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(jì)元，人造衛(wèi)星在科學(xué)、軍事和國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面都得到了極其廣泛的應(yīng)用。如果按用途劃分，人造地球衛(wèi)星一般可分為:科學(xué)衛(wèi)星、技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星和應(yīng)用衛(wèi)星。

科學(xué)衛(wèi)星是指為科學(xué)研究服務(wù)的人造衛(wèi)星，主要包括空間物理探測(cè)衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、生物衛(wèi)星、微重力試驗(yàn)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(duì)太空進(jìn)行探測(cè)和研究，極大地開拓了人類認(rèn)識(shí)宇宙的視野，推動(dòng)了空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的發(fā)展。技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星是用于衛(wèi)星工程技術(shù)和空間應(yīng)用技術(shù)的原理性或工程性試驗(yàn)的人造地球衛(wèi)星。從航天時(shí)代開始，技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星就成為開發(fā)空間技術(shù)的試驗(yàn)基地，往往用于投資昂貴的大任務(wù)之前在實(shí)際的軌道環(huán)境中和可接受的風(fēng)險(xiǎn)下對(duì)新技術(shù)或業(yè)務(wù)進(jìn)行迅速的驗(yàn)證、演示和評(píng)估，成為空間技術(shù)發(fā)展的重要階段。本文從科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展歷程、主要試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目以及取得的成就等方面，總結(jié)了世界主要航天大國科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展情況，并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 國外科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展綜述

回顧世界上各航天大國新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)展歷程，可以看出其發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。

1)第一個(gè)時(shí)期1957—1975年

這是航天事業(yè)的探索階段。在此時(shí)期技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星的主要任務(wù)是開展衛(wèi)星技術(shù)驗(yàn)證、新應(yīng)用領(lǐng)域的概念與技術(shù)驗(yàn)證以及空間環(huán)境探測(cè)等。比較有代表性的有探索者-11、軌道天文觀測(cè)臺(tái)系列、小型天文衛(wèi)星等，主要開展空間環(huán)境探測(cè)；軌道飛行器系列，主要開展生物物理實(shí)驗(yàn)、微重力實(shí)驗(yàn)等；生物衛(wèi)星系列，主要開展生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究空間環(huán)境對(duì)生命過程的效應(yīng)。通過大量的技術(shù)試驗(yàn)，各主要航天大國掌握了航天的基礎(chǔ)技術(shù)，開拓了新的空間應(yīng)用領(lǐng)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(gè)時(shí)期1995年至今

隨著科學(xué)技術(shù)特別是信息、電子、新材料技術(shù)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(shù)、新材料和新設(shè)備，世界各國又開始了新一輪的技術(shù)試驗(yàn)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(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星領(lǐng)域紛紛加大投入，推出新的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃。美國制定了新盛世計(jì)劃(New Millenium Program，NMP)，日本繼續(xù)發(fā)展工程試驗(yàn)衛(wèi)星(Engineering Test Satellite，ETS)系列及專題技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。一些在航天領(lǐng)域起步較晚的國家針對(duì)本國的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也規(guī)劃了專用的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，如印度規(guī)劃了技術(shù)試驗(yàn)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(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(TechSAT)計(jì)劃并研制和發(fā)射了TechSAT-1、2衛(wèi)星。

下面對(duì)美國、俄羅斯/蘇聯(lián)、日本、歐洲等主要航天大國科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展情況進(jìn)行介紹，并總結(jié)其發(fā)展特點(diǎn)和啟示。

1.1 美國

美國發(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，種類相對(duì)齊全的衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)體系。在系統(tǒng)性的航天政策以及戰(zhàn)略規(guī)劃指導(dǎo)下，可持續(xù)地開展各空間技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目的發(fā)展規(guī)劃，陸續(xù)制定了多個(gè)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展計(jì)劃，如新盛世計(jì)劃。隨著空間技術(shù)發(fā)展，同時(shí)為保持美國在空間領(lǐng)域的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步開發(fā)先進(jìn)的空間能力，陸續(xù)推出了多個(gè)研究項(xiàng)目：如戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)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(yuǎn)鏡等。

迄今為止，美國實(shí)施的數(shù)十個(gè)具有空間試驗(yàn)性質(zhì)的衛(wèi)星計(jì)劃，其試驗(yàn)領(lǐng)域涵蓋了基礎(chǔ)元器件試驗(yàn)、平臺(tái)共性技術(shù)試驗(yàn)、新技術(shù)試驗(yàn)和型號(hào)原型試驗(yàn)等，幾乎覆蓋了所有技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，形成了以專用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列為主，平臺(tái)搭載為輔，種類豐富的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列。美國通過試驗(yàn)衛(wèi)星不斷提高其航天核心能力，確保了美國在航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，主要有以下幾個(gè)典型的計(jì)劃系列。

1)“新盛世”計(jì)劃

美國于1995年提出了“新盛世”計(jì)劃。該計(jì)劃旨在進(jìn)一步落實(shí)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(yàn)航天器(深空探測(cè)器和人造地球衛(wèi)星)，滿足21世紀(jì)初在外層空間建立無人探測(cè)研究基地的需要[1-2]?！靶率⑹馈庇?jì)劃的主要衛(wèi)星如表1所示。

表1 “新盛世”計(jì)劃的主要衛(wèi)星

2)戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列

在快速響應(yīng)領(lǐng)域，美國空軍、海軍和其他聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制一系列微小型衛(wèi)星，稱為“戰(zhàn)術(shù)星”，可直接為戰(zhàn)區(qū)提供信息服務(wù)[3-5]。該系列衛(wèi)星將采用專用因特網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與戰(zhàn)區(qū)作戰(zhàn)部隊(duì)聯(lián)系，為發(fā)展空間快速響應(yīng)衛(wèi)星奠定技術(shù)基礎(chǔ)。目前，該系列衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)。戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列如表2所示。

表2 戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列

2007年，美國國防部創(chuàng)建了空軍作戰(zhàn)響應(yīng)空間(ORS)辦公室，作為調(diào)整空間能力和改變國家安全需求的一項(xiàng)積極舉措。作戰(zhàn)快速響應(yīng)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(bǔ)充因沖突、故障或自然災(zāi)害而損失的關(guān)鍵能力[6]。

“空間試驗(yàn)計(jì)劃衛(wèi)星”(STPsat)支持美國快速作戰(zhàn)響應(yīng)空間(ORS)戰(zhàn)略，可確保美國的太空優(yōu)勢(shì)地位。STPSat-3衛(wèi)星是鮑爾宇航公司為美國國防部空間試驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)接口運(yùn)載器(STP-SIV)計(jì)劃研制的第2顆衛(wèi)星，STP-SIV計(jì)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(wù)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(gòu)，可容納多個(gè)獨(dú)立的有效載荷，并有獨(dú)立的電源和數(shù)據(jù)接口。該衛(wèi)星還能提供一個(gè)與多種運(yùn)載火箭兼容的標(biāo)準(zhǔn)接口，支持快速發(fā)射計(jì)劃，降低有效載荷在軌試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。STPSat-3衛(wèi)星基于飛行驗(yàn)證通用衛(wèi)星總線平臺(tái)建造，建成僅用47天，并配有標(biāo)準(zhǔn)有效載荷接口，搭載有5個(gè)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(xué)院任務(wù)，旨在測(cè)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(shí)驗(yàn)室(AFRL)/ EO 對(duì)策科技分部(RYMW)和美國陸軍航天與導(dǎo)彈防御司令部(SMDC)承辦的一個(gè)空間現(xiàn)象學(xué)任務(wù)。

(3)條型傳感器組件(SSU)，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的定向能(RD)實(shí)驗(yàn)，旨在通過傳感器組件在軌測(cè)試和運(yùn)行試驗(yàn)，以期降低風(fēng)險(xiǎn)。

(4)小型風(fēng)和溫度光譜儀(SWATS)，海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)任務(wù)，可對(duì)中性和等離子環(huán)境提供現(xiàn)場測(cè)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(shí)驗(yàn)(TCTE)，NASA / NOAA任務(wù)，旨在通過由大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室提供的TCTE設(shè)備，收集對(duì)太陽總輻照度(TSI )的高精密測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)在地球大氣層頂部的太陽輻射變化。

3)“軌道快車”計(jì)劃[7]

“軌道快車”(Orbital Express)計(jì)劃是由美國高級(jí)研究項(xiàng)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(bǔ)給、修復(fù)與重構(gòu)技術(shù)，并通過在軌飛行演示驗(yàn)證達(dá)到發(fā)展該技術(shù)的目的[8]?！败壍揽燔嚒毖菔掘?yàn)證系統(tǒng)包括1顆自主空間運(yùn)輸和機(jī)器人軌道器和1顆可升級(jí)可維修的目標(biāo)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(huì)對(duì)接、在軌裝配、燃料加注以及航天器在軌升級(jí)等試驗(yàn)。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(yàn)衛(wèi)星”系列

由美空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出的空軍“試驗(yàn)衛(wèi)星系列”(XSS)計(jì)劃[9]，該計(jì)劃包括XSS-10和XSS-11兩顆微小衛(wèi)星，其目標(biāo)是獲取完全自主的空間維護(hù)與服務(wù)能力。目前已完成了2顆微小衛(wèi)星的試驗(yàn)驗(yàn)證。XSS-10衛(wèi)星質(zhì)量28 kg，于2003年1月發(fā)射。XSS-11衛(wèi)星系統(tǒng)是XSS系列計(jì)劃中的第二個(gè)系統(tǒng)，質(zhì)量145 kg，于2005年4月發(fā)射，其最大特點(diǎn)是可以對(duì)多個(gè)目標(biāo)實(shí)施靠近操作。XSS-11衛(wèi)星運(yùn)用先進(jìn)的傳感器和微電子等技術(shù)．驗(yàn)證了航天器在近距離圍繞空間目標(biāo)進(jìn)行多種類型的機(jī)動(dòng)，包括位置保持、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換及繞飛以及通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)快速脫離目標(biāo)和進(jìn)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(gè)是“機(jī)載發(fā)射輔助空間進(jìn)入”(ALASA)項(xiàng)目，使用未經(jīng)改裝的F-15戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)射小衛(wèi)星。在發(fā)射地點(diǎn)方面，ALASA可提供更大的機(jī)動(dòng)性，該系統(tǒng)還允許進(jìn)行更廣泛的衛(wèi)星軌道選擇。此外，該項(xiàng)目正在尋求使當(dāng)前發(fā)射成本降低3倍的方案。ALASA的機(jī)動(dòng)性將提供更高的任務(wù)頻率，并可減少發(fā)射次數(shù)。XS-1空天飛機(jī)旨在提供可重復(fù)使用的第一級(jí)以替代F-15，并配備可到達(dá)LEO的第二級(jí)火箭。DARPA計(jì)劃利用該系統(tǒng)，在接到通知的24 h之內(nèi)，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(yàn)項(xiàng)目”(STP)是美國空軍的空間項(xiàng)目。STP-3任務(wù)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(jìn)(Long Duration Propulsive)改進(jìn)型一次性運(yùn)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(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)，其中一個(gè)載荷是)空間和大氣層爆炸報(bào)告系統(tǒng)(Space and Atmospheric Burst Reporting System，SABR-3)，用來探測(cè)核爆炸試驗(yàn)和空間環(huán)境數(shù)據(jù)。目前GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上也安裝了核爆炸探測(cè)器，該衛(wèi)星將作為GPS核爆炸檢測(cè)的補(bǔ)充。第二個(gè)載荷是NASA的激光通信中繼演示(Laser Communications Relay Demonstration，LCRD)，驗(yàn)證激光通信中繼載荷。此外，該衛(wèi)星還安裝了7個(gè)美國國防部的其他載荷。

