開啟中國認(rèn)識宇宙的新篇章
——空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及進(jìn)展*

文/中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項研究團(tuán)隊

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190

開啟中國認(rèn)識宇宙的新篇章
——空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及進(jìn)展*

文/中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項研究團(tuán)隊

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190

編者按2010年，國務(wù)院105次會議批準(zhǔn)中科院實施“戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項行動計劃”（簡稱“先導(dǎo)專項”），2011年1月中科院正式啟動實施?！跋葘?dǎo)專項”定位于解決關(guān)系國家全局和長遠(yuǎn)發(fā)展的重大科技問題，是集科技攻關(guān)、隊伍孕育和平臺建設(shè)于一體，能形成重大創(chuàng)新突破和集群優(yōu)勢的戰(zhàn)略行動計劃。專項分為兩類：A類先導(dǎo)專項聚焦國家需求、側(cè)重于突破關(guān)鍵核心科技問題，B類先導(dǎo)專項瞄準(zhǔn)國際學(xué)科發(fā)展前沿、側(cè)重于基礎(chǔ)與交叉前沿方向布局。自本期起本刊將陸續(xù)報道“先導(dǎo)專項”及其階段性進(jìn)展。

“空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項”于2011年1月由中科院立項，致力于在最具優(yōu)勢和最具重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的科學(xué)熱點領(lǐng)域，通過自主和國際合作科學(xué)衛(wèi)星計劃，實現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破，帶動相關(guān)高技術(shù)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。文章介紹了該專項的背景、實施目標(biāo)、研究內(nèi)容、進(jìn)展及未來展望。

空間科學(xué)，空間科學(xué)衛(wèi)星，空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2014.06.012

空間科學(xué)是以航天器為主要平臺，研究發(fā)生在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學(xué)以及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)。1957年以來空間科學(xué)以前所未有的嶄新手段和強(qiáng)大能力開展研究，取得了重大成就，革命性的發(fā)現(xiàn)源源不斷，超過了以往數(shù)千年的總和，眾多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)已向人類揭示出全新的宇宙景象，深刻改變了人類對自然和自身的認(rèn)識以及人類的生產(chǎn)生活方式[1]。

1 空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的設(shè)立

目前人類的空間探索以月球、火星和小行星為主線，向著更深、更遙遠(yuǎn)的宇宙邁進(jìn)，持續(xù)探索宇宙的起源與演化、理解暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，揭示太陽爆發(fā)機(jī)理，不斷加深對地球系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)識及地球系統(tǒng)對自然變化和人為誘導(dǎo)變化的響應(yīng)的認(rèn)識，通過空間環(huán)境下的實驗研究物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律[2-8]。為實現(xiàn)空間科學(xué)研究所需的空間探測技術(shù)也向著更高（靈敏度）、更精（分辨率）、更強(qiáng)（多任務(wù)、多功能）、更準(zhǔn)（標(biāo)定能力）、更寬（觀測范圍/譜段）、更微小、更輕型和更節(jié)省資源的方向發(fā)展。

在這些前沿?zé)狳c領(lǐng)域，與國際先進(jìn)國家相比，中國的空間科學(xué)發(fā)展存在較大差距。我國是航天大國，但真正意義的空間科學(xué)衛(wèi)星數(shù)量很少，空間科學(xué)項目多數(shù)以搭載為主，科學(xué)家只能在限定的軌道、姿態(tài)和有限的衛(wèi)星資源下“就鍋下米”，開展有限的探測和實驗，探測的系統(tǒng)性、精確性和目標(biāo)適宜性無法保證，研究處于被動局面。我國的空間科學(xué)家在開展研究時使用的數(shù)據(jù)仍然以國外科學(xué)衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)為主，這些數(shù)據(jù)絕大部分都是別人分析過的數(shù)據(jù)，是硬骨頭，從中已經(jīng)很難得到重大發(fā)現(xiàn)，通常要經(jīng)過大量的分析和統(tǒng)計，才能獲得一些枝節(jié)或末端的成果。這也是我國在空間科學(xué)領(lǐng)域缺少重大原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)和成果的主要原因。

然而經(jīng)過50年的發(fā)展，通過分析國外數(shù)據(jù)和搭載試驗，我國無論是空間技術(shù)還是空間科學(xué)研究方面都已具備了一定的基礎(chǔ)，可以設(shè)計并發(fā)射多種衛(wèi)星平臺，并建立起了一支學(xué)科領(lǐng)域較全的科研隊伍和多個重點實驗室[9]。

