太空試驗場的概念和內涵

王 丹，宋政吉，穆京京

（1. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094； 2. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048）

0 引言

航天器系統復雜，技術先進，研制成本高且運行于極端惡劣且復雜的太空環境中，因此通常需要經過地面試驗和空間試驗才能得以應用。其中，空間試驗可為航天器系統的研制和發展積累飛行經驗，從而降低衛星研制成本、減小實際應用的運行風險。發射技術試驗衛星開展衛星空間試驗，通常是一個國家進入航天領域，掌握航天基礎技術的第一步。

隨著航天技術的進步和對太空認知的加深，現有的試驗技術體系已經無法滿足我國空間科學技術發展需求，迫切需要建設一個服務于我國空間活動的基礎性太空試驗平臺。具體表現在：1）部分空間科學、技術與應用的基礎性原理認識尚不清晰，亟需通過空間試驗平臺開展共性試驗驗證；2）空間科學、空間探索及空間應用技術對空間試驗的需求廣泛，迫切需要統籌規劃和頂層設計，形成空間試驗體系；3）目前的空間試驗對我國空間技術進步的拉動力不足，需要通過空間試驗平臺建設推動航天技術更新和能力提升。欒恩杰院士于2016 年首次提出“太空試驗場”的概念，希望通過構建統籌管理空間試驗的平臺，系統規劃并主導后續空間試驗任務，以避免重復建設，加快技術升級速度。太空試驗場的核心是共享和協調。共享內容包括技術成熟度和應用信息、可以公開的技術方案和實現方式，以及公用基礎設施和服務等；協調是在共享信息和技術能力的基礎上，互相取長補短，統籌發展。

目前，國外已開展的一些航天計劃在不同程度上進行了空間試驗的協調和統籌，包括美國國防部開展的“空間試驗計劃”（Space Test Program，STP）、德國航天局開展的“在軌驗證計劃”（On-Orbit Verification，OOV）以及日本經濟產業省開展的“宇宙環境可靠性驗證集成系統”（Space Environment Reliability Verification Integrated System，SERVIS）等。這些計劃通過建立統籌管理空間試驗的平臺，為太空試驗設立項目或提供飛行機會，達到減少重復和降低成本的目的。

我國要建設成航天強國，就需要有對空間各疆域要素的全面認知，而建設太空試驗場可以對空間科學、空間探索和空間應用等領域的空間試驗進行綜合規劃和頂層設計，促進統籌有序發展和技術進步，提升空間資源應用效率。因此有必要明確太空試驗場概念和內涵，梳理試驗場框架，提出發展路線建議，為我國綜合利用空間資源、建設航天強國提供支撐。

1 國內外空間試驗現狀及發展趨勢

1.1 國外總體情況

太空是技術轉化、科學進步的天然試驗場。美國等發達國家一直把太空作為空間技術的試驗基地，開展了如國際與日共存計劃（International Living With a Star, ILWS）、詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）和漸進式火星系列任務等多種空間項目和計劃，試驗了多種先進技術并將其推廣應用。

ILWS 計劃是國際空間物理界聯合實施的、旨在研究太陽與地球空間環境關聯與耦合機制的研究計劃，美國與歐洲各發達國家均參與其中，所觀測的范圍覆蓋太陽背面、L1 點、地球極區和地球磁尾等。

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

為確定人類在火星表面生存應具備的能力和所需的系統，美國NASA 基于“漸進式火星系列任務”擬開展一系列技術試驗，其中有4 個主要增量：一是依賴地球，利用國際空間站進行長期載人研究，主要涉及乘員健康和生命保障系統；二是試驗場，側重于利用環月球空間，開發和驗證獨立于地球之外所需的能力，驗證的主要內容是航天發射系統、“獵戶座”乘員艙和小行星重定向任務；三是獨立于地球之外，實現對火星附近的探索；四是從探索到移民的轉變，延長人類在火星附近的活動時間并最終在火星表面上不斷減少對來自地球資源的依賴。

