太空试验场的概念和内涵

王 丹，宋政吉，穆京京

（1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094； 2. 中国航天科技集团有限公司，北京 100048）

0 引言

航天器系统复杂，技术先进，研制成本高且运行于极端恶劣且复杂的太空环境中，因此通常需要经过地面试验和空间试验才能得以应用。其中，空间试验可为航天器系统的研制和发展积累飞行经验，从而降低卫星研制成本、减小实际应用的运行风险。发射技术试验卫星开展卫星空间试验，通常是一个国家进入航天领域，掌握航天基础技术的第一步。

随着航天技术的进步和对太空认知的加深，现有的试验技术体系已经无法满足我国空间科学技术发展需求，迫切需要建设一个服务于我国空间活动的基础性太空试验平台。具体表现在：1）部分空间科学、技术与应用的基础性原理认识尚不清晰，亟需通过空间试验平台开展共性试验验证；2）空间科学、空间探索及空间应用技术对空间试验的需求广泛，迫切需要统筹规划和顶层设计，形成空间试验体系；3）目前的空间试验对我国空间技术进步的拉动力不足，需要通过空间试验平台建设推动航天技术更新和能力提升。栾恩杰院士于2016 年首次提出“太空试验场”的概念，希望通过构建统筹管理空间试验的平台，系统规划并主导后续空间试验任务，以避免重复建设，加快技术升级速度。太空试验场的核心是共享和协调。共享内容包括技术成熟度和应用信息、可以公开的技术方案和实现方式，以及公用基础设施和服务等；协调是在共享信息和技术能力的基础上，互相取长补短，统筹发展。

目前，国外已开展的一些航天计划在不同程度上进行了空间试验的协调和统筹，包括美国国防部开展的“空间试验计划”（Space Test Program，STP）、德国航天局开展的“在轨验证计划”（On-Orbit Verification，OOV）以及日本经济产业省开展的“宇宙环境可靠性验证集成系统”（Space Environment Reliability Verification Integrated System，SERVIS）等。这些计划通过建立统筹管理空间试验的平台，为太空试验设立项目或提供飞行机会，达到减少重复和降低成本的目的。

我国要建设成航天强国，就需要有对空间各疆域要素的全面认知，而建设太空试验场可以对空间科学、空间探索和空间应用等领域的空间试验进行综合规划和顶层设计，促进统筹有序发展和技术进步，提升空间资源应用效率。因此有必要明确太空试验场概念和内涵，梳理试验场框架，提出发展路线建议，为我国综合利用空间资源、建设航天强国提供支撑。

1 国内外空间试验现状及发展趋势

1.1 国外总体情况

太空是技术转化、科学进步的天然试验场。美国等发达国家一直把太空作为空间技术的试验基地，开展了如国际与日共存计划（International Living With a Star, ILWS）、詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）和渐进式火星系列任务等多种空间项目和计划，试验了多种先进技术并将其推广应用。

ILWS 计划是国际空间物理界联合实施的、旨在研究太阳与地球空间环境关联与耦合机制的研究计划，美国与欧洲各发达国家均参与其中，所观测的范围覆盖太阳背面、L1 点、地球极区和地球磁尾等。

JWST 是红外线太空望远镜，于2022 年7 月中旬正式投用使用，其主要任务是调查作为大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），即观测今天可见宇宙的初期状态。作为新一代空间望远镜的代表，JWST 采用的可展开大型镜面技术、大型遮阳屏技术、波阵面传感及镜面精确控制技术等，将广泛用于未来的空间望远镜。

为确定人类在火星表面生存应具备的能力和所需的系统，美国NASA 基于“渐进式火星系列任务”拟开展一系列技术试验，其中有4 个主要增量：一是依赖地球，利用国际空间站进行长期载人研究，主要涉及乘员健康和生命保障系统；二是试验场，侧重于利用环月球空间，开发和验证独立于地球之外所需的能力，验证的主要内容是航天发射系统、“猎户座”乘员舱和小行星重定向任务；三是独立于地球之外，实现对火星附近的探索；四是从探索到移民的转变，延长人类在火星附近的活动时间并最终在火星表面上不断减少对来自地球资源的依赖。

