科学技术试验卫星发展与展望

赵志明 翟峰 付重 张红亮

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

自1957年10月全球第一颗人造卫星首次发射成功，人类开始了探索宇宙的新纪元，人造卫星在科学、军事和国民经济各个方面都得到了极其广泛的应用。如果按用途划分，人造地球卫星一般可分为:科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。

科学卫星是指为科学研究服务的人造卫星，主要包括空间物理探测卫星、天文卫星、生物卫星、微重力试验卫星等。从第一颗人造卫星起，人类不断利用各种飞行器对太空进行探测和研究，极大地开拓了人类认识宇宙的视野，推动了空间科学、空间技术和空间应用的发展。技术试验卫星是用于卫星工程技术和空间应用技术的原理性或工程性试验的人造地球卫星。从航天时代开始，技术试验卫星就成为开发空间技术的试验基地，往往用于投资昂贵的大任务之前在实际的轨道环境中和可接受的风险下对新技术或业务进行迅速的验证、演示和评估，成为空间技术发展的重要阶段。本文从科学技术试验卫星发展历程、主要试验卫星项目以及取得的成就等方面，总结了世界主要航天大国科学与技术试验卫星发展情况，并对未来发展进行了展望。

1 国外科学技术试验卫星发展综述

回顾世界上各航天大国新技术试验卫星的发展历程，可以看出其发展经历了两个高速发展时期。

1)第一个时期1957—1975年

这是航天事业的探索阶段。在此时期技术试验卫星的主要任务是开展卫星技术验证、新应用领域的概念与技术验证以及空间环境探测等。比较有代表性的有探索者-11、轨道天文观测台系列、小型天文卫星等，主要开展空间环境探测；轨道飞行器系列，主要开展生物物理实验、微重力实验等；生物卫星系列，主要开展生命科学实验，研究空间环境对生命过程的效应。通过大量的技术试验，各主要航天大国掌握了航天的基础技术，开拓了新的空间应用领域，满足了人类空间探索和空间资源利用的早期需求。

2)第二个时期1995年至今

随着科学技术特别是信息、电子、新材料技术的飞速发展，出现了大量可以提高航天器性能水平的新技术、新材料和新设备，世界各国又开始了新一轮的技术试验卫星研制热潮。

近20年来，美国、日本、欧洲航天局等在新技术试验卫星领域纷纷加大投入，推出新的技术试验卫星发展规划。美国制定了新盛世计划(New Millenium Program，NMP)，日本继续发展工程试验卫星(Engineering Test Satellite，ETS)系列及专题技术试验卫星。一些在航天领域起步较晚的国家针对本国的发展态势，也规划了专用的技术试验卫星系列，如印度规划了技术试验卫星系列 (Technology Experiment Satellite，TES)并研制和发射了TES-1，以色列提出了技术试验卫星(TechSAT)计划并研制和发射了TechSAT-1、2卫星。

下面对美国、俄罗斯/苏联、日本、欧洲等主要航天大国科学技术试验卫星发展情况进行介绍，并总结其发展特点和启示。

1.1 美国

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，种类相对齐全的卫星技术试验体系。在系统性的航天政策以及战略规划指导下，可持续地开展各空间技术试验项目的发展规划，陆续制定了多个技术试验卫星发展计划，如新盛世计划。随着空间技术发展，同时为保持美国在空间领域的战略优势，进一步开发先进的空间能力，陆续推出了多个研究项目：如战术试验卫星系列、“轨道快车”、分离模块航天器系统、空间监视望远镜等。

迄今为止，美国实施的数十个具有空间试验性质的卫星计划，其试验领域涵盖了基础元器件试验、平台共性技术试验、新技术试验和型号原型试验等，几乎覆盖了所有技术和应用领域，形成了以专用技术试验卫星系列为主，平台搭载为辅，种类丰富的技术试验卫星系列。美国通过试验卫星不断提高其航天核心能力，确保了美国在航天领域的领导地位，主要有以下几个典型的计划系列。

1)“新盛世”计划

美国于1995年提出了“新盛世”计划。该计划旨在进一步落实更快、更好、更省的发展方针，研制一批小型、低成本、自主工作的试验航天器(深空探测器和人造地球卫星)，满足21世纪初在外层空间建立无人探测研究基地的需要[1-2]。“新盛世”计划的主要卫星如表1所示。

表1 “新盛世”计划的主要卫星

2)战术试验卫星系列

在快速响应领域，美国空军、海军和其他联合实验室研制一系列微小型卫星，称为“战术星”，可直接为战区提供信息服务[3-5]。该系列卫星将采用专用因特网协议的网络与战区作战部队联系，为发展空间快速响应卫星奠定技术基础。目前，该系列卫星已经进行了多次试验。战术试验卫星系列如表2所示。