為充分發(fā)揮空間科學(xué)在國家創(chuàng)新發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用，2010年3月，國務(wù)院第105次常務(wù)會議審議通過了中科院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，同意中科院組織實施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項。2011年1月，中科院黨組會審議并通過了空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（簡稱“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”）實施方案和組織管理方案，標(biāo)志著空間科學(xué)先導(dǎo)專項正式立項，開啟了我國探索宇宙奧秘的新篇章。

1.1 專項總體目標(biāo)

空間科學(xué)先導(dǎo)專項的總體目標(biāo)是：在最具優(yōu)勢和最具重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的科學(xué)熱點領(lǐng)域，通過自主和國際合作科學(xué)衛(wèi)星計劃，實現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破，帶動相關(guān)高技術(shù)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項的總體目標(biāo)又可細(xì)分為科學(xué)目標(biāo)、技術(shù)目標(biāo)和應(yīng)用目標(biāo)。

科學(xué)目標(biāo)。在黑洞、暗物質(zhì)、量子力學(xué)完備性、空間環(huán)境下的物質(zhì)運動規(guī)律/生命活動規(guī)律和太陽活動對地球環(huán)境的影響等方面取得原創(chuàng)性的突破進(jìn)展。

技術(shù)目標(biāo)。突破空間高精度光跟瞄、微弱光探測、空地高精度時間同步、深空測控通信與數(shù)傳等空間先進(jìn)技術(shù)，帶動衛(wèi)星平臺技術(shù)、有效載荷技術(shù)、衛(wèi)星/載荷一體化技術(shù)、元器件技術(shù)和材料技術(shù)等多項核心技術(shù)的發(fā)展。

應(yīng)用目標(biāo)。在量子通信、能源高效利用、新材料加工等方面推動應(yīng)用的發(fā)展，促進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，為國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1.2 專項研究內(nèi)容

空間科學(xué)先導(dǎo)專項開展空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的研究、創(chuàng)新概念研究和相關(guān)探測技術(shù)預(yù)先研究、空間科學(xué)衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)研究、空間科學(xué)衛(wèi)星的研制、發(fā)射和運行，以及科學(xué)衛(wèi)星上天后的科學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用，構(gòu)成了空間科學(xué)任務(wù)從孵育、前期準(zhǔn)備、技術(shù)攻關(guān)到工程研制、成果產(chǎn)出的完整鏈條。

2020年前，空間科學(xué)先導(dǎo)專項通過實施具備工程立項條件的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)開展研究，致力于實現(xiàn)科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和突破，深化人類對宇宙和自然規(guī)律的認(rèn)識，提升我國的科技創(chuàng)新能力和國際競爭力，為我國的長期可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。與此同時，遴選未來擬發(fā)射的空間科學(xué)衛(wèi)星項目，突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，使其具備工程立項條件；制定空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃，提出一批新的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)概念，在影響空間科學(xué)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)方面取得突破；開展公共支撐系統(tǒng)建設(shè)，保障空間科學(xué)先導(dǎo)專項的順利實施。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項的項目類型包括：空間科學(xué)衛(wèi)星工程任務(wù)、空間科學(xué)衛(wèi)星背景型號項目、空間科學(xué)預(yù)先研究項目（圖1）。

圖1 中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項

1.2.1 空間科學(xué)衛(wèi)星工程任務(wù)

在“十二五”期間，擬發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星、暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星、實踐十號等系列科學(xué)衛(wèi)星，重點針對黑洞的性質(zhì)及極端條件下物理規(guī)律、暗物質(zhì)的性質(zhì)、空間環(huán)境下的物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律及檢驗量子力學(xué)完備性等方面開展研究，實現(xiàn)科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和突破，取得重要研究成果。

（1）硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）衛(wèi)星。研究黑洞的性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律，實現(xiàn)寬波段X射線（1—250 keV）巡天，探測大批超大質(zhì)量黑洞和其他高能天體，研究宇宙X射線背景輻射的性質(zhì)；將通過定點觀測黑洞和中子星、活動星系等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力中物質(zhì)的動力學(xué)和高能輻射過程。

HXM T衛(wèi)星總重量約達(dá)2 700kg，將在高度550km、傾角43°的圓軌道上進(jìn)行巡天和定點觀測。衛(wèi)星設(shè)計壽命4年，將由CZ-4B運載火箭發(fā)射（圖2）。

圖2 硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）藝術(shù)概念

HXM T衛(wèi)星的有效載荷包括高能X射線望遠(yuǎn)鏡（H igh Energy X-ray Telescope，HE）、中能X射線望遠(yuǎn)鏡（Medium Energy X-ray Telescope，ME）、低能X射線望遠(yuǎn)鏡（Low Energy X-ray Telescope，LE）3個主載荷以及空間環(huán)境監(jiān)測器（Space EnvironmentMonitor，SEM）輔助載荷。各有效載荷分別與衛(wèi)星平臺之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

