王 丹，宋政吉，穆京京

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094； 2. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048）

0 引言

航天器系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)先進(jìn)，研制成本高且運(yùn)行于極端惡劣且復(fù)雜的太空環(huán)境中，因此通常需要經(jīng)過地面試驗(yàn)和空間試驗(yàn)才能得以應(yīng)用。其中，空間試驗(yàn)可為航天器系統(tǒng)的研制和發(fā)展積累飛行經(jīng)驗(yàn)，從而降低衛(wèi)星研制成本、減小實(shí)際應(yīng)用的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星開展衛(wèi)星空間試驗(yàn)，通常是一個(gè)國(guó)家進(jìn)入航天領(lǐng)域，掌握航天基礎(chǔ)技術(shù)的第一步。

隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)太空認(rèn)知的加深，現(xiàn)有的試驗(yàn)技術(shù)體系已經(jīng)無法滿足我國(guó)空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求，迫切需要建設(shè)一個(gè)服務(wù)于我國(guó)空間活動(dòng)的基礎(chǔ)性太空試驗(yàn)平臺(tái)。具體表現(xiàn)在：1）部分空間科學(xué)、技術(shù)與應(yīng)用的基礎(chǔ)性原理認(rèn)識(shí)尚不清晰，亟需通過空間試驗(yàn)平臺(tái)開展共性試驗(yàn)驗(yàn)證；2）空間科學(xué)、空間探索及空間應(yīng)用技術(shù)對(duì)空間試驗(yàn)的需求廣泛，迫切需要統(tǒng)籌規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，形成空間試驗(yàn)體系；3）目前的空間試驗(yàn)對(duì)我國(guó)空間技術(shù)進(jìn)步的拉動(dòng)力不足，需要通過空間試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)推動(dòng)航天技術(shù)更新和能力提升。欒恩杰院士于2016 年首次提出“太空試驗(yàn)場(chǎng)”的概念，希望通過構(gòu)建統(tǒng)籌管理空間試驗(yàn)的平臺(tái)，系統(tǒng)規(guī)劃并主導(dǎo)后續(xù)空間試驗(yàn)任務(wù)，以避免重復(fù)建設(shè)，加快技術(shù)升級(jí)速度。太空試驗(yàn)場(chǎng)的核心是共享和協(xié)調(diào)。共享內(nèi)容包括技術(shù)成熟度和應(yīng)用信息、可以公開的技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方式，以及公用基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)等；協(xié)調(diào)是在共享信息和技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，統(tǒng)籌發(fā)展。

目前，國(guó)外已開展的一些航天計(jì)劃在不同程度上進(jìn)行了空間試驗(yàn)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)籌，包括美國(guó)國(guó)防部開展的“空間試驗(yàn)計(jì)劃”（Space Test Program，STP）、德國(guó)航天局開展的“在軌驗(yàn)證計(jì)劃”（On-Orbit Verification，OOV）以及日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省開展的“宇宙環(huán)境可靠性驗(yàn)證集成系統(tǒng)”（Space Environment Reliability Verification Integrated System，SERVIS）等。這些計(jì)劃通過建立統(tǒng)籌管理空間試驗(yàn)的平臺(tái)，為太空試驗(yàn)設(shè)立項(xiàng)目或提供飛行機(jī)會(huì)，達(dá)到減少重復(fù)和降低成本的目的。

我國(guó)要建設(shè)成航天強(qiáng)國(guó)，就需要有對(duì)空間各疆域要素的全面認(rèn)知，而建設(shè)太空試驗(yàn)場(chǎng)可以對(duì)空間科學(xué)、空間探索和空間應(yīng)用等領(lǐng)域的空間試驗(yàn)進(jìn)行綜合規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，促進(jìn)統(tǒng)籌有序發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，提升空間資源應(yīng)用效率。因此有必要明確太空試驗(yàn)場(chǎng)概念和內(nèi)涵，梳理試驗(yàn)場(chǎng)框架，提出發(fā)展路線建議，為我國(guó)綜合利用空間資源、建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)提供支撐。

