中國網/中國發展門戶網訊 2021?年?12?月?25?日，詹姆斯?·?韋布空間望遠鏡經歷?25?年研制，多次推延，花費約?110?億美元巨資后，終于在法屬圭亞那庫魯發射場成功升空。該望遠鏡作為哈勃空間望遠鏡的“繼任者”，其發射過程被全球超過?3?億人通過媒體觀看；2022?年?7?月?12?日，美國拜登政府專門舉行發布會展示了該望遠鏡拍攝的首批全彩色圖像，引起全社會極大關注。人類探索宇宙奧秘重大活動的影響可見一斑。實際上，與名氣爆棚的哈勃望遠鏡并稱為“四大軌道天文臺”的，還有斯皮策太空望遠鏡、錢德拉X射線天文臺和康普頓伽馬射線天文臺，它們都取得了重大科學成果。世界多國還發射了?3?代測量宇宙微波背景的宇宙背景探測器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），以及普朗克（Plank）衛星等約?120?多顆天文衛星，為現代天文學發展作出了巨大貢獻，與地面天文臺的貢獻各占了半壁江山。

空間科學是探索宇宙和自然規律的空間活動，包括了空間物理學和太陽物理學、空間天文學、月球與行星科學、空間地球科學、空間生命科學、微重力物理等分支，領域廣泛，并孕育了新的交叉研究方向。人類進入空間?65?年來，規模宏大的空間活動此起彼伏，有力推動了社會發展和科技進步。縱觀幾十年的空間活動，其實際效益體現在兩大方面。①空間應用。深入地滲透到經濟、社會、公眾生活和軍事活動各方面，推動了社會信息化發展，成為當今社會不可或缺的基礎保障。②空間科學探索。人類沖破地球大氣層進入太空后，開辟了全新的研究途徑，科學探索的廣度、深度和范圍極大拓展，深入研究了發生在地球、日地空間、太陽系乃至整個宇宙的物理、化學和生命等自然現象及其規律，取得重大成就。 

空間科學的成就和發展趨勢

空間科學的成就概述

據不完全統計，在迄今為止人類發射的全部?6?000多個空間飛行器中（近年發射的立方星和低軌大規模星座除外），有?900?多顆專門從事科學研究的衛星和深空探測器，以及多個載人空間實驗室和空間站。特別是載人空間實驗室和空間站作為綜合性研究設施，完成了近萬項科學實驗，實施了幾十個國際空間科學研究計劃，開展了規模宏大的空間科學探測、實驗和研究活動。

（1）空間物理學和太陽物理學。揭示了太陽爆發和太陽高能輻射機制；發現太陽風是攜帶磁場的高速等離子體流，并擴散于整個太陽系，初步揭示了太陽風與星際介質相互作用的特征和規律；發現了地球輻射帶，描述了地球和行星磁層結構，以及太陽活動對地球空間環境的影響機理，建立了全新的日-地空間和行星際空間的物理圖像，由此開拓了空間天氣研究和保障。

（2）空間天文學。開拓了全電磁波段天文、粒子天體物理，推動天文學進入多信使新時代；發現了大批X射線、伽馬射線，以及紅外天體源、黑洞、中子星等致密天體和系外行星；研究了天體爆發和時變現象，揭示了極端條件下的天體物理過程，推動了宇觀和微觀物理研究的結合；精細測量了宇宙微波背景輻射，計算出宇宙年齡和組成，證實了宇宙的加速膨脹，推動建立了宇宙重子物質循環和爆炸宇宙學理論框架，促進對宇宙和天體認識的革命性進步。

（3）月球和行星科學（太陽系科學）。對月球和太陽系所有行星及其衛星、矮行星、小行星、彗星的物質組成、形貌、地質、大氣、物理場等進行了觀測或原位探測取樣；對月球形成演化取得新認識，發現火星存在水和甲烷，發現土衛二等內體海洋，構建了較完整的太陽系及太陽系天體的知識體系。

（4）空間地球科學。開創并推動了地球系統科學發展，獲取了全球重力場、大氣流場、冰水分布動態變化，描述了海洋環流、地球能量收支，初步揭示了地球大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈耦合過程，推動了全球變化等重大科學問題的深入研究。

（5）空間生命科學。取得了人體和各類生物及其不同組成層次對微重力響應機制的重要認識，發現輻射的生物學旁效應，揭示了空間條件影響人體各系統的重要機理及對抗措施，保障了近地軌道航天員較長時間生存和活動；拓展了對生命存在條件的認識，發現了地外生命可能存在的跡象，取得生物藥物空間制備的一系列成果。

（6）微重力物理科學。揭示了被重力對流掩蓋的流體界面張力/濃度梯度驅動的特殊流動規律，發現微重力下物質與能量輸運、相變等特殊規律；揭示了微重力燃燒過程重要本征參數，并發現冷焰燃燒等特殊現象；空間材料科學在晶體生長動力學、過冷與非平衡相變等過程機理方面取得重要進展；基礎物理方面驗證了廣義相對論的重要效應和超冷條件下量子新奇現象。

空間科學是當代規模空前的科學探索活動，突破性地拓展了人類視野和探索疆域，開創了地面無法實現或受限的全新實驗方法，取得了革命性的重大成就，深刻地改變著人類的宇宙觀和自然觀；帶動了高新技術突破和地面新興產業，推動空間技術向更高水平發展，為當代科學技術發展作出了重大貢獻。近年來，與空間科學探測密切相關的諾貝爾獎項頻次顯著增加（表?1）。

空間科學醞釀新的突破

各航天大國持續重視空間科學，當前研究更加聚焦基礎科學重大問題，如暗物質性質和暗能量本質、恒星和星系演化、黑洞性質、太陽系形成演化、外太空生命和宜居行星探索、基本物理規律研究、地球變化趨勢等。

