趙志明 翟峰 付重 張紅亮

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

自1957年10月全球第一顆人造衛(wèi)星首次發(fā)射成功，人類開始了探索宇宙的新紀元，人造衛(wèi)星在科學、軍事和國民經(jīng)濟各個方面都得到了極其廣泛的應用。如果按用途劃分，人造地球衛(wèi)星一般可分為:科學衛(wèi)星、技術試驗衛(wèi)星和應用衛(wèi)星。

科學衛(wèi)星是指為科學研究服務的人造衛(wèi)星，主要包括空間物理探測衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、生物衛(wèi)星、微重力試驗衛(wèi)星等。從第一顆人造衛(wèi)星起，人類不斷利用各種飛行器對太空進行探測和研究，極大地開拓了人類認識宇宙的視野，推動了空間科學、空間技術和空間應用的發(fā)展。技術試驗衛(wèi)星是用于衛(wèi)星工程技術和空間應用技術的原理性或工程性試驗的人造地球衛(wèi)星。從航天時代開始，技術試驗衛(wèi)星就成為開發(fā)空間技術的試驗基地，往往用于投資昂貴的大任務之前在實際的軌道環(huán)境中和可接受的風險下對新技術或業(yè)務進行迅速的驗證、演示和評估，成為空間技術發(fā)展的重要階段。本文從科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展歷程、主要試驗衛(wèi)星項目以及取得的成就等方面，總結了世界主要航天大國科學與技術試驗衛(wèi)星發(fā)展情況，并對未來發(fā)展進行了展望。

1 國外科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展綜述

回顧世界上各航天大國新技術試驗衛(wèi)星的發(fā)展歷程，可以看出其發(fā)展經(jīng)歷了兩個高速發(fā)展時期。

1)第一個時期1957—1975年

這是航天事業(yè)的探索階段。在此時期技術試驗衛(wèi)星的主要任務是開展衛(wèi)星技術驗證、新應用領域的概念與技術驗證以及空間環(huán)境探測等。比較有代表性的有探索者-11、軌道天文觀測臺系列、小型天文衛(wèi)星等，主要開展空間環(huán)境探測；軌道飛行器系列，主要開展生物物理實驗、微重力實驗等；生物衛(wèi)星系列，主要開展生命科學實驗，研究空間環(huán)境對生命過程的效應。通過大量的技術試驗，各主要航天大國掌握了航天的基礎技術，開拓了新的空間應用領域，滿足了人類空間探索和空間資源利用的早期需求。

2)第二個時期1995年至今

隨著科學技術特別是信息、電子、新材料技術的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了大量可以提高航天器性能水平的新技術、新材料和新設備，世界各國又開始了新一輪的技術試驗衛(wèi)星研制熱潮。

近20年來，美國、日本、歐洲航天局等在新技術試驗衛(wèi)星領域紛紛加大投入，推出新的技術試驗衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃。美國制定了新盛世計劃(New Millenium Program，NMP)，日本繼續(xù)發(fā)展工程試驗衛(wèi)星(Engineering Test Satellite，ETS)系列及專題技術試驗衛(wèi)星。一些在航天領域起步較晚的國家針對本國的發(fā)展態(tài)勢，也規(guī)劃了專用的技術試驗衛(wèi)星系列，如印度規(guī)劃了技術試驗衛(wèi)星系列 (Technology Experiment Satellite，TES)并研制和發(fā)射了TES-1，以色列提出了技術試驗衛(wèi)星(TechSAT)計劃并研制和發(fā)射了TechSAT-1、2衛(wèi)星。

下面對美國、俄羅斯/蘇聯(lián)、日本、歐洲等主要航天大國科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展情況進行介紹，并總結其發(fā)展特點和啟示。

1.1 美國

美國發(fā)展技術試驗衛(wèi)星的突出特點是形成了以專用技術試驗衛(wèi)星系列為主，種類相對齊全的衛(wèi)星技術試驗體系。在系統(tǒng)性的航天政策以及戰(zhàn)略規(guī)劃指導下，可持續(xù)地開展各空間技術試驗項目的發(fā)展規(guī)劃，陸續(xù)制定了多個技術試驗衛(wèi)星發(fā)展計劃，如新盛世計劃。隨著空間技術發(fā)展，同時為保持美國在空間領域的戰(zhàn)略優(yōu)勢，進一步開發(fā)先進的空間能力，陸續(xù)推出了多個研究項目：如戰(zhàn)術試驗衛(wèi)星系列、“軌道快車”、分離模塊航天器系統(tǒng)、空間監(jiān)視望遠鏡等。

迄今為止，美國實施的數(shù)十個具有空間試驗性質的衛(wèi)星計劃，其試驗領域涵蓋了基礎元器件試驗、平臺共性技術試驗、新技術試驗和型號原型試驗等，幾乎覆蓋了所有技術和應用領域，形成了以專用技術試驗衛(wèi)星系列為主，平臺搭載為輔，種類豐富的技術試驗衛(wèi)星系列。美國通過試驗衛(wèi)星不斷提高其航天核心能力，確保了美國在航天領域的領導地位，主要有以下幾個典型的計劃系列。

1)“新盛世”計劃

美國于1995年提出了“新盛世”計劃。該計劃旨在進一步落實更快、更好、更省的發(fā)展方針，研制一批小型、低成本、自主工作的試驗航天器(深空探測器和人造地球衛(wèi)星)，滿足21世紀初在外層空間建立無人探測研究基地的需要[1-2]?！靶率⑹馈庇媱澋闹饕l(wèi)星如表1所示。

表1 “新盛世”計劃的主要衛(wèi)星

2)戰(zhàn)術試驗衛(wèi)星系列

在快速響應領域，美國空軍、海軍和其他聯(lián)合實驗室研制一系列微小型衛(wèi)星，稱為“戰(zhàn)術星”，可直接為戰(zhàn)區(qū)提供信息服務[3-5]。該系列衛(wèi)星將采用專用因特網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡與戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)部隊聯(lián)系，為發(fā)展空間快速響應衛(wèi)星奠定技術基礎。目前，該系列衛(wèi)星已經(jīng)進行了多次試驗。戰(zhàn)術試驗衛(wèi)星系列如表2所示。