1 國(guó)內(nèi)外空間試驗(yàn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)外總體情況

太空是技術(shù)轉(zhuǎn)化、科學(xué)進(jìn)步的天然試驗(yàn)場(chǎng)。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家一直把太空作為空間技術(shù)的試驗(yàn)基地，開展了如國(guó)際與日共存計(jì)劃（International Living With a Star, ILWS）、詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST）和漸進(jìn)式火星系列任務(wù)等多種空間項(xiàng)目和計(jì)劃，試驗(yàn)了多種先進(jìn)技術(shù)并將其推廣應(yīng)用。

ILWS 計(jì)劃是國(guó)際空間物理界聯(lián)合實(shí)施的、旨在研究太陽與地球空間環(huán)境關(guān)聯(lián)與耦合機(jī)制的研究計(jì)劃，美國(guó)與歐洲各發(fā)達(dá)國(guó)家均參與其中，所觀測(cè)的范圍覆蓋太陽背面、L1 點(diǎn)、地球極區(qū)和地球磁尾等。

JWST 是紅外線太空望遠(yuǎn)鏡，于2022 年7 月中旬正式投用使用，其主要任務(wù)是調(diào)查作為大爆炸理論的殘余紅外線證據(jù)（宇宙微波背景輻射），即觀測(cè)今天可見宇宙的初期狀態(tài)。作為新一代空間望遠(yuǎn)鏡的代表，JWST 采用的可展開大型鏡面技術(shù)、大型遮陽屏技術(shù)、波陣面?zhèn)鞲屑扮R面精確控制技術(shù)等，將廣泛用于未來的空間望遠(yuǎn)鏡。

為確定人類在火星表面生存應(yīng)具備的能力和所需的系統(tǒng)，美國(guó)NASA 基于“漸進(jìn)式火星系列任務(wù)”擬開展一系列技術(shù)試驗(yàn)，其中有4 個(gè)主要增量：一是依賴地球，利用國(guó)際空間站進(jìn)行長(zhǎng)期載人研究，主要涉及乘員健康和生命保障系統(tǒng)；二是試驗(yàn)場(chǎng)，側(cè)重于利用環(huán)月球空間，開發(fā)和驗(yàn)證獨(dú)立于地球之外所需的能力，驗(yàn)證的主要內(nèi)容是航天發(fā)射系統(tǒng)、“獵戶座”乘員艙和小行星重定向任務(wù)；三是獨(dú)立于地球之外，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星附近的探索；四是從探索到移民的轉(zhuǎn)變，延長(zhǎng)人類在火星附近的活動(dòng)時(shí)間并最終在火星表面上不斷減少對(duì)來自地球資源的依賴。

NASA 認(rèn)為，通過建立試驗(yàn)場(chǎng)的系列規(guī)范和準(zhǔn)則，合理利用資源，可確保所投資項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和有效性，并在未來幾十年內(nèi)大幅度提高項(xiàng)目的成功率和投資收益，實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)。

國(guó)外空間技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星總體概況如圖1 所示，給出了在空間技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域，美國(guó)、俄羅斯、歐洲的主要技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星體系，以及印度和日本等國(guó)家的遙感、導(dǎo)航等專項(xiàng)試驗(yàn)情況。

圖1 國(guó)外空間技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域概覽Fig. 1 Survey of space technology testing field

美國(guó)發(fā)展技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的突出特點(diǎn)是：形成了以專用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列為主，包括載人航天器平臺(tái)搭載及各種應(yīng)用衛(wèi)星系列在內(nèi)的種類相對(duì)齊全的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星體系。近幾十年來陸續(xù)制定的多個(gè)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃中比較著名的有林肯試驗(yàn)衛(wèi)星（LES）、應(yīng)用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（ATS）、空間試驗(yàn)計(jì)劃（STP）和新盛世計(jì)劃（NMP）等，研制和發(fā)射了大量的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。