表2 战术试验卫星系列

2007年，美国国防部创建了空军作战响应空间(ORS)办公室，作为调整空间能力和改变国家安全需求的一项积极举措。作战快速响应概念寻求低成本的发射系统，该系统可快速将携带有效载荷的小卫星发射升空，以补充因冲突、故障或自然灾害而损失的关键能力[6]。

“空间试验计划卫星”(STPsat)支持美国快速作战响应空间(ORS)战略，可确保美国的太空优势地位。STPSat-3卫星是鲍尔宇航公司为美国国防部空间试验项目标准接口运载器(STP-SIV)计划研制的第2颗卫星，STP-SIV计划的首颗卫星STPSat-2已于2010年11月12日发射升空。

STPSat-3卫星与其它众多ORS-3任务立方体卫星(Cubesats)于2013年11月19日由米诺陶-1(Minotaur I)火箭发射升空。STPSat-3卫星采用STP-SIV体系架构，可容纳多个独立的有效载荷，并有独立的电源和数据接口。该卫星还能提供一个与多种运载火箭兼容的标准接口，支持快速发射计划，降低有效载荷在轨试验的风险。STPSat-3卫星基于飞行验证通用卫星总线平台建造，建成仅用47天，并配有标准有效载荷接口，搭载有5个有效载荷，其中包括：

(1)集成微型静电分析仪-再次试飞(iMESA-R)，美国空军学院任务，旨在测量等离子体密度和能量。

(2)联合组件研究(J-CORE)，由空军研究实验室(AFRL)/ EO 对策科技分部(RYMW)和美国陆军航天与导弹防御司令部(SMDC)承办的一个空间现象学任务。

(3)条型传感器组件(SSU)，美国空军研究实验室的定向能(RD)实验，旨在通过传感器组件在轨测试和运行试验，以期降低风险。

(4)小型风和温度光谱仪(SWATS)，海军研究实验室(NRL)任务，可对中性和等离子环境提供现场测量，以表征地球的电离层和热层。

(5)太阳总辐照度校正传输实验(TCTE)，NASA / NOAA任务，旨在通过由大气和空间物理实验室提供的TCTE设备，收集对太阳总辐照度(TSI )的高精密测量数据，监测在地球大气层顶部的太阳辐射变化。

3)“轨道快车”计划[7]

“轨道快车”(Orbital Express)计划是由美国高级研究项目局(DARPA)于1999年提出的，其目的是开发研究未来空间在轨补给、修复与重构技术，并通过在轨飞行演示验证达到发展该技术的目的[8]。“轨道快车”演示验证系统包括1颗自主空间运输和机器人轨道器和1颗可升级可维修的目标卫星。2007年3月，“轨道快车”的两颗卫星发射升空，在轨开展了自主交会对接、在轨装配、燃料加注以及航天器在轨升级等试验。卫星飞行示意如图1所示。

图1 轨道快车飞行示意

4)空军“试验卫星”系列

由美空军研究实验室提出的空军“试验卫星系列”(XSS)计划[9]，该计划包括XSS-10和XSS-11两颗微小卫星，其目标是获取完全自主的空间维护与服务能力。目前已完成了2颗微小卫星的试验验证。XSS-10卫星质量28 kg，于2003年1月发射。XSS-11卫星系统是XSS系列计划中的第二个系统，质量145 kg，于2005年4月发射，其最大特点是可以对多个目标实施靠近操作。XSS-11卫星运用先进的传感器和微电子等技术．验证了航天器在近距离围绕空间目标进行多种类型的机动，包括位置保持、运动转换及绕飞以及通过软件算法来实现快速脱离目标和进入自然轨道的能力。

DARPA正在研究一些“非常规”概念，来维持美国的空间弹性。其中一个是“机载发射辅助空间进入”(ALASA)项目，使用未经改装的F-15战斗机发射小卫星。在发射地点方面，ALASA可提供更大的机动性，该系统还允许进行更广泛的卫星轨道选择。此外，该项目正在寻求使当前发射成本降低3倍的方案。ALASA的机动性将提供更高的任务频率，并可减少发射次数。XS-1空天飞机旨在提供可重复使用的第一级以替代F-15，并配备可到达LEO的第二级火箭。DARPA计划利用该系统，在接到通知的24 h之内，将45.359 kg有效载荷发送至LEO，发射成本为100万美元。