表2 戰(zhàn)術試驗衛(wèi)星系列

2007年，美國國防部創(chuàng)建了空軍作戰(zhàn)響應空間(ORS)辦公室，作為調整空間能力和改變國家安全需求的一項積極舉措。作戰(zhàn)快速響應概念尋求低成本的發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)可快速將攜帶有效載荷的小衛(wèi)星發(fā)射升空，以補充因沖突、故障或自然災害而損失的關鍵能力[6]。

“空間試驗計劃衛(wèi)星”(STPsat)支持美國快速作戰(zhàn)響應空間(ORS)戰(zhàn)略，可確保美國的太空優(yōu)勢地位。STPSat-3衛(wèi)星是鮑爾宇航公司為美國國防部空間試驗項目標準接口運載器(STP-SIV)計劃研制的第2顆衛(wèi)星，STP-SIV計劃的首顆衛(wèi)星STPSat-2已于2010年11月12日發(fā)射升空。

STPSat-3衛(wèi)星與其它眾多ORS-3任務立方體衛(wèi)星(Cubesats)于2013年11月19日由米諾陶-1(Minotaur I)火箭發(fā)射升空。STPSat-3衛(wèi)星采用STP-SIV體系架構，可容納多個獨立的有效載荷，并有獨立的電源和數(shù)據(jù)接口。該衛(wèi)星還能提供一個與多種運載火箭兼容的標準接口，支持快速發(fā)射計劃，降低有效載荷在軌試驗的風險。STPSat-3衛(wèi)星基于飛行驗證通用衛(wèi)星總線平臺建造，建成僅用47天，并配有標準有效載荷接口，搭載有5個有效載荷，其中包括：

(1)集成微型靜電分析儀-再次試飛(iMESA-R)，美國空軍學院任務，旨在測量等離子體密度和能量。

(2)聯(lián)合組件研究(J-CORE)，由空軍研究實驗室(AFRL)/ EO 對策科技分部(RYMW)和美國陸軍航天與導彈防御司令部(SMDC)承辦的一個空間現(xiàn)象學任務。

(3)條型傳感器組件(SSU)，美國空軍研究實驗室的定向能(RD)實驗，旨在通過傳感器組件在軌測試和運行試驗，以期降低風險。

(4)小型風和溫度光譜儀(SWATS)，海軍研究實驗室(NRL)任務，可對中性和等離子環(huán)境提供現(xiàn)場測量，以表征地球的電離層和熱層。

(5)太陽總輻照度校正傳輸實驗(TCTE)，NASA / NOAA任務，旨在通過由大氣和空間物理實驗室提供的TCTE設備，收集對太陽總輻照度(TSI )的高精密測量數(shù)據(jù)，監(jiān)測在地球大氣層頂部的太陽輻射變化。

3)“軌道快車”計劃[7]

“軌道快車”(Orbital Express)計劃是由美國高級研究項目局(DARPA)于1999年提出的，其目的是開發(fā)研究未來空間在軌補給、修復與重構技術，并通過在軌飛行演示驗證達到發(fā)展該技術的目的[8]?！败壍揽燔嚒毖菔掘炞C系統(tǒng)包括1顆自主空間運輸和機器人軌道器和1顆可升級可維修的目標衛(wèi)星。2007年3月，“軌道快車”的兩顆衛(wèi)星發(fā)射升空，在軌開展了自主交會對接、在軌裝配、燃料加注以及航天器在軌升級等試驗。衛(wèi)星飛行示意如圖1所示。

圖1 軌道快車飛行示意

4)空軍“試驗衛(wèi)星”系列

由美空軍研究實驗室提出的空軍“試驗衛(wèi)星系列”(XSS)計劃[9]，該計劃包括XSS-10和XSS-11兩顆微小衛(wèi)星，其目標是獲取完全自主的空間維護與服務能力。目前已完成了2顆微小衛(wèi)星的試驗驗證。XSS-10衛(wèi)星質量28 kg，于2003年1月發(fā)射。XSS-11衛(wèi)星系統(tǒng)是XSS系列計劃中的第二個系統(tǒng)，質量145 kg，于2005年4月發(fā)射，其最大特點是可以對多個目標實施靠近操作。XSS-11衛(wèi)星運用先進的傳感器和微電子等技術．驗證了航天器在近距離圍繞空間目標進行多種類型的機動，包括位置保持、運動轉換及繞飛以及通過軟件算法來實現(xiàn)快速脫離目標和進入自然軌道的能力。

DARPA正在研究一些“非常規(guī)”概念，來維持美國的空間彈性。其中一個是“機載發(fā)射輔助空間進入”(ALASA)項目，使用未經(jīng)改裝的F-15戰(zhàn)斗機發(fā)射小衛(wèi)星。在發(fā)射地點方面，ALASA可提供更大的機動性，該系統(tǒng)還允許進行更廣泛的衛(wèi)星軌道選擇。此外，該項目正在尋求使當前發(fā)射成本降低3倍的方案。ALASA的機動性將提供更高的任務頻率，并可減少發(fā)射次數(shù)。XS-1空天飛機旨在提供可重復使用的第一級以替代F-15，并配備可到達LEO的第二級火箭。DARPA計劃利用該系統(tǒng)，在接到通知的24 h之內，將45.359 kg有效載荷發(fā)送至LEO，發(fā)射成本為100萬美元。

“航天試驗項目”(STP)是美國空軍的空間項目。STP-3任務將發(fā)射2顆GEO靜止軌道衛(wèi)星，分別是STPSat-6衛(wèi)星和“長期推進(Long Duration Propulsive)改進型一次性運載器(EELV)輔載荷發(fā)射接口(ESPA)”衛(wèi)星。