OOV 是德國(guó)的一項(xiàng)國(guó)家航天計(jì)劃，目的在于為應(yīng)用于空間項(xiàng)目的新技術(shù)方案提供試驗(yàn)機(jī)會(huì)，特別是高新技術(shù)的在軌驗(yàn)證。該計(jì)劃的關(guān)鍵元素是以微衛(wèi)星“技術(shù)試驗(yàn)載體”（technology experiment carrier,TET）作為平臺(tái)的驗(yàn)證飛行。

蘇聯(lián)/俄羅斯全面發(fā)展了通信廣播、導(dǎo)航定位、民用遙感、軍事偵察、數(shù)據(jù)中繼、導(dǎo)彈預(yù)警、載人航天、空間探測(cè)等航天器系列，早期發(fā)展規(guī)模較大，部分領(lǐng)域的技術(shù)水平居領(lǐng)先地位，有長(zhǎng)期、穩(wěn)定的空間技術(shù)整體發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展計(jì)劃以及穩(wěn)定、連續(xù)的投資，而且對(duì)技術(shù)方向的趨勢(shì)有系統(tǒng)、專門的跟蹤研究。

印度始終把航天視為展示綜合國(guó)力、提升大國(guó)地位的舞臺(tái)。印度發(fā)展試驗(yàn)衛(wèi)星的主要特點(diǎn)是與應(yīng)用衛(wèi)星發(fā)展密切協(xié)調(diào)一致。比如：初期針對(duì)通信基礎(chǔ)設(shè)施落后的問題，重點(diǎn)發(fā)展通信系列的試驗(yàn)衛(wèi)星，解決通信衛(wèi)星發(fā)展的技術(shù)問題；后來則將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向軍民遙感類衛(wèi)星，制定了包括技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（TES）等在內(nèi)的試驗(yàn)計(jì)劃；近期隨著對(duì)載人航天的涉足，著手制定衛(wèi)星回收試驗(yàn)（SRE）等技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃。

日本目前已經(jīng)形成專門的、穩(wěn)定的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，并主要依靠技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列進(jìn)行包括通信、遙感等各種應(yīng)用衛(wèi)星的工程技術(shù)試驗(yàn)。日本在微小衛(wèi)星技術(shù)、空間光通信技術(shù)、大型通信平臺(tái)、移動(dòng)通信和廣播技術(shù)、寬帶多媒體技術(shù)、商用現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品等領(lǐng)域大力開展技術(shù)研發(fā)，是為數(shù)不多的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星比較發(fā)達(dá)的航天國(guó)家，形成了以綜合型空間技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星——工程試驗(yàn)衛(wèi)星（ETS）和空天飛機(jī)兩大系列為主，包括通信廣播工程試驗(yàn)衛(wèi)星（COMETS）、光學(xué)軌道間通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（OICETS）等一系列通信試驗(yàn)衛(wèi)星等的體系。

1.2 我國(guó)空間試驗(yàn)總體情況

我國(guó)的空間試驗(yàn)任務(wù)按任務(wù)目標(biāo)不同主要分為空間科學(xué)類、技術(shù)驗(yàn)證類以及與國(guó)計(jì)民生相關(guān)的應(yīng)用類試驗(yàn)任務(wù)；按支持渠道不同有軍用、民用和企業(yè)自主等類別；按空間技術(shù)試驗(yàn)渠道有平臺(tái)系列、載人航天器或應(yīng)用衛(wèi)星搭載等多種形式。目前我國(guó)在新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展領(lǐng)域已形成的體系框架如圖2 所示，其中企業(yè)自主技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列和民用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列剛剛起步。對(duì)于以驗(yàn)證國(guó)家航天每個(gè)“五年”計(jì)劃發(fā)展成果、提升衛(wèi)星系統(tǒng)能力、解決衛(wèi)星共性問題為目標(biāo)的民用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，還需要從國(guó)家層面長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，嚴(yán)格試驗(yàn)項(xiàng)目遴選標(biāo)準(zhǔn)，充分進(jìn)行地面和在軌驗(yàn)證，合理利用有限資金，強(qiáng)化基礎(chǔ)，提升航天技術(shù)能力。