 近期任務規劃面向科學前沿

美國一直致力于引領空間科學發展。美國國家科學研究委員會（NRC）和各學科領域專門委員會依靠科學家群體共同形成的《十年調查》（Decade Survey）規劃，是美國科學發展的頂層指導。空間科學各領域基本囊括在《十年調查》框架中，由?NRC、美國科學院空間研究委員會（SSB）及相關領域委員會共同研究，對空間科學未來?10?年或更長時間的科學問題、研究目標、任務建議和經費投入進行優先級排序。2021?年發布的《21?世紀?20?年代天文學與天體物理學發現之路》（Astro2020），2022?年發布的《2023—2032?年行星科學和天體生物學》規劃了相關領域的發展方向和主要任務，美國國家航空航天局（NASA）將滾動制定路線圖并組織任務實施，實施中對項目的科學發現、技術進步、計劃等進行中期評議，提出優化意見，近年陸續發布了《NASA?戰略規劃（2018?年）》《科學?2020—2024?年：科學卓越的愿景》等空間科學發展規劃。

歐洲航天局（ESA）空間科學中長期規劃建立了大型（L）、中型（M）、小型（S）、國際合作、機遇任務等層次分明的分類架構，成功實施了“地平線”（Horizon）計劃（1985—2005?年，1995—2015?年）和“宇宙憧憬”計劃（Cosmic Vision，2015—2025?年），代表性的項目有太陽和日球層觀測臺（SOHO，1995?年）、牛頓?X?射線望遠鏡（XMM-Newton，1999?年）、紅外/亞毫米波望遠鏡（Herschel，2009?年）、Plank?衛星（2009?年）、天體測量衛星（Gaia，2013?年）等，也參與了哈勃望遠鏡、卡西尼-惠更斯土星探測等國際重大項目，取得了獨具特色的科學成果。2021?年，ESA?發布了最新版中長期發展規劃“遠航?2050”（Voyage 2050）。該規劃面向2050年，聚焦科學前沿和未來技術，提出?3?個大型、14?個中型任務方向，以及?4?個國際合作任務等；最終還將遴選出?10?項大中型任務，再征集遴選小型任務靈活實施。

美國和歐洲的空間科學規劃重視平衡投資，采取多層次靈活的計劃和滾動機制，采用征集競爭性提案優選科學研究項目，規劃重視基礎性工作和技術發展，如?NASA?從?1998?年起資助“創新先進概念”（NIAC），為未來計劃提供富有想象力的可選方案；各國規劃頂層協調，并在任務實施、科學統籌、協同觀測等方面深入合作，大范圍集聚智力和技術資源，形成相互配合互補的發展格局。

美國和歐洲的大型空間科學任務規劃集中于宇宙起源演化、天體高能過程、太陽系生命和系外行星生命探索等重大方向（表?2），中小型任務涉及的領域更加廣泛。

 載人空間探索路線趨于明朗

載人空間探索路線經過長期徘徊和論證已經明確。2019?年，NASA?發布《前往月球：NASA?月球探索戰略規劃》，正式啟動了阿爾忒彌斯（Artemis）計劃，明確了無人月球探測、載人月球探索、開發利用月球和初期載人火星探索的載人探索總體規劃。第一階段（~2024?年，將延期至?2025?年后）實現載人登陸月球南極（圖?1）；第二階段完成月球南極大本營和“門戶空間站”建造，“門戶空間站”運行在近直線暈軌道（NRHO），可接待往返月球的飛行器，容納航天員駐留，支持探月任務并籌備前往火星。

Artemis?提出?7?大科學目標，包括：理解行星過程、了解揮發物周期、解釋地-月撞擊史、揭示太陽遠古歷史、利用月球觀測宇宙、開展科研實驗、研究深空對人體的影響及防護措施。這些科學目標基于長期的研究基礎，體現了國際科學界對月球探索頂層科學問題的共識。截至?2022?年?4?月，共有?16?個國家參加了?Artemis?計劃。

近地空間站仍扮演重要角色

作為有人參與的空間研究設施，國際空間站（International Space Station，ISS）運行?24?年來一直發揮著近地空間實驗室的優勢和重要作用，2022?年初美國宣布將?ISS?運營期延長到?2030?年。

ISS?裝載了?20?多臺設備開展天文、空間環境和地球科學研究，配置了?30?多個專用和通用科學實驗機柜開展微重力等特殊環境下人體、生命和微重力科學實驗，共完成了近?4?000?項科學實驗和應用項目，吸引了?103?個國家的科學家參與，在宇宙和天體、物質運動規律、人類長期太空飛行、生物藥物研發、復雜流體、燃燒科學等方面獲得大量成果，在?Nature、Science、Physical Review Letters?等期刊和會議上發表了近?3?000?篇高水平論文，出版了?2?200?多份科學出版物。2020?年?NASA?發布了?ISS“ISS?運行?20?年?20?大科學突破”。貫徹“將?ISS?利用效能最大化”的方針，美國和各參與國制定實施了多個不斷滾動、科學內涵逐步擴展的實驗研究計劃，產出的新知識和新技術不斷惠及人類健康和地面產業水平提升。

 技術變革和商業航天助力空間科學

2014?年起，美國太空探索技術公司（Space-X）開始發展垂直回收重復使用火箭技術，迄今獵鷹?9?號運載火箭（Falcon 9）已實現一級火箭和助推器的同時回收和一箭十幾次重復使用；正在開發的全部可重用超重型航天器星艦（Starship），直徑為?12?m、近地軌道（LEO）運載能力超過?100?噸，已完成了?10?km?高度的飛行和垂直降落測試，正在快速迭代開發推進。這種變革性技術可望將進入空間的成本降低兩個量級，實現航班化的空間運輸服務。此外，空間核推進、空間核能源等技術發展，將推動包括科學探索在內的人類空間活動規模和水平進入新時代，更復雜和更強大的科學裝置、更具規模的深空探索可望實現，開拓新發現的機遇。

商業航天近年來爆發性增長，例如一批商業航天巨頭鵲起，已在大型空間任務中承擔重要角色。NASA“商業航天員計劃”采購了?Space-X?貨運龍飛船接送?ISS?航天員，貨運龍飛船已向?ISS?運貨?20?多次，為?NASA?節約了大量經費。NASA?還花費?4.15?億美元支持了?3?個商業空間站提案的初期開發，期望在后?ISS?時代繼續保持?LEO?的空間研究能力。在?Artemis?計劃中，NASA?同樣通過商業采購征集艙段設計，推進商業月球載荷服務，向月面運送科學設備、實驗載荷等物資。

3.小結

綜上所述，長期的前瞻性科學規劃、更具雄心的空間探索計劃、不斷升級的科學項目安排、變革性技術的推動，將成為國際空間科學未來更高水平發展的要素，未來?20—30?年空間科學將取得更大的成就。