LDPE衛(wèi)星實(shí)際上是一個(gè)可以承載各種載荷、部署小衛(wèi)星的衛(wèi)星平臺(tái)，類似于上面級(jí)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(tái)，主體是可以適配于多個(gè)運(yùn)載火箭的載荷適配圓環(huán)平臺(tái)，基于載荷托管思路提供了一個(gè)模塊化、低成本、高度靈活的平臺(tái)。ESPAStar平臺(tái)基于Orbital ATK公司的地球靜止軌道增強(qiáng)試驗(yàn)項(xiàng)目(EAGLE)任務(wù)，可以為搭載的有效載荷或小衛(wèi)星提供推進(jìn)、定點(diǎn)、遙測(cè)和遙控服務(wù)，可以搭載6～12個(gè)可分離的有效載荷或小衛(wèi)星。該計(jì)劃已經(jīng)更名為快速在軌空間技術(shù)與評(píng)估圓環(huán)項(xiàng)目(ROOSTER)。

5)導(dǎo)彈預(yù)警試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃

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

通過開展這些試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，美國積累了大量目標(biāo)和背景輻射特性數(shù)據(jù)，掌握了衛(wèi)星導(dǎo)彈預(yù)警規(guī)律，有效地支持了“國防支援計(jì)劃”、“天基紅外系統(tǒng)”、國家/戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和其他反導(dǎo)反衛(wèi)系統(tǒng)的研制和作戰(zhàn)應(yīng)用。

6)空間科學(xué)與實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃

美國早期主要是利用科學(xué)衛(wèi)星開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，后續(xù)主要是利用航天飛機(jī)和“國際空間站”開展相應(yīng)的科學(xué)研究[10]。

20世紀(jì)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(xué)衛(wèi)星”(Lifesat)等開展微重力及生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1981年美國成功發(fā)射第一架航天飛機(jī)，促進(jìn)了微重力科學(xué)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(tái)進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

目前，NASA通過其生命科學(xué)與物理科學(xué)研究和應(yīng)用部門(Space Life and Physical Sciences Research and Applications，SLPSRA)進(jìn)行空間生命和物理科學(xué)的研究。該部門屬于NASA的載人探索和運(yùn)行任務(wù)部。SLPSRA具有雙重職責(zé)：擴(kuò)展載人航天探索的知識(shí)、能力和機(jī)遇；在低地球軌道及以遠(yuǎn)引領(lǐng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)科學(xué)、技術(shù)和空間探索的發(fā)展，促進(jìn)知識(shí)、教育、創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)活力。SLPSRA管理NASA的三項(xiàng)計(jì)劃，分別為載人研究計(jì)劃、空間生物學(xué)計(jì)劃以及物理科學(xué)計(jì)劃[11-12]。

1.2 俄羅斯/蘇聯(lián)

俄羅斯/蘇聯(lián)的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列同其他衛(wèi)星一樣，都混編在宇宙號(hào)衛(wèi)星系列中，尤其是帶有軍用性質(zhì)的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星)，而后在20世紀(jì)80年代又研制了一系列專用于空間微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)的返回式衛(wèi)星——“光子”系列衛(wèi)星。

“生物”衛(wèi)星計(jì)劃是一項(xiàng)國際合作計(jì)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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可以幫助解決人在宇宙中長期飛行的能力問題，飛行時(shí)獲取的信息對(duì)于在實(shí)際醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用具有很高價(jià)值。在“生物”衛(wèi)星上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究生物對(duì)象有：單細(xì)胞生物、低級(jí)和高級(jí)植物、昆蟲、魚類、兩棲動(dòng)物、烏龜、白鼠、猴子等，已進(jìn)入空間的共計(jì)超過37種生物對(duì)象[13]。2005年“生物”項(xiàng)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(gè)月的太空生物試驗(yàn)，主要研究零重力對(duì)生物機(jī)體的影響、空間飛行中對(duì)零重力適應(yīng)性的生理機(jī)制、以及研究零重力和其他因素的聯(lián)合影響，這對(duì)于太陽系的載人行星探索活動(dòng)來說具有重要意義。第二顆“生物-M”衛(wèi)星計(jì)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(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要用于為國際用戶搭載微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)有效載荷，用于空間生命科學(xué)和空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)[14]。