STPSat-6衛(wèi)星由諾斯羅普-格魯門公司所屬創(chuàng)新系統(tǒng)公司(Orbital ATK公司前身)基于A-500衛(wèi)星總線研制。在軌將進行多項試驗，其中一個載荷是)空間和大氣層爆炸報告系統(tǒng)(Space and Atmospheric Burst Reporting System，SABR-3)，用來探測核爆炸試驗和空間環(huán)境數(shù)據(jù)。目前GPS導航衛(wèi)星上也安裝了核爆炸探測器，該衛(wèi)星將作為GPS核爆炸檢測的補充。第二個載荷是NASA的激光通信中繼演示(Laser Communications Relay Demonstration，LCRD)，驗證激光通信中繼載荷。此外，該衛(wèi)星還安裝了7個美國國防部的其他載荷。

LDPE衛(wèi)星實際上是一個可以承載各種載荷、部署小衛(wèi)星的衛(wèi)星平臺，類似于上面級系統(tǒng)。制造商也是諾斯羅普格魯門公司所收購的Orbital ATK分部。LDPE衛(wèi)星基于ESPAStar平臺，主體是可以適配于多個運載火箭的載荷適配圓環(huán)平臺，基于載荷托管思路提供了一個模塊化、低成本、高度靈活的平臺。ESPAStar平臺基于Orbital ATK公司的地球靜止軌道增強試驗項目(EAGLE)任務，可以為搭載的有效載荷或小衛(wèi)星提供推進、定點、遙測和遙控服務，可以搭載6～12個可分離的有效載荷或小衛(wèi)星。該計劃已經(jīng)更名為快速在軌空間技術與評估圓環(huán)項目(ROOSTER)。

5)導彈預警試驗衛(wèi)星計劃

圍繞衛(wèi)星導彈預警任務，美國自20世紀60年代，開展了天基紅外導彈防御警報系統(tǒng)、紅外多光譜成像衛(wèi)星試驗、微型傳感器技術集成試驗、中段空間試驗、俄美監(jiān)視衛(wèi)星空間合作、近場紅外試驗等多顆試驗衛(wèi)星計劃。

通過開展這些試驗衛(wèi)星項目，美國積累了大量目標和背景輻射特性數(shù)據(jù)，掌握了衛(wèi)星導彈預警規(guī)律，有效地支持了“國防支援計劃”、“天基紅外系統(tǒng)”、國家/戰(zhàn)區(qū)導彈防御系統(tǒng)和其他反導反衛(wèi)系統(tǒng)的研制和作戰(zhàn)應用。

6)空間科學與實驗衛(wèi)星計劃

美國早期主要是利用科學衛(wèi)星開展科學實驗，后續(xù)主要是利用航天飛機和“國際空間站”開展相應的科學研究[10]。

20世紀60、70年代美國先后發(fā)射了3顆返回式生物衛(wèi)星和“蛙耳石”衛(wèi)星及“生命科學衛(wèi)星”(Lifesat)等開展微重力及生命科學實驗。

1981年美國成功發(fā)射第一架航天飛機，促進了微重力科學研究的發(fā)展，自此，美國終止了使用返回式衛(wèi)星。目前美國主要以“國際空間站”為平臺進行空間科學實驗。

目前，NASA通過其生命科學與物理科學研究和應用部門(Space Life and Physical Sciences Research and Applications，SLPSRA)進行空間生命和物理科學的研究。該部門屬于NASA的載人探索和運行任務部。SLPSRA具有雙重職責：擴展載人航天探索的知識、能力和機遇；在低地球軌道及以遠引領科學發(fā)現(xiàn)，驅動科學、技術和空間探索的發(fā)展，促進知識、教育、創(chuàng)新和經(jīng)濟活力。SLPSRA管理NASA的三項計劃，分別為載人研究計劃、空間生物學計劃以及物理科學計劃[11-12]。

1.2 俄羅斯/蘇聯(lián)

俄羅斯/蘇聯(lián)的技術試驗衛(wèi)星系列同其他衛(wèi)星一樣，都混編在宇宙號衛(wèi)星系列中，尤其是帶有軍用性質的試驗衛(wèi)星更是如此，其公開的信息非常有限。

蘇聯(lián)自1966年開始發(fā)射“生物”衛(wèi)星(一種微重力實驗衛(wèi)星)，而后在20世紀80年代又研制了一系列專用于空間微重力科學實驗的返回式衛(wèi)星——“光子”系列衛(wèi)星。

“生物”衛(wèi)星計劃是一項國際合作計劃，是基于第一代照相偵察衛(wèi)星改裝而成的，1966年首次發(fā)射，約1～2年發(fā)射1顆。共發(fā)射了11顆。所進行的實驗可以幫助解決人在宇宙中長期飛行的能力問題，飛行時獲取的信息對于在實際醫(yī)學中的廣泛應用具有很高價值。在“生物”衛(wèi)星上進行的實驗研究生物對象有：單細胞生物、低級和高級植物、昆蟲、魚類、兩棲動物、烏龜、白鼠、猴子等，已進入空間的共計超過37種生物對象[13]。2005年“生物”項目重新開始，包括3顆 “生物-M”衛(wèi)星。第一顆衛(wèi)星于2013年4月發(fā)射，完成了在軌一個月的太空生物試驗，主要研究零重力對生物機體的影響、空間飛行中對零重力適應性的生理機制、以及研究零重力和其他因素的聯(lián)合影響，這對于太陽系的載人行星探索活動來說具有重要意義。第二顆“生物-M”衛(wèi)星計劃于2022年發(fā)射。

俄羅斯“光子”衛(wèi)星為典型的返回式衛(wèi)星，包括 “光子”系列衛(wèi)星和“光子”M系列衛(wèi)星。該衛(wèi)星系列作為經(jīng)常性的空間科學實驗平臺，主要用于為國際用戶搭載微重力科學實驗有效載荷，用于空間生命科學和空間材料科學實驗[14]。

