给卫星选择轨道，从来都是一道权衡利弊的选择题。
距离地面约100至450公里的“极低地球轨道”，有着不少诱人的优势。遥感相机可以拍出更清晰的照片，通信和雷达系统所需功率更低，失效的卫星也会被大气阻力自然拖离轨道，不会变成长期滞留的太空垃圾。
近年来，越来越多的遥感和通信卫星开始把目光投向这一轨道区间。
但同样是这层稀薄的大气，也带来了一个大麻烦。即便在这样的高度，空气阻力依然会让航天器不断减速，卫星必须几乎持续不停地产生推力，才能维持轨道。
传统推进系统需要携带燃料，而且往往是氙气这类昂贵的气体。燃料一旦耗尽，卫星的寿命也就走到了尽头。
变阻力为动力：吸入大气的电推进
德国斯图加特大学的弗朗切斯科·罗马诺在博士研究中，探索了一条截然不同的路。相关成果以论文形式发布在预印本平台arXiv上。
他的设想是，把造成阻力的大气分子本身，变成等离子体发动机的燃料。这样一来，卫星就可能无需携带传统推进剂，而在极低轨道上无限期运行。
与化学火箭相比，电推进的推力很小，但效率极高，特别适合长期、持续的轨道维持。
这类技术被称为“吸气式电推进”。系统会收集航天器前方极其稀薄的空气，引导它们进入电推进发动机，把分子转化为等离子体，再从尾部喷出产生推力。
打个比方，这就像一条鲸鱼一边游动一边张嘴吞水，再把吞进的水从身后喷出，推动自己继续前进。
事实上，早在2018年，欧洲航天局就曾在地面实验中首次成功点燃一台吸气式电推力器。
原理听起来简单，但要把它变成实用的推进系统，还得跨过好几道工程难关。
原子氧“啃”发动机，大气还“变脸”
第一道难关是原子氧。在高层大气中，紫外线会把氧气分子拆成单个氧原子，这种原子氧具有极强的氧化性。
它会腐蚀金属电极、加速栅极，甚至霍尔推力器等离子发动机中使用的阴极。
更要命的是，原子氧会烧穿“电子枪”中的阴极，而这个部件负责中和航天器的电荷。
如果没有中和装置，航天器就会带电，把喷出的带电粒子重新吸引回来，推力也就白费了。缺了这一环，整个离子推进系统都会失灵。
第二道难关是大气本身的多变性。高层大气会随昼夜交替、纬度高低甚至太阳活动而变化，要让发动机在各种条件下持续工作，一直是个难题。
抛物面“镜子”收集空气，借鉴磁共振的天线
为了解决这些问题，罗马诺研制了一种无接触、无中和器的射频螺旋波等离子体推力器，并为它配备了优化的进气系统。
他先后试验了三种进气装置。第一种是“增强型漏斗设计”，像分子陷阱一样捕获那些稀疏到几乎不会相互碰撞的空气粒子。
第二种是采用紧凑六边形结构、由涂层钛合金制成的“漫反射进气口”。
第三种是“镜面反射进气口”，它是一面涂有石墨或二氧化硅的抛物面镜，能把粒子直接反弹进发动机。
最终胜出的是镜面反射进气口。在风洞测试中，它收集了约94.3%的气体粒子，测试气体包括原子氧、氩气和氮气。
即使倾斜15度，它的收集效率也只下降8%，对姿态偏差表现出相当强的容忍度。
在推力器设计上，罗马诺从医疗设备中获得了灵感。他采用了一种类似磁共振成像设备中使用的“鸟笼天线”。
这种设计让99%的输入电功率真正进入推力器，明显优于那些会因自身电抗而浪费部分功率的普通线圈。
发动机外缠绕的螺线管产生磁场，把等离子体以准中性射流的形式推出尾部。正负带电粒子一同喷出，因此不再需要中和器，原子氧腐蚀阴极的难题也就绕了过去。
在模拟极低轨道大气成分的真空舱测试中，这台发动机仅用50至60瓦的射频功率，就产生了稳定的等离子体流。这一功率完全在常规航天器太阳能电池板的供电能力之内。
从地球到火星，前景诱人但仍待验证
完成实验验证后，罗马诺又把推进系统模型应用到真实场景中进行推演。
其中一个案例是欧洲航天局的重力场与海洋环流探测卫星。这颗卫星当年携带氙离子推力器进入极低轨道，最终因燃料耗尽而结束任务。
这颗卫星于2009年发射，在约250公里高度的轨道上工作了四年多，堪称极低轨道任务的经典案例。
计算显示，这种新型发动机可以在190至250公里的高度无限期运行，所需功率不到1.6千瓦，仍在标准航天器太阳能电池板的发电能力范围内。
它的舞台也不局限于地球。火星大气以二氧化碳为主，根据论文计算，这种发动机可以让航天器在火星上空120至160公里的高度无限期运行，比现有火星轨道器近得多。
这意味着，同一种发动机原理，未来或许能在两颗行星上各显身手。
当然，这项技术目前仍停留在实验室阶段，能否真正走向太空并无保证。
目前也尚不清楚，罗马诺是否打算继续推动这项技术走向实际任务。
但如果它能够降低风险、在实际任务中得到验证，从高分辨率对地观测到低延迟通信，都可能迎来大量商业应用。
对于正在快速扩张的低轨卫星产业而言，一颗不必为燃料发愁的卫星，或许意味着一场关于轨道寿命与成本的深刻变革。
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