我國空間科學的成就和近期計劃

我國空間科學發展主要通過載人航天工程、月球與深空探測工程和中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（以下簡稱“空間科學先導專項”）等推動。在我國航天科技界共同努力下，20?年來研究水平顯著提升，在極端宇宙探索、月球科學、冷原子時頻、量子科學實驗、微重力物理等方面取得了重要成果；一些科研機構和高校積極提出空間科學任務建議，一批重要的空間研究和探測計劃正在實施，出現了蓬勃發展的良好勢頭。以下概述我國空間科學的成就和近期計劃，并對筆者直接參加的載人航天空間科學任務和幾個天文衛星的情況稍做展開。

載人航天工程的空間科學任務

 載人飛船和空間實驗室上的空間科學項目

（1）載人飛船階段科學項目。1992?年，中央批準實施載人航天工程。在第一步載人飛船任務中，安排了我國當時規模最大，領域方向最廣的空間科學與應用計劃。神舟二號（SZ-2）飛船到神舟六號（SZ-6）飛船上開展了?28?項科學實驗：①空間生命科學方面，開展了多種生物的空間效應研究、蛋白質結晶、空間細胞培養、細胞電融合等實驗；②微重力科學方面，開展了半導體光電子、金屬合金等材料的空間生長和晶體生長實時觀察、大馬蘭戈尼（Marangoni）數液滴熱毛細遷移實驗；③空間天文方面，開展了宇宙伽馬射線暴和太陽高能輻射探測；④地球科學方面，與國際同步發展了中分辨率成像光譜儀、多模態微波遙感器、卷云探測儀、地球輻射收支儀等新載荷。所有項目均為我國首次，起到了開創奠基作用，掌握了重要的空間科學實驗方法和技術，推動了空間對地觀測技術的跨越發展，使我國空間科學上了一個新臺階。

（2）空間實驗室階段科學項目。2007—2017?年第二步空間實驗室任務中，在神舟七號（SZ-7）、神舟八號（SZ-8）飛船，天宮一號（TG-1）、天宮二號（TG-2）空間實驗室，以及天舟一號（TZ-1）貨運飛船上，開展了?50?余項空間科學實驗。中德合作空間生命科學的?17?項實驗、高等植物培養實驗、空間干細胞增殖分化實驗取得重要結果，國際首臺空間冷原子微波鐘開展了原子激光冷卻和操控實驗，取得迄今最高頻率穩定度的實驗結果，中國-瑞士合作的伽馬暴偏振探測取得國際最大樣本伽馬暴偏振度累積分布函數，發現偏振度的時間變化新現象；采用?Decoy?方法的量子密鑰分配實驗、復合膠體晶體生長實驗、12?種新型材料空間制備研究、多形態液橋熱毛細對流實驗等取得重要結果；微波成像高度計作為國際首臺采用小入射角-短基線干涉-孔徑合成新體制的海洋科學觀測設備，開拓了海洋動力現象觀測研究的新途徑，多角度偏振及寬波段光譜成像、紫外臨邊觀測推動了對地觀測和地球科學研究方法創新。整體看，空間實驗室階段取得了一批科學前沿和關鍵技術突破的重點成果，為后續開展大規模的空間科學與應用任務奠定了基礎。

載人空間站的空間科學任務部署

經過?30?年堅持不懈的努力，我國載人航天“三步走”的發展藍圖得以實現。載人空間站“天和”核心艙已在軌運行超過?1?年；2022?年?7?月?24?日，“問天”實驗艙成功發射并與核心艙完成對接，隨后還將發射“夢天”實驗艙；2022?年底完成?3?艙在軌組裝建造，并在軌運行?10?年以上，是我國開展大規模系統性有人參與空間研究的歷史性機遇。

我國載人航天工程空間應用系統邀集組織國內近百位院士和千余位一線專家經過長期、多輪論證，形成了重點突出、層次明晰的科學與應用任務規劃。規劃分為?4?個領域：①空間生命科學與人體研究。深入認識生命現象本質和人在太空的響應變化規律，研究生命和醫學基礎問題，支持人類長期太空探索，發展生物技術，為人類醫療健康服務。②微重力物理科學。開展流體物理（含軟物質）與熱物理、燃燒、材料科學的基礎和應用研究，加強對地面產業的支持，基礎物理安排針對基本物理規律的實驗研究。③空間天文和地球科學。加深對宇宙暗物質、暗能量、致密天體、星系形成演化、地球變化等重大科學問題的深入理解。④空間新技術與應用。發展和驗證新一代航天基礎技術、空間科學與應用新技術等。

目前，空間站科學任務已制定了多個研究計劃，到?2022?年初通過公開項目征集共收到?500?余個單位提出的超千項建議書，立項近?200?項。我國分別與聯合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）、ESA?合作征集科學項目，已批準空間生命科學、流體物理、空間天文等?19?項，約?40?個國家參與。國內外渠道都將持續征集項目，滾動培育、遴選及實施。

空間站部署了先進的科學研究設施，加壓艙內有十幾個科學實驗柜（表?3）。艙外暴露平臺安排了材料、生物、元器件等暴露實驗裝置。隨核心艙發射的無容器材料實驗柜的樣品加熱溫度超過?2?000℃，已產出科學成果；高微重力懸浮試驗在低頻段指標達到?10-7 g；“問天”實驗艙正在開展科學設備的在軌測試和調試，“夢天”實驗艙的科學設備正在緊張進行地面測試（圖?2）。艙內和艙外還有一批標準機柜空間和獨立載荷適配器接口，空間站投入運行后將通過貨運飛船上載科學探測載荷，升級和補充科學實驗設施。

空間站重大科學研究設施部署了?2?m?口徑巡天空間望遠鏡（CSST），與空間站同軌飛行，可與空間站對接進行維修升級，現已進入初樣研制階段，預計?2024?年發射，是我國空間天文的旗艦項目。CSST具有與哈勃望遠鏡基本相同的角分辨率和大?300?倍的有效視場，配有大焦面巡天相機、多通道成像儀、積分視場光譜、星冕儀、太赫茲譜儀?5?個后端儀器，以多色測光和無縫光譜巡天為主，圍繞宇宙學、星系與活動星系核、銀河系和恒星、天體測量、系外行星、太陽系天體和暫現源等內容開展觀測研究。同時，已成立了?4?個科學研究中心和聯合科學中心，立項了?24?個課題（近百項子課題），600?多位科學家參加相關科學研究和發射前的科學分析軟件準備。CSST?與歐美基本同期開展的空間光學巡天項目在觀測波段、分辨率等方面協同互補（表?4），將成為繼地面斯隆數字巡天（SDSS）后最具科學發現潛力的光學天文巡天任務。