圖2 我國(guó)空間技術(shù)試驗(yàn)體系框架Fig. 2 Framework of space technology test system

隨著我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的空間科學(xué)活動(dòng)經(jīng)歷了從應(yīng)用衛(wèi)星搭載研究到研制專用科學(xué)衛(wèi)星的發(fā)展過程，已有包括“實(shí)踐”系列科學(xué)衛(wèi)星、雙星探測(cè)計(jì)劃的探測(cè)衛(wèi)星、育種衛(wèi)星，以及中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)科技專項(xiàng)系列專門用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的衛(wèi)星等。在空間輻射環(huán)境天基探測(cè)方面，自1971 年3 月發(fā)射“實(shí)踐一號(hào)”科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星以來，現(xiàn)已發(fā)射30 余顆搭載星和探測(cè)衛(wèi)星開展了航天器軌道包括高能帶電粒子、低能帶電粒子、太陽X 射線，以及單粒子效應(yīng)、衛(wèi)星表面充電、輻射總劑量等空間輻射環(huán)境及效應(yīng)研究，尤其是利用“神舟”飛船搭載載荷和“實(shí)踐”系列衛(wèi)星獲得了寶貴的數(shù)據(jù)。在地球空間磁層電場(chǎng)、磁場(chǎng)和粒子探測(cè)方面，我國(guó)開啟了地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃，通過與歐空局的4 顆Cluster探測(cè)衛(wèi)星協(xié)同，首次實(shí)現(xiàn)了人類歷史上對(duì)地球空間的6 點(diǎn)聯(lián)合探測(cè)。雙星探測(cè)計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)是用高分辨率的儀器在近地空間的主要活動(dòng)區(qū)探測(cè)場(chǎng)和粒子的時(shí)空變化；研究磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴的觸發(fā)機(jī)制及磁層空間暴對(duì)太陽活動(dòng)和行星際擾動(dòng)的響應(yīng)過程；建立地球空間環(huán)境的動(dòng)態(tài)模式。另外，我國(guó)的空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)自2011 年啟動(dòng)以來在一些科學(xué)熱點(diǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了創(chuàng)新突破，推動(dòng)了空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的全面發(fā)展。

1.3 小結(jié)

總體來說，國(guó)際空間試驗(yàn)的發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

1）空間試驗(yàn)驗(yàn)證體系不斷發(fā)展完善

美國(guó)等國(guó)家持續(xù)完善空間技術(shù)研發(fā)、驗(yàn)證、應(yīng)用的試驗(yàn)體系，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前空間技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域多樣、試驗(yàn)項(xiàng)目成系列、試驗(yàn)平臺(tái)通用和專用并存的局面，加強(qiáng)統(tǒng)籌管理空間技術(shù)試驗(yàn)工作，注重頂層規(guī)劃，根據(jù)具體國(guó)情開展與本國(guó)航天發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)的技術(shù)試驗(yàn)體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)體系化管理。

2）試驗(yàn)衛(wèi)星走向?qū)ｎ}應(yīng)用試驗(yàn)、共性基礎(chǔ)支撐同步發(fā)展

美國(guó)和俄羅斯一方面面向軍民直接應(yīng)用需求，直接由海軍等多渠道支持發(fā)展自己的主題鮮明技術(shù)試驗(yàn)專用衛(wèi)星，另一方面則加強(qiáng)統(tǒng)籌，針對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略需求，統(tǒng)籌共性，集中開發(fā)，如NASA 近期重點(diǎn)試驗(yàn)項(xiàng)目中的深空原子鐘、激光中繼通信系統(tǒng)、儲(chǔ)箱等，都屬后續(xù)共性重大問題。由此形成了由以往的軍隊(duì)、政府絕對(duì)主導(dǎo)，向以軍隊(duì)、政府為骨干，企業(yè)、高校和科研院所等新生力量廣泛參與且有力補(bǔ)充的態(tài)勢(shì)演進(jìn)，形成投資主體多元、共同受益、交叉應(yīng)用的格局。