（2）量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（QUESS）。旨在建立衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實驗平臺，在國際上首次在空間大尺度下實現(xiàn)星地自由空間量子密鑰生成和分發(fā)、量子力學(xué)基本問題及非局域性檢驗等具有重要科學(xué)和實用意義的試驗，以期取得量子力學(xué)基礎(chǔ)物理研究重大突破和一系列具有國際顯示度的科學(xué)成果。該項目借助衛(wèi)星平臺，尋求量子理論在宏觀大尺度上的應(yīng)用，使量子信息技術(shù)的應(yīng)用突破距離的限制，促進(jìn)廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現(xiàn)。同時本項目能夠在更深層次上認(rèn)識量子物理的基礎(chǔ)科學(xué)問題，擴(kuò)寬量子力學(xué)的研究方向，對于量子理論乃至整個物理學(xué)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星總重約620kg，運行于高度600km、傾角97.79°的太陽同步軌道，將由CZ-2D運載火箭發(fā)射（圖3）。

圖3 量子科學(xué)實驗衛(wèi)星（QUESS）天地實驗示意

星上配置4個有效載荷，為量子密鑰通信機(jī)、量子糾纏源、量子糾纏發(fā)射機(jī)和量子試驗控制與處理機(jī)，地面配置1個科學(xué)實驗中心、2套廣域量子密鑰應(yīng)用平臺、4個量子通信地面站和1個空間量子隱形傳態(tài)試驗站，形成量子科學(xué)實驗衛(wèi)星天地實驗系統(tǒng)。

（3）暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（DAMPE）。通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線尋找和研究暗物質(zhì)粒子，在暗物質(zhì)研究這一前沿科學(xué)領(lǐng)域取得重大突破；通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；通過觀測高能伽瑪射線，在伽瑪天文方面取得重要成果。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星采用衛(wèi)星平臺與載荷一體化設(shè)計，整星重約為1 800 kg，有效載荷重約為1 400kg。衛(wèi)星軌道為太陽同步軌道，軌道高度約600km，在軌運行壽命為3年（圖4）。有效載荷由硅陣列探測器、塑料閃爍體探測器、鍺酸鉍（BGO）晶體量能器和中子探測器組成。

圖4 暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（DAMPE）藝術(shù)概念

（4）“實踐十號”衛(wèi)星（SJ-10）。利用返回式衛(wèi)星技術(shù)，開展微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)實驗，研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下物質(zhì)運動及生命活動的規(guī)律，取得創(chuàng)新科技成果，推動我國空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)發(fā)展。

SJ-10衛(wèi)星采用返回式衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星總質(zhì)量≤3 600kg，軌道傾角63°，飛行壽命返回艙12天、留軌艙15天，星上微重力水平優(yōu)于10－3g，運載火箭為CZ-2D。有效載荷充分利用衛(wèi)星留軌艙及回收艙，開展涉及微重力流體物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、空間輻射生物學(xué)效應(yīng)、重力生物學(xué)效應(yīng)和空間生物技術(shù)等領(lǐng)域的共計19項空間科學(xué)實驗（圖5）。

圖5 “實踐十號”衛(wèi)星（SJ-10）藝術(shù)概念

1.2.2 空間科學(xué)衛(wèi)星背景型號任務(wù)

空間科學(xué)背景型號項目從已完成概念研究的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)中遴選出科學(xué)意義重大、創(chuàng)新性強(qiáng)且初步具備下一個“五年計劃”發(fā)射技術(shù)可行性的衛(wèi)星任務(wù)，并在本“五年計劃”期間開展科學(xué)目標(biāo)凝練、探測方案優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及試驗驗證等工作，為下一個“五年計劃”工程立項和研制做準(zhǔn)備?！笆濉逼陂g，根據(jù)戰(zhàn)略規(guī)劃和發(fā)展路線圖，通過科學(xué)論證，分批遴選空間科學(xué)背景型號項目以及擬與歐空局聯(lián)合實施中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，進(jìn)行背景型號研究，開展科學(xué)目標(biāo)凝練、探測方案優(yōu)化和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，為“十三五”科學(xué)衛(wèi)星的工程研制、發(fā)射和獲得科學(xué)成果做準(zhǔn)備。8個背景型號項目及中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)情況如下。