在空間站建造之后的應用與發展階段，規劃了第二個旗艦型項目——高能宇宙輻射探測設施（HERD）。這是我國主導、歐洲多國合作的重大空間科學項目。它采用了創新的三維量能器和完善的系統設計，其測量宇宙線中電子和核子的能量范圍和探測靈敏度比現所有設備高?1?個量級或數?10?倍（電子擴展到?100?TeV，核子探測能區擴展到?3?PeV），高能伽馬射線觀測的視場和能區有數倍的增加。HERD?將以前所未有的能力開展宇宙線起源、成分、加速機制研究，測量高能電子和伽馬射線能譜搜尋暗物質信號，開展高能伽馬射線巡天監測，成為同時代最強大的空間暗物質搜尋和宇宙高能輻射探測研究設施。

 載人月球探測的醞釀和規劃

我國正在醞釀和規劃載人月球探測，將分為關鍵技術攻關和深化論證、載人登月和月球科研站?3?個階段分步推進。為夯實載人月球探測基礎，更好地規劃載人月球任務的科學探索和應用，已廣泛征集了大量研究建議，組織國內各方面專家開展了反復論證，形成了初步共識。

（1）月球科學方面。月球形成、月球內/外動力演化、月表特殊環境、水和揮發分分布與來源等是月球科學、地月系統乃至太陽系形成演化的重大科學問題。

（2）月球利用方面。要更深入研究月球地質與資源分布、物質高效利用與循環體系、低重力物質運動規律，開展獨特的月基觀測研究。

（3）月面生存方面。將加強人體和生物響應機制與適應調控、輻射防護、月面生態系統與生存保障研究和技術開發。

在上述研究任務的基礎上，先期安排了數字月球、月面地質與資源勘查、月球空間環境要素探測、月塵探測及作用機理、月球樣品采集檢測與封裝等關鍵技術攻關。為支撐載人月球探測工程實施和月面活動，獲取更多科學產出和應用效益，已開展了載人登月著陸區遴選、高精度全月面三維地形測繪和資源勘察、月面科學與應用任務方案等論證。我國載人月球探測將在載人航天和無人月球探測長期積累的工程技術和科學研究基礎上穩步推進。

科學衛星

 空間科學先導專項衛星

中國科學院在?2003—2004?年實施了地球空間雙星探測計劃，這是我國第一個真正意義上的科學衛星任務，具有開創意義，也是與?ESA?星簇計劃（luster）相配合的國際合作項目，在磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴的觸發機制等方面取得重要成果。隨后，經國務院批準，2011?年中國科學院正式啟動實施空間科學先導專項，其以科學衛星計劃為核心，對推動我國空間科學發展具有重大意義。

（1）專項一期的科學衛星。空間科學先導專項一期有較高起點，實施的?4?個科學衛星計劃均取得了顯著成就：①暗物質粒子探測衛星“悟空號”（DAMPE，2015?年）。直接測量了宇宙射線電子能譜在約?1.4?TeV?處的拐折，對于判定部分能量低于?1?TeV?宇宙線電子是否來自于暗物質起著指引作用；②實踐十號返回式科學實驗衛星（SJ-10，2016年）。開展了?28?項微重力和生命科學實驗，包括在國際上首次開展的?15?項，在空間生命科學與微重力流體方面獲得了新認知；③量子科學實驗衛星“墨子號”（2016?年）。在國際上率先實現了星-地千公里級雙向量子糾纏分發和相距?1?200?km?兩個地面站間的量子態遠程傳輸；④硬?X?射線調制望遠鏡衛星“慧眼號”（HXMT，2017?年）。是我國第一顆?X?射線天文衛星，以天文臺模式運行，共征集了?194?個核心和客座觀測提案，93?個機遇觀測提案，涉及觀測目標超過?500?個，參與的國內單位?21?個，國外單位?15?個。HXMT?運行?4?年多來成果豐碩，截至?2022?年初相關成果共發表論文超過?100?篇，重要科學成果包括：對首個雙中子星并合引力波事件在?0.20—5?MeV?能區給出了最嚴格的限制；通過發現?90?keV?最高能量中子星回旋吸收線測量到的宇宙最強磁場約為?10?億 T；通過在黑洞系統測量到能量高于?200?keV?的最高能量準周期振蕩信號，發現距離黑洞最近的相對論噴流；發現首例與快速射電暴關聯的?X?射線暴，并且證認其來自于銀河系磁星?SGR J1935+2154；發現黑洞雙星中逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流等。

（2）專項二期進展。空間科學先導專項二期目前正在實施中。①微重力技術實驗衛星“太極一號”（2019?年）。實現了高精度空間激光干涉測量，測試了微牛量級射頻離子和霍爾兩種微推技術。②引力波暴高能電磁對應體全天監測器（GECAM，2020?年）。成功觀測到伽馬射線暴、天蝎座?X-1?的地球掩食、X?射線脈沖星和太陽耀斑等。③正在研制的另外?3?顆科學衛星。先進天基太陽天文臺（ASO-S）、愛因斯坦探針（EP）、太陽風-磁層相互作用全景成像衛星（SMILE）進展順利，將于?2022—2024?年陸續發射。其中，EP?衛星（圖?3）致力于?X?射線時域天文，目標是發現?X?射線劇變天體，探索沉寂黑洞耀發和引力波源?X?射線信號等，載荷為寬視場望遠鏡（WXT）和后隨望遠鏡（FXT），探測能段?0.5—4?keV。WXT在國際上首次大規模采用龍蝦眼微孔X射線成像技術和?CMOS?X?射線探測器，12?個子望遠鏡形成?3?600?平方度大視場進行凝視監測，探測到耀發信號后觸發衛星姿態機動使天體目標進入?FXT?視場（38′）；FXT?采用?Wolter-I?型掠射聚焦望遠鏡，以更高的分辨率（30″）和定位精度（優于4″）開展精細后隨觀測，并通過北斗短報文等星地鏈路傳遞耀發天體坐標信息，引導其他天地設備協同觀測。EP?的強大探測能力可望取得高水平的科學產出，已轉入正樣階段。