“航天试验项目”(STP)是美国空军的空间项目。STP-3任务将发射2颗GEO静止轨道卫星，分别是STPSat-6卫星和“长期推进(Long Duration Propulsive)改进型一次性运载器(EELV)辅载荷发射接口(ESPA)”卫星。

STPSat-6卫星由诺斯罗普-格鲁门公司所属创新系统公司(Orbital ATK公司前身)基于A-500卫星总线研制。在轨将进行多项试验，其中一个载荷是)空间和大气层爆炸报告系统(Space and Atmospheric Burst Reporting System，SABR-3)，用来探测核爆炸试验和空间环境数据。目前GPS导航卫星上也安装了核爆炸探测器，该卫星将作为GPS核爆炸检测的补充。第二个载荷是NASA的激光通信中继演示(Laser Communications Relay Demonstration，LCRD)，验证激光通信中继载荷。此外，该卫星还安装了7个美国国防部的其他载荷。

LDPE卫星实际上是一个可以承载各种载荷、部署小卫星的卫星平台，类似于上面级系统。制造商也是诺斯罗普格鲁门公司所收购的Orbital ATK分部。LDPE卫星基于ESPAStar平台，主体是可以适配于多个运载火箭的载荷适配圆环平台，基于载荷托管思路提供了一个模块化、低成本、高度灵活的平台。ESPAStar平台基于Orbital ATK公司的地球静止轨道增强试验项目(EAGLE)任务，可以为搭载的有效载荷或小卫星提供推进、定点、遥测和遥控服务，可以搭载6～12个可分离的有效载荷或小卫星。该计划已经更名为快速在轨空间技术与评估圆环项目(ROOSTER)。

5)导弹预警试验卫星计划

围绕卫星导弹预警任务，美国自20世纪60年代，开展了天基红外导弹防御警报系统、红外多光谱成像卫星试验、微型传感器技术集成试验、中段空间试验、俄美监视卫星空间合作、近场红外试验等多颗试验卫星计划。

通过开展这些试验卫星项目，美国积累了大量目标和背景辐射特性数据，掌握了卫星导弹预警规律，有效地支持了“国防支援计划”、“天基红外系统”、国家/战区导弹防御系统和其他反导反卫系统的研制和作战应用。

6)空间科学与实验卫星计划

美国早期主要是利用科学卫星开展科学实验，后续主要是利用航天飞机和“国际空间站”开展相应的科学研究[10]。

20世纪60、70年代美国先后发射了3颗返回式生物卫星和“蛙耳石”卫星及“生命科学卫星”(Lifesat)等开展微重力及生命科学实验。

1981年美国成功发射第一架航天飞机，促进了微重力科学研究的发展，自此，美国终止了使用返回式卫星。目前美国主要以“国际空间站”为平台进行空间科学实验。

目前，NASA通过其生命科学与物理科学研究和应用部门(Space Life and Physical Sciences Research and Applications，SLPSRA)进行空间生命和物理科学的研究。该部门属于NASA的载人探索和运行任务部。SLPSRA具有双重职责：扩展载人航天探索的知识、能力和机遇；在低地球轨道及以远引领科学发现，驱动科学、技术和空间探索的发展，促进知识、教育、创新和经济活力。SLPSRA管理NASA的三项计划，分别为载人研究计划、空间生物学计划以及物理科学计划[11-12]。

1.2 俄罗斯/苏联

俄罗斯/苏联的技术试验卫星系列同其他卫星一样，都混编在宇宙号卫星系列中，尤其是带有军用性质的试验卫星更是如此，其公开的信息非常有限。

苏联自1966年开始发射“生物”卫星(一种微重力实验卫星)，而后在20世纪80年代又研制了一系列专用于空间微重力科学实验的返回式卫星——“光子”系列卫星。

“生物”卫星计划是一项国际合作计划，是基于第一代照相侦察卫星改装而成的，1966年首次发射，约1～2年发射1颗。共发射了11颗。所进行的实验可以帮助解决人在宇宙中长期飞行的能力问题，飞行时获取的信息对于在实际医学中的广泛应用具有很高价值。在“生物”卫星上进行的实验研究生物对象有：单细胞生物、低级和高级植物、昆虫、鱼类、两栖动物、乌龟、白鼠、猴子等，已进入空间的共计超过37种生物对象[13]。2005年“生物”项目重新开始，包括3颗 “生物-M”卫星。第一颗卫星于2013年4月发射，完成了在轨一个月的太空生物试验，主要研究零重力对生物机体的影响、空间飞行中对零重力适应性的生理机制、以及研究零重力和其他因素的联合影响，这对于太阳系的载人行星探索活动来说具有重要意义。第二颗“生物-M”卫星计划于2022年发射。

