）軌道周期竟然長達24小時。顯而易見，如果在近地軌道進行大規模衛星組網，可以很便利實現全球高頻覆蓋，成為對地觀測真正的“天網”，各方面意義極大。

從已有的人類航天歷史、乃至可以預見的將來而言，人類航天逃離地球的能力依然基于對各種推進劑的化學能開發，但這也導致我們還遠沒有到達隨意突破太陽引力的地步，只能把地球附近、最多遠至地月空間的邊界作為人類航天的主舞臺。其中，近地軌道距離地球最近，意味著火箭發射難度最低，從這里返回地球的難度也最低。

人類在成為跨行星生存物種之前需要首先爬出地球搖籃，近地軌道，就是人類的第一個“學步車”。

二、近地軌道空間資源有哪些？

1.載人航天軌道

人類發展航天的最初原因和最終目標非常一致：讓人類離開地球表面。失重和距離地球較近這兩大因素，使得載人航天軌道成為整個近地空間最寶貴的資源。

載人航天常用的軌道高度是400千米，這個高度是維持航天器效率與壽命的折衷：太低了存在稀薄空氣會緩慢降低軌道，導致維持穩定軌道的成本過高，需要自身推進系統頻繁工作或利用高頻率的貨運飛船等推高軌道；而如果軌道太高補給難度更大，所受到的地球電離層和磁場庇護更少，距離范艾倫輻射帶更近，很容易受到異常太陽和宇宙輻射等空間天氣影響，面臨的風險更高。

中國載人航天任務常用軌道傾角（約41.5度）星下軌跡，實際足以覆蓋地球絕大部分中低維度區域

軌道傾角僅需保持40-50度附近即可。一方面，絕大部分人類活動都處在中低緯度區域，球形的地球注定中低緯度區域已經占據了最大的面積比例。例如，軌道傾角51度的國際空間站能穩定觀測地球約85%的面積，兩極附近面積過小且人類活動極少，沒有必要進行成本很高的全球覆蓋“通導遙”；另一方面，人類主要航天大國都處在中低緯度區域。火箭發射效率與緯度密切相關，緯度越低能利用的地球自轉慣性越大，火箭發射效率就會越高。蘇聯/俄羅斯選擇在可利用區域距離赤道最近的哈薩克斯坦拜科努爾建立發射場（北緯46度，載人和貨運）、美國選擇在最南端的卡納維拉爾角（北緯28.5度，載人和貨運）、中國因為歷史原因選擇在酒泉（北緯41度，用于載人發射）和后來選擇南端的海南文昌（北緯19.5度，用于貨運和空間站），均有這方面考量。

2.太陽同步軌道

地球并非完美的球體，赤道附近的直徑（6378.1千米）要明顯大于極地之間的直徑（6356.8千米），存在明顯的扁率。這導致發射進入太空的航天器不可避免受到不均勻的地球引力影響，無法保持穩定的軌道傾角，會隨著地球的運動緩慢變化。與此同時，地球也在圍繞太陽運動，太陽光線與航天器軌道傾角之間的關系也會發生變化。如果想辦法設計軌道讓二者基本同步，就會實現一種很理想的效果：軌道傾角本身受地球引力的影響與地球圍繞太陽自然進動保持一致，都是在一年之內變化整個圓周（360度），那么航天器路過地球上某一地點時的當地時間就基本固定下來。例如，每次穿過赤道時，都是當地時間的下午兩點鐘。因而，這種軌道得名太陽同步軌道，一般位于地表上空600-800千米，軌道傾角約98度，僅需約100分鐘即可環繞地球一周。

地球上的當地時間，都跟太陽光的照明角度相關，這也意味著太陽同步軌道航天器飛過當地時是穩定的照明環境，這對于光學遙感、氣象探測和資源勘探等衛星的意義極大，能夠穩定反復遍訪以獲取最有價值信息。而如果更精細設計軌道，讓航天器永遠沿著地球晨昏線運動（路過當地永遠是日出/日落時間），就意味著它在高空可以永遠被太陽光線照耀，能量“取之不盡用之不竭”，可實現雷達干涉等非常耗費能量的對地觀測，也可用于長期穩定的觀測太陽。

以上兩大主導軌道，占據了近地軌道資源開發的絕對優勢。此外，還有一些軌道是在此基礎上的特殊應用。例如，極地軌道（軌道傾角90度）會穩定經過兩極上空，在地球自轉的自然效應下，可以實現對地球的無死角覆蓋，非常適合地球科學研究衛星采用。赤道上空（軌道傾角0度）等低傾角（30-40度）的軌道能覆蓋地球上最為稠密人口的區域，商業價值更高。

三、近地軌道空間資源開發在明顯加速

近地軌道，一直是人類開發強度最大和收獲最多的空間資源。無論是禮炮系列、和平號、天空實驗室、航天飛機、國際空間站和天宮等人類重大載人航天工程，還是各類氣象、遙感、地學和天文學等高科技含量衛星，都把近地軌道作為首選目的地。而在近些年，隨著低軌互聯網通信等衛星的快速發射，近地空間在迅速變得擁擠不堪。