空間科學先導專項還部署了一批重要的科學背景型號，包括空間引力波探測（太極計劃）、X?射線偏振與時變探測衛星（eXTP）兩個大型項目，以及中高軌量子衛星等十幾項任務，正在推動三期科學衛星項目的深化論證和遴選，圍繞極端宇宙、時空漣漪、日地全景、宜居行星等科學主題，爭取更高水平、更先進的科學衛星進入后續實施。

 其他科學衛星

2010?年以來，我國國家國防科技工業局、科學技術部和有關部委、相關高校，啟動和規劃了一批科學衛星或試驗性衛星，包括全球二氧化碳監測衛星（TANSAT，2016?年）、張衡一號（2018?年）電磁監測試驗衛星、天琴一號空間引力波技術試驗衛星（2019?年）、羲和號太陽探測科學技術試驗衛星（2021?年）、清華大學采用微納衛星的“極光計劃”（2018?年）和“天格計劃”，以及中國科學院可持續發展科學衛星?1?號（SDGSAT-1，2021?年）等，取得了一批重要成果。

宇宙暫現源監視器（SVOM）衛星是中法兩國航天局合作框架下的天文衛星（圖?4），目標是發現和快速定位伽馬暴，全面測量伽馬暴的電磁輻射性質，研究伽馬暴及其余輝。科學載荷由中法雙方分工研制，包括伽馬監視器（GRM），編碼孔徑?X?成像儀（ECLAIR）、軟X射線成像（MXT）、可見光望遠鏡（VT）。在軌觀測時，探測到爆發現象時將依次觸發不同波段探測器、衛星姿態逐次機動實現天體目標輻射能區由高到低觀測，獲取伽馬射線暴和其他變源在各能區輻射特性及隨時間變化規律。目前，衛星已轉入正樣階段，計劃?2023?年發射，有望在宇宙暫現源研究等方面取得創新成果。

月球與深空探測

探月工程

我國嫦娥探月工程于?2006?年被列為國家重大科技專項。工程規劃為“繞、落、回”三期，在環月探測、月面著陸巡視、月背著陸及采樣返回等重大技術和科學研究方面取得矚目成就，為我國進一步開展深空探測活動奠定了堅實基礎。

嫦娥一號實現了我國首次月球環繞探測，取得我國首幅月球地質圖和月球構造綱要圖。嫦娥二號完成了更高分辨率的環月探測，獲取了?7?m?分辨率的月表三維影像數據和多種元素全月面分布數據。嫦娥三號首次實現落月，開展了月面巡視勘察，獲得著陸區月壤的化學組成、礦物組成、月壤厚度及其下覆三套玄武巖等的系列成果。

嫦娥四號和嫦娥五號實現了工程技術重大突破，科學探測取得重大成果。嫦娥四號實現了人類航天器首次月球背面軟著陸，揭示了月球背面地下?40?m?深度內的地質分層結構和月幔的物質組成，首次在月表開展能量中性原子的就位探測和月表粒子輻射環境探測。嫦娥五號完成了月表鏟取和鉆取、采樣封裝并成功返回地球，獲得?1?731?g?月壤樣品，通過樣品分析發現月球的巖漿活動一直持續到距今約?20?億年，月球地質壽命比此前推測的又延長了?8?億年；精準測定了玄武巖樣品形成年齡為?20.30±0.04?億年，將之前認定的巖漿洋活動時間延長了?800?萬—900?萬年，估算到玄武巖月幔源區的最高水含量小于?5?μg/g。

嫦娥探月四期工程已于?2021?年經國家批準，以月球南極地區作為主要探測目標，規劃了嫦娥六號、七號和八號任務，2024—2030?年實施，實現月球背面采樣、月球南極巡視探測，并計劃與俄羅斯等國家合作在月球南極建設國際月球科研站基本型。

小行星與深空探測

我國首個火星探測器天問一號于?2020?年7月發射，國際上首次第一次任務就實現火星環繞、著陸和巡視探測，開展火星形貌與地質構造特征，火星土壤特征與水冰分布、物質組成、大氣電離及氣候與環境特征，火星物理場與內部結構等探測研究。至今天問一號巡視器、著陸器、環繞器均正常工作，獲取了大量科學數據。我國正在醞釀和規劃?2030?年左右實施火星采樣返回任務。

小行星采樣返回任務預計?2025?年前后實施，計劃通過一次發射實現近地小行星采樣返回和主帶彗星繞飛探測，對太陽系典型小天體的特征和演化機理、太陽系早期物質和生命信息等進行研究。

我國正在醞釀論證木星系探測及太陽系邊際探測，主要研究木星磁層結構、木衛二大氣和冰層，尋找地外生命信號，以及研究日球層大尺度三維結構、太陽風傳播演化、日球層邊界和星際空間特征等，并穿越探測木星、土星、海王星等外太陽系天體，研究太陽系起源與演化。 

我國空間科學發展的思考和建議

我國空間科學已取得一批重要成果，一些重點方向有所突破，具備了一定的國際競爭力，但畢竟起步較晚，基礎不夠雄厚，目前處于關鍵發展階段。面對以美國為主、歐洲等國家和地區合作推動的國際新一輪空間科學計劃和新發展態勢，我國空間科學要進入國際前沿，任重而道遠，必須清醒認識我國與國際先進水平的差距，深入分析問題和原因，從根本上采取措施，提高水平，做長期艱苦的努力。

存在的問題

（1）空間科學支持力度不足。長期以來我國空間科學活動規模小，投入不足，從2015年起雖有顯著提升，但與我國航天活動整體規模相比仍相當不平衡。2015—2021?年底我國共實施226次航天發射（全球占比?30.75%），其中空間科學相關發射次數約?5%（含科學衛星、月球與火星探測器），期間我國空間科學經費投入僅約全球的?3%—5%，在軌科學衛星數量為全球的?9.6%，尚未建立完整的科學衛星系列；載人航天、月球和深空探測等國家科技重大專項中的空間科學經費比例也遠低于國際平均水平，前期研究、地面實驗、仿真和數據分析等投入低，支持渠道匱乏。