“光子”系列衛(wèi)星從1985年至1991年，實(shí)現(xiàn)了12次成功發(fā)射。完成了半導(dǎo)體和光學(xué)材料、生物工藝、細(xì)胞生物學(xué)、分子結(jié)構(gòu)、晶體生長、流體物理學(xué)領(lǐng)域的研究計(jì)劃，確定了微加速度水平，近地空間因素(真空、輻射)對(duì)返回艙的影響，以及下降過程中地球大氣層對(duì)航天器的影響?！肮庾印盡1、“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(xué)試驗(yàn)、科學(xué)項(xiàng)目試驗(yàn)和太空材料研究試驗(yàn)。

1.3 日本

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

日本的“工程試驗(yàn)衛(wèi)星”(ETS)系列啟動(dòng)于20世紀(jì)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(yàn)證了離子推進(jìn)、移動(dòng)通信、數(shù)據(jù)中繼、激光通信、空間自主交會(huì)對(duì)接、空間機(jī)器人以及通過數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星對(duì)多星進(jìn)行測(cè)控的技術(shù)等多項(xiàng)空間技術(shù)[15]。于2006年發(fā)射的ETS-8是一顆綜合性的試驗(yàn)衛(wèi)星，該星進(jìn)一步驗(yàn)證了多項(xiàng)技術(shù)，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(jìn)等相關(guān)技術(shù)，尤其是驗(yàn)證了能提供大功率通信業(yè)務(wù)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(yàn)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(xué)和研究所，例如，東京大學(xué)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)等。日本主要利用微小衛(wèi)星開展空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)、空間攻防等。日本利用微小衛(wèi)星在天文探測(cè)、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(yàn)平臺(tái)，借助微小衛(wèi)星開展目標(biāo)監(jiān)視、危險(xiǎn)感知等。

2018年4月，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)“創(chuàng)新衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目”。該項(xiàng)目面向私企、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)征集用于衛(wèi)星的創(chuàng)新技術(shù)，由宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)提供衛(wèi)星平臺(tái)，并為參與項(xiàng)目的載荷提供為期一年的在軌技術(shù)驗(yàn)證。該項(xiàng)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(jié)束，計(jì)劃2022年發(fā)射。

表4 創(chuàng)新衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目

1.4 歐洲

歐洲空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，一部分是通過“國際空間站”進(jìn)行的。此外，數(shù)個(gè)歐洲國家還自主開發(fā)了系列科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)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(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)展有關(guān)回收有效載荷作業(yè)方面的經(jīng)驗(yàn)，為意大利發(fā)展自己國家獨(dú)立的返回式衛(wèi)星；也可為空間微重力科學(xué)和技術(shù)實(shí)驗(yàn)提供飛行機(jī)會(huì)；為其他學(xué)科，如天文和對(duì)地觀測(cè)，提供一種實(shí)惠、適應(yīng)性強(qiáng)的平臺(tái)。

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(tái)”。它是第一個(gè)專門作為微重力平臺(tái)的航天器。平臺(tái)質(zhì)量4491 kg，其中有效載荷質(zhì)量1000 kg，在軌飛行時(shí)間歷時(shí)11個(gè)月。共完成70多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及微重力實(shí)驗(yàn)，X射線天文觀測(cè)實(shí)驗(yàn)等幾個(gè)方面，是歐洲第一個(gè)長時(shí)間進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間平臺(tái)。

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

“星上自主項(xiàng)目”(PROBA)衛(wèi)星系列屬于歐洲航天局的技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃[17-18]。該系列衛(wèi)星是小型、低成本衛(wèi)星，用于驗(yàn)證新的航天器技術(shù)、研究技術(shù)、研發(fā)方法，同時(shí)還可攜帶科學(xué)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(yàn)證新的衛(wèi)星自主技術(shù)、小衛(wèi)星三軸控制技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)技術(shù)。PROBA-2衛(wèi)星于2009年11月發(fā)射，主要驗(yàn)證新型鋰電池、先進(jìn)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(jī)等17項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。PROBA-V衛(wèi)星于2013年4月發(fā)射，搭載了5臺(tái)先進(jìn)的有效載荷開展技術(shù)試驗(yàn)。PROBA-3衛(wèi)星包括2顆獨(dú)立的三軸穩(wěn)定子衛(wèi)星，具有精確的姿態(tài)控制能力，計(jì)劃于2022年發(fā)射，在軌主要開展高精度的編隊(duì)飛行試驗(yàn)，另外還將開展太陽日冕科學(xué)觀測(cè)等試驗(yàn)。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(shí)間國外科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)

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

表5 全球的科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)