NASA 认为，通过建立试验场的系列规范和准则，合理利用资源，可确保所投资项目的经济性和有效性，并在未来几十年内大幅度提高项目的成功率和投资收益，实现载人火星探测。

国外空间技术试验卫星总体概况如图1 所示，给出了在空间技术试验领域，美国、俄罗斯、欧洲的主要技术试验卫星体系，以及印度和日本等国家的遥感、导航等专项试验情况。

图1 国外空间技术试验领域概览Fig. 1 Survey of space technology testing field

美国发展技术试验卫星的突出特点是：形成了以专用技术试验卫星系列为主，包括载人航天器平台搭载及各种应用卫星系列在内的种类相对齐全的技术试验卫星体系。近几十年来陆续制定的多个技术试验卫星发展计划中比较著名的有林肯试验卫星（LES）、应用技术试验卫星（ATS）、空间试验计划（STP）和新盛世计划（NMP）等，研制和发射了大量的技术试验卫星。

OOV 是德国的一项国家航天计划，目的在于为应用于空间项目的新技术方案提供试验机会，特别是高新技术的在轨验证。该计划的关键元素是以微卫星“技术试验载体”（technology experiment carrier,TET）作为平台的验证飞行。

苏联/俄罗斯全面发展了通信广播、导航定位、民用遥感、军事侦察、数据中继、导弹预警、载人航天、空间探测等航天器系列，早期发展规模较大，部分领域的技术水平居领先地位，有长期、稳定的空间技术整体发展战略和发展计划以及稳定、连续的投资，而且对技术方向的趋势有系统、专门的跟踪研究。

印度始终把航天视为展示综合国力、提升大国地位的舞台。印度发展试验卫星的主要特点是与应用卫星发展密切协调一致。比如：初期针对通信基础设施落后的问题，重点发展通信系列的试验卫星，解决通信卫星发展的技术问题；后来则将重点转向军民遥感类卫星，制定了包括技术试验卫星（TES）等在内的试验计划；近期随着对载人航天的涉足，着手制定卫星回收试验（SRE）等技术验证计划。

日本目前已经形成专门的、稳定的技术试验卫星系列，并主要依靠技术试验卫星系列进行包括通信、遥感等各种应用卫星的工程技术试验。日本在微小卫星技术、空间光通信技术、大型通信平台、移动通信和广播技术、宽带多媒体技术、商用现货（COTS）产品等领域大力开展技术研发，是为数不多的技术试验卫星比较发达的航天国家，形成了以综合型空间技术试验卫星——工程试验卫星（ETS）和空天飞机两大系列为主，包括通信广播工程试验卫星（COMETS）、光学轨道间通信技术试验卫星（OICETS）等一系列通信试验卫星等的体系。

1.2 我国空间试验总体情况

我国的空间试验任务按任务目标不同主要分为空间科学类、技术验证类以及与国计民生相关的应用类试验任务；按支持渠道不同有军用、民用和企业自主等类别；按空间技术试验渠道有平台系列、载人航天器或应用卫星搭载等多种形式。目前我国在新技术试验卫星发展领域已形成的体系框架如图2 所示，其中企业自主技术试验卫星系列和民用技术试验卫星系列刚刚起步。对于以验证国家航天每个“五年”计划发展成果、提升卫星系统能力、解决卫星共性问题为目标的民用技术试验卫星系列，还需要从国家层面长远规划，严格试验项目遴选标准，充分进行地面和在轨验证，合理利用有限资金，强化基础，提升航天技术能力。