（1）磁層-電離層-熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃（M IT）。利用小衛(wèi)星星座系統(tǒng)，對近地磁層高度以下的磁層-電離層-熱層耦合關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行探測，揭示電離層向磁層的上行粒子流的起源、加速機(jī)制與傳輸規(guī)律，認(rèn)識來自電離層和熱層的物質(zhì)外流在磁層空間暴觸發(fā)與演化過程中的重要作用，了解磁層空間暴引起的電離層和熱層全球性多尺度擾動特征，揭示磁層-電離層-熱層系統(tǒng)相互作用的關(guān)鍵途徑和變化規(guī)律（圖6）。

圖6 磁層-電離層-熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃（M IT）星座及軌道方案示意

（2）X射線時變與偏振探測衛(wèi)星（XTP）。以國際上探測面積最大的聚焦成像望遠(yuǎn)鏡陣列和高能量分辨率、高時間分辨率探測器，并結(jié)合高靈敏度偏振探測能力，研究“一奇”（黑洞，測量上百個黑洞的自轉(zhuǎn)參數(shù)）、“二星”（中子星和夸克星，研究極高密度下的物質(zhì)狀態(tài)方程）、“三極端”（極端引力、極端密度、極端磁場下的物理過程），實現(xiàn)對黑洞和中子星系統(tǒng)的大樣本、高精度X射線能譜和時變觀測，開拓高靈敏度X射線偏振探測新窗口，測量黑洞和中子星的基本物理參數(shù)，揭示極端條件下的基本物理規(guī)律。

（3）空間毫米波VLBI陣列。自主研發(fā)大型空間可展開射電望遠(yuǎn)鏡，同時與地面VLBI陣聯(lián)網(wǎng)，建成世界上首個具有超高分辨率的空間長毫米波VLBI陣列，開展黑洞等致密天體的超高精細(xì)結(jié)構(gòu)成像觀測等研究，揭示黑洞附近發(fā)生的天體物理過程，探究黑洞的物理本質(zhì)，揭示大質(zhì)量恒星的誕生和死亡之謎，增進(jìn)人類對時空的認(rèn)知（圖7）。

圖7 空間毫米波VLBI軌道方案示意

（4）太陽極軌行星際日冕物質(zhì)拋射事件射電成像探測計劃（SPORT）。利用攜帶的遙感成像儀器，首次以太陽極軌的視角，居高臨下對太陽和行星際空間展開連續(xù)成像，描繪行星際空間天氣“云圖”。進(jìn)行高時間、空間、譜分辨率的內(nèi)日球?qū)痈呔暤牡入x子體、電磁場、波動等的就地探測，在射電波段進(jìn)行成像探測。研究日冕物質(zhì)拋射在內(nèi)日球?qū)拥膫鞑ズ脱莼?；日冕和日球?qū)又心芰苛Ｗ拥募铀?、傳輸和分布；太陽高緯磁活動與太陽爆發(fā)、太陽活動周的關(guān)系；太陽風(fēng)高速流的起源和特性。揭示太陽風(fēng)加速和加熱、太陽高緯的磁活動過程；深化理解無碰撞等離子體的波粒相互作用及其電磁輻射機(jī)制等（圖8）。

（5）系外類地行星探測計劃（STEP）。搜尋太陽系附近的類地行星，開展太陽系附近行星系統(tǒng)的精確探測研究，進(jìn)行宇宙距離尺度定標(biāo)。將在國際上首次探測到太陽系附近（66光年以內(nèi)）的可居住類地行星。STEP的觀測對理解多行星系統(tǒng)的起源、演化和這些系統(tǒng)中的行星可居住性有著非常重要的影響，將成為發(fā)展行星系統(tǒng)動力演化理論的必要基礎(chǔ)。

圖8 太陽極軌行星際日冕物質(zhì)拋射事件射電成像探測計劃（SPORT）衛(wèi)星示意

（6）先進(jìn)天基太陽天文臺（ASO-S）。同時觀測對地球空間環(huán)境具有重要影響的太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）；研究耀斑和日冕物質(zhì)拋射的相互關(guān)系和形成規(guī)律；觀測全日面太陽矢量磁場，研究太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射與太陽磁場之間的因果關(guān)系；觀測太陽大氣不同層次對太陽爆發(fā)的響應(yīng)，研究太陽爆發(fā)能量的傳輸機(jī)制及動力學(xué)特征；探測太陽爆發(fā)，預(yù)報空間天氣，為我國空間環(huán)境的安全提供保障（圖9）。

