空間科學規(guī)劃及對航天運輸系統(tǒng)的需求

吳 季

(中國科學院國家空間科學中心，北京 100190)

0 空間科學是建設航天強國的重要支撐

空間科學是以航天器為主要平臺，研究發(fā)生在地球、日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學以及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學?？臻g科學的研究對象包括宇宙、生命、暗物質、引力波、太陽的活動規(guī)律和地球系統(tǒng)的演化等，占據(jù)了自然科學的宏觀和微觀兩大前沿。空間科學具有兩個鮮明的特點：一是必須基于衛(wèi)星/航天器平臺，到空間中開展科學實驗及探索，取得科學發(fā)現(xiàn)；二是空間科學研究投入高、風險大，屬于有組織開展的定向研究工作，涉及大量航天共性技術?？茖W史已經(jīng)充分證明，對宇宙和太空的探索引發(fā)了大量科學發(fā)現(xiàn)和進展，不斷突破著人類的認知極限，極大地推動了人類科學技術的發(fā)展。

空間科學衛(wèi)星計劃具有明顯的探索性及技術創(chuàng)新性，它與應用衛(wèi)星計劃相比存在很大差別(見圖1)。首先，空間科學計劃的建議，往往通過科學家團隊自下而上(Bottom-up)，通過項目申請的方式提出，體現(xiàn)的是科學家對科學前沿問題的思考及創(chuàng)新思想。在科學家提出計劃建議后，則由計劃管理部門按照一定程序及原則開展遴選，組織實施。其次，空間科學計劃主要致力于基礎科研，成果主要體現(xiàn)為公開發(fā)表的學術論文；計劃的成果要用這些論文的質量和數(shù)量來評價[1]。在實踐中，一類空間科學計劃具有極其突出的科學目標重大性，一旦實施取得突破，將促使人類在認識宇宙和自然中取得革命性的重大科學突破，但其成果數(shù)量相對可能較少；另一類空間科學計劃的科學目標參與度很高，眾多科研人員將參與到計劃的研究實施中來，并產(chǎn)出大量的科學論文，對空間科學的學科發(fā)展將會產(chǎn)生很強的帶動性和牽引作用。這兩類空間科學計劃，無論哪一類都將推動國家的基礎科學發(fā)展，并帶動相關技術創(chuàng)新。

基礎研究是整個科學體系的源頭，也是撬動所有技術問題的總機關、裝備發(fā)展的原動力[2]。在科學發(fā)展史早期，重大基礎科學突破大都是通過個人，經(jīng)過自由探索研究取得的。在人類科學技術發(fā)展到一定階段后，有組織的定向基礎研究則成為了取得基礎領域重大科學突破的重要途徑和手段。近代至今，由國家組織優(yōu)勢力量開展體現(xiàn)國家意志的定向基礎研究工作獲得重大科學突破的比例不斷增大[3]。

發(fā)展空間科學是實現(xiàn)有組織的定向重大基礎研究的重要工具之一。發(fā)展空間科學不僅能夠推動我國在基礎科學領域實現(xiàn)重大突破，實現(xiàn)從現(xiàn)代科學知識的“使用者”到“創(chuàng)造者”的轉變；還將為航天高技術創(chuàng)新帶來重要的驅動力，為航天技術的創(chuàng)新發(fā)展不斷注入新的活力。同時，這些高新技術在向地面的轉化應用中，將不斷開辟新的應用領域，為國家安全和社會經(jīng)濟發(fā)展做出重大貢獻。

正是由于空間科學對建設航天強國、科技強國的強有力支撐作用，我國高度重視空間科學的發(fā)展。2016年5月30日，在全國科技三會上，習近平總書記發(fā)出了將我國建設成為世界科技強國的號召，指出“必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發(fā)展”[4]。在黨的“十九大”報告中，習總書記強調， “要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現(xiàn)前瞻性基礎研究、引領性原創(chuàng)成果重大突破……為建設科技強國、質量強國、航天強國……提供有力支撐”。

1 “十二五”我國空間科學取得重要進展

空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項于2011年1月正式啟動實施，總目標是通過自主和國際合作科學衛(wèi)星計劃，在最具優(yōu)勢和最具重大科學發(fā)現(xiàn)潛力的科學熱點領域，實現(xiàn)科學上的重大創(chuàng)新突破，帶動相關高技術的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。

“十二五”時期，空間科學先導專項聚焦宇宙和生命的起源及演化和太陽系與人類的關系兩大重要科學前沿，部署研制、發(fā)射了暗物質粒子探測衛(wèi)星(悟空)、實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星、量子科學實驗衛(wèi)星(墨子號)和硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星(慧眼)，同時還部署了空間科學背景型號、空間科學預先研究項目。通過上述項目的部署和實施，空間科學先導專項將開展黑洞性質及極端條件下的物理規(guī)律、量子力學完備性檢驗、暗物質、空間環(huán)境下的物質運動規(guī)律與生命活動規(guī)律等方面的研究，努力取得重大科學突破；開展背景型號項目科學目標凝練及關鍵技術攻關、空間科學任務創(chuàng)新概念研究、有效載荷關鍵技術研究、地面標定及短時飛行驗證等工作，為空間科學的長期可持續(xù)發(fā)展奠定科學技術基礎。