續(xù) 表

1.6 發(fā)展特點(diǎn)和啟示

總結(jié)國外科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展，有以下特點(diǎn)和啟示：

(1)試驗(yàn)衛(wèi)星定位明確，制定系列發(fā)展規(guī)劃，呈現(xiàn)規(guī)模化、系列化特點(diǎn)。各航天大國都有明確的試驗(yàn)衛(wèi)星定位，根據(jù)各國國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，制定相應(yīng)的新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展戰(zhàn)略，并規(guī)劃了重點(diǎn)工程，確保滿足應(yīng)用型號(hào)、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和專項(xiàng)技術(shù)的需求。尤其是美國形成了以專用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列為主、平臺(tái)搭載為輔、種類齊全的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星體系。同時(shí)結(jié)合通信廣播、導(dǎo)航定位、軍事偵察、導(dǎo)彈預(yù)警、空間探測(cè)等領(lǐng)域的研究，制定長期、穩(wěn)定的試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展計(jì)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(shù)試驗(yàn)的長效機(jī)制。世界主要航天國家在發(fā)展衛(wèi)星新技術(shù)的過程中，都建立了長效的試驗(yàn)機(jī)制，長期開展空間演示驗(yàn)證。日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星(ETS)項(xiàng)目啟動(dòng)于70年代，迄今此計(jì)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(shù)做出了卓越的貢獻(xiàn)。國外試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目涉及衛(wèi)星組件、新技術(shù)、新原理、新方法、新型載荷和元器件等，種類繁多。試驗(yàn)?zāi)Ｊ桨▎涡窃囼?yàn)和多星系統(tǒng)試驗(yàn)，隨著航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，試驗(yàn)項(xiàng)目類型將進(jìn)一步呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。其中，很多是軍方主導(dǎo)的試驗(yàn)衛(wèi)星，或是具有很強(qiáng)軍事應(yīng)用背景的試驗(yàn)項(xiàng)目。例如，美國的“試驗(yàn)衛(wèi)星系列”、戰(zhàn)術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星、導(dǎo)彈預(yù)警試驗(yàn)衛(wèi)星計(jì)劃和日本的ETS等計(jì)劃都有著深刻的軍事應(yīng)用背景。

(3)試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)展與國家航天系統(tǒng)規(guī)模相適應(yīng)。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(jí)大國，全面發(fā)展各類衛(wèi)星技術(shù)，相應(yīng)形成了全面發(fā)展的技術(shù)試驗(yàn)航天器體系；歐洲、印度、以色列等更專注滿足自身航天應(yīng)用需求的某一特定領(lǐng)域，以解決特定應(yīng)用需求為目標(biāo)。日本則以加入美歐等航天大布局為目標(biāo)，尋找切入點(diǎn)，發(fā)展目標(biāo)更著重工藝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)，提高工業(yè)能力，走專項(xiàng)發(fā)展型道路。

(4)衛(wèi)星系統(tǒng)小型化、低成本化，試驗(yàn)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。隨著微電子技術(shù)和輕型材料技術(shù)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(shù)發(fā)展迅猛。由于具有質(zhì)量輕、研制成本低、性能高、研制周期短、發(fā)射靈活等特點(diǎn)，使得小衛(wèi)星成為試驗(yàn)領(lǐng)域的主力軍，利用小衛(wèi)星開展空間試驗(yàn)成為主要的發(fā)展趨勢(shì)。其次，通過構(gòu)建靈活的公用試驗(yàn)衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同試驗(yàn)項(xiàng)目的通用化匹配。經(jīng)過多年的實(shí)踐，國外一些主要的衛(wèi)星制造商，已經(jīng)推出一批標(biāo)準(zhǔn)化的平臺(tái)。例如，美國TRW公司的“鷹”型小衛(wèi)星公用平臺(tái)，已多次用于本國的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星及我國臺(tái)灣“華衛(wèi)一號(hào)”小衛(wèi)星。美國軌道科學(xué)公司采用模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)了“微星”平臺(tái)，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(yàn)衛(wèi)星。

(5)空間攻防、軌道服務(wù)、深空探測(cè)及空間激光通信等在近年來成為新的技術(shù)試驗(yàn)熱點(diǎn)領(lǐng)域。美國、日本等國均開展了空間攻防及軌道服務(wù)試驗(yàn)。日本的隼鳥2號(hào)順利完成小行星探測(cè)任務(wù)。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(qiáng)大空基互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)邁出了重要一步。

2 中國科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展

為了對(duì)航天任務(wù)急需的新技術(shù)開展驗(yàn)證，同時(shí)開展空間環(huán)境探測(cè)與空間科學(xué)研究，中國從剛開始研制衛(wèi)星時(shí)，就開始發(fā)展科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列。1971年3月3日，中國第2顆人造地球試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐-1發(fā)射成功，開啟了中國科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展的序幕，經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來，快速發(fā)展和壯大，形成了由國家主導(dǎo)，包含軍、民兩條線，各有側(cè)重，多方參與的科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)展模式。

從20世紀(jì)70年代初至90年代末，中國先后研制和發(fā)射了實(shí)踐一號(hào)、實(shí)踐二號(hào)衛(wèi)星群、實(shí)踐四號(hào)以及實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星，初步形成了實(shí)踐系列科學(xué)探測(cè)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。此階段中國發(fā)射的實(shí)踐系列衛(wèi)星主要針對(duì)航天任務(wù)急需的新技術(shù)進(jìn)行先期試驗(yàn)，提高衛(wèi)星平臺(tái)的可靠性，掌握了能源、熱控等長期在軌工作能力，特別是實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星，驗(yàn)證了先進(jìn)的公用化平臺(tái)，進(jìn)一步完善了基礎(chǔ)能力，解決了進(jìn)入空間的問題，為推動(dòng)衛(wèi)星發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

進(jìn)入21世紀(jì)，中國航天領(lǐng)域步入全面高速發(fā)展階段，基于新階段、新形勢(shì)，2008年國家重新規(guī)劃了民用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列，并于2012年10月發(fā)射了該系列首發(fā)星實(shí)踐九號(hào)，開展衛(wèi)星長壽命高可靠、高精度高性能、國產(chǎn)核心元器件和衛(wèi)星編隊(duì)及星間測(cè)量與鏈路等試驗(yàn)。這一時(shí)期發(fā)展的眾多試驗(yàn)衛(wèi)星開創(chuàng)了中國空間新技術(shù)試驗(yàn)領(lǐng)域的高速發(fā)展期并延續(xù)至今，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；⒊B(tài)化發(fā)展態(tài)勢(shì)，全面支撐了中國航天規(guī)模化建設(shè)、商業(yè)化應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)高水平下的持續(xù)發(fā)展提供了保障。