3）試驗(yàn)參與更趨廣泛化，入軌機(jī)會(huì)更趨便捷化

由于近年來微納衛(wèi)星的發(fā)展，進(jìn)入空間的門檻降低，高校、私營(yíng)企業(yè)甚至中學(xué)生都參與到空間技術(shù)開發(fā)與試驗(yàn)中，形成了廣泛開發(fā)和試驗(yàn)的繁榮景象。同時(shí)，試驗(yàn)成本越來越低廉化，包括微納衛(wèi)星在內(nèi)的試驗(yàn)渠道越來越豐富，再加上各國(guó)對(duì)發(fā)展空間技術(shù)的重視，開展空間技術(shù)試驗(yàn)工作的條件越來越充分，眾多規(guī)模小、實(shí)力弱的組織也能夠掌握開展空間技術(shù)試驗(yàn)工作的資源，在軌試驗(yàn)需求越來越能得到快速滿足，試驗(yàn)響應(yīng)周期大大縮短。這也加大了對(duì)空間技術(shù)試驗(yàn)統(tǒng)籌管理的迫切性。

2 太空試驗(yàn)場(chǎng)的概念和內(nèi)涵

結(jié)合國(guó)內(nèi)外空間試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)在未來空間探測(cè)領(lǐng)域需重點(diǎn)關(guān)注空間科學(xué)、空間應(yīng)用、空間技術(shù)3 方面核心問題，因此需在國(guó)家層面建設(shè)一套按需求、成體系、高效率實(shí)施空間科學(xué)與探索、技術(shù)創(chuàng)新與驗(yàn)證、空間應(yīng)用開發(fā)等試驗(yàn)類任務(wù)的國(guó)家基礎(chǔ)性空間試驗(yàn)設(shè)施，即太空試驗(yàn)場(chǎng)，以解決太空技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)中的共性問題，推動(dòng)空間技術(shù)全面進(jìn)步。通過太空試驗(yàn)場(chǎng)這個(gè)太空試驗(yàn)任務(wù)的共用平臺(tái)，可超前布局突破近地空間、太陽系內(nèi)原位到達(dá)和系外遙感等國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，構(gòu)建完善系統(tǒng)化進(jìn)出、認(rèn)知和控制太空制高點(diǎn)和新疆域的試驗(yàn)工程系統(tǒng)，形成空間認(rèn)知開發(fā)與國(guó)家科技創(chuàng)新良性互動(dòng)發(fā)展平臺(tái)，探索重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新、驗(yàn)證核心技術(shù)產(chǎn)品、暢通科技應(yīng)用轉(zhuǎn)化機(jī)制、支撐關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的國(guó)家重大工程建設(shè)等。

太空試驗(yàn)場(chǎng)是一個(gè)物化的概念，它是以符合國(guó)情、開拓有序、協(xié)調(diào)統(tǒng)一、體系完備的國(guó)家空間試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施為目標(biāo)，以應(yīng)用開發(fā)為導(dǎo)向，通過試驗(yàn)協(xié)調(diào)統(tǒng)籌空間科學(xué)、技術(shù)、工程的共同需求，形成功能導(dǎo)向的、涵蓋“進(jìn)、駐、出、探、控、用”6 大能力的空間科學(xué)平臺(tái)架構(gòu)。它的建設(shè)內(nèi)容包括：

1）健全軟環(huán)境，即建立空間試驗(yàn)信息系統(tǒng)，強(qiáng)化空間工程與機(jī)理、創(chuàng)新與應(yīng)用、軍民商共享等基礎(chǔ)和規(guī)范研究，形成國(guó)家空間試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫和管理規(guī)范體系；