經(jīng)過“十二五”專項的實施，已經(jīng)立項的4顆科學衛(wèi)星已經(jīng)相繼成功發(fā)射。截至2017年11月，暗物質粒子探測衛(wèi)星“悟空”巡天觀測已經(jīng)完成3次全天區(qū)覆蓋，首次發(fā)現(xiàn)了宇宙高能電子TeV拐點及其TeV以上的精細結構，首個重大科學發(fā)現(xiàn)在《Nature》發(fā)表。實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星完成15項國際首次實驗，其中小鼠早期胚胎在太空中順利完成從2細胞到囊胚的全程發(fā)育，是世界首次實現(xiàn)哺乳動物胚胎在太空發(fā)育。量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”圓滿實現(xiàn)千千米級的星地雙向量子糾纏分發(fā)、星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等3大科學目標，成果在《Science》和《Nature》上發(fā)表。硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星HXMT“慧眼”在首個雙中子星并合引力波事件發(fā)現(xiàn)過程中做出了重要貢獻。

空間科學先導專項已于2017年11月14日通過了中國科學院組織的專項總體驗收。專項完成了全部研究內容，實現(xiàn)了科學目標，取得了一批具有國際影響力的重要成果，發(fā)揮了空間科學在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。專項建立了我國第一個科學衛(wèi)星系列，促進了中國空間科學走上快速發(fā)展的新路徑。專項建立了自戰(zhàn)略規(guī)劃、預先研究、背景型號、立項論證與工程研制，直至科學運行、產(chǎn)出評估的完整的空間科學發(fā)展鏈條；專項所開展的空間科學發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究工作，為至2030年我國空間科學的發(fā)展指出了方向，繪制了發(fā)展藍圖。其重要研究成果——空間科學衛(wèi)星系列被納入了國家科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃；專項建立了以“首席科學家+工程兩總”為標志的科學衛(wèi)星工程管理體制，建立了完備的專項組織管理機制；建設了先進的專項公共平臺及基礎設施，凝聚、培養(yǎng)了一支高水平的專項任務研制隊伍，為后續(xù)組織實施專項任務奠定了重要的科學研究、工程管理、基礎設施和人才隊伍基礎。

自2016年起，空間科學衛(wèi)星已連續(xù)3年入選習近平總書記的新年賀詞。2016年8月，空間科學衛(wèi)星系列入選國務院《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，對國家未來的科技布局產(chǎn)生了深刻影響?？臻g科學先導專項作為“十二五”期間我國空間科學領域最重要的系統(tǒng)性進展，開啟了中國空間科學發(fā)展的新篇章[5]，同時也為實現(xiàn)中國空間科學的長期可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。

2 “十三五”科學衛(wèi)星計劃簡介

為了全面落實黨和國家領導人對發(fā)展我國空間科學的重要指示，中國科學院對“十三五”乃至2030年前我國的空間科學發(fā)展路徑進行了戰(zhàn)略研究，制定了相應的發(fā)展規(guī)劃，并自下而上地征集遴選了面向“十三五”及以遠的空間科學衛(wèi)星任務。

“十三五”期間，中國科學院將立足國際基礎科學前沿領域，圍繞“宇宙和生命是如何起源和演化的？太陽系與人類的關系是怎樣的？”兩大主題，在我國科學家關注及具有優(yōu)勢的領域，組織實施愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星、先進天基太陽天文臺(ASO-S)衛(wèi)星和太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃(SMILE)等新的空間科學衛(wèi)星計劃，深化人類對宇宙和自然規(guī)律的認識。

愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星質量約1050kg，運行在近地550km～650km圓軌道上，傾角≤30°，設計壽命≥5年。EP衛(wèi)星將通過監(jiān)測X射線天空，發(fā)現(xiàn)和探索宇宙中的極端劇變天體和事件，研究天體的活動性。它將以高于現(xiàn)有設備一個數(shù)量級的探測靈敏度，在軟X射線波段開展快速巡天監(jiān)測，系統(tǒng)性地探測和研究各種時標上的X射線暫現(xiàn)源和天體的 X 射線時變。結合其快速星載后隨觀測和暫現(xiàn)源警報分布能力，愛因斯坦探針任務預期將在宇宙極端劇變天體和事件，特別是沉寂黑洞及其爆發(fā)、引力波事件的電磁波對應體等領域做出突破性的科學發(fā)現(xiàn)(見圖2)。

先進天基太陽天文臺(ASO-S)衛(wèi)星質量約900kg，運行在近地太陽同步晨昏軌道上，高度為720km，傾角約98°；設計壽命≥4年。ASO-S衛(wèi)星將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——耀斑和日冕物質拋射(CME)，研究耀斑和日冕物質拋射的相互關系和形成規(guī)律。觀測太陽大氣不同層次對太陽爆發(fā)的響應，研究太陽爆發(fā)能量的傳輸機制及動力學特征。探測太陽爆發(fā), 預報空間天氣，為我國空間環(huán)境的安全提供保障。觀測全日面太陽矢量磁場，研究太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質拋射與太陽磁場之間的因果關系(見圖3)。