2.1 實(shí)踐系列衛(wèi)星

中國先后研制和發(fā)射了國家主導(dǎo)的服務(wù)于民用航天建設(shè)的實(shí)踐系列技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，取得了豐碩的技術(shù)試驗(yàn)成果。

在東方紅一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功不到一年的時(shí)間內(nèi)，在充分利用其技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國于1971年3月3日發(fā)射了科學(xué)探測(cè)與技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列中的第一顆衛(wèi)星，實(shí)踐一號(hào)[19]。實(shí)踐一號(hào)衛(wèi)星的空間技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)是對(duì)衛(wèi)星的基本技術(shù)和系統(tǒng)進(jìn)行長期空間考驗(yàn)，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(dòng)式溫控系統(tǒng)、16路遙測(cè)系統(tǒng)等。在太空正常運(yùn)行了8年多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原定1年的設(shè)計(jì)壽命，為中國研制長壽命衛(wèi)星提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐一號(hào)衛(wèi)星外形如圖4所示。

圖4 實(shí)踐一號(hào)衛(wèi)星

1981年9月20日，中國以一箭三星的方式發(fā)射了實(shí)踐二號(hào)、實(shí)踐二號(hào)甲和實(shí)踐二號(hào)乙衛(wèi)星。實(shí)踐二號(hào)衛(wèi)星以空間環(huán)境試驗(yàn)為主，對(duì)空間輻射環(huán)境及效應(yīng)進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)開展了電池帆板供電、自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制、主動(dòng)式溫控技術(shù)試驗(yàn)。實(shí)踐二號(hào)甲和實(shí)踐二號(hào)乙衛(wèi)星分別作為電離層探測(cè)信標(biāo)衛(wèi)星和無源雷達(dá)定標(biāo)試驗(yàn)衛(wèi)星開展在軌試驗(yàn)。

1994年2月8日，長征三號(hào)甲運(yùn)載火箭將實(shí)踐四號(hào)衛(wèi)星送人預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。實(shí)踐四號(hào)衛(wèi)作為用于探測(cè)空間輻射環(huán)境及其效應(yīng)的衛(wèi)星，通過配備的質(zhì)子、電子和等離子體探測(cè)器，首次測(cè)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(guān)系[20]。

1999年5月10日發(fā)射了實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星，實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星以推出衛(wèi)星公用平臺(tái)為目標(biāo)，首次應(yīng)用國際通行的S波段統(tǒng)一體制測(cè)控系統(tǒng)，應(yīng)用星務(wù)管理概念進(jìn)行星上電子設(shè)備的功能集成設(shè)計(jì)[21]，并首次對(duì)工業(yè)級(jí)和商用器件進(jìn)行了在軌試驗(yàn)，完成了兩層流微重力科學(xué)試驗(yàn)、新技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)與單粒子探測(cè)與對(duì)策試驗(yàn)。實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星飛行示意如圖5所示。

2012年10月14日發(fā)射的實(shí)踐九號(hào)A/B衛(wèi)星是中國新世紀(jì)以來國家立項(xiàng)的民用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列的首發(fā)星，由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負(fù)責(zé)研制，主要用于衛(wèi)星長壽命高可靠、高精度高性能、國產(chǎn)核心元器件和衛(wèi)星編隊(duì)及星間測(cè)量與鏈路等試驗(yàn)。目前實(shí)踐九號(hào)A/B衛(wèi)星已經(jīng)成功完成了以星間編隊(duì)飛行、電推力器為代表的所有預(yù)定在軌試驗(yàn)任務(wù)，所有搭載項(xiàng)目均基于在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了客觀、準(zhǔn)確、全面的評(píng)價(jià)[22-24]。經(jīng)過實(shí)踐九號(hào)驗(yàn)證的電推進(jìn)技術(shù)，已經(jīng)用在我國同步軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)、載人空間站先后裝備使用，大大提升了平臺(tái)能力；輕型遙感相機(jī)突破了全色多光譜相機(jī)所采用的小相對(duì)孔徑的全反式光學(xué)系統(tǒng)、全色多光譜TDICCD成像技術(shù)、輕型結(jié)構(gòu)材料等關(guān)鍵技術(shù)，在遙感相機(jī)上廣泛使用。實(shí)踐九號(hào)A/B衛(wèi)星飛行示意如圖6、圖7所示。

圖6 實(shí)踐九號(hào)A衛(wèi)星飛行示意

圖7 實(shí)踐九號(hào)B衛(wèi)星飛行示意

2016年4月6日發(fā)射的實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星是中國首顆微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，它是空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星中唯一一顆返回式衛(wèi)星，專門用于微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)研究[25-26]。衛(wèi)星搭載了蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實(shí)驗(yàn)、顆粒流體氣液相分離空間實(shí)驗(yàn)等10項(xiàng)微重力科學(xué)空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，空間輻射對(duì)基因組的作用和遺傳效應(yīng)研究、空間環(huán)境對(duì)家蠶發(fā)育的影響與變異機(jī)理的研究等10項(xiàng)空間生命科學(xué)空間實(shí)驗(yàn)。