（2）與國際先進水平差距顯著。2011—2020?年我國空間科學論文數量年均增長率較高，總發文量從?2017?年開始穩居世界第二，但論文篇均被引頻次在發文數量前10位國家中排名墊底；2011—2020?年中國作者發表論文采用我國自主任務數據的僅占?20.5%（2000—2011?年該數字為?5.2%），且迄今尚未產生有重大科學影響、國際同行公認的成就。我國空間科學隊伍規模小，一些重要領域（如空間天文、月球與行星科學等）的研究人員數量僅為美、英等單個國家的十分之一。分析更深層次的要素，我國在科學領軍人才數量和國際影響力、基礎研究積累、科學認知水平、技術和方法原創力、任務經驗積累、開放學術氛圍、國際化程度等方面尚有巨大差距。

空間科學的戰略地位

我國空間科學發展滯后的根本原因之一，是對基礎研究重視不夠，對空間科學重要性認識不足，這是發展理念問題。空間科學屬基礎研究，需要較大投入，但往往存在“不那么重要和緊迫”“錦上添花”等錯誤認識，與空間任務相比處于弱勢地位。近年來科技界和領導層高度重視基礎研究對解決“卡脖子”問題和作為技術創新之源的重要性，無疑是正確的。從更宏觀的科技發展和人類文明進步歷史看，近代技術革命和產業變革都是由科學革命引發的。17?世紀以來的經典力學、電磁學、數學、進化論等構建了近代科學體系并奠定了現代工業基礎；20?世紀初以量子論、相對論為核心的科學革命，造就了近百年來的科技繁榮和新興產業。科學進步永無止境，面對未來可能的科學革命，我國不能無所作為，而應當為人類作出更大貢獻，并為我國當前和未來科技、產業發展積淀深厚的科學基礎；造就探索未知、求真溯源、開放理性的科學精神，使我國空間科學發展根深葉茂，行穩致遠，這應是建設科技強國的深度內涵。

愛因斯坦曾指出：“未來科學的發展無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍”。空間科學鏈接了宇觀和微觀研究的前沿，包括挑戰現代物理學基礎的暗物質性質、暗能量本質，極端宇宙的物理規律，并涉及太陽系和地球演化、生命起源與本質等基本問題，可能推動新科學革命。空間科學還延伸到利用空間特殊環境的重要應用基礎研究，領域廣闊，充滿發現機遇，各大國將其視為空間時代的大科學和戰略必爭領域。空間科學應當作為我國基礎研究的重點突破口之一。

我國正在向建成科技強國、航天強國的目標邁進，空間科學是其中突出的短板，要進一步加強空間科學、空間技術和空間應用的全面協調發展，將提高空間科學地位作為航天科技領域的重點任務，獲取重大成果，實現跨越發展。空間科學挑戰極限和不斷超越的需求，也將成為空間技術向更高水平發展的不竭動力。

空間科學規劃和預算

高水平的長期規劃、穩定的預算，這兩個頂層要素是我國空間科學長期穩定高水平發展的保障。

制定國家空間科學規劃

空間科學面向科學前沿，高風險、高回報，必須長期規劃，深厚積累，組織定向基礎研究，精心實施。國際上成功的經驗表明，獲得重大成果的空間科學項目往往經歷十幾年至二十幾年的科學準備、技術突破和研制試驗，或經歷幾代空間任務的積累提升。我國不少空間科學項目準備時間短，存在諸多薄弱環節，或主要追求技術成果，影響科學產出。目前，我國空間科學規劃分散在各部門和各專項，各抓一面，分段規劃，主要是推出項目，缺乏長期戰略、頂層規劃、能力建設、配套措施和資源統籌，也存在爭經費、“保地盤”等因素干擾。要改變這種分散局面，發揮國家戰略科技力量主力軍作用和高校等各方面積極性，制定統一和長期、持續的國家空間科學規劃，形成國家“一盤棋”。

規劃應堅持科學導向和重大科學產出原則，發揮科學家的核心作用，廣泛征集建議；結合戰略科學家隊伍，不斷研究重大科學問題和前瞻發展趨勢，凝聚科學界共識，及時響應最新動向，提出科學方向、發展路徑、優先分級、任務指南。規劃應包括空間科學各領域，如深空探測是研究月球和行星科學的主要途徑，是空間科學的組成部分，不宜單列；空間地球科學的研究性質突出，與各類對地觀測業務衛星的目標和手段不同，應在空間科學規劃中包括；空間生命科學和微重力科學在空間規劃中應得到重視，不能完全依靠其母學科規劃。規劃周期至少?10—15?年，近中遠結合，定期滾動迭代。

規劃應全面部署基礎能力提升，制定具體計劃加強空間科學各方向的研究基礎、學科布局和人才培養，落實重要研究設施的建設運行，部署新一代重要探測技術攻關，提出重要政策措施和國際合作戰略。

要建立有效的跨部門統籌協調機制，在國家空間科學規劃指導下理順分工職責，從科學任務概念的研究、預先研究、技術攻關、工程研制、在軌運行、研保條件、科學應用和數據系統、軟件工具開發、數據分析研究，到成果產出和轉化的全鏈條形成完整的支持體系。

建立穩定的空間科學預算

發展空間科學需要增加投入，投入比例是政策的具體體現。近?20?年國際上主要國家航天局總預算年均約?370?億美元，其中直接空間科學預算占比?27%，年均約?100?億美元（其中美國?60?多億美元），其投入規模（加上空間設施運行）和運營性質與全球地面大科學裝置的投入具有可比性。我國應加大對空間科學的投入，在民用航天中經費占比達到?15%?并逐步提高到國際平均水平，建立科學衛星系列，同時載人航天、月球與深空探測等國家科技重大專項也應落實對相應空間科學的合理投入，保證科學目標實現。

空間科學任務的復雜性和長期性特點，以及擴大科學隊伍規模、集聚高層次人才等都需要穩定的國家預算支持。突破財政年度和?5?年周期的預算是制定長期規劃的基本條件，建議國家財政單列空間科學預算賬戶（穩定基數，可隨國家財政狀況微調），改變根據每項具體任務編列預算的辦法，使空間科學整體發展和長期任務有穩定的預期，以及更高的經費使用效率。