俄罗斯“光子”卫星为典型的返回式卫星，包括 “光子”系列卫星和“光子”M系列卫星。该卫星系列作为经常性的空间科学实验平台，主要用于为国际用户搭载微重力科学实验有效载荷，用于空间生命科学和空间材料科学实验[14]。

“光子”系列卫星从1985年至1991年，实现了12次成功发射。完成了半导体和光学材料、生物工艺、细胞生物学、分子结构、晶体生长、流体物理学领域的研究计划，确定了微加速度水平，近地空间因素(真空、辐射)对返回舱的影响，以及下降过程中地球大气层对航天器的影响。“光子”M1、“光子”M2、“光子”M4卫星分别于2005年、2007年、2014年成功发射，在轨开展了生物医学试验、科学项目试验和太空材料研究试验。

1.3 日本

日本在航天发展过程中一直非常重视技术试验卫星的发展，重视工程技术，尤其是工艺和产品的验证研究，发展了“工程试验卫星”、“微纳卫星”、“空间科学”等系列试验卫星。通过开展广泛的空间试验，日本取得了许多创新性的成果，尤其是在空间交会对接和空间机器人等方面技术十分先进。

日本的“工程试验卫星”(ETS)系列启动于20世纪70年代，目前共发射了8颗卫星，具体如表3所示。ETS系列验证了离子推进、移动通信、数据中继、激光通信、空间自主交会对接、空间机器人以及通过数据中继卫星对多星进行测控的技术等多项空间技术[15]。于2006年发射的ETS-8是一颗综合性的试验卫星，该星进一步验证了多项技术，包括大型静地轨道卫星的电力、姿态控制、热控制和推进等相关技术，尤其是验证了能提供大功率通信业务的大型展开式天线[16]。ETS-8卫星飞行示意如图2所示。

表3 日本工程试验卫星

图2 ETS-8卫星飞行示意

日本非常重视微小卫星的研究和制造，其研究主力是大学和研究所，例如，东京大学、日本宇宙航空研究开发机构等。日本主要利用微小卫星开展空间科学与技术试验、空间攻防等。日本利用微小卫星在天文探测、地球物理等方面取得了飞速发展，并形成专业微小卫星试验平台，借助微小卫星开展目标监视、危险感知等。

2018年4月，日本宇宙航空研究开发机构启动“创新卫星技术试验项目”。该项目面向私企、大学和研究机构征集用于卫星的创新技术，由宇宙航空研究开发机构提供卫星平台，并为参与项目的载荷提供为期一年的在轨技术验证。该项目第一期的7颗微小卫星已于2019年1月以一箭七星方式成功发射，如表4所示。第二期微小卫星方案已于2019年初结束，计划2022年发射。

表4 创新卫星技术试验项目

1.4 欧洲

欧洲空间科学实验研究，一部分是通过“国际空间站”进行的。此外，数个欧洲国家还自主开发了系列科学技术试验卫星。

Carina卫星主要是由意大利航天局于1988年开始研制的一种返回式卫星，通过该卫星的研制，可获取卫星再入技术方面的经验，扩展有关回收有效载荷作业方面的经验，为意大利发展自己国家独立的返回式卫星；也可为空间微重力科学和技术实验提供飞行机会；为其他学科，如天文和对地观测，提供一种实惠、适应性强的平台。

欧洲航天局(ESA)于1992年发射的尤里卡-1也称“欧洲可回收平台”。它是第一个专门作为微重力平台的航天器。平台质量4491 kg，其中有效载荷质量1000 kg，在轨飞行时间历时11个月。共完成70多项科学实验，主要实验内容涉及微重力实验，X射线天文观测实验等几个方面，是欧洲第一个长时间进行空间科学实验的空间平台。

德国研制的商用微重力研究与材料加工卫星-“奥尔费斯-斯帕斯”-卫星，由航天飞机遥控机械臂释放并回收。卫星为模块化设计，可根据飞行任务要求变换有效载荷。奥尔费斯-斯帕斯-1卫星于1993年利用航天飞机进行首次发射部署，并于5天后回收。奥尔费斯-斯帕斯-2卫星于1996年利用航天飞机进行第二次发射部署，并于14天后回收。