NASA 認為，通過建立試驗場的系列規范和準則，合理利用資源，可確保所投資項目的經濟性和有效性，并在未來幾十年內大幅度提高項目的成功率和投資收益，實現載人火星探測。

國外空間技術試驗衛星總體概況如圖1 所示，給出了在空間技術試驗領域，美國、俄羅斯、歐洲的主要技術試驗衛星體系，以及印度和日本等國家的遙感、導航等專項試驗情況。

圖1 國外空間技術試驗領域概覽Fig. 1 Survey of space technology testing field

美國發展技術試驗衛星的突出特點是：形成了以專用技術試驗衛星系列為主，包括載人航天器平臺搭載及各種應用衛星系列在內的種類相對齊全的技術試驗衛星體系。近幾十年來陸續制定的多個技術試驗衛星發展計劃中比較著名的有林肯試驗衛星（LES）、應用技術試驗衛星（ATS）、空間試驗計劃（STP）和新盛世計劃（NMP）等，研制和發射了大量的技術試驗衛星。

OOV 是德國的一項國家航天計劃，目的在于為應用于空間項目的新技術方案提供試驗機會，特別是高新技術的在軌驗證。該計劃的關鍵元素是以微衛星“技術試驗載體”（technology experiment carrier,TET）作為平臺的驗證飛行。

蘇聯/俄羅斯全面發展了通信廣播、導航定位、民用遙感、軍事偵察、數據中繼、導彈預警、載人航天、空間探測等航天器系列，早期發展規模較大，部分領域的技術水平居領先地位，有長期、穩定的空間技術整體發展戰略和發展計劃以及穩定、連續的投資，而且對技術方向的趨勢有系統、專門的跟蹤研究。

印度始終把航天視為展示綜合國力、提升大國地位的舞臺。印度發展試驗衛星的主要特點是與應用衛星發展密切協調一致。比如：初期針對通信基礎設施落后的問題，重點發展通信系列的試驗衛星，解決通信衛星發展的技術問題；后來則將重點轉向軍民遙感類衛星，制定了包括技術試驗衛星（TES）等在內的試驗計劃；近期隨著對載人航天的涉足，著手制定衛星回收試驗（SRE）等技術驗證計劃。

日本目前已經形成專門的、穩定的技術試驗衛星系列，并主要依靠技術試驗衛星系列進行包括通信、遙感等各種應用衛星的工程技術試驗。日本在微小衛星技術、空間光通信技術、大型通信平臺、移動通信和廣播技術、寬帶多媒體技術、商用現貨（COTS）產品等領域大力開展技術研發，是為數不多的技術試驗衛星比較發達的航天國家，形成了以綜合型空間技術試驗衛星——工程試驗衛星（ETS）和空天飛機兩大系列為主，包括通信廣播工程試驗衛星（COMETS）、光學軌道間通信技術試驗衛星（OICETS）等一系列通信試驗衛星等的體系。

1.2 我國空間試驗總體情況

我國的空間試驗任務按任務目標不同主要分為空間科學類、技術驗證類以及與國計民生相關的應用類試驗任務；按支持渠道不同有軍用、民用和企業自主等類別；按空間技術試驗渠道有平臺系列、載人航天器或應用衛星搭載等多種形式。目前我國在新技術試驗衛星發展領域已形成的體系框架如圖2 所示，其中企業自主技術試驗衛星系列和民用技術試驗衛星系列剛剛起步。對于以驗證國家航天每個“五年”計劃發展成果、提升衛星系統能力、解決衛星共性問題為目標的民用技術試驗衛星系列，還需要從國家層面長遠規劃，嚴格試驗項目遴選標準，充分進行地面和在軌驗證，合理利用有限資金，強化基礎，提升航天技術能力。