圖9 先進(jìn)天基太陽天文臺（ASO-S）示意

（7）愛因斯坦探針（EP）。發(fā)現(xiàn)和探測幾乎所有尺度上的沉寂的黑洞，特別是發(fā)現(xiàn)和研究星系中心黑洞潮汐摧毀并吞噬恒星產(chǎn)生的X射線暫現(xiàn)爆發(fā)；探測引力波爆發(fā)源的電磁波對應(yīng)體并對其精確定位；開展高深靈敏度、高監(jiān)測頻度的大視場時域X射線監(jiān)測，實現(xiàn)對暗弱和遙遠(yuǎn)的高能暫現(xiàn)源的全天普查，開展大樣本X射線源的時變的巡天監(jiān)測（圖10）。

圖10 愛因斯坦探針（EP）衛(wèi)星示意

（8）全球水循環(huán)觀測衛(wèi)星（WCOM）。首次開展全球水循環(huán)關(guān)鍵多要素、高精度、同時相的綜合觀測，實現(xiàn)對地球系統(tǒng)中水的分布、傳輸與相變過程的機(jī)理及水循環(huán)系統(tǒng)的時空分布特征認(rèn)識上的突破；利用WCOM的觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對歷史觀測數(shù)據(jù)和水循環(huán)模型的改進(jìn)，揭示全球變化背景下水循環(huán)變化特征，深化理解水循環(huán)對全球變化的響應(yīng)與反饋作用的科學(xué)規(guī)律。

1.2.3 空間科學(xué)預(yù)先研究項目

通過部署課題集群的方式，對未來的空間科學(xué)衛(wèi)星計劃和必需關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行先期研究，開展空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究、衛(wèi)星任務(wù)概念研究、前瞻技術(shù)預(yù)研、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和地面、短時飛行試驗驗證，為空間科學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展奠定科技基礎(chǔ)。

分批在空間科學(xué)的16個研究計劃方向上部署遴選空間科學(xué)預(yù)先研究課題群，16個研究計劃設(shè)置為：空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略與總體規(guī)劃、天體號脈計劃、天體肖像計劃、暗物質(zhì)探測計劃、太陽顯微計劃、太陽全景計劃、日地聯(lián)系計劃、太陽系探測計劃、空間地球科學(xué)/全球變化計劃、空間基礎(chǔ)物理實驗計劃、微重力流體/輕盈計劃、微重力燃燒/輕焰計劃、空間材料/輕飏計劃、微重力實驗技術(shù)計劃、空間生命科學(xué)計劃和空間科學(xué)探測綜合技術(shù)。

1.2.4 公共平臺與配套設(shè)施建設(shè)

圍繞國家未來發(fā)展對科學(xué)技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新的需求，為提升對空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的支撐能力，提供科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件。公共平臺與配套設(shè)施建設(shè)堅持“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”的原則，以“服務(wù)科學(xué)家和服務(wù)科學(xué)研究”為宗旨，在充分利用現(xiàn)有設(shè)施條件的基礎(chǔ)上采用成熟先進(jìn)技術(shù)，面向多星多任務(wù)為科學(xué)應(yīng)用提供豐富而便捷的公共服務(wù)，既最大限度地支持科學(xué)產(chǎn)出，又避免重復(fù)建設(shè)。包括空間科學(xué)論證支持系統(tǒng)、科學(xué)衛(wèi)星地面接收站、空間科學(xué)任務(wù)中心和空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心四部分。

1.3 專項組織落實情況

中科院國家空間科學(xué)中心是空間科學(xué)先導(dǎo)專項的總體依托單位及空間科學(xué)衛(wèi)星工程的總體單位。在空間科學(xué)先導(dǎo)專項的組織實施中，吸納了我國空間科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢單位參加專項研發(fā)，主要包括：中科院高能物理所、力學(xué)所、中國科技大學(xué)、紫金山天文臺、上海微小衛(wèi)星工程中心、上海技術(shù)物理所、光電研究院、上海天文臺、大氣物理所、國家天文臺、西安光學(xué)精密機(jī)械所、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理所、上海光學(xué)精密機(jī)械所、物理所、理論物理所、生物物理所、微生物所；航天科技集團(tuán)公司一院、五院、八院，航天東方紅衛(wèi)星有限公司；清華大學(xué)、北京大學(xué)、浙江大學(xué)等單位。與此同時，美國、英國、德國、法國、意大利、瑞士、奧地利、日本等國的科學(xué)家，以及歐洲空間局（European Space Agency,ESA）也不同程度地參與了空間科學(xué)先導(dǎo)專項的工程研制和背景型號的研究工作。