“星上自主项目”(PROBA)卫星系列属于欧洲航天局的技术验证计划[17-18]。该系列卫星是小型、低成本卫星，用于验证新的航天器技术、研究技术、研发方法，同时还可携带科学有效载荷。该系列包括PROBA-1～3和PROBA-V共4颗卫星。其中PROBA-1卫星于2001年10月发射，主要验证新的卫星自主技术、小卫星三轴控制技术和数据系统技术。PROBA-2卫星于2009年11月发射，主要验证新型锂电池、先进数据和功率管理系统、新型反作用轮、星跟踪器、GPS接收机等17项关键技术。PROBA-V卫星于2013年4月发射，搭载了5台先进的有效载荷开展技术试验。PROBA-3卫星包括2颗独立的三轴稳定子卫星，具有精确的姿态控制能力，计划于2022年发射，在轨主要开展高精度的编队飞行试验，另外还将开展太阳日冕科学观测等试验。PROBA-3卫星飞行示意如图3所示。

图3 PROBA-3卫星飞行示意

1.5 近年及未来一段时间国外科学卫星任务

近年及未来一段时间国外确定发射的科学卫星任务约有20余项，涵盖了空间天文、天体物理、太阳物理、空间生命科学、空间物理等几大领域。全球的科学卫星任务如表5所示。

表5 全球的科学卫星任务

续 表

1.6 发展特点和启示

总结国外科学技术试验卫星发展，有以下特点和启示：

(1)试验卫星定位明确，制定系列发展规划，呈现规模化、系列化特点。各航天大国都有明确的试验卫星定位，根据各国国家安全和经济发展需要，制定相应的新技术试验卫星发展战略，并规划了重点工程，确保满足应用型号、系统关键技术和专项技术的需求。尤其是美国形成了以专用技术试验卫星系列为主、平台搭载为辅、种类齐全的技术试验卫星体系。同时结合通信广播、导航定位、军事侦察、导弹预警、空间探测等领域的研究，制定长期、稳定的试验卫星发展战略和发展计划，保证稳定、持续的资金和资源投入，逐步朝着规模化和系列化的方向发展。

(2)以需求为牵引，具有军事背景、类型多样化的发展，建立空间新技术试验的长效机制。世界主要航天国家在发展卫星新技术的过程中，都建立了长效的试验机制，长期开展空间演示验证。日本的工程试验卫星(ETS)项目启动于70年代，迄今此计划已经发射了8颗卫星，为日本发展卫星通信技术做出了卓越的贡献。国外试验卫星项目涉及卫星组件、新技术、新原理、新方法、新型载荷和元器件等，种类繁多。试验模式包括单星试验和多星系统试验，随着航天技术的进一步发展，试验项目类型将进一步呈现多样化发展的趋势。其中，很多是军方主导的试验卫星，或是具有很强军事应用背景的试验项目。例如，美国的“试验卫星系列”、战术试验卫星、导弹预警试验卫星计划和日本的ETS等计划都有着深刻的军事应用背景。

(3)试验卫星的发展与国家航天系统规模相适应。各国所采取的发展思路不尽相同。美国、俄罗斯作为航天超级大国，全面发展各类卫星技术，相应形成了全面发展的技术试验航天器体系；欧洲、印度、以色列等更专注满足自身航天应用需求的某一特定领域，以解决特定应用需求为目标。日本则以加入美欧等航天大布局为目标，寻找切入点，发展目标更着重工艺技术和产品开发，提高工业能力，走专项发展型道路。

(4)卫星系统小型化、低成本化，试验平台标准化、通用化。随着微电子技术和轻型材料技术的迅速发展，高度集成化、模块化和轻型化的小卫星技术发展迅猛。由于具有质量轻、研制成本低、性能高、研制周期短、发射灵活等特点，使得小卫星成为试验领域的主力军，利用小卫星开展空间试验成为主要的发展趋势。其次，通过构建灵活的公用试验卫星平台，实现对不同试验项目的通用化匹配。经过多年的实践，国外一些主要的卫星制造商，已经推出一批标准化的平台。例如，美国TRW公司的“鹰”型小卫星公用平台，已多次用于本国的技术试验卫星及我国台湾“华卫一号”小卫星。美国轨道科学公司采用模块化设计，开发了“微星”平台，具有良好的通用性，已经为本国和其他国家发射了几十颗不同用途的试验卫星。

(5)空间攻防、轨道服务、深空探测及空间激光通信等在近年来成为新的技术试验热点领域。美国、日本等国均开展了空间攻防及轨道服务试验。日本的隼鸟2号顺利完成小行星探测任务。2021年11月13日，SpaceX公司再次使用猎鹰-9火箭发射了新一批的“星链”互联网通信卫星，这批“星链”卫星配置了激光星间通信链路，将大幅降低连接延迟，为打造更强大空基互联网的目标迈出了重要一步。