图2 我国空间技术试验体系框架Fig. 2 Framework of space technology test system

随着我国空间技术的发展，我国的空间科学活动经历了从应用卫星搭载研究到研制专用科学卫星的发展过程，已有包括“实践”系列科学卫星、双星探测计划的探测卫星、育种卫星，以及中国科学院空间科学先导科技专项系列专门用于科学实验的卫星等。在空间辐射环境天基探测方面，自1971 年3 月发射“实践一号”科学试验卫星以来，现已发射30 余颗搭载星和探测卫星开展了航天器轨道包括高能带电粒子、低能带电粒子、太阳X 射线，以及单粒子效应、卫星表面充电、辐射总剂量等空间辐射环境及效应研究，尤其是利用“神舟”飞船搭载载荷和“实践”系列卫星获得了宝贵的数据。在地球空间磁层电场、磁场和粒子探测方面，我国开启了地球空间双星探测计划，通过与欧空局的4 颗Cluster探测卫星协同，首次实现了人类历史上对地球空间的6 点联合探测。双星探测计划的主要科学目标是用高分辨率的仪器在近地空间的主要活动区探测场和粒子的时空变化；研究磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制及磁层空间暴对太阳活动和行星际扰动的响应过程；建立地球空间环境的动态模式。另外，我国的空间科学先导专项自2011 年启动以来在一些科学热点领域实现了创新突破，推动了空间科学、空间技术和空间应用的全面发展。

1.3 小结

总体来说，国际空间试验的发展呈现以下趋势：

1）空间试验验证体系不断发展完善

美国等国家持续完善空间技术研发、验证、应用的试验体系，以应对当前空间技术试验领域多样、试验项目成系列、试验平台通用和专用并存的局面，加强统筹管理空间技术试验工作，注重顶层规划，根据具体国情开展与本国航天发展规模相适应的技术试验体系建设，实现对空间技术试验系统体系化管理。

2）试验卫星走向专题应用试验、共性基础支撑同步发展

美国和俄罗斯一方面面向军民直接应用需求，直接由海军等多渠道支持发展自己的主题鲜明技术试验专用卫星，另一方面则加强统筹，针对国家战略需求，统筹共性，集中开发，如NASA 近期重点试验项目中的深空原子钟、激光中继通信系统、储箱等，都属后续共性重大问题。由此形成了由以往的军队、政府绝对主导，向以军队、政府为骨干，企业、高校和科研院所等新生力量广泛参与且有力补充的态势演进，形成投资主体多元、共同受益、交叉应用的格局。

3）试验参与更趋广泛化，入轨机会更趋便捷化

由于近年来微纳卫星的发展，进入空间的门槛降低，高校、私营企业甚至中学生都参与到空间技术开发与试验中，形成了广泛开发和试验的繁荣景象。同时，试验成本越来越低廉化，包括微纳卫星在内的试验渠道越来越丰富，再加上各国对发展空间技术的重视，开展空间技术试验工作的条件越来越充分，众多规模小、实力弱的组织也能够掌握开展空间技术试验工作的资源，在轨试验需求越来越能得到快速满足，试验响应周期大大缩短。这也加大了对空间技术试验统筹管理的迫切性。

2 太空试验场的概念和内涵

结合国内外空间试验的发展趋势以及我国建设航天强国的发展目标，我国在未来空间探测领域需重点关注空间科学、空间应用、空间技术3 方面核心问题，因此需在国家层面建设一套按需求、成体系、高效率实施空间科学与探索、技术创新与验证、空间应用开发等试验类任务的国家基础性空间试验设施，即太空试验场，以解决太空技术试验任务中的共性问题，推动空间技术全面进步。通过太空试验场这个太空试验任务的共用平台，可超前布局突破近地空间、太阳系内原位到达和系外遥感等国际领先技术，构建完善系统化进出、认知和控制太空制高点和新疆域的试验工程系统，形成空间认知开发与国家科技创新良性互动发展平台，探索重大科学发现和创新、验证核心技术产品、畅通科技应用转化机制、支撑关乎国计民生的国家重大工程建设等。