2 專項進(jìn)展

目前空間科學(xué)先導(dǎo)專項已建立起從戰(zhàn)略規(guī)劃、預(yù)先研究、背景型號攻關(guān)、工程立項與研制、發(fā)射與科學(xué)運行到成果產(chǎn)出與評估的完整鏈條，各衛(wèi)星工程研制項目按計劃推進(jìn)，背景型號項目和預(yù)先研究項目取得階段成果，公共平臺與配套設(shè)施建設(shè)進(jìn)展順利，在國際空間科學(xué)領(lǐng)域取得較大反響。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星完成了初樣電性星各階段電測及整星試驗，開展了有效載荷初樣鑒定件研制、試驗；整星通過了初樣研制總結(jié)暨轉(zhuǎn)正樣評審；完成了地面應(yīng)用系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)初樣對接試驗。該衛(wèi)星于2013年底進(jìn)入正樣研制階段。

量子科學(xué)實驗衛(wèi)星完成了初樣結(jié)構(gòu)星力學(xué)試驗、熱控星熱平衡試驗、整星電性能聯(lián)試，正在開展鑒定星研制；完成了衛(wèi)星與測控、地面支撐系統(tǒng)和運載火箭系統(tǒng)的初樣對接試驗，即將轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星采用以有效載荷為中心的衛(wèi)星平臺一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效載荷突破了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，電性件在歐洲核子中心進(jìn)行了束流定標(biāo)試驗；衛(wèi)星系統(tǒng)完成了初樣產(chǎn)品研制，通過了整星鑒定級環(huán)模試驗，并與測控、數(shù)傳系統(tǒng)進(jìn)行了對接試驗。該衛(wèi)星于2014年9月轉(zhuǎn)入正樣研制階段。

“實踐十號”衛(wèi)星在返回式衛(wèi)星中首次采用了單相流體回路溫控技術(shù)，解決了回收艙空間小、熱耗大、設(shè)備位置集中、溫控要求高等技術(shù)難題，完成了衛(wèi)星平臺方案設(shè)計；完成了有效載荷初樣電性件單機(jī)研制，并開展了桌面聯(lián)試。目前處于初樣研制階段。

空間科學(xué)背景型號項目完成了“十二五”計劃期間的全部遴選工作，分兩批共遴選出了8個項目。其中，2011年遴選出了“磁層-電離層-熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃”、“太陽極軌望遠(yuǎn)鏡計劃”、“X射線時變與偏振探測衛(wèi)星”和“空間毫米波VLBI陣列”4個項目；2013年遴選出了“系外類地行星探測計劃”、“先進(jìn)天基太陽天文臺”、“愛因斯坦探針”和“全球水循環(huán)觀測衛(wèi)星”4個項目。

空間科學(xué)預(yù)先研究項目完成了兩批課題的遴選工作。其中，2011年遴選出的43個課題中，1年期課題已經(jīng)全部結(jié)題驗收；2年期課題實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，取得了預(yù)期成果，陸續(xù)完成技術(shù)評審，進(jìn)入結(jié)題驗收程序。2013年共遴選出55個課題，完成了課題部署。與此同時，還組織開展了2016—2030空間科學(xué)規(guī)劃研究，為“十三五”及未來發(fā)展規(guī)劃制定提供重要支撐。

公共平臺與配套設(shè)施于2012年完成方案設(shè)計，進(jìn)入全面建設(shè)階段。在現(xiàn)有空間科學(xué)與探測任務(wù)論證支持初級系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行能力擴(kuò)充，進(jìn)一步完善形成空間科學(xué)論證支持系統(tǒng)；依托現(xiàn)有的北京、喀什、三亞接收站建設(shè)近地軌道科學(xué)衛(wèi)星接收系統(tǒng)；在已有“雙星計劃”等科學(xué)任務(wù)的科學(xué)運行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上建設(shè)空間科學(xué)任務(wù)中心和空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項自啟動以來，得到了國際空間科學(xué)界的廣泛關(guān)注。Science在2011年5月刊文指出，“中國空間科學(xué)先導(dǎo)專項的實施標(biāo)志著中國空間科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段”[10]。Nature在2011年11月撰文指出，“只要中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)有力地增長，預(yù)計其空間科學(xué)任務(wù)將持續(xù)擴(kuò)展，中國的空間科學(xué)將會繁榮發(fā)展……，預(yù)計20年后，中國將主導(dǎo)美國。這個國家有一種緊迫感和奉獻(xiàn)精神，而其學(xué)習(xí)效率是有目共睹的。這個時間可能會更短……”[11]。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項的組織實施也吸引了歐美等國與我國在空間科學(xué)領(lǐng)域開展深度合作的愿望和興趣。在2013年舉行的第九屆中歐空間科學(xué)合作雙邊研討會上，雙方經(jīng)磋商達(dá)成一致：鑒于中科院從2011年開始實施空間科學(xué)先導(dǎo)專項，并將于2016年前遴選新的衛(wèi)星計劃，而歐洲空間局空間科學(xué)部規(guī)劃的第二批小型科學(xué)衛(wèi)星也將于2016年前確定，中歐雙方均同意以聯(lián)合開展一項小型任務(wù)為切入點，開啟中歐之間的全方位合作。目前該中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)的技術(shù)約束及時間框架已基本確定，并已組織召開了旨在加深雙方合作基礎(chǔ)的聯(lián)合任務(wù)首次研討會。該項任務(wù)將成為首項由中歐科學(xué)家全程共同參與策劃、形成任務(wù)建議、實施并進(jìn)行科學(xué)研究和數(shù)據(jù)利用的科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，不僅將為中歐雙方建立和維護(hù)強(qiáng)有力的、可持續(xù)發(fā)展的合作關(guān)系開辟道路，同時也將為探索、發(fā)展我國空間科學(xué)國際合作新模式提供有益的參考。