2）建設(shè)運(yùn)行系統(tǒng)，即論證試驗(yàn)場(chǎng)空間點(diǎn)位和星器布局，研制部署空間段航天器、地面段運(yùn)行中心等，形成天地一體試驗(yàn)運(yùn)行系統(tǒng)；

3）統(tǒng)籌服務(wù)示范，即統(tǒng)籌資源和需求，通過空間試驗(yàn)實(shí)施服務(wù)，集成驗(yàn)證、拓展和示范空間工程技術(shù)基線、空間應(yīng)用定標(biāo)基準(zhǔn)和空間科學(xué)時(shí)空基準(zhǔn)。

太空試驗(yàn)場(chǎng)的服務(wù)范疇涵蓋空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用等3 個(gè)方面的關(guān)鍵性任務(wù)，最終能為我國(guó)已有的高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)、空間基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用系統(tǒng)以及深空探測(cè)、載人、登月等工程提供標(biāo)?；鶞?zhǔn)和技術(shù)基線，為探測(cè)探索提供試驗(yàn)驗(yàn)證保障。具體如圖3 所示。

圖3 太空試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)涵Fig. 3 The illustrative connotation of SPG

3 太空試驗(yàn)場(chǎng)的組成

太空試驗(yàn)場(chǎng)由空間段、地面段、軟環(huán)境3 部分組成。

3.1 空間段設(shè)計(jì)

3.1.1 點(diǎn)位設(shè)計(jì)

太空試驗(yàn)場(chǎng)是基于將太空（疆域、要素）作為統(tǒng)一整體系統(tǒng)研究的視角，以應(yīng)用開發(fā)為導(dǎo)向的國(guó)家空間試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施，它將由一系列采取多類型軌道布局的各類技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)和載荷組成，其軌道應(yīng)該是分布式的，包括大橢圓軌道以及其他具有特殊意義的軌道等。

充分考慮空間軌道和位置設(shè)計(jì)以及空間的物理特性，選取傳統(tǒng)低/中/高地球軌道、空間動(dòng)平衡點(diǎn)以及地外天體3 大類來設(shè)計(jì)太空試驗(yàn)場(chǎng)架構(gòu)，將空間段試驗(yàn)平臺(tái)分為低軌（LEO）試驗(yàn)平臺(tái)、中軌通用試驗(yàn)及轉(zhuǎn)移平臺(tái)、高軌試驗(yàn)平臺(tái)、空間動(dòng)平衡點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)、月球試驗(yàn)基地和深空探測(cè)試驗(yàn)基地6 類，供不同用戶根據(jù)不同需求選用不同的試驗(yàn)平臺(tái)。

3.1.2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于需要在LEO 開展的空間試驗(yàn)，繼續(xù)借鑒現(xiàn)有的管理方案和規(guī)劃，以空間站為長(zhǎng)期駐留試驗(yàn)平臺(tái)、各類技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建LEO太空試驗(yàn)場(chǎng)。利用常態(tài)化搭載或者搭載入軌發(fā)射將低軌試驗(yàn)任務(wù)發(fā)射入軌，可以開展LEO 空間碎片主動(dòng)清除相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)、材料空間暴露飛行試驗(yàn)、應(yīng)用衛(wèi)星平臺(tái)新技術(shù)驗(yàn)證、新型載荷技術(shù)試驗(yàn)、天基綜合定標(biāo)及空間基準(zhǔn)技術(shù)試驗(yàn)等任務(wù)。

在中軌道的合適環(huán)境下設(shè)置一個(gè)高度較為固定的通用試驗(yàn)及轉(zhuǎn)移平臺(tái)。該平臺(tái)一方面用于解決中軌道空間試驗(yàn)的共性需求，另一方面作為向不同軌道高度轉(zhuǎn)移的跳板，解決特殊軌道高度下的試驗(yàn)需求。該平臺(tái)作為轉(zhuǎn)移平臺(tái)，需具備在軌加注、充電及組裝能力。利用中軌試驗(yàn)平臺(tái)可開展空間環(huán)境探測(cè)試驗(yàn)、新型微電子器件及商用器件在軌飛行試驗(yàn)、新型高壓太陽電池陣飛行試驗(yàn)、在軌加注試驗(yàn)、軌道轉(zhuǎn)移中轉(zhuǎn)站相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)、中軌道應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)等。