2 中国科学技术试验卫星发展

为了对航天任务急需的新技术开展验证，同时开展空间环境探测与空间科学研究，中国从刚开始研制卫星时，就开始发展科学与技术试验卫星系列。1971年3月3日，中国第2颗人造地球试验卫星实践-1发射成功，开启了中国科学技术试验卫星发展的序幕，经过多年的发展，特别是进入新世纪以来，快速发展和壮大，形成了由国家主导，包含军、民两条线，各有侧重，多方参与的科学技术试验卫星发展模式。

从20世纪70年代初至90年代末，中国先后研制和发射了实践一号、实践二号卫星群、实践四号以及实践五号卫星，初步形成了实践系列科学探测与技术试验卫星。此阶段中国发射的实践系列卫星主要针对航天任务急需的新技术进行先期试验，提高卫星平台的可靠性，掌握了能源、热控等长期在轨工作能力，特别是实践五号卫星，验证了先进的公用化平台，进一步完善了基础能力，解决了进入空间的问题，为推动卫星发展奠定了坚实的基础。

进入21世纪，中国航天领域步入全面高速发展阶段，基于新阶段、新形势，2008年国家重新规划了民用技术试验卫星系列，并于2012年10月发射了该系列首发星实践九号，开展卫星长寿命高可靠、高精度高性能、国产核心元器件和卫星编队及星间测量与链路等试验。这一时期发展的众多试验卫星开创了中国空间新技术试验领域的高速发展期并延续至今，实现了规模化、常态化发展态势，全面支撑了中国航天规模化建设、商业化应用，为实现高水平下的持续发展提供了保障。

2.1 实践系列卫星

中国先后研制和发射了国家主导的服务于民用航天建设的实践系列技术试验卫星，取得了丰硕的技术试验成果。

在东方红一号卫星发射成功不到一年的时间内，在充分利用其技术的基础上，中国于1971年3月3日发射了科学探测与技术试验卫星系列中的第一颗卫星，实践一号[19]。实践一号卫星的空间技术试验任务是对卫星的基本技术和系统进行长期空间考验，主要包括硅太阳电池和镉镍蓄电池组成的电池系统、无源主动式温控系统、16路遥测系统等。在太空正常运行了8年多，远远超过原定1年的设计寿命，为中国研制长寿命卫星提供了宝贵的经验。实践一号卫星外形如图4所示。

图4 实践一号卫星

1981年9月20日，中国以一箭三星的方式发射了实践二号、实践二号甲和实践二号乙卫星。实践二号卫星以空间环境试验为主，对空间辐射环境及效应进行探测，同时开展了电池帆板供电、自旋稳定姿态控制、主动式温控技术试验。实践二号甲和实践二号乙卫星分别作为电离层探测信标卫星和无源雷达定标试验卫星开展在轨试验。

1994年2月8日，长征三号甲运载火箭将实践四号卫星送人预定的地球同步转移轨道。实践四号卫作为用于探测空间辐射环境及其效应的卫星，通过配备的质子、电子和等离子体探测器，首次测得了地球辐射带形貌热等离子体与卫星表面电位之间的关系[20]。

1999年5月10日发射了实践五号卫星，实践五号卫星以推出卫星公用平台为目标，首次应用国际通行的S波段统一体制测控系统，应用星务管理概念进行星上电子设备的功能集成设计[21]，并首次对工业级和商用器件进行了在轨试验，完成了两层流微重力科学试验、新技术演示验证试验与单粒子探测与对策试验。实践五号卫星飞行示意如图5所示。

2012年10月14日发射的实践九号A/B卫星是中国新世纪以来国家立项的民用技术试验卫星系列的首发星，由航天东方红卫星有限公司负责研制，主要用于卫星长寿命高可靠、高精度高性能、国产核心元器件和卫星编队及星间测量与链路等试验。目前实践九号A/B卫星已经成功完成了以星间编队飞行、电推力器为代表的所有预定在轨试验任务，所有搭载项目均基于在轨试验数据得到了客观、准确、全面的评价[22-24]。经过实践九号验证的电推进技术，已经用在我国同步轨道通信卫星平台、载人空间站先后装备使用，大大提升了平台能力；轻型遥感相机突破了全色多光谱相机所采用的小相对孔径的全反式光学系统、全色多光谱TDICCD成像技术、轻型结构材料等关键技术，在遥感相机上广泛使用。实践九号A/B卫星飞行示意如图6、图7所示。

图6 实践九号A卫星飞行示意

图7 实践九号B卫星飞行示意

2016年4月6日发射的实践十号卫星是中国首颗微重力科学实验卫星，它是空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一一颗返回式卫星，专门用于微重力科学和空间生命科学的空间实验研究[25-26]。卫星搭载了蒸发与流体界面效应空间实验、颗粒流体气液相分离空间实验等10项微重力科学空间实验项目，空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究、空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究等10项空间生命科学空间实验。