2017年4月12日發(fā)射的實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星是中國首顆高通量、電推進(jìn)工程化應(yīng)用的通信衛(wèi)星，同時(shí)承擔(dān)中國首次在地球同步軌道衛(wèi)星上開展對(duì)地高速激光通信試驗(yàn)等任務(wù)。

2019年12月27日發(fā)射的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星主要對(duì)中國新一代大型共用平臺(tái)-東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行在軌驗(yàn)證。在軌成功驗(yàn)證了新一代大功率供配電系統(tǒng)、萬瓦級(jí)高效熱控系統(tǒng)、新一代大功率電推進(jìn)系統(tǒng)、超高速激光通信系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)甚高通量通信衛(wèi)星系統(tǒng)Q/V頻段星地通信試驗(yàn)、跳波束轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)跨區(qū)域星地通信試驗(yàn)等。實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星成功在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，使中國衛(wèi)星平臺(tái)的綜合服務(wù)能力達(dá)到國際一流。

2.2 試驗(yàn)系列衛(wèi)星

中國先后研制和發(fā)射了試驗(yàn)系列衛(wèi)星，開展了多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)，有力推進(jìn)了中國航天事業(yè)發(fā)展。

“試驗(yàn)衛(wèi)星一號(hào)”于2004年4月發(fā)射，主要用于地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)。2004年11月，“試驗(yàn)衛(wèi)星二號(hào)”成功發(fā)射?！霸囼?yàn)衛(wèi)星二號(hào)”是一顆科學(xué)試驗(yàn)小衛(wèi)星，具有高精度控制、快速側(cè)擺和偏航機(jī)動(dòng)能力。這次發(fā)射主要是通過對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)高精度控制技術(shù)、集成化星務(wù)技術(shù)、高效電源技術(shù)、多功能結(jié)構(gòu)技術(shù)等新技術(shù)的演示驗(yàn)證，進(jìn)一步考核科學(xué)試驗(yàn)型小衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)?！霸囼?yàn)衛(wèi)星三號(hào)”于2008年11月發(fā)射，主要用于空間環(huán)境探測(cè)新技術(shù)試驗(yàn)。

“試驗(yàn)衛(wèi)星四號(hào)”、“試驗(yàn)衛(wèi)星五號(hào)”分別于2011年11月和2013年11月發(fā)射，主要任務(wù)目標(biāo)是開展空間技術(shù)試驗(yàn)和環(huán)境探測(cè)。

2.3 科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

進(jìn)入新世紀(jì)以來，中國在空間科學(xué)研究、探測(cè)、實(shí)驗(yàn)技術(shù)都獲得了較大的發(fā)展，先后發(fā)射了多顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，具有代表性的有探測(cè)雙星、張衡一號(hào)、空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

“地球雙星探測(cè)計(jì)劃”是中國與歐洲航天局合作的空間科學(xué)探測(cè)計(jì)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(fù)責(zé)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(cè)計(jì)劃取得了大量的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和一些重要的科學(xué)探測(cè)結(jié)果，使中國的空間科學(xué)事業(yè)產(chǎn)生了跨越式發(fā)展；同時(shí)打開了中國與歐洲航天局開展空間科學(xué)與技術(shù)合作的大門，具有非常重要的國際影響[27]。

“張衡一號(hào)”電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星是中國地球物理場探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星?！皬埡庖惶?hào)”衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負(fù)責(zé)研制，于2018年2月2日成功發(fā)射?！皬埡庖惶?hào)”衛(wèi)星利用覆蓋范圍廣、電磁環(huán)境好、動(dòng)態(tài)信息強(qiáng)、無地域限制等優(yōu)勢(shì)，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(cè)，為地震機(jī)理研究、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供新的技術(shù)手段[28]。衛(wèi)星飛行示意如圖8所示。

圖8 “張衡一號(hào)”衛(wèi)星飛行示意

天琴一號(hào)衛(wèi)星是“天琴”引力波探測(cè)計(jì)劃技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證的第一步，目的是構(gòu)建空間高精度慣性基準(zhǔn)，對(duì)空間引力波探測(cè)共性關(guān)鍵技術(shù)開展在軌驗(yàn)證。天琴一號(hào)衛(wèi)星由航天東方紅衛(wèi)星有限公司負(fù)責(zé)研制，于2019年12月發(fā)射，經(jīng)過半年的飛行試驗(yàn)，成功驗(yàn)證了無拖曳控制技術(shù)、高精度慣性傳感技術(shù)、推力連續(xù)可變的微牛級(jí)推進(jìn)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)建高精度空間慣性基準(zhǔn)的任務(wù)目標(biāo)。

空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)旨在加深對(duì)宇宙和地球的理解，通過自主和國際合作科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，尋找空間科學(xué)領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)，并取得新突破。目前已經(jīng)完成了“暗物質(zhì)粒子探測(cè)”(DAMPE)衛(wèi)星、“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡”(HXMT)、“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”(QUESS)、實(shí)踐-10返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的研制和發(fā)射，并正在開展相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)。目前已經(jīng)取得了階段性成果，并獲得了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注；同時(shí)，也吸引了眾多國際一流科學(xué)家的積極參與，擴(kuò)大了我國空間科學(xué)計(jì)劃的國際影響，并為提高相關(guān)技術(shù)研究水平奠定了重要基礎(chǔ)?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)的實(shí)施將在暗物質(zhì)、量子力學(xué)完備性和空間環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律/生命活動(dòng)規(guī)律等方面取得重大科學(xué)突破，不僅將推動(dòng)我國空間科學(xué)事業(yè)跨越式發(fā)展、提升我國在國際空間科學(xué)界的地位和影響，而且將為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展甚至人類的文明進(jìn)步做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)