夯實空間科學發展基礎

空間科學不是有了經費，擴大了規模就能出成果的。空間科學追求首次發現和規律性認識，既要有國際視野和自主的科學思維，又要有創新的探測技術和實驗方法，基礎厚實極為重要。我國近幾年發射衛星數量和空間活動規模快速增長，引發了一些急于求成的心態，認為有了好的想法，做了一些仿真計算就可以在衛星和空間站上實施，或單純通過探測領域的擴大就能夠取得成果，這不禁令人擔心在規模擴大時我們的水平能否真正上臺階。我國空間科學必須擺脫單純以空間項目為中心的思想，重視其背后需要進行的多方面巨大努力。長期努力提升科學和技術水平，不斷培養高水平人才，厚植基礎，才能培育出具有獨特性和國際競爭力的空間項目。

 加強地面和多渠道實驗研究

空間科學是以觀測和實驗為基礎的科學，需要通過地面實驗和各種途徑加強實驗研究，提高能力水平。

空間科學先進國家通過低成本途徑（科學氣球、探空火箭、空間搭載等）拓展空間科學任務規模，激勵新穎科學思想，驗證創新技術，培育年輕領軍人才，擴展人才隊伍，以及作為夯實研究和技術基礎的重要途徑。美國?NASA、法國國家空間研究中心（CNES）和日本、加拿大、印度、瑞典等國航天機構均配備了科學氣球和探空火箭系統，NASA?常年發射大型科學氣球（高度?35—45?km，載荷數?t）和探空火箭（高度約?350?km），累計各?2?000?余次，21?世紀初開始的南極長時間氣球探測計劃，實施了?20?多項頗具創意的大型探測任務（粒子/非粒子天體物理計劃），其中兩項已升級進入國際空間站，還開展了一系列有特色的大氣和地球科學觀測和重要技術試驗；在?Artemis?計劃中已征集并初步確定了十幾項立方星月球探測和技術驗證搭載項目。法國作為歐洲科學氣球中心，長年實施“用百分之一的經費獲得百分之十的收益”的科學氣球計劃，且近年又在擴大科學氣球的活動區域。

我國已具備開展科學氣球探測和探空火箭活動的技術基礎。取得重要科學成果的“悟空”衛星（與美國?ATIC?南極氣球任務合作）、“慧眼”衛星（直接解調成像方法驗證）都有氣球飛行實驗的重要基礎。我國應發展大型科學氣球，配備相關設備，建立常態化科學氣球運行系統，條件具備時開展南極長時間氣球飛行；探空火箭要配置合理型譜，在已有基礎上形成運行系統，安排落實科研基礎設施，建立面向全國征集項目，將開展科學探測和技術試驗作為有效常規手段。其他低成本方法在我國也有先例，例如清華大學“極光計劃”的立方星?X?射線偏振探測取得重要成果，正在推進后續“天格計劃”；我國空間站也推出了搭載計劃。利用各種低成本機會開展實驗，是加強研究基礎和技術研發的有效途徑。

為保證在國際空間站上開展的生命和物理研究項目具有更高水平，參與各國普遍采用了“培育-淘汰”的優選流程，征集后的初選項目給予少量經費開展地面研究和實驗。通過?Pre-phase A（概念研究）和?Phase A（概念及技術開發）階段的實驗結果和嚴格的同行評議，篩選少部分優秀項目進入飛行任務階段，優選比例約?1/5。地面實驗普遍采用微重力落塔、微重力飛機和其他模擬方法進行驗證。

我國已具備開展微重力落塔實驗的條件，正在建設更強性能的微重力設施，需要全面安排好這些實驗設施的建設發展。我國空間站實驗要形成項目池和項目優選機制，充分利用各種手段加強科學研究、地面實驗和與設施設備的匹配實驗，爭取高水平成果。

科學數據是空間科學實測（實驗）的結果。我國長期利用國外空間數據開展科學研究，取得不俗成績，并為自主空間項目進行了有效準備。隨著我國自己的空間科學數據越來越多，加強數據共享利用有利于多出成果，發揮效益，并可吸引更多團隊參加，加強研究基礎。要破除影響數據共享的各種壁壘（包括對地觀測數據用于地球科學等研究），制定數據標準，發展數據分析軟件，最大限度地實現數據共享和再利用。

 加強理論、實驗與技術深度結合

空間科學要在觀測和實驗基礎上達到探索未知、認清規律的目的。從以下兩類科學產出分析理論、實驗和技術結合的重要性。

（1）發現性和描述性科學產出。從觀測和實驗中發現新現象，發現可能顛覆現有科學規律（破缺）跡象，解釋現象背后的科學成因，勾畫出未知的物理圖像或過程脈絡，發現新現象的科學機理，這些都是重大科學成果。在這個過程中，科學思想（科學洞察力）、探測和實驗技術（往往要有超越性的技術和方法）、準確理解實驗結果（條件變化、測量誤差和置信度、統計分析結果）、數據分析工具包，以及對實驗結果的科學解釋都是非常重要的；大數據挖掘、人工智能將成為更有效的研究分析工具；科學仿真，特別是“端到端”仿真（觀測目標-傳遞路徑、載荷與系統響應-模擬數據生成），和進一步的“數字孿生”用于設計驗證，要素影響評估、測試結果確認、數據處理準備、運行參數調整及流程規劃，成為任務全周期和提高研究水平的重要環節，需要科學家、實驗專家、技術專家和數據分析專家深度結合。我國各領域、各單位情況有較大差距，普遍存在科學與技術分離，任務全鏈條力量不完整等問題。小課題組模式已顯現出局限性，需要在重要方向形成強大完整的團隊，在重要任務中加強組織，多單位優勢互補，集聚高水平人才，開展細致交流，加強各類工作的融合。

（2）創建性或顛覆性的理論突破。其對科學發展有重大影響，諾貝爾科學獎比較青睞這類成果，而這方面目前是我國的突出短板。創建性或顛覆性的理論突破需要理論學家（和部分數學家）不斷研究和推出關于宇宙、天體、物質、熱力學、太陽系、地球、生命等不同層次重大科學問題的新學說、新模型和“大理論”。建議設立“研究特區”，動員和吸引理論學家關注和參與空間科學規劃，指導空間科學項目，了解空間實驗情況和結果，加強與實驗科學家交流，發展復雜系統數值模擬。我國專注“大理論”的高級研究人才比實驗人才更加欠缺，可遇不可求，因此特別需要開辟適宜土壤長期培育。