太空试验场是一个物化的概念，它是以符合国情、开拓有序、协调统一、体系完备的国家空间试验基础设施为目标，以应用开发为导向，通过试验协调统筹空间科学、技术、工程的共同需求，形成功能导向的、涵盖“进、驻、出、探、控、用”6 大能力的空间科学平台架构。它的建设内容包括：

1）健全软环境，即建立空间试验信息系统，强化空间工程与机理、创新与应用、军民商共享等基础和规范研究，形成国家空间试验信息数据库和管理规范体系；

2）建设运行系统，即论证试验场空间点位和星器布局，研制部署空间段航天器、地面段运行中心等，形成天地一体试验运行系统；

3）统筹服务示范，即统筹资源和需求，通过空间试验实施服务，集成验证、拓展和示范空间工程技术基线、空间应用定标基准和空间科学时空基准。

太空试验场的服务范畴涵盖空间科学、空间技术、空间应用等3 个方面的关键性任务，最终能为我国已有的高分辨率对地观测重大专项、空间基础设施等应用系统以及深空探测、载人、登月等工程提供标校基准和技术基线，为探测探索提供试验验证保障。具体如图3 所示。

图3 太空试验场内涵Fig. 3 The illustrative connotation of SPG

3 太空试验场的组成

太空试验场由空间段、地面段、软环境3 部分组成。

3.1 空间段设计

3.1.1 点位设计

太空试验场是基于将太空（疆域、要素）作为统一整体系统研究的视角，以应用开发为导向的国家空间试验基础设施，它将由一系列采取多类型轨道布局的各类技术试验平台和载荷组成，其轨道应该是分布式的，包括大椭圆轨道以及其他具有特殊意义的轨道等。

充分考虑空间轨道和位置设计以及空间的物理特性，选取传统低/中/高地球轨道、空间动平衡点以及地外天体3 大类来设计太空试验场架构，将空间段试验平台分为低轨（LEO）试验平台、中轨通用试验及转移平台、高轨试验平台、空间动平衡点试验平台、月球试验基地和深空探测试验基地6 类，供不同用户根据不同需求选用不同的试验平台。

3.1.2 试验平台设计

对于需要在LEO 开展的空间试验，继续借鉴现有的管理方案和规划，以空间站为长期驻留试验平台、各类技术试验卫星为动态试验平台构建LEO太空试验场。利用常态化搭载或者搭载入轨发射将低轨试验任务发射入轨，可以开展LEO 空间碎片主动清除相关技术试验、材料空间暴露飞行试验、应用卫星平台新技术验证、新型载荷技术试验、天基综合定标及空间基准技术试验等任务。

在中轨道的合适环境下设置一个高度较为固定的通用试验及转移平台。该平台一方面用于解决中轨道空间试验的共性需求，另一方面作为向不同轨道高度转移的跳板，解决特殊轨道高度下的试验需求。该平台作为转移平台，需具备在轨加注、充电及组装能力。利用中轨试验平台可开展空间环境探测试验、新型微电子器件及商用器件在轨飞行试验、新型高压太阳电池阵飞行试验、在轨加注试验、轨道转移中转站相关技术试验、中轨道应用卫星技术试验等。

高轨卫星成本高，可用的轨位资源又很有限，因此有必要配置一个长期驻轨的通用试验场平台，以满足长期、多类高轨试验任务需求。利用高轨试验平台可开展连续实时监测日面活动区演化过程、太阳爆发过程、轨道辐射环境和辐射效应等，以及新型微电子器件及商用器件、新型高压太阳电池阵等的飞行试验，“一磁两暴”及对地球环境的影响分析，GEO 碎片积累效应、清除失效卫星及回收轨位试验等。