“暗物質(zhì)粒子探測(cè)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(fù)責(zé)研制。其首要科學(xué)目標(biāo)為通過高精度觀測(cè)(正負(fù))電子和伽馬射線的能譜、方向分布來間接探測(cè)暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變后留下的遺跡。衛(wèi)星作為一個(gè)高能粒子探測(cè)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(shí)對(duì)伽馬射線的觀測(cè)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(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”飛行示意

“X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”于2017年6月發(fā)射，由中國空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)研制。經(jīng)過在軌飛行驗(yàn)證，取得了銀道面掃描及X射線源的監(jiān)測(cè)、黑洞和中子星雙星的時(shí)變與能譜分析、伽馬射線暴和引力波電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)、多波段聯(lián)合觀測(cè)等多項(xiàng)科學(xué)成果[31]。衛(wèi)星飛行示意如圖10所示。

圖10 “X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”飛行示意

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(fù)責(zé)研制。衛(wèi)星有效載荷包括量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)、量子密鑰通信機(jī)和量子實(shí)驗(yàn)控制與處理機(jī)，共同完成糾纏光子的生成、發(fā)送、地面通信以及實(shí)驗(yàn)控制[32]。

2.4 企業(yè)自主試驗(yàn)衛(wèi)星

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

新技術(shù)驗(yàn)證一號(hào)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(shù)研究院自主開發(fā)研制的第一顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，以驗(yàn)證后續(xù)型號(hào)任務(wù)急需和引領(lǐng)未來技術(shù)發(fā)展為主要目的，以繼承成熟技術(shù)和選用相對(duì)成熟的產(chǎn)品搭建衛(wèi)星基本平臺(tái)、注重衛(wèi)星研制流程和方法創(chuàng)新為指導(dǎo)思想進(jìn)行衛(wèi)星研制，形成一個(gè)適應(yīng)常態(tài)化搭載的微小衛(wèi)星新平臺(tái)，同時(shí)探索出一套項(xiàng)目遴選、集同工作、試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估、成果轉(zhuǎn)化的新工作機(jī)制[33]。

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

靈巧通信試驗(yàn)衛(wèi)星是清華大學(xué)聯(lián)合北京信威通信技術(shù)股份有限公司自籌自研的一顆空間通信試驗(yàn)小衛(wèi)星[34]。靈巧衛(wèi)星的主要功能和任務(wù)是開展空間移動(dòng)通信與空間頻譜監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。2014年9月衛(wèi)星發(fā)射升空，成功實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星手持機(jī)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(cè)試試驗(yàn)，靈巧通信試驗(yàn)衛(wèi)星工程任務(wù)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)了中國首顆低軌移動(dòng)通信衛(wèi)星的重要突破[35]。

3 發(fā)展展望

科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星是人類最早進(jìn)入太空的航天器，世界主要航天大國對(duì)空間技術(shù)試驗(yàn)非常重視，投入了大量資金來開展空間科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)，并取得良好成效。未來發(fā)展科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星是各航天大國夯實(shí)航天基礎(chǔ)技術(shù)、培育航天應(yīng)用技術(shù)、探索航天前沿技術(shù)的一條必由之路。

1)各國按照各自空間科學(xué)計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星任務(wù)

在整個(gè)空間科學(xué)領(lǐng)域，美國制定了完整的空間科學(xué)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，在空間科學(xué)領(lǐng)域占絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)。俄羅斯通過《2030年及以遠(yuǎn)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(biāo)和規(guī)劃，推進(jìn)其空間科學(xué)計(jì)劃和任務(wù)的實(shí)施。歐洲長期以來也持續(xù)更新并堅(jiān)持實(shí)施其空間科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃，穩(wěn)步實(shí)施“宇宙愿景2015—2025”空間科學(xué)計(jì)劃，在空間科學(xué)領(lǐng)域居重要地位。日本定期發(fā)布《宇宙基本計(jì)劃》，有重點(diǎn)地在空間科學(xué)領(lǐng)域取得突破[37]。

2)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星規(guī)?；⑾盗谢?、平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化

鑒于試驗(yàn)衛(wèi)星在航天裝備發(fā)展中的突出作用，未來技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星規(guī)?；?、系列化是其一個(gè)重要特點(diǎn)。特別是美國形成了以專用技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星系列為主、平臺(tái)搭載為輔、種類齊全的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星體系。我國也將結(jié)合自身發(fā)展需求，持續(xù)發(fā)展實(shí)踐系列、試驗(yàn)系列技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)快速在軌試驗(yàn)，降低試驗(yàn)成本，未來將更加注重提高試驗(yàn)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化水平。通過構(gòu)建靈活的試驗(yàn)衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同試驗(yàn)項(xiàng)目的高度適應(yīng)化。

3)深入開展國際合作模式

科學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目的研制成本高、周期長，且直接經(jīng)濟(jì)效益反應(yīng)不迅速，國際合作是目前全球科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的大趨勢(shì)，已有多個(gè)國家成功進(jìn)行了科學(xué)衛(wèi)星領(lǐng)域的國際合作，取得了巨大成功，未來大量科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)將趨于國際合作模式。中國在“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)”等科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星中也廣泛開展國際合作，實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)的創(chuàng)新性和科學(xué)技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性[38]。

4)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)星發(fā)展，進(jìn)入空間的門檻降低，高校、私營企業(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。