圖2 我國空間技術試驗體系框架Fig. 2 Framework of space technology test system

隨著我國空間技術的發展，我國的空間科學活動經歷了從應用衛星搭載研究到研制專用科學衛星的發展過程，已有包括“實踐”系列科學衛星、雙星探測計劃的探測衛星、育種衛星，以及中國科學院空間科學先導科技專項系列專門用于科學實驗的衛星等。在空間輻射環境天基探測方面，自1971 年3 月發射“實踐一號”科學試驗衛星以來，現已發射30 余顆搭載星和探測衛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、衛星表面充電、輻射總劑量等空間輻射環境及效應研究，尤其是利用“神舟”飛船搭載載荷和“實踐”系列衛星獲得了寶貴的數據。在地球空間磁層電場、磁場和粒子探測方面，我國開啟了地球空間雙星探測計劃，通過與歐空局的4 顆Cluster探測衛星協同，首次實現了人類歷史上對地球空間的6 點聯合探測。雙星探測計劃的主要科學目標是用高分辨率的儀器在近地空間的主要活動區探測場和粒子的時空變化；研究磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴的觸發機制及磁層空間暴對太陽活動和行星際擾動的響應過程；建立地球空間環境的動態模式。另外，我國的空間科學先導專項自2011 年啟動以來在一些科學熱點領域實現了創新突破，推動了空間科學、空間技術和空間應用的全面發展。

1.3 小結

總體來說，國際空間試驗的發展呈現以下趨勢：

1）空間試驗驗證體系不斷發展完善

美國等國家持續完善空間技術研發、驗證、應用的試驗體系，以應對當前空間技術試驗領域多樣、試驗項目成系列、試驗平臺通用和專用并存的局面，加強統籌管理空間技術試驗工作，注重頂層規劃，根據具體國情開展與本國航天發展規模相適應的技術試驗體系建設，實現對空間技術試驗系統體系化管理。

2）試驗衛星走向專題應用試驗、共性基礎支撐同步發展

美國和俄羅斯一方面面向軍民直接應用需求，直接由海軍等多渠道支持發展自己的主題鮮明技術試驗專用衛星，另一方面則加強統籌，針對國家戰略需求，統籌共性，集中開發，如NASA 近期重點試驗項目中的深空原子鐘、激光中繼通信系統、儲箱等，都屬后續共性重大問題。由此形成了由以往的軍隊、政府絕對主導，向以軍隊、政府為骨干，企業、高校和科研院所等新生力量廣泛參與且有力補充的態勢演進，形成投資主體多元、共同受益、交叉應用的格局。

3）試驗參與更趨廣泛化，入軌機會更趨便捷化

由于近年來微納衛星的發展，進入空間的門檻降低，高校、私營企業甚至中學生都參與到空間技術開發與試驗中，形成了廣泛開發和試驗的繁榮景象。同時，試驗成本越來越低廉化，包括微納衛星在內的試驗渠道越來越豐富，再加上各國對發展空間技術的重視，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。這也加大了對空間技術試驗統籌管理的迫切性。

2 太空試驗場的概念和內涵

結合國內外空間試驗的發展趨勢以及我國建設航天強國的發展目標，我國在未來空間探測領域需重點關注空間科學、空間應用、空間技術3 方面核心問題，因此需在國家層面建設一套按需求、成體系、高效率實施空間科學與探索、技術創新與驗證、空間應用開發等試驗類任務的國家基礎性空間試驗設施，即太空試驗場，以解決太空技術試驗任務中的共性問題，推動空間技術全面進步。通過太空試驗場這個太空試驗任務的共用平臺，可超前布局突破近地空間、太陽系內原位到達和系外遙感等國際領先技術，構建完善系統化進出、認知和控制太空制高點和新疆域的試驗工程系統，形成空間認知開發與國家科技創新良性互動發展平臺，探索重大科學發現和創新、驗證核心技術產品、暢通科技應用轉化機制、支撐關乎國計民生的國家重大工程建設等。