2017年4月12日发射的实践十三号卫星是中国首颗高通量、电推进工程化应用的通信卫星，同时承担中国首次在地球同步轨道卫星上开展对地高速激光通信试验等任务。

2019年12月27日发射的实践二十号卫星主要对中国新一代大型共用平台-东方红五号卫星平台的关键技术进行在轨验证。在轨成功验证了新一代大功率供配电系统、万瓦级高效热控系统、新一代大功率电推进系统、超高速激光通信系统等关键技术，首次实现甚高通量通信卫星系统Q/V频段星地通信试验、跳波束转发器系统跨区域星地通信试验等。实践二十号卫星成功在轨试验验证，使中国卫星平台的综合服务能力达到国际一流。

2.2 试验系列卫星

中国先后研制和发射了试验系列卫星，开展了多项科学技术试验，有力推进了中国航天事业发展。

“试验卫星一号”于2004年4月发射，主要用于地理环境监测与科学实验。2004年11月，“试验卫星二号”成功发射。“试验卫星二号”是一颗科学试验小卫星，具有高精度控制、快速侧摆和偏航机动能力。这次发射主要是通过对卫星平台高精度控制技术、集成化星务技术、高效电源技术、多功能结构技术等新技术的演示验证，进一步考核科学试验型小卫星平台技术。“试验卫星三号”于2008年11月发射，主要用于空间环境探测新技术试验。

“试验卫星四号”、“试验卫星五号”分别于2011年11月和2013年11月发射，主要任务目标是开展空间技术试验和环境探测。

2.3 科学实验卫星

进入新世纪以来，中国在空间科学研究、探测、实验技术都获得了较大的发展，先后发射了多颗科学实验卫星，具有代表性的有探测双星、张衡一号、空间科学战略性先导科技专项系列科学实验卫星。

“地球双星探测计划”是中国与欧洲航天局合作的空间科学探测计划，包括TC-1、TC-2两颗卫星，由航天东方红卫星有限公司负责研制，两颗卫星分别于2003年12月和2004年7月成功发射。双星探测计划取得了大量的科学探测数据和一些重要的科学探测结果，使中国的空间科学事业产生了跨越式发展；同时打开了中国与欧洲航天局开展空间科学与技术合作的大门，具有非常重要的国际影响[27]。

“张衡一号”电磁监测试验卫星是中国地球物理场探测卫星计划的首发星。“张衡一号”卫星由航天东方红卫星有限公司负责研制，于2018年2月2日成功发射。“张衡一号”卫星利用覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强、无地域限制等优势，开展全球空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子沉降等物理现象的监测，为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供新的技术手段[28]。卫星飞行示意如图8所示。

图8 “张衡一号”卫星飞行示意

天琴一号卫星是“天琴”引力波探测计划技术试验验证的第一步，目的是构建空间高精度惯性基准，对空间引力波探测共性关键技术开展在轨验证。天琴一号卫星由航天东方红卫星有限公司负责研制，于2019年12月发射，经过半年的飞行试验，成功验证了无拖曳控制技术、高精度惯性传感技术、推力连续可变的微牛级推进技术等关键技术，实现了构建高精度空间惯性基准的任务目标。

空间科学战略性先导科技专项旨在加深对宇宙和地球的理解，通过自主和国际合作科学卫星计划，寻找空间科学领域新发现，并取得新突破。目前已经完成了“暗物质粒子探测”(DAMPE)卫星、“硬X射线调制望远镜”(HXMT)、“量子科学实验卫星”(QUESS)、实践-10返回式科学实验卫星的研制和发射，并正在开展相关科学试验。目前已经取得了阶段性成果，并获得了国际科学界的广泛关注；同时，也吸引了众多国际一流科学家的积极参与，扩大了我国空间科学计划的国际影响，并为提高相关技术研究水平奠定了重要基础。空间科学先导专项的实施将在暗物质、量子力学完备性和空间环境下的物质运动规律/生命活动规律等方面取得重大科学突破，不仅将推动我国空间科学事业跨越式发展、提升我国在国际空间科学界的地位和影响，而且将为我国经济社会发展甚至人类的文明进步做出应有的贡献

“暗物质粒子探测卫星”于2015年12月发射，由中科院微小卫星创新研究院负责研制。其首要科学目标为通过高精度观测(正负)电子和伽马射线的能谱、方向分布来间接探测暗物质粒子湮灭或衰变后留下的遗迹。卫星作为一个高能粒子探测器，其数据也可以直接用于研究宇宙射线的起源、传播和相互作用，同时对伽马射线的观测还可以开展脉冲星、黑洞等极端环境下的高能天体物理研究[29-30]。卫星飞行示意如图9所示。