“光子”系列衛(wèi)星從1985年至1991年，實現(xiàn)了12次成功發(fā)射。完成了半導體和光學材料、生物工藝、細胞生物學、分子結構、晶體生長、流體物理學領域的研究計劃，確定了微加速度水平，近地空間因素(真空、輻射)對返回艙的影響，以及下降過程中地球大氣層對航天器的影響。“光子”M1、“光子”M2、“光子”M4衛(wèi)星分別于2005年、2007年、2014年成功發(fā)射，在軌開展了生物醫(yī)學試驗、科學項目試驗和太空材料研究試驗。

1.3 日本

日本在航天發(fā)展過程中一直非常重視技術試驗衛(wèi)星的發(fā)展，重視工程技術，尤其是工藝和產品的驗證研究，發(fā)展了“工程試驗衛(wèi)星”、“微納衛(wèi)星”、“空間科學”等系列試驗衛(wèi)星。通過開展廣泛的空間試驗，日本取得了許多創(chuàng)新性的成果，尤其是在空間交會對接和空間機器人等方面技術十分先進。

日本的“工程試驗衛(wèi)星”(ETS)系列啟動于20世紀70年代，目前共發(fā)射了8顆衛(wèi)星，具體如表3所示。ETS系列驗證了離子推進、移動通信、數(shù)據(jù)中繼、激光通信、空間自主交會對接、空間機器人以及通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星對多星進行測控的技術等多項空間技術[15]。于2006年發(fā)射的ETS-8是一顆綜合性的試驗衛(wèi)星，該星進一步驗證了多項技術，包括大型靜地軌道衛(wèi)星的電力、姿態(tài)控制、熱控制和推進等相關技術，尤其是驗證了能提供大功率通信業(yè)務的大型展開式天線[16]。ETS-8衛(wèi)星飛行示意如圖2所示。

表3 日本工程試驗衛(wèi)星

圖2 ETS-8衛(wèi)星飛行示意

日本非常重視微小衛(wèi)星的研究和制造，其研究主力是大學和研究所，例如，東京大學、日本宇宙航空研究開發(fā)機構等。日本主要利用微小衛(wèi)星開展空間科學與技術試驗、空間攻防等。日本利用微小衛(wèi)星在天文探測、地球物理等方面取得了飛速發(fā)展，并形成專業(yè)微小衛(wèi)星試驗平臺，借助微小衛(wèi)星開展目標監(jiān)視、危險感知等。

2018年4月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構啟動“創(chuàng)新衛(wèi)星技術試驗項目”。該項目面向私企、大學和研究機構征集用于衛(wèi)星的創(chuàng)新技術，由宇宙航空研究開發(fā)機構提供衛(wèi)星平臺，并為參與項目的載荷提供為期一年的在軌技術驗證。該項目第一期的7顆微小衛(wèi)星已于2019年1月以一箭七星方式成功發(fā)射，如表4所示。第二期微小衛(wèi)星方案已于2019年初結束，計劃2022年發(fā)射。

表4 創(chuàng)新衛(wèi)星技術試驗項目

1.4 歐洲

歐洲空間科學實驗研究，一部分是通過“國際空間站”進行的。此外，數(shù)個歐洲國家還自主開發(fā)了系列科學技術試驗衛(wèi)星。

Carina衛(wèi)星主要是由意大利航天局于1988年開始研制的一種返回式衛(wèi)星，通過該衛(wèi)星的研制，可獲取衛(wèi)星再入技術方面的經(jīng)驗，擴展有關回收有效載荷作業(yè)方面的經(jīng)驗，為意大利發(fā)展自己國家獨立的返回式衛(wèi)星；也可為空間微重力科學和技術實驗提供飛行機會；為其他學科，如天文和對地觀測，提供一種實惠、適應性強的平臺。

歐洲航天局(ESA)于1992年發(fā)射的尤里卡-1也稱“歐洲可回收平臺”。它是第一個專門作為微重力平臺的航天器。平臺質量4491 kg，其中有效載荷質量1000 kg，在軌飛行時間歷時11個月。共完成70多項科學實驗，主要實驗內容涉及微重力實驗，X射線天文觀測實驗等幾個方面，是歐洲第一個長時間進行空間科學實驗的空間平臺。

德國研制的商用微重力研究與材料加工衛(wèi)星-“奧爾費斯-斯帕斯”-衛(wèi)星，由航天飛機遙控機械臂釋放并回收。衛(wèi)星為模塊化設計，可根據(jù)飛行任務要求變換有效載荷。奧爾費斯-斯帕斯-1衛(wèi)星于1993年利用航天飛機進行首次發(fā)射部署，并于5天后回收。奧爾費斯-斯帕斯-2衛(wèi)星于1996年利用航天飛機進行第二次發(fā)射部署，并于14天后回收。

“星上自主項目”(PROBA)衛(wèi)星系列屬于歐洲航天局的技術驗證計劃[17-18]。該系列衛(wèi)星是小型、低成本衛(wèi)星，用于驗證新的航天器技術、研究技術、研發(fā)方法，同時還可攜帶科學有效載荷。該系列包括PROBA-1～3和PROBA-V共4顆衛(wèi)星。其中PROBA-1衛(wèi)星于2001年10月發(fā)射，主要驗證新的衛(wèi)星自主技術、小衛(wèi)星三軸控制技術和數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術。PROBA-2衛(wèi)星于2009年11月發(fā)射，主要驗證新型鋰電池、先進數(shù)據(jù)和功率管理系統(tǒng)、新型反作用輪、星跟蹤器、GPS接收機等17項關鍵技術。PROBA-V衛(wèi)星于2013年4月發(fā)射，搭載了5臺先進的有效載荷開展技術試驗。PROBA-3衛(wèi)星包括2顆獨立的三軸穩(wěn)定子衛(wèi)星，具有精確的姿態(tài)控制能力，計劃于2022年發(fā)射，在軌主要開展高精度的編隊飛行試驗，另外還將開展太陽日冕科學觀測等試驗。PROBA-3衛(wèi)星飛行示意如圖3所示。