太空試驗場是一個物化的概念，它是以符合國情、開拓有序、協調統一、體系完備的國家空間試驗基礎設施為目標，以應用開發為導向，通過試驗協調統籌空間科學、技術、工程的共同需求，形成功能導向的、涵蓋“進、駐、出、探、控、用”6 大能力的空間科學平臺架構。它的建設內容包括：

1）健全軟環境，即建立空間試驗信息系統，強化空間工程與機理、創新與應用、軍民商共享等基礎和規范研究，形成國家空間試驗信息數據庫和管理規范體系；

2）建設運行系統，即論證試驗場空間點位和星器布局，研制部署空間段航天器、地面段運行中心等，形成天地一體試驗運行系統；

3）統籌服務示范，即統籌資源和需求，通過空間試驗實施服務，集成驗證、拓展和示范空間工程技術基線、空間應用定標基準和空間科學時空基準。

太空試驗場的服務范疇涵蓋空間科學、空間技術、空間應用等3 個方面的關鍵性任務，最終能為我國已有的高分辨率對地觀測重大專項、空間基礎設施等應用系統以及深空探測、載人、登月等工程提供標校基準和技術基線，為探測探索提供試驗驗證保障。具體如圖3 所示。

圖3 太空試驗場內涵Fig. 3 The illustrative connotation of SPG

3 太空試驗場的組成

太空試驗場由空間段、地面段、軟環境3 部分組成。

3.1 空間段設計

3.1.1 點位設計

太空試驗場是基于將太空（疆域、要素）作為統一整體系統研究的視角，以應用開發為導向的國家空間試驗基礎設施，它將由一系列采取多類型軌道布局的各類技術試驗平臺和載荷組成，其軌道應該是分布式的，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計以及空間的物理特性，選取傳統低/中/高地球軌道、空間動平衡點以及地外天體3 大類來設計太空試驗場架構，將空間段試驗平臺分為低軌（LEO）試驗平臺、中軌通用試驗及轉移平臺、高軌試驗平臺、空間動平衡點試驗平臺、月球試驗基地和深空探測試驗基地6 類，供不同用戶根據不同需求選用不同的試驗平臺。

3.1.2 試驗平臺設計

對于需要在LEO 開展的空間試驗，繼續借鑒現有的管理方案和規劃，以空間站為長期駐留試驗平臺、各類技術試驗衛星為動態試驗平臺構建LEO太空試驗場。利用常態化搭載或者搭載入軌發射將低軌試驗任務發射入軌，可以開展LEO 空間碎片主動清除相關技術試驗、材料空間暴露飛行試驗、應用衛星平臺新技術驗證、新型載荷技術試驗、天基綜合定標及空間基準技術試驗等任務。

在中軌道的合適環境下設置一個高度較為固定的通用試驗及轉移平臺。該平臺一方面用于解決中軌道空間試驗的共性需求，另一方面作為向不同軌道高度轉移的跳板，解決特殊軌道高度下的試驗需求。該平臺作為轉移平臺，需具備在軌加注、充電及組裝能力。利用中軌試驗平臺可開展空間環境探測試驗、新型微電子器件及商用器件在軌飛行試驗、新型高壓太陽電池陣飛行試驗、在軌加注試驗、軌道轉移中轉站相關技術試驗、中軌道應用衛星技術試驗等。

高軌衛星成本高，可用的軌位資源又很有限，因此有必要配置一個長期駐軌的通用試驗場平臺，以滿足長期、多類高軌試驗任務需求。利用高軌試驗平臺可開展連續實時監測日面活動區演化過程、太陽爆發過程、軌道輻射環境和輻射效應等，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，“一磁兩暴”及對地球環境的影響分析，GEO 碎片積累效應、清除失效衛星及回收軌位試驗等。

空間動平衡點是當前研究熱點，可開展多類太空探測和技術應用試驗，軌位資源極其重要。可在地月L1 點配置一個通用的專用試驗場，從而既可以開展諸如星際高速公路之類的試驗任務，也可以作為空間探測的中轉平臺，為后續的月球、火星、星際探測提供支撐，開展深空探測器燃料加注、能量中繼、通信中繼、對地或繞地衛星武器投放、通信導航與對地觀測（含電磁頻譜）等試驗。