3 發(fā)展展望

空間科學(xué)先導(dǎo)專項的組織實施標(biāo)志著我國空間科學(xué)事業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段，將開啟我國認(rèn)識宇宙的新篇章。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項立項實施以來的進(jìn)展表明，各項研究任務(wù)有望取得預(yù)期成果：可望在恒星與星系的起源和演化、檢驗量子力學(xué)完備性、暗物質(zhì)的性質(zhì)、空間環(huán)境下的物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律等方面取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)或突破，深化人類對宇宙和自然規(guī)律的認(rèn)識。同時為未來五年乃至更長時間段空間科學(xué)的發(fā)展做好技術(shù)準(zhǔn)備、奠定發(fā)展基礎(chǔ)。

在黑洞的性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律研究方面，實現(xiàn)寬波段X射線（1—250 keV）巡天，探測大批被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和其他高能天體，分解和確定宇宙硬X射線背景輻射的來源；通過黑洞、中子星、活動星系核等高能天體的光變和能譜性質(zhì)，加強(qiáng)對致密天體和黑洞強(qiáng)引力場中動力學(xué)和高能輻射過程的認(rèn)識；催生極低噪聲軟X射線探測技術(shù)。

在量子力學(xué)基本問題檢驗方面，在國際上首次開展空間尺度下的量子力學(xué)基本問題檢驗，大大推進(jìn)人類對大尺度范圍量子力學(xué)規(guī)律的認(rèn)識，帶動我國量子物理整體水平的大幅度提升；在國際上首次實現(xiàn)星地量子密鑰傳輸，真正體現(xiàn)量子通信向廣域范圍發(fā)展的可能性，并將快速推進(jìn)廣域量子通信的實用化率先在我國得以實現(xiàn)，在量子通信技術(shù)實用化和產(chǎn)業(yè)化整體水平上保持和擴(kuò)大在國際上的領(lǐng)先地位；實驗小衛(wèi)星平臺高精度姿態(tài)機(jī)動技術(shù)；推動空間光跟瞄、空間微弱光探測、空地高精度時間同步等技術(shù)發(fā)展。

在暗物質(zhì)粒子的性質(zhì)與空間分布研究、高能電子觀測和高能伽瑪射線觀測等方面取得重大突破，驗證已有的物理模型；驗證大規(guī)模集成電路星上應(yīng)用技術(shù)；推進(jìn)多路信號（萬路量級）處理技術(shù)及星上計算技術(shù)。

在空間環(huán)境下的物質(zhì)運動規(guī)律和生命活動規(guī)律研究方面，拓展人類的認(rèn)識，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得重大突破。提高我國在空間流體控制、航天器防火安全、能源高效利用、新材料加工過程等方面的技術(shù)能力。揭示微重力及空間輻射環(huán)境影響植物、動物、微生物等生命體生命活動和重要生物學(xué)過程的分子機(jī)制，并應(yīng)用于動物早期胚胎發(fā)育、干細(xì)胞生長/分化、組織三維構(gòu)建等生物學(xué)研究。

在空間科學(xué)背景型號遴選與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，在先期任務(wù)概念預(yù)研的基礎(chǔ)上，為后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星計劃遴選背景型號預(yù)研項目；通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，降低進(jìn)入工程研制后的進(jìn)度風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、人才隊伍風(fēng)險和經(jīng)費投入風(fēng)險，為順利工程立項和開展工程研制與發(fā)射做好各項準(zhǔn)備。