图9 “暗物质粒子探测卫星”飞行示意

“X射线调制望远镜卫星”于2017年6月发射，由中国空间技术研究院负责研制。经过在轨飞行验证，取得了银道面扫描及X射线源的监测、黑洞和中子星双星的时变与能谱分析、伽马射线暴和引力波电磁对应体的观测、多波段联合观测等多项科学成果[31]。卫星飞行示意如图10所示。

图10 “X射线调制望远镜卫星”飞行示意

“量子科学实验卫星”于2016年8月发射，由中科院微小卫星创新研究院负责研制。卫星有效载荷包括量子纠缠源、量子纠缠发射机、量子密钥通信机和量子实验控制与处理机，共同完成纠缠光子的生成、发送、地面通信以及实验控制[32]。

2.4 企业自主试验卫星

中国在进入新世纪以来，还先后发展了由企业主导、立足于提升自身能力的新技术验证系列技术试验卫星，其中具有代表性的是中国空间技术研究院自主研制的新技术验证一号、新技术验证二号、脉冲导航星，清华大学、国防科技大学等研制的试验卫星。

新技术验证一号卫星于2012年11月份以搭载的形式发射升空。该卫星是由中国空间技术研究院自主开发研制的第一颗技术试验卫星，以验证后续型号任务急需和引领未来技术发展为主要目的，以继承成熟技术和选用相对成熟的产品搭建卫星基本平台、注重卫星研制流程和方法创新为指导思想进行卫星研制，形成一个适应常态化搭载的微小卫星新平台，同时探索出一套项目遴选、集同工作、试验验证与评估、成果转化的新工作机制[33]。

脉冲星试验卫星是中国空间技术研究院自主研发的世界首颗脉冲星导航专用试验卫星，于2016年11月成功发射，其主要目标是测试X射线探测器性能，观测典型目标脉冲星和验证脉冲星导航体制。经过在轨飞行试验，初步验证了脉冲星导航系统体制的可行性[34]。

灵巧通信试验卫星是清华大学联合北京信威通信技术股份有限公司自筹自研的一颗空间通信试验小卫星[34]。灵巧卫星的主要功能和任务是开展空间移动通信与空间频谱监测试验。2014年9月卫星发射升空，成功实现了卫星手持机的互联网接入和数据传输，至2014年10月26日，灵巧卫星完成全部在轨测试试验，灵巧通信试验卫星工程任务取得圆满成功，实现了中国首颗低轨移动通信卫星的重要突破[35]。

3 发展展望

科学技术试验卫星是人类最早进入太空的航天器，世界主要航天大国对空间技术试验非常重视，投入了大量资金来开展空间科学技术试验，并取得良好成效。未来发展科学试验卫星是各航天大国夯实航天基础技术、培育航天应用技术、探索航天前沿技术的一条必由之路。

1)各国按照各自空间科学计划稳步推进科学试验卫星任务

在整个空间科学领域，美国制定了完整的空间科学战略发展规划，在空间科学领域占绝对性优势。俄罗斯通过《2030年及以远俄罗斯航天战略发展规划》、《2016—2025年联邦航天发展规划》等[36]，为未来十年俄罗斯的航天发展制定了明确的目标和规划，推进其空间科学计划和任务的实施。欧洲长期以来也持续更新并坚持实施其空间科学战略规划，稳步实施“宇宙愿景2015—2025”空间科学计划，在空间科学领域居重要地位。日本定期发布《宇宙基本计划》，有重点地在空间科学领域取得突破[37]。

2)技术试验卫星规模化、系列化、平台标准化

鉴于试验卫星在航天装备发展中的突出作用，未来技术试验卫星规模化、系列化是其一个重要特点。特别是美国形成了以专用技术试验卫星系列为主、平台搭载为辅、种类齐全的技术试验卫星体系。我国也将结合自身发展需求，持续发展实践系列、试验系列技术试验卫星。同时，为实现快速在轨试验，降低试验成本，未来将更加注重提高试验平台的标准化水平。通过构建灵活的试验卫星平台，实现对不同试验项目的高度适应化。

3)深入开展国际合作模式

科学卫星项目的研制成本高、周期长，且直接经济效益反应不迅速，国际合作是目前全球科学卫星任务的大趋势，已有多个国家成功进行了科学卫星领域的国际合作，取得了巨大成功，未来大量科学卫星任务将趋于国际合作模式。中国在“空间科学战略性先导科技专项”等科学实验卫星中也广泛开展国际合作，实现科学目标的创新性和科学技术的可实现性[38]。

4)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。