建造月球試驗基地需試驗和驗證月面工程構建、能源、月面移動、熱控、數據通信、基地結構構形、生命保障和空間防護等關鍵月球試驗基地構建技術。利用月球試驗基地可實現對月球資源的開發利用，深入開展對空間科學的研究和探索。

3.2 地面段設計

太空試驗場地面段是指在地面建設的太空試驗專用的數據接收和處理系統，通過建立多個數據接收站，形成太空試驗數據接收站網，對空間段各類太空試驗平臺的數據進行統一接收和管理。地面段包括空間技術試驗項目庫、資源庫、在軌試驗數據庫、地面試驗數據庫、并行管理信息系統、考核評價結果庫等綜合數據庫，具備對各類太空試驗數據的處理和分發能力。

3.3 軟環境設計

太空試驗場軟環境由國家空間試驗信息數據庫、共性基礎和規范體系組成。

首先，太空試驗場通過明確不同序列平臺、運行服務以及運載器接口服務規范，便于用戶設計相關應用接口；同時，根據國家空間試驗與評價標準規范，評價不同試驗需求的可行性，合理選定試驗項目。

其次，在軌試驗運行管理系統作為空間新技術試驗驗證工作的保障系統，支持對空間段多太空試驗平臺、多試驗任務的統一統籌和規劃，完成對空間各類技術試驗工作的任務規劃和全壽命流程的有效運行管理。

最后，通過完善空間技術試驗地面考核評價機制和設施，實現空間技術試驗信息化管理服務能力；建設試驗任務規劃與考核評價平臺，支持多星、多任務規劃，提供在軌試驗考核評價模型、軟件及流程，為工程應用轉化提供量化方法依據；構建空間新技術試驗成果發布與應用平臺，能有效存儲、管理在軌試驗數據信息，推動主要試驗項目成果信息得到快速推廣應用。

圖4 為太空試驗場組成示意。

圖4 太空試驗場組成示意Fig. 4 Schematic diagram of the compositions of SPG

4 分階段發展目標

太空試驗場建設可分為3 個階段實施。

第1 階段：2023 年前進行概念方案的論證，啟動一期設施試驗。此階段需開展頂層規劃和驗用結合工作，其中：頂層規劃是指初步形成太空試驗場總體方案和發展框架；驗用結合是指瞄準強國前沿，針對國家基準（時空，遙感）重大需求，布局2～3 項國際先進專項能力。

第2 階段：2027 年前，立項試建。此階段的工作內容包括：論證推動“國家太空試驗與基準服務設施”重大專項/工程立項；試建試用，即發展便捷天地往返器、軌道駐留模塊航天器，構成初步試驗系統并試運行；突破領先，即實施時空基準、深空導航測繪等1～2 項系統級試驗，實現國際領先。

第3 階段：2030 年，服務運行。此階段的工作內容包括：建設與試驗服務、轉應用同步迭代演進；驗證空間科學時空基準、空間應用輻射幾何基準、空間工程技術基線等試驗，提供空間技術試驗統籌驗證服務等，形成國家試驗基礎設施及運行體系。

5 結束語

本文探討了太空試驗場的概念、內涵和發展路線。太空試驗場將構建系統化進出、認知和控制太空的工程技術體系，避免空間資源重復建設，實現高效率的空間試驗，可作為下一代空間試驗基礎設施；太空試驗場的服務平臺系統具備多種平臺類型，可為空間科學提供綜合服務保障手段；同時，未來將進一步強化太空試驗場的軟環境建設研究，通過研究空間試驗信息系統、管理規范體系和相關法律法規，制訂國家空間試驗與評價標準規范、空間技術能力基線，形成天地一體的試驗體系，為空間技術提供探索能力基線的檢驗。