圖3 PROBA-3衛(wèi)星飛行示意

1.5 近年及未來一段時間國外科學衛(wèi)星任務

近年及未來一段時間國外確定發(fā)射的科學衛(wèi)星任務約有20余項，涵蓋了空間天文、天體物理、太陽物理、空間生命科學、空間物理等幾大領域。全球的科學衛(wèi)星任務如表5所示。

表5 全球的科學衛(wèi)星任務

續(xù) 表

1.6 發(fā)展特點和啟示

總結國外科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展，有以下特點和啟示：

(1)試驗衛(wèi)星定位明確，制定系列發(fā)展規(guī)劃，呈現(xiàn)規(guī)?；?、系列化特點。各航天大國都有明確的試驗衛(wèi)星定位，根據(jù)各國國家安全和經(jīng)濟發(fā)展需要，制定相應的新技術試驗衛(wèi)星發(fā)展戰(zhàn)略，并規(guī)劃了重點工程，確保滿足應用型號、系統(tǒng)關鍵技術和專項技術的需求。尤其是美國形成了以專用技術試驗衛(wèi)星系列為主、平臺搭載為輔、種類齊全的技術試驗衛(wèi)星體系。同時結合通信廣播、導航定位、軍事偵察、導彈預警、空間探測等領域的研究，制定長期、穩(wěn)定的試驗衛(wèi)星發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展計劃，保證穩(wěn)定、持續(xù)的資金和資源投入，逐步朝著規(guī)?；拖盗谢姆较虬l(fā)展。

(2)以需求為牽引，具有軍事背景、類型多樣化的發(fā)展，建立空間新技術試驗的長效機制。世界主要航天國家在發(fā)展衛(wèi)星新技術的過程中，都建立了長效的試驗機制，長期開展空間演示驗證。日本的工程試驗衛(wèi)星(ETS)項目啟動于70年代，迄今此計劃已經(jīng)發(fā)射了8顆衛(wèi)星，為日本發(fā)展衛(wèi)星通信技術做出了卓越的貢獻。國外試驗衛(wèi)星項目涉及衛(wèi)星組件、新技術、新原理、新方法、新型載荷和元器件等，種類繁多。試驗模式包括單星試驗和多星系統(tǒng)試驗，隨著航天技術的進一步發(fā)展，試驗項目類型將進一步呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的趨勢。其中，很多是軍方主導的試驗衛(wèi)星，或是具有很強軍事應用背景的試驗項目。例如，美國的“試驗衛(wèi)星系列”、戰(zhàn)術試驗衛(wèi)星、導彈預警試驗衛(wèi)星計劃和日本的ETS等計劃都有著深刻的軍事應用背景。

(3)試驗衛(wèi)星的發(fā)展與國家航天系統(tǒng)規(guī)模相適應。各國所采取的發(fā)展思路不盡相同。美國、俄羅斯作為航天超級大國，全面發(fā)展各類衛(wèi)星技術，相應形成了全面發(fā)展的技術試驗航天器體系；歐洲、印度、以色列等更專注滿足自身航天應用需求的某一特定領域，以解決特定應用需求為目標。日本則以加入美歐等航天大布局為目標，尋找切入點，發(fā)展目標更著重工藝技術和產品開發(fā)，提高工業(yè)能力，走專項發(fā)展型道路。

(4)衛(wèi)星系統(tǒng)小型化、低成本化，試驗平臺標準化、通用化。隨著微電子技術和輕型材料技術的迅速發(fā)展，高度集成化、模塊化和輕型化的小衛(wèi)星技術發(fā)展迅猛。由于具有質量輕、研制成本低、性能高、研制周期短、發(fā)射靈活等特點，使得小衛(wèi)星成為試驗領域的主力軍，利用小衛(wèi)星開展空間試驗成為主要的發(fā)展趨勢。其次，通過構建靈活的公用試驗衛(wèi)星平臺，實現(xiàn)對不同試驗項目的通用化匹配。經(jīng)過多年的實踐，國外一些主要的衛(wèi)星制造商，已經(jīng)推出一批標準化的平臺。例如，美國TRW公司的“鷹”型小衛(wèi)星公用平臺，已多次用于本國的技術試驗衛(wèi)星及我國臺灣“華衛(wèi)一號”小衛(wèi)星。美國軌道科學公司采用模塊化設計，開發(fā)了“微星”平臺，具有良好的通用性，已經(jīng)為本國和其他國家發(fā)射了幾十顆不同用途的試驗衛(wèi)星。

(5)空間攻防、軌道服務、深空探測及空間激光通信等在近年來成為新的技術試驗熱點領域。美國、日本等國均開展了空間攻防及軌道服務試驗。日本的隼鳥2號順利完成小行星探測任務。2021年11月13日，SpaceX公司再次使用獵鷹-9火箭發(fā)射了新一批的“星鏈”互聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星，這批“星鏈”衛(wèi)星配置了激光星間通信鏈路，將大幅降低連接延遲，為打造更強大空基互聯(lián)網(wǎng)的目標邁出了重要一步。

2 中國科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展

為了對航天任務急需的新技術開展驗證，同時開展空間環(huán)境探測與空間科學研究，中國從剛開始研制衛(wèi)星時，就開始發(fā)展科學與技術試驗衛(wèi)星系列。1971年3月3日，中國第2顆人造地球試驗衛(wèi)星實踐-1發(fā)射成功，開啟了中國科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展的序幕，經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是進入新世紀以來，快速發(fā)展和壯大，形成了由國家主導，包含軍、民兩條線，各有側重，多方參與的科學技術試驗衛(wèi)星發(fā)展模式。

從20世紀70年代初至90年代末，中國先后研制和發(fā)射了實踐一號、實踐二號衛(wèi)星群、實踐四號以及實踐五號衛(wèi)星，初步形成了實踐系列科學探測與技術試驗衛(wèi)星。此階段中國發(fā)射的實踐系列衛(wèi)星主要針對航天任務急需的新技術進行先期試驗，提高衛(wèi)星平臺的可靠性，掌握了能源、熱控等長期在軌工作能力，特別是實踐五號衛(wèi)星，驗證了先進的公用化平臺，進一步完善了基礎能力，解決了進入空間的問題，為推動衛(wèi)星發(fā)展奠定了堅實的基礎。

進入21世紀，中國航天領域步入全面高速發(fā)展階段，基于新階段、新形勢，2008年國家重新規(guī)劃了民用技術試驗衛(wèi)星系列，并于2012年10月發(fā)射了該系列首發(fā)星實踐九號，開展衛(wèi)星長壽命高可靠、高精度高性能、國產核心元器件和衛(wèi)星編隊及星間測量與鏈路等試驗。這一時期發(fā)展的眾多試驗衛(wèi)星開創(chuàng)了中國空間新技術試驗領域的高速發(fā)展期并延續(xù)至今，實現(xiàn)了規(guī)模化、常態(tài)化發(fā)展態(tài)勢，全面支撐了中國航天規(guī)?；ㄔO、商業(yè)化應用，為實現(xiàn)高水平下的持續(xù)發(fā)展提供了保障。

2.1 實踐系列衛(wèi)星

中國先后研制和發(fā)射了國家主導的服務于民用航天建設的實踐系列技術試驗衛(wèi)星，取得了豐碩的技術試驗成果。

在東方紅一號衛(wèi)星發(fā)射成功不到一年的時間內，在充分利用其技術的基礎上，中國于1971年3月3日發(fā)射了科學探測與技術試驗衛(wèi)星系列中的第一顆衛(wèi)星，實踐一號[19]。實踐一號衛(wèi)星的空間技術試驗任務是對衛(wèi)星的基本技術和系統(tǒng)進行長期空間考驗，主要包括硅太陽電池和鎘鎳蓄電池組成的電池系統(tǒng)、無源主動式溫控系統(tǒng)、16路遙測系統(tǒng)等。在太空正常運行了8年多，遠遠超過原定1年的設計壽命，為中國研制長壽命衛(wèi)星提供了寶貴的經(jīng)驗。實踐一號衛(wèi)星外形如圖4所示。

圖4 實踐一號衛(wèi)星

1981年9月20日，中國以一箭三星的方式發(fā)射了實踐二號、實踐二號甲和實踐二號乙衛(wèi)星。實踐二號衛(wèi)星以空間環(huán)境試驗為主，對空間輻射環(huán)境及效應進行探測，同時開展了電池帆板供電、自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制、主動式溫控技術試驗。實踐二號甲和實踐二號乙衛(wèi)星分別作為電離層探測信標衛(wèi)星和無源雷達定標試驗衛(wèi)星開展在軌試驗。

1994年2月8日，長征三號甲運載火箭將實踐四號衛(wèi)星送人預定的地球同步轉移軌道。實踐四號衛(wèi)作為用于探測空間輻射環(huán)境及其效應的衛(wèi)星，通過配備的質子、電子和等離子體探測器，首次測得了地球輻射帶形貌熱等離子體與衛(wèi)星表面電位之間的關系[20]。

1999年5月10日發(fā)射了實踐五號衛(wèi)星，實踐五號衛(wèi)星以推出衛(wèi)星公用平臺為目標，首次應用國際通行的S波段統(tǒng)一體制測控系統(tǒng)，應用星務管理概念進行星上電子設備的功能集成設計[21]，并首次對工業(yè)級和商用器件進行了在軌試驗，完成了兩層流微重力科學試驗、新技術演示驗證試驗與單粒子探測與對策試驗。實踐五號衛(wèi)星飛行示意如圖5所示。

2012年10月14日發(fā)射的實踐九號A/B衛(wèi)星是中國新世紀以來國家立項的民用技術試驗衛(wèi)星系列的首發(fā)星，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負責研制，主要用于衛(wèi)星長壽命高可靠、高精度高性能、國產核心元器件和衛(wèi)星編隊及星間測量與鏈路等試驗。目前實踐九號A/B衛(wèi)星已經(jīng)成功完成了以星間編隊飛行、電推力器為代表的所有預定在軌試驗任務，所有搭載項目均基于在軌試驗數(shù)據(jù)得到了客觀、準確、全面的評價[22-24]。經(jīng)過實踐九號驗證的電推進技術，已經(jīng)用在我國同步軌道通信衛(wèi)星平臺、載人空間站先后裝備使用，大大提升了平臺能力；輕型遙感相機突破了全色多光譜相機所采用的小相對孔徑的全反式光學系統(tǒng)、全色多光譜TDICCD成像技術、輕型結構材料等關鍵技術，在遙感相機上廣泛使用。實踐九號A/B衛(wèi)星飛行示意如圖6、圖7所示。

圖6 實踐九號A衛(wèi)星飛行示意

圖7 實踐九號B衛(wèi)星飛行示意

2016年4月6日發(fā)射的實踐十號衛(wèi)星是中國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星，它是空間科學先導專項首批科學實驗衛(wèi)星中唯一一顆返回式衛(wèi)星，專門用于微重力科學和空間生命科學的空間實驗研究[25-26]。衛(wèi)星搭載了蒸發(fā)與流體界面效應空間實驗、顆粒流體氣液相分離空間實驗等10項微重力科學空間實驗項目，空間輻射對基因組的作用和遺傳效應研究、空間環(huán)境對家蠶發(fā)育的影響與變異機理的研究等10項空間生命科學空間實驗。

2017年4月12日發(fā)射的實踐十三號衛(wèi)星是中國首顆高通量、電推進工程化應用的通信衛(wèi)星，同時承擔中國首次在地球同步軌道衛(wèi)星上開展對地高速激光通信試驗等任務。