 加快空間科學人才培養

空間科學人才不足將嚴重影響未來發展，因此我國首先需要采取措施擴大空間科學人才隊伍規模。高校和研究機構應加大空間科學相關研究生招收培養數量，不斷提高培養質量，這可能是較快的解決辦法。高校要全面部署與空間科學各領域相關的學科設置。

更多的空間科學項目，包括采用低成本途徑的項目是培養具有科學素養和實踐經驗人才的重要途徑。例如，培養空間科學各領域的科學家、科學探測及實驗技術專家，以及具備綜合能力、能組織領導空間科學任務的項目首席科學家和管理專家。大型空間科學任務和國際合作項目應設立專門人才計劃，吸引國內外學者和高素質青年人才。

部署空間科學重要領域的國家實驗室或全國重點實驗室，通過實驗室建設承擔國家空間科學任務，集聚并長期穩定高水平人才，形成專家群和完整的綜合性團隊。

加強空間科學國際合作

空間科學與所有基礎研究的性質相同，是全球性的，國際合作已經成為各國空間科學發展政策的重要組成部分。我國空間科學的國際合作已有諸多成功經驗，如地球空間雙星探測計劃與?ESA?的合作、空間科學先導專項衛星任務多層次的國際合作、載人航天工程中的中德空間生命科學合作、中國-瑞士合作伽馬暴偏振探測（POLAR）等均取得重要成果；正在實施的一批重要國際合作計劃，包括中法合作的太空望遠鏡（SVOM）項目、中-歐合作太陽風-磁層相互作用全景成像衛星（SMILE），以及?EP?衛星與?ESA、CNES等的合作，中國空間站與?COPUOS?和?ESA?聯合征集科學實驗項目合作等，這些對我們提升全球視野、提高水平、打牢基礎、提升國際影響力均發揮了重要作用。

在當前國際形勢下，仍要堅持貫徹開放、合作方針，積極參加重要國際空間科學計劃、雙邊和多邊項目合作，積極推動我國牽頭的空間大科學計劃，開放我國重大專項（空間站、探月工程等）的空間科學計劃和科學衛星計劃，征集國外科學家的項目建議，開展國內項目的國際評審，促使我國空間科學進入國際前沿。

要充分發揮科學家在開展學術交流和形成國際合作項目中的作用，鼓勵支持我國科學家積極參加國際會議和國際組織的活動并任職，形成活躍的有影響力的國際交流人才隊伍；加強我國空間科學各領域與國外對口專業機構（研究中心、實驗室等）之間的密切交流，形成長期穩定的合作關系；要舉辦和參加各種科學討論會和工作會議，積極參與?COPUOS?的活動，顯著提升我國空間科學的國際影響力。

完善空間科學任務管理模式

空間科學的實施體現為航天工程任務（科學衛星、深空探測）或其中的重要組成部分（載人航天工程等），具有顯著的科學與工程結合特點，也經常顯現出科學文化與工程文化的沖突與融合。如何完善空間科學相關任務的管理，是我國空間科學發展的重要課題。

 處理好科學與工程的關系

多年來，我國已經形成了完整的航天工程管理體系；空間科學滯后進入，需要一個理解、適應和提升過程。總體上，要堅持“科學（應用）是最終目的，工程是根本保證”的理念，既要滿足科學任務特殊要求，也要遵從航天工程高可靠（載人航天還有高安全性）的要求。

科學與工程兩者有不同的內在需求和規律差異。例如，我國航天工程重視狀態管理（設計狀態、初樣和正樣狀態），把技術狀態作為基線嚴格管控、保證質量，這也是我國航天工程普遍采用由多個系統組成大系統的管理模式所需；而這要求科學載荷很早就確定技術狀態和接口，對許多項目而言難以適應。在歐美的一些大型空間科學任務中，特別重視科學需求（科學任務對工程的需求），項目以科學需求文檔（SRD）為核心貫穿研制全周期和天地系統，不斷挖掘科學潛力，不斷迭代，即使在詳細設計（CDR，相當于正樣設計）和系統測試后，仍要按?SRD?或新需求更改完善，筆者認為這更加符合科學規律和保證產出的理念。這種理念可行的基礎是科學家主導下的合同制管理模式，即使空間科學先導專項科學衛星給予首席科學家一票否決權，但也還不具備完全實施這種模式的條件，遑論其他，但今后肯定要推行這種理念。我國航天工程的階段劃分還不能貼切地反映科學載荷與飛行器的差異，特別是科學載荷測試驗證、標定，以及匹配實驗等細致工作需要時間，而目前往往過于緊張。

載人航天工程在國內外都被賦予了體現國家威望等更廣泛的意義，總體上與其中的科學任務是可以很好兼顧的，我國空間站工程正在不斷探索完善。在空間站長期運營的科學項目管理中，管理的高效性、項目培育遴選、立項程序和時效、資源分配、余量管理、系統間協調、流程改進、質量標準、進度安排等方面還有很大改進空間，需要防止重進度、輕科學產出的傾向。

我國航天工程管理體系是長期實踐經驗的寶貴結晶，但也要與時俱進，將科學任務特點和科學產出最大化理念納入更完善的工程管理方法中。

 重視發揮科學家的作用

科學家群體應在制定我國空間發展戰略、長遠規劃、項目論證、評審遴選、同行評議、任務評估、成果評估中發揮主體作用。特別是在空間科學任務中，科學家及科學家團隊應當發揮核心作用，在立項、科學目標確定、指導系統研制、測試驗收、地面系統、科學分析等全過程中保證科學目標實現。目前，多項空間科學任務已經采用了首席科學家負責制，或是科學家、總工程師和總指揮“三首長制”，科學家開始發揮作用，但還很有限。在現有以行政領導為主的管理架構中，涉及科學產出的重大問題如何決策，首席科學家及責任科學家團隊的實際地位和作用發揮如何保證，還要繼續探索和積累經驗，通過管理規定逐步成型。此外，我國還需要培養出一批懂科學、懂管理、懂載荷、懂工程、理解科學任務特點規律的復合型領導人才，為空間科學任務更好體現科學導向發揮重要作用。

（作者：顧逸東，中國科學院空間應用工程與技術中心；《中國科學院院刊》供稿）

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