高軌衛(wèi)星成本高，可用的軌位資源又很有限，因此有必要配置一個(gè)長(zhǎng)期駐軌的通用試驗(yàn)場(chǎng)平臺(tái)，以滿足長(zhǎng)期、多類高軌試驗(yàn)任務(wù)需求。利用高軌試驗(yàn)平臺(tái)可開展連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)日面活動(dòng)區(qū)演化過程、太陽爆發(fā)過程、軌道輻射環(huán)境和輻射效應(yīng)等，以及新型微電子器件及商用器件、新型高壓太陽電池陣等的飛行試驗(yàn)，“一磁兩暴”及對(duì)地球環(huán)境的影響分析，GEO 碎片積累效應(yīng)、清除失效衛(wèi)星及回收軌位試驗(yàn)等。

空間動(dòng)平衡點(diǎn)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，可開展多類太空探測(cè)和技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，軌位資源極其重要?？稍诘卦翷1 點(diǎn)配置一個(gè)通用的專用試驗(yàn)場(chǎng)，從而既可以開展諸如星際高速公路之類的試驗(yàn)任務(wù)，也可以作為空間探測(cè)的中轉(zhuǎn)平臺(tái)，為后續(xù)的月球、火星、星際探測(cè)提供支撐，開展深空探測(cè)器燃料加注、能量中繼、通信中繼、對(duì)地或繞地衛(wèi)星武器投放、通信導(dǎo)航與對(duì)地觀測(cè)（含電磁頻譜）等試驗(yàn)。

建造月球試驗(yàn)基地需試驗(yàn)和驗(yàn)證月面工程構(gòu)建、能源、月面移動(dòng)、熱控、數(shù)據(jù)通信、基地結(jié)構(gòu)構(gòu)形、生命保障和空間防護(hù)等關(guān)鍵月球試驗(yàn)基地構(gòu)建技術(shù)。利用月球試驗(yàn)基地可實(shí)現(xiàn)對(duì)月球資源的開發(fā)利用，深入開展對(duì)空間科學(xué)的研究和探索。

3.2 地面段設(shè)計(jì)

太空試驗(yàn)場(chǎng)地面段是指在地面建設(shè)的太空試驗(yàn)專用的數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)，通過建立多個(gè)數(shù)據(jù)接收站，形成太空試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收站網(wǎng)，對(duì)空間段各類太空試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一接收和管理。地面段包括空間技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目庫、資源庫、在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫、并行管理信息系統(tǒng)、考核評(píng)價(jià)結(jié)果庫等綜合數(shù)據(jù)庫，具備對(duì)各類太空試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分發(fā)能力。

3.3 軟環(huán)境設(shè)計(jì)

太空試驗(yàn)場(chǎng)軟環(huán)境由國(guó)家空間試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)庫、共性基礎(chǔ)和規(guī)范體系組成。

首先，太空試驗(yàn)場(chǎng)通過明確不同序列平臺(tái)、運(yùn)行服務(wù)以及運(yùn)載器接口服務(wù)規(guī)范，便于用戶設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用接口；同時(shí)，根據(jù)國(guó)家空間試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)需求的可行性，合理選定試驗(yàn)項(xiàng)目。

其次，在軌試驗(yàn)運(yùn)行管理系統(tǒng)作為空間新技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證工作的保障系統(tǒng)，支持對(duì)空間段多太空試驗(yàn)平臺(tái)、多試驗(yàn)任務(wù)的統(tǒng)一統(tǒng)籌和規(guī)劃，完成對(duì)空間各類技術(shù)試驗(yàn)工作的任務(wù)規(guī)劃和全壽命流程的有效運(yùn)行管理。