太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃(SMILE)衛(wèi)星整星質量不超過2000kg，運行在近地點高度>5000km，遠地點高度17～21Re，傾角為67°～98°的大橢圓軌道上，設計壽命約4年。SMILE衛(wèi)星是中國和歐空局聯(lián)合研制的科學衛(wèi)星。它將探測太陽風-磁層相互作用的大尺度結構和基本模式；認知地球亞暴整體變化過程和活動周期；探索日冕物質拋射事件(CME)驅動的磁暴發(fā)生和發(fā)展。SMILE將利用先進的成像技術提供磁層頂、極尖區(qū)和極光卵的同步觀測和視頻，結合天基和地基的太陽風和磁層原位探測結果，提供對影響整個空間天氣鏈條的太陽風-磁層相互作用的首次全景成像觀測。該項目將推動磁層物理學的發(fā)展，在預測及減輕空間天氣災害方面發(fā)揮重要作用(見圖4)。

通過研制發(fā)射愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星、先進天基太陽天文臺(ASO-S)衛(wèi)星和太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃(SMILE)等新的科學衛(wèi)星，預期未來我國將在時域天文學與引力波電磁對應體探測、太陽磁場、太陽耀斑爆發(fā)及日冕物質拋射(“一磁兩暴”)的關系及變化規(guī)律、太陽風與地球磁層間的相互作用及其規(guī)律等科學前沿取得重大突破。

3 面向2030年空間科學規(guī)劃對航天運載的需求

在美國著名學術期刊《Science》公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題[6]中，涉及系列空間科學問題：宇宙由什么構成？宇宙膨脹的驅動力來自何方？黑洞的本質是什么？第一顆恒星與星系何時產(chǎn)生、怎樣產(chǎn)生？人類在宇宙中是否孤獨？太陽系的其他星球上現(xiàn)在和過去是否存在生命等一系列現(xiàn)代科學的未解之謎。

為了解答這些問題，人類需要不斷拓展空間探索的疆域，開展更多、更深入到宇宙深處的空間科學探索。其中，空間引力波探測、宇宙黑暗時代探測、小天體探測及采樣返回、系外行星探測、黑洞及其周邊探測、木星及其以遠的行星際探測、接力木星的太陽極軌探測計劃等，將是至2030年空間科學領域需要致力突破的重大科學前沿。對宇宙不斷深入的遠距離探索，對航天運載系統(tǒng)提出了越來越高的技術需求。例如，在進行黑洞及其周邊探測時，需要保證探測器的高穩(wěn)定度，載荷的總質量可能達到4000kg；行星際通用通信接力系統(tǒng)(UNICON)需要發(fā)射6個激光通信探測器，每個探測器的質量預計超過1200kg，分3次發(fā)射后，這些探測器需要在1.44AU(日地距離，1.5億km)日心圓軌道上均勻分布；為了實現(xiàn)探測器快速飛向太陽系的邊緣，需要考慮傳統(tǒng)化學能源、核能、太陽能以及其他新的推進方式，以實現(xiàn)將目前30年的旅程縮短到10年的目標。

4 結束語

21世紀以來，空間科學與技術的發(fā)展日新月異，人類探索宇宙的步伐越來越頻繁，人類活動向太空的延伸也越來越深遠?？臻g科學作為與重大科技突破和人類生存發(fā)展密切相關、能夠引領密集技術創(chuàng)新的前沿交叉學科，占據(jù)了自然科學的宏觀和微觀兩大前沿?？臻g科學衛(wèi)星對宇宙空間的發(fā)現(xiàn)、探索和研究將帶來基礎科學的重大突破，并引領密集的航天技術(包括航天運載技術)方面的創(chuàng)新。“十二五”啟動實施的空間科學先導專項開啟了中國空間科學發(fā)展的新篇章，是“十二五”期間我國空間科學領域最重要的系統(tǒng)性進展。在“十三五”時期，中國科學院將繼續(xù)組織實施空間科學(二期)先導專項，研制發(fā)射一系列新的科學衛(wèi)星，推動我國空間科學的長期可持續(xù)發(fā)展，為把我國建設成為航天強國、世界科技強國做出應有的貢獻。

[1] 吳季. 空間科學任務及其特點綜述[J].空間科學學報, 2018, 38(2): 139-146.

[2] 中共中央文獻研究室. 習近平關于科技創(chuàng)新論述摘編[M]. 北京: 中央文獻出版社, 2016.

[3] 吳季. 發(fā)展空間科學是建設世界科技強國的重要途徑[J].中國科學院院刊, 2017, 32(5): 504-511.

[4] 習近平. 為建設世界科技強國而奮斗——在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會上的講話[M]. 北京: 人民出版社, 2016.

[5] 中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項研究團隊. 開啟中國認識宇宙的新篇章——空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項及進展[J].中國科學院院刊, 2014, 29(6): 754-763.

[6] Kennedy D. 125. Science, 2005, 309(5731): 9. DOI:10.1126/science.1115951.