在空間科學(xué)預(yù)先研究方面，通過部署的空間科學(xué)預(yù)先研究項目集群，將編制出適應(yīng)國際發(fā)展前沿的空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；極大促進(jìn)空間科學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域創(chuàng)新任務(wù)概念的涌現(xiàn)、孵育多項具有創(chuàng)新性的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)概念，突破空間科學(xué)觀測/探測所需的科學(xué)探測儀器關(guān)鍵技術(shù)及空間科學(xué)實驗關(guān)鍵技術(shù)，布局和啟動需長期發(fā)展的重要關(guān)鍵技術(shù)，為空間科學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展奠定科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

在公共平臺與配套設(shè)施方面，建成統(tǒng)一管理、可靠運行、高效利用的以提供專業(yè)化公共服務(wù)為特色的新型科學(xué)衛(wèi)星地面應(yīng)用公共支撐系統(tǒng)，保障空間科學(xué)先導(dǎo)專項的順利實施，為支撐“十三五”及更長遠(yuǎn)的空間科學(xué)任務(wù)計劃奠定堅實的基礎(chǔ)。

空間科學(xué)專項的順利實施，將促成在宇宙的起源與演化、物質(zhì)運動規(guī)律和量子力學(xué)完備性等方面實現(xiàn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和突破，揭開人類認(rèn)識宇宙的新篇章，同時帶動高精度探測、量子通信、新材料加工等多項技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，取得重大原創(chuàng)性科技成果，提升我國的科技創(chuàng)新能力、國家安全保障能力和國際競爭力，為我國的科技事業(yè)創(chuàng)新跨越發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

1中國科學(xué)院.科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇.北京:科學(xué)出版社,2013：167-178.

2 NASA’sScienceMissionDirectorate.NASA 2014Science Plan. Washington:www.nasa.gov,2014.

3 BignamiG,CargillP,Schutz Betal.Cosmic Vision Space Science forEurope2015-2025.Noordwijk:ESAPublicationsDivision,ESTEC,2005.

4 UbertiniP,GehrelsN,Corbett Ietal.Futureof SpaceAstronomy:A globalRoad Map for thenextdecades.ElsevierAdvances in SpaceResearch,2012,50:47-48.

5 Committee foraDecadalSurvey ofAstronomyandAstrophysics, Boardon PhysicsandAstronomy（BPA）,SpaceStudiesBoard（SSB）,Division on Engineering and Physical Sciences（DEPS）, NationalResearch Council.NewWorldsNew HorizonsinAstronomy andAstrophysics.Washington:NationalAcademiesPress, 2010：9-34.

6 CommitteeonaDecadalStrategy for Solarand SpacePhysics（Heliophysics）,SpaceStudiesBoard（SSB）,Aeronauticsand Space Engineering Board（ASEB）,Division on Engineering and PhysicalSciences（DEPS）,NationalResearch Council.Solarand SpacePhysics:AScience foraTechnologicalSociety.Washing ton:National Academies Press,2013：15-146.

7 Committeeon the Planetary ScienceDecadalSurvey,National ResearchCouncil.Vision and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013-2022.Washington:NationalAcademies Press, 2011:69-86.

8 Committee for the DecadalSurvey on Biologicaland PhysicalSciencesin Space,NationalResearchCouncil. Recapturing a Future for Space Exploration:Lifeand Physical SciencesResearch fora New Era.Washington: NationalAcademiesPress,2011:23-298.

9中國科學(xué)院空間領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組.中國至2050年空間科技發(fā)展路線圖.北京:科學(xué)出版社,2009：42-45.

10Hao X.ChineseAcademy TakesSpaceUnder ItsWing. Science,2011,332:904.

11CyranoskiD.China forgesahead in space.Nature,2011, 479:276-277.

Strategic Prio rity Program on Space Science:Tu rning a new page o f Chinese space endeavor

Team of Strategic Priority Program on Space Science
（NationalSpace Science Center,Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100190,China）

As a significant impetus to explore the unknown,space science addresses fundamental science questions such as the origin and evolution of the universe and life,kinetic properties ofmatter,and the relationship between solar system and human beings.Space scientific satellite,an im portantmeans to achieve scientific breakthroughsand space technology and application development,aims to address theabove-mentioned fundamental science questions.Compared with developed space countries,China is still lagging behind in space science.However,China has laid certain foundation on space research for leap-frog development after fifty-year development.Strategic Priority Program（SPP）on space science is dedicating to deepen our understanding of the universe and planet earth,seeking new discoveries and new breakthroughs in space science via the implementation of both independent and co-operational space sciencem issions.The im plementation of the SPP on space sciencew ill notonly promote the developmentof China’sspace science,of greatsignificance to China’s status in internationalspace community,butalso turn anew pageof Chinese spaceendeavor.

space science,scientific satellite,Strategic Priority Program on Space Science

中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA04000000）

修改稿收到日期：2014年10月29日