SpaceX依靠可回收獵鷹9火箭和低成本星鏈衛星在迅速占領市場（圖源：SpaceX）

僅以美國太空探索科技公司（SpaceX）在建設的星鏈低軌衛星互聯網星座為例，憑借可復用獵鷹9火箭的技術和成本優勢，以及衛星的批量化生產成本優勢，星鏈在快速占據近地空間軌道資源，包括太陽同步軌道和中低傾角近地軌道等。在2019-2022的短短三年內，就發射了2300余顆衛星進入近地軌道，其中約2000顆正處在運營或試運營過程中。這意味著單純從數量來看，SpaceX已經成為事實上的世界第一大衛星運營商，甚至超過剩下所有國家和公司的總和。而目前，它依然在以每月約150顆的速度布網。按照美國聯邦通信委員會國際電信聯盟批準的數據，星鏈的長遠規劃多達5萬顆。

在星鏈快速發展的同時，諸多航天勢力也在迅速跟進。以一網、亞馬遜、空客、三星、中國星網等企業也在快速布局，紛紛推出了龐大的低軌衛星網絡，總數并不亞于星鏈。這意味著僅在低軌衛星互聯網領域，全球就將在未來10-20年內發射可能數萬顆衛星，遠遠超過此前60年內的積累。

在低軌衛星和所占據的寶貴軌道之外，還有很多更寶貴的無形資源。例如，國際上對于航天通信用電磁波頻段利用有著嚴格規定，以避免過多互相干擾導致的不利影響，這也變相為市場先入者提供了大量的無形財富。快速發展的星鏈就獲得了較大范圍的Ku/Ka/E/V等電磁波波段使用權，這些都是不菲的資產，已經在競爭對手一網的破產重組中有所體現。SpaceX至今還未進行上市等資本市場大規模融資，而從創始人伊隆·馬斯克另一家企業特斯拉電動車的表現來看，星鏈給SpaceX未來賦予的資本溢價能力和潛在價值，是難以估量的，這也是眾多企業競相發展低軌衛星互聯網的重要原因。

四、保護近地軌道空間資源刻不容緩

表面來看，近地軌道資源幾乎是無窮的，因為僅在渺小的地球表面就有幾十億計的汽車、輪船和飛機等交通工具在持續運動，而在太空這一切直接變成了更加廣袤的三維空間，對于現有的人類航天器數量級（僅約3000運營中航天器）而言可謂依然“空曠無比”。

但太空也是充滿風險的，近地軌道上的每個航天器都在以超過7千米/秒的速度運動，這幾乎是高速公路120千米/時限速的200多倍，在這種情況下任一物體的動能極大，破壞力驚人。運營中航天器可能存在諸多偶發風險，例如中國天宮空間站和歐空局風神衛星等就曾受到過星鏈衛星的碰撞威脅，被迫自主變軌，而如果碰到不可控的太空碎片風險更大。一旦發生航天器之間或與空間碎片碰撞，以及蓄意的反衛星武器試驗等事件，太空碎片數量更會驟然增加，且由于不少碎片軌道依然較高，幾乎不會經由稀薄大氣阻力和太陽光壓等因素而消失。

太空中大型太空垃圾分布圖模擬（圖源：NASA）

根據監測太空垃圾最大的信息庫——美國的洲際導彈防御系統雷達網公開的檢測數據，目前估計有1.7億個直徑小于1厘米的垃圾垃圾在繞地飛行，有67萬個為1-10厘米直徑大小，有2.9萬個要更大，但它們的實際威脅幾乎是一致的。2016年4月，一塊極小、完全沒有被監測到的太空垃圾碎片擊中了國際空間站上的Cupola對地觀景臺玻璃，造成了一個直徑7毫米的裂紋，險些造成悲劇。而如果是厘米級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隨意增長，在可以想象的將來，地球將被太空垃圾所覆蓋，恐怕任何發射的航天任務都將面臨重大威脅，我們必須想辦法保持近地軌道的環境清潔。

目前，科學家們提出了很多種應對方案。比如采用再一次航天發射的方式將一個乃至很多小型推進裝置安裝到廢棄的大型衛星上，將它們推回大氣銷毀；采用安裝太陽反射帆的方式，讓太陽風將它們逐漸吹離軌道甚至吹入大氣；直接發射太空“清道夫”航天器，抓取并清潔附近軌道的各類太空垃圾，隨后返回大氣一并焚毀。但這些方案，都需要重新進行航天發射，執行的成本和代價都太高，甚至自身都有可能因為任務過于復雜導致失敗成為新的太空垃圾。

最好的解決方案是治本：一方面，從一開始就杜絕衛星成為太空垃圾的可能。在衛星和火箭設計時，就留有一定余量，讓它們攜帶夠足夠的推進劑，在衛星接近壽命終點時采用最后的動力脫離軌道重返大氣焚毀。另一方面，也要全人類各航天勢力統一制定太空交通規則，防止潛在的碰撞風險，堅決抵制產生太空垃圾的主動行為，共同和平開發太空資源。

結語

正如齊·奧爾科夫斯基所說的下半句一樣，“人類不可能永遠生活在搖籃里”。太空里的資源幾乎是無限的，足夠人類邁出搖籃后成為跨越行星際生存的物種。地球幾乎所有的能量都來自太陽這顆鄰近的恒星，由于距離太遠，實際上地球所接受的太陽輻射能量僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射量的約20億分之一，但已經足以滋養世間萬物。而僅在銀河系中，就有約1000億-4000億顆恒星。

光線抵達近地軌道僅需1毫秒，而抵達其他的恒星卻需要數年甚至數億年。人類邁出搖籃的第一個臺階就是近地軌道，我們更要細心呵護。

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