空间动平衡点是当前研究热点，可开展多类太空探测和技术应用试验，轨位资源极其重要。可在地月L1 点配置一个通用的专用试验场，从而既可以开展诸如星际高速公路之类的试验任务，也可以作为空间探测的中转平台，为后续的月球、火星、星际探测提供支撑，开展深空探测器燃料加注、能量中继、通信中继、对地或绕地卫星武器投放、通信导航与对地观测（含电磁频谱）等试验。

建造月球试验基地需试验和验证月面工程构建、能源、月面移动、热控、数据通信、基地结构构形、生命保障和空间防护等关键月球试验基地构建技术。利用月球试验基地可实现对月球资源的开发利用，深入开展对空间科学的研究和探索。

3.2 地面段设计

太空试验场地面段是指在地面建设的太空试验专用的数据接收和处理系统，通过建立多个数据接收站，形成太空试验数据接收站网，对空间段各类太空试验平台的数据进行统一接收和管理。地面段包括空间技术试验项目库、资源库、在轨试验数据库、地面试验数据库、并行管理信息系统、考核评价结果库等综合数据库，具备对各类太空试验数据的处理和分发能力。

3.3 软环境设计

太空试验场软环境由国家空间试验信息数据库、共性基础和规范体系组成。

首先，太空试验场通过明确不同序列平台、运行服务以及运载器接口服务规范，便于用户设计相关应用接口；同时，根据国家空间试验与评价标准规范，评价不同试验需求的可行性，合理选定试验项目。

其次，在轨试验运行管理系统作为空间新技术试验验证工作的保障系统，支持对空间段多太空试验平台、多试验任务的统一统筹和规划，完成对空间各类技术试验工作的任务规划和全寿命流程的有效运行管理。

最后，通过完善空间技术试验地面考核评价机制和设施，实现空间技术试验信息化管理服务能力；建设试验任务规划与考核评价平台，支持多星、多任务规划，提供在轨试验考核评价模型、软件及流程，为工程应用转化提供量化方法依据；构建空间新技术试验成果发布与应用平台，能有效存储、管理在轨试验数据信息，推动主要试验项目成果信息得到快速推广应用。

图4 为太空试验场组成示意。

图4 太空试验场组成示意Fig. 4 Schematic diagram of the compositions of SPG

4 分阶段发展目标

太空试验场建设可分为3 个阶段实施。

第1 阶段：2023 年前进行概念方案的论证，启动一期设施试验。此阶段需开展顶层规划和验用结合工作，其中：顶层规划是指初步形成太空试验场总体方案和发展框架；验用结合是指瞄准强国前沿，针对国家基准（时空，遥感）重大需求，布局2～3 项国际先进专项能力。

第2 阶段：2027 年前，立项试建。此阶段的工作内容包括：论证推动“国家太空试验与基准服务设施”重大专项/工程立项；试建试用，即发展便捷天地往返器、轨道驻留模块航天器，构成初步试验系统并试运行；突破领先，即实施时空基准、深空导航测绘等1～2 项系统级试验，实现国际领先。

第3 阶段：2030 年，服务运行。此阶段的工作内容包括：建设与试验服务、转应用同步迭代演进；验证空间科学时空基准、空间应用辐射几何基准、空间工程技术基线等试验，提供空间技术试验统筹验证服务等，形成国家试验基础设施及运行体系。

5 结束语

本文探讨了太空试验场的概念、内涵和发展路线。太空试验场将构建系统化进出、认知和控制太空的工程技术体系，避免空间资源重复建设，实现高效率的空间试验，可作为下一代空间试验基础设施；太空试验场的服务平台系统具备多种平台类型，可为空间科学提供综合服务保障手段；同时，未来将进一步强化太空试验场的软环境建设研究，通过研究空间试验信息系统、管理规范体系和相关法律法规，制订国家空间试验与评价标准规范、空间技术能力基线，形成天地一体的试验体系，为空间技术提供探索能力基线的检验。