最后，通過完善空間技術(shù)試驗(yàn)地面考核評(píng)價(jià)機(jī)制和設(shè)施，實(shí)現(xiàn)空間技術(shù)試驗(yàn)信息化管理服務(wù)能力；建設(shè)試驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃與考核評(píng)價(jià)平臺(tái)，支持多星、多任務(wù)規(guī)劃，提供在軌試驗(yàn)考核評(píng)價(jià)模型、軟件及流程，為工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供量化方法依據(jù)；構(gòu)建空間新技術(shù)試驗(yàn)成果發(fā)布與應(yīng)用平臺(tái)，能有效存儲(chǔ)、管理在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息，推動(dòng)主要試驗(yàn)項(xiàng)目成果信息得到快速推廣應(yīng)用。

圖4 為太空試驗(yàn)場(chǎng)組成示意。

圖4 太空試驗(yàn)場(chǎng)組成示意Fig. 4 Schematic diagram of the compositions of SPG

4 分階段發(fā)展目標(biāo)

太空試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)可分為3 個(gè)階段實(shí)施。

第1 階段：2023 年前進(jìn)行概念方案的論證，啟動(dòng)一期設(shè)施試驗(yàn)。此階段需開展頂層規(guī)劃和驗(yàn)用結(jié)合工作，其中：頂層規(guī)劃是指初步形成太空試驗(yàn)場(chǎng)總體方案和發(fā)展框架；驗(yàn)用結(jié)合是指瞄準(zhǔn)強(qiáng)國(guó)前沿，針對(duì)國(guó)家基準(zhǔn)（時(shí)空，遙感）重大需求，布局2～3 項(xiàng)國(guó)際先進(jìn)專項(xiàng)能力。

第2 階段：2027 年前，立項(xiàng)試建。此階段的工作內(nèi)容包括：論證推動(dòng)“國(guó)家太空試驗(yàn)與基準(zhǔn)服務(wù)設(shè)施”重大專項(xiàng)/工程立項(xiàng)；試建試用，即發(fā)展便捷天地往返器、軌道駐留模塊航天器，構(gòu)成初步試驗(yàn)系統(tǒng)并試運(yùn)行；突破領(lǐng)先，即實(shí)施時(shí)空基準(zhǔn)、深空導(dǎo)航測(cè)繪等1～2 項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。

第3 階段：2030 年，服務(wù)運(yùn)行。此階段的工作內(nèi)容包括：建設(shè)與試驗(yàn)服務(wù)、轉(zhuǎn)應(yīng)用同步迭代演進(jìn)；驗(yàn)證空間科學(xué)時(shí)空基準(zhǔn)、空間應(yīng)用輻射幾何基準(zhǔn)、空間工程技術(shù)基線等試驗(yàn)，提供空間技術(shù)試驗(yàn)統(tǒng)籌驗(yàn)證服務(wù)等，形成國(guó)家試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行體系。

5 結(jié)束語

本文探討了太空試驗(yàn)場(chǎng)的概念、內(nèi)涵和發(fā)展路線。太空試驗(yàn)場(chǎng)將構(gòu)建系統(tǒng)化進(jìn)出、認(rèn)知和控制太空的工程技術(shù)體系，避免空間資源重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高效率的空間試驗(yàn)，可作為下一代空間試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施；太空試驗(yàn)場(chǎng)的服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)具備多種平臺(tái)類型，可為空間科學(xué)提供綜合服務(wù)保障手段；同時(shí)，未來將進(jìn)一步強(qiáng)化太空試驗(yàn)場(chǎng)的軟環(huán)境建設(shè)研究，通過研究空間試驗(yàn)信息系統(tǒng)、管理規(guī)范體系和相關(guān)法律法規(guī)，制訂國(guó)家空間試驗(yàn)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、空間技術(shù)能力基線，形成天地一體的試驗(yàn)體系，為空間技術(shù)提供探索能力基線的檢驗(yàn)。