2019年12月27日發(fā)射的實踐二十號衛(wèi)星主要對中國新一代大型共用平臺-東方紅五號衛(wèi)星平臺的關鍵技術進行在軌驗證。在軌成功驗證了新一代大功率供配電系統(tǒng)、萬瓦級高效熱控系統(tǒng)、新一代大功率電推進系統(tǒng)、超高速激光通信系統(tǒng)等關鍵技術，首次實現(xiàn)甚高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)Q/V頻段星地通信試驗、跳波束轉發(fā)器系統(tǒng)跨區(qū)域星地通信試驗等。實踐二十號衛(wèi)星成功在軌試驗驗證，使中國衛(wèi)星平臺的綜合服務能力達到國際一流。

2.2 試驗系列衛(wèi)星

中國先后研制和發(fā)射了試驗系列衛(wèi)星，開展了多項科學技術試驗，有力推進了中國航天事業(yè)發(fā)展。

“試驗衛(wèi)星一號”于2004年4月發(fā)射，主要用于地理環(huán)境監(jiān)測與科學實驗。2004年11月，“試驗衛(wèi)星二號”成功發(fā)射?！霸囼炐l(wèi)星二號”是一顆科學試驗小衛(wèi)星，具有高精度控制、快速側擺和偏航機動能力。這次發(fā)射主要是通過對衛(wèi)星平臺高精度控制技術、集成化星務技術、高效電源技術、多功能結構技術等新技術的演示驗證，進一步考核科學試驗型小衛(wèi)星平臺技術?！霸囼炐l(wèi)星三號”于2008年11月發(fā)射，主要用于空間環(huán)境探測新技術試驗。

“試驗衛(wèi)星四號”、“試驗衛(wèi)星五號”分別于2011年11月和2013年11月發(fā)射，主要任務目標是開展空間技術試驗和環(huán)境探測。

2.3 科學實驗衛(wèi)星

進入新世紀以來，中國在空間科學研究、探測、實驗技術都獲得了較大的發(fā)展，先后發(fā)射了多顆科學實驗衛(wèi)星，具有代表性的有探測雙星、張衡一號、空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項系列科學實驗衛(wèi)星。

“地球雙星探測計劃”是中國與歐洲航天局合作的空間科學探測計劃，包括TC-1、TC-2兩顆衛(wèi)星，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負責研制，兩顆衛(wèi)星分別于2003年12月和2004年7月成功發(fā)射。雙星探測計劃取得了大量的科學探測數(shù)據(jù)和一些重要的科學探測結果，使中國的空間科學事業(yè)產生了跨越式發(fā)展；同時打開了中國與歐洲航天局開展空間科學與技術合作的大門，具有非常重要的國際影響[27]。

“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星是中國地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星?！皬埡庖惶枴毙l(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負責研制，于2018年2月2日成功發(fā)射。“張衡一號”衛(wèi)星利用覆蓋范圍廣、電磁環(huán)境好、動態(tài)信息強、無地域限制等優(yōu)勢，開展全球空間電磁場、電離層等離子體、高能粒子沉降等物理現(xiàn)象的監(jiān)測，為地震機理研究、空間環(huán)境監(jiān)測和地球系統(tǒng)科學研究提供新的技術手段[28]。衛(wèi)星飛行示意如圖8所示。

圖8 “張衡一號”衛(wèi)星飛行示意

天琴一號衛(wèi)星是“天琴”引力波探測計劃技術試驗驗證的第一步，目的是構建空間高精度慣性基準，對空間引力波探測共性關鍵技術開展在軌驗證。天琴一號衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負責研制，于2019年12月發(fā)射，經(jīng)過半年的飛行試驗，成功驗證了無拖曳控制技術、高精度慣性傳感技術、推力連續(xù)可變的微牛級推進技術等關鍵技術，實現(xiàn)了構建高精度空間慣性基準的任務目標。

空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項旨在加深對宇宙和地球的理解，通過自主和國際合作科學衛(wèi)星計劃，尋找空間科學領域新發(fā)現(xiàn)，并取得新突破。目前已經(jīng)完成了“暗物質粒子探測”(DAMPE)衛(wèi)星、“硬X射線調制望遠鏡”(HXMT)、“量子科學實驗衛(wèi)星”(QUESS)、實踐-10返回式科學實驗衛(wèi)星的研制和發(fā)射，并正在開展相關科學試驗。目前已經(jīng)取得了階段性成果，并獲得了國際科學界的廣泛關注；同時，也吸引了眾多國際一流科學家的積極參與，擴大了我國空間科學計劃的國際影響，并為提高相關技術研究水平奠定了重要基礎。空間科學先導專項的實施將在暗物質、量子力學完備性和空間環(huán)境下的物質運動規(guī)律/生命活動規(guī)律等方面取得重大科學突破，不僅將推動我國空間科學事業(yè)跨越式發(fā)展、提升我國在國際空間科學界的地位和影響，而且將為我國經(jīng)濟社會發(fā)展甚至人類的文明進步做出應有的貢獻

“暗物質粒子探測衛(wèi)星”于2015年12月發(fā)射，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負責研制。其首要科學目標為通過高精度觀測(正負)電子和伽馬射線的能譜、方向分布來間接探測暗物質粒子湮滅或衰變后留下的遺跡。衛(wèi)星作為一個高能粒子探測器，其數(shù)據(jù)也可以直接用于研究宇宙射線的起源、傳播和相互作用，同時對伽馬射線的觀測還可以開展脈沖星、黑洞等極端環(huán)境下的高能天體物理研究[29-30]。衛(wèi)星飛行示意如圖9所示。

圖9 “暗物質粒子探測衛(wèi)星”飛行示意

“X射線調制望遠鏡衛(wèi)星”于2017年6月發(fā)射，由中國空間技術研究院負責研制。經(jīng)過在軌飛行驗證，取得了銀道面掃描及X射線源的監(jiān)測、黑洞和中子星雙星的時變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對應體的觀測、多波段聯(lián)合觀測等多項科學成果[31]。衛(wèi)星飛行示意如圖10所示。

圖10 “X射線調制望遠鏡衛(wèi)星”飛行示意

“量子科學實驗衛(wèi)星”于2016年8月發(fā)射，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院負責研制。衛(wèi)星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機、量子密鑰通信機和量子實驗控制與處理機，共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實驗控制[32]。

2.4 企業(yè)自主試驗衛(wèi)星

中國在進入新世紀以來，還先后發(fā)展了由企業(yè)主導、立足于提升自身能力的新技術驗證系列技術試驗衛(wèi)星，其中具有代表性的是中國空間技術研究院自主研制的新技術驗證一號、新技術驗證二號、脈沖導航星，清華大學、國防科技大學等研制的試驗衛(wèi)星。

新技術驗證一號衛(wèi)星于2012年11月份以搭載的形式發(fā)射升空。該衛(wèi)星是由中國空間技術研究院自主開發(fā)研制的第一顆技術試驗衛(wèi)星，以驗證后續(xù)型號任務急需和引領未來技術發(fā)展為主要目的，以繼承成熟技術和選用相對成熟的產品搭建衛(wèi)星基本平臺、注重衛(wèi)星研制流程和方法創(chuàng)新為指導思想進行衛(wèi)星研制，形成一個適應常態(tài)化搭載的微小衛(wèi)星新平臺，同時探索出一套項目遴選、集同工作、試驗驗證與評估、成果轉化的新工作機制[33]。

脈沖星試驗衛(wèi)星是中國空間技術研究院自主研發(fā)的世界首顆脈沖星導航專用試驗衛(wèi)星，于2016年11月成功發(fā)射，其主要目標是測試X射線探測器性能，觀測典型目標脈沖星和驗證脈沖星導航體制。經(jīng)過在軌飛行試驗，初步驗證了脈沖星導航系統(tǒng)體制的可行性[34]。

靈巧通信試驗衛(wèi)星是清華大學聯(lián)合北京信威通信技術股份有限公司自籌自研的一顆空間通信試驗小衛(wèi)星[34]。靈巧衛(wèi)星的主要功能和任務是開展空間移動通信與空間頻譜監(jiān)測試驗。2014年9月衛(wèi)星發(fā)射升空，成功實現(xiàn)了衛(wèi)星手持機的互聯(lián)網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸，至2014年10月26日，靈巧衛(wèi)星完成全部在軌測試試驗，靈巧通信試驗衛(wèi)星工程任務取得圓滿成功，實現(xiàn)了中國首顆低軌移動通信衛(wèi)星的重要突破[35]。

3 發(fā)展展望

科學技術試驗衛(wèi)星是人類最早進入太空的航天器，世界主要航天大國對空間技術試驗非常重視，投入了大量資金來開展空間科學技術試驗，并取得良好成效。未來發(fā)展科學試驗衛(wèi)星是各航天大國夯實航天基礎技術、培育航天應用技術、探索航天前沿技術的一條必由之路。

1)各國按照各自空間科學計劃穩(wěn)步推進科學試驗衛(wèi)星任務

在整個空間科學領域，美國制定了完整的空間科學戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，在空間科學領域占絕對性優(yōu)勢。俄羅斯通過《2030年及以遠俄羅斯航天戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃》、《2016—2025年聯(lián)邦航天發(fā)展規(guī)劃》等[36]，為未來十年俄羅斯的航天發(fā)展制定了明確的目標和規(guī)劃，推進其空間科學計劃和任務的實施。歐洲長期以來也持續(xù)更新并堅持實施其空間科學戰(zhàn)略規(guī)劃，穩(wěn)步實施“宇宙愿景2015—2025”空間科學計劃，在空間科學領域居重要地位。日本定期發(fā)布《宇宙基本計劃》，有重點地在空間科學領域取得突破[37]。

2)技術試驗衛(wèi)星規(guī)?；⑾盗谢?、平臺標準化

鑒于試驗衛(wèi)星在航天裝備發(fā)展中的突出作用，未來技術試驗衛(wèi)星規(guī)?；?、系列化是其一個重要特點。特別是美國形成了以專用技術試驗衛(wèi)星系列為主、平臺搭載為輔、種類齊全的技術試驗衛(wèi)星體系。我國也將結合自身發(fā)展需求，持續(xù)發(fā)展實踐系列、試驗系列技術試驗衛(wèi)星。同時，為實現(xiàn)快速在軌試驗，降低試驗成本，未來將更加注重提高試驗平臺的標準化水平。通過構建靈活的試驗衛(wèi)星平臺，實現(xiàn)對不同試驗項目的高度適應化。

3)深入開展國際合作模式

科學衛(wèi)星項目的研制成本高、周期長，且直接經(jīng)濟效益反應不迅速，國際合作是目前全球科學衛(wèi)星任務的大趨勢，已有多個國家成功進行了科學衛(wèi)星領域的國際合作，取得了巨大成功，未來大量科學衛(wèi)星任務將趨于國際合作模式。中國在“空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項”等科學實驗衛(wèi)星中也廣泛開展國際合作，實現(xiàn)科學目標的創(chuàng)新性和科學技術的可實現(xiàn)性[38]。

4)試驗參與更趨廣泛化，入軌機會更趨便捷化

由于近年來微納衛(wèi)星發(fā)展，進入空間的門檻降低，高校、私營企業(yè)甚至中學生都參與到空間技術開發(fā)與試驗中，形成了廣泛開發(fā)和試驗的繁榮景象。同時，試驗成本越來越低廉化，包括微納衛(wèi)星在內的試驗渠道越來越豐富，再加上各國對發(fā)展空間技術的重視，開展空間技術試驗工作的條件越來越充分，眾多規(guī)模小、實力弱的組織也能夠掌握開展空間技術試驗工作的資源，在軌試驗需求越來越能得到快速滿足，試驗響應周期大大縮短。