關(guān)于空間科學(xué)發(fā)展的一些思考

顧逸東

中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 北京 100094

2021年12月25日，詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡①詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）由美國(guó)、歐洲和加拿大聯(lián)合研制，主要開(kāi)展紅外波段的宇宙起源、星系演化等觀測(cè)研究，目前已公布了首批科學(xué)成果。經(jīng)歷 25年研制，多次推延，花費(fèi)約 110 億美元巨資后，終于在法屬圭亞那庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)成功升空。該望遠(yuǎn)鏡作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡②哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，HST）于1990年4月發(fā)射，主要開(kāi)展光學(xué)波段（延伸至近紅外和近紫外）的宇宙學(xué)、星系、黑洞及恒星等觀測(cè)研究。的“繼任者”，其發(fā)射過(guò)程被全球超過(guò) 3 億人通過(guò)媒體觀看；2022年7月12日，美國(guó)拜登政府專(zhuān)門(mén)舉行發(fā)布會(huì)展示了該望遠(yuǎn)鏡拍攝的首批全彩色圖像，引起全社會(huì)極大關(guān)注。人類(lèi)探索宇宙奧秘重大活動(dòng)的影響可見(jiàn)一斑。實(shí)際上，與名氣爆棚的哈勃望遠(yuǎn)鏡并稱為“四大軌道天文臺(tái)”的，還有斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡③斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope，SST）于2003年8月發(fā)射，主要開(kāi)展紅外波段的宇宙學(xué)觀測(cè)研究。、錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)④錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)（Chandra X-ray Observatory，CXO）于1999年7月發(fā)射，主要開(kāi)展X射線天文學(xué)研究。和康普頓伽馬射線天文臺(tái)⑤康普頓伽馬射線天文臺(tái)（Compton Gamma Ray Observatory，CGRO）于1991年4月發(fā)射，主要開(kāi)展伽馬射線天文學(xué)研究。，它們都取得了重大科學(xué)成果。世界多國(guó)還發(fā)射了 3 代測(cè)量宇宙微波背景的宇宙背景探測(cè)器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），以及普朗克（Plank）衛(wèi)星等約 120 多顆天文衛(wèi)星，為現(xiàn)代天文學(xué)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，與地面天文臺(tái)的貢獻(xiàn)各占了半壁江山。

空間科學(xué)是探索宇宙和自然規(guī)律的空間活動(dòng)，包括了空間物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)、空間天文學(xué)、月球與行星科學(xué)、空間地球科學(xué)、空間生命科學(xué)、微重力物理等分支，領(lǐng)域廣泛，并孕育了新的交叉研究方向。人類(lèi)進(jìn)入空間 65年來(lái)，規(guī)模宏大的空間活動(dòng)此起彼伏，有力推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步。縱觀幾十年的空間活動(dòng)，其實(shí)際效益體現(xiàn)在兩大方面。①空間應(yīng)用。深入地滲透到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、公眾生活和軍事活動(dòng)各方面，推動(dòng)了社會(huì)信息化發(fā)展，成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的基礎(chǔ)保障。②空間科學(xué)探索。人類(lèi)沖破地球大氣層進(jìn)入太空后，開(kāi)辟了全新的研究途徑，科學(xué)探索的廣度、深度和范圍極大拓展，深入研究了發(fā)生在地球、日地空間、太陽(yáng)系乃至整個(gè)宇宙的物理、化學(xué)和生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律，取得重大成就。

1 空間科學(xué)的成就和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 空間科學(xué)的成就概述

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在迄今為止人類(lèi)發(fā)射的全部 6000多個(gè)空間飛行器中（近年發(fā)射的立方星和低軌大規(guī)模星座除外），有 900 多顆專(zhuān)門(mén)從事科學(xué)研究的衛(wèi)星和深空探測(cè)器，以及多個(gè)載人空間實(shí)驗(yàn)室和空間站。特別是載人空間實(shí)驗(yàn)室和空間站作為綜合性研究設(shè)施，完成了近萬(wàn)項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)施了幾十個(gè)國(guó)際空間科學(xué)研究計(jì)劃，開(kāi)展了規(guī)模宏大的空間科學(xué)探測(cè)、實(shí)驗(yàn)和研究活動(dòng)。

（1）空間物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)。揭示了太陽(yáng)爆發(fā)和太陽(yáng)高能輻射機(jī)制；發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)是攜帶磁場(chǎng)的高速等離子體流，并擴(kuò)散于整個(gè)太陽(yáng)系，初步揭示了太陽(yáng)風(fēng)與星際介質(zhì)相互作用的特征和規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶，描述了地球和行星磁層結(jié)構(gòu)，以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響機(jī)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(kāi)拓了空間天氣研究和保障。

（2）空間天文學(xué)。開(kāi)拓了全電磁波段天文、粒子天體物理，推動(dòng)天文學(xué)進(jìn)入多信使新時(shí)代；發(fā)現(xiàn)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(fā)和時(shí)變現(xiàn)象，揭示了極端條件下的天體物理過(guò)程，推動(dòng)了宇觀和微觀物理研究的結(jié)合；精細(xì)測(cè)量了宇宙微波背景輻射，計(jì)算出宇宙年齡和組成，證實(shí)了宇宙的加速膨脹，推動(dòng)建立了宇宙重子物質(zhì)循環(huán)和爆炸宇宙學(xué)理論框架，促進(jìn)對(duì)宇宙和天體認(rèn)識(shí)的革命性進(jìn)步。

（3）月球和行星科學(xué)（太陽(yáng)系科學(xué)）。對(duì)月球和太陽(yáng)系所有行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星的物質(zhì)組成、形貌、地質(zhì)、大氣、物理場(chǎng)等進(jìn)行了觀測(cè)或原位探測(cè)取樣；對(duì)月球形成演化取得新認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)火星存在水和甲烷，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二等內(nèