专家问答：Redwire首席工程师Andrew Hermetet谈如何应对超低轨（VLEO）的不确定性。

Redwire 整合了最先进的工具与建模技术，确保航天器在超低轨（VLEO）实现可持续、安全的运行。

超低轨（VLEO）通常指距离地球表面300公里及以下的轨道，正成为未来国防情报行动和商业地球观测任务的关键领域。相较于LEO，其更接近地面的特性让用户能拍摄到更高分辨率的地球表面图像，且更短的距离还能提供更清晰、准确的数据，同时降低延迟。

在本次问答中，Redwire建模与仿真团队首席工程师Andrew Hermetet阐述了超低轨（VLEO）大气建模面临的挑战，以及Redwire如何开发更优的预测模型，以应对这一更低轨道中多变天气的影响——这对客户实现其任务目标至关重要。Redwire专为超低轨（VLEO）设计航天器，该轨道的大气条件变化极大，因此其数字工程模型旨在确保卫星的稳定性和使用寿命，应用于国防和商业两大领域。

超低轨（VLEO）运行面临哪些挑战？

当航天器在这一更低轨道飞行时，稀薄大气会成为一个日益突出的问题，必须持续应对；否则，轨道会迅速衰减，卫星最终会在上层大气中烧毁。如果不采取主动措施，任务可能在几十圈轨道内就宣告失败。

该高度的大气极具多变性。在超低轨（VLEO），温度变化可达400至500开尔文（相当于260至440华氏度）。此外，大气密度和压力的变化幅度能达到两到三个数量级。这是我们必须应对的巨大范围，因此，通过仿真技术确定航天器的外形和姿态，使其能够应对这些挑战，正是我们正在解决的问题。

同时，超低轨（VLEO）的风速可能超过1000米/秒。若不考虑风的影响，可能导致定位出现极大偏差。例如，MIT Lincoln Laboratory的Agile MicroSatellite Demonstrator团队发现，其航天器在一圈轨道后，预测位置与实际位置的偏差可能超过100公里。如果计划用情报、监视与侦察卫星拍摄目标，那么在调整姿态抓拍瞬间，航天器必须处于预期位置。能够对这些动态进行建模并应对，对这些航天器的终端客户而言至关重要。

Redwire为何确信其方法能打造出在这一极具挑战性轨道中成功运行的航天器？

我们采用了多种最先进的仿真工具来虚拟重建超低轨（VLEO）环境，包括我们的任务分析工具 ACORN 2.0。正如我之前所说，这在地面上是一项艰巨的任务。为了验证模型（即确认其能给出正确结果），我们在环境中重现了以往的超低轨（VLEO）任务，并预测了它们的轨迹。这种做法被称为“盲关联”，是验证仿真模型的核心方法。迄今为止，我们的方法取得了巨大成功，已与GOCE和GRIDSPHERE等多个著名的超低轨（VLEO）已执行任务进行了关联验证。

我们的商业和两用客户对我们的关联验证工作感到满意，均在信心十足地推进其项目开发。

考虑到极端的风和阻力，在超低轨（VLEO）中管理航天器姿态有哪些选择？

从表面上看，有两种选择。第一种是让航天器的头部指向你认为能使太阳能电池板获得最大光照的方向。但由于侧风影响，这种方式通常会产生更大的阻力，进而需要消耗更多燃料来维持轨道。第二种是让头部对准视风方向，以最大限度地减少阻力。这样一来，航天器不会偏离轨道太远，也无需消耗过多燃料。但问题在于，此时推进器的指向会偏离正确方向，且太阳能电池板获得的光照（为航天器供电的能源）也会减少。

于是问题变成：“是否存在一种最优方式，综合所有权衡因素，既能让航天器应对少量额外阻力和轻微轨道偏离，又能使推进器基本对准目标方向、太阳能电池板几乎完全受光？”

要回答这个问题，我们必须整合多个学科的多种应用：气象模型、空气动力学代码和数值优化软件。随后，我们需要让这些不同的应用程序彼此交互，并与我们的任务分析软件ACORN协同工作。迄今为止，我们已高效实现了这一点；在Redwire，我们将这种数字工程方法称为DEMSI（数字工程任务系统集成）。

Redwire如何定义超低轨（VLEO）任务的成功？

我们执行的许多任务中，客户对在这些低轨道的停留时间有着非常高的目标，从一年到五年不等。如果我们能显著接近这些目标，那就是项目层面的成功。仿真领域有一个常见的玩笑：所有模型都是不完美的，但有些模型是有用的。因此，我的成功定义是：有效地预测超低轨（VLEO）航天器的位置和时间。而目前，我们已拥有实现这一目标的工具和技术。

Andrew Hermetet是计算流体动力学领域的资深专家。加入Redwire之前，他曾在多家实验室和初创公司工作，处理过各类设计问题，从高超声速飞行器的气动弹性行为到一级方程式赛车的气动和热性能优化。如今，他在Redwire担任仿真领域的主题专家，并担任多个超低轨（VLEO）项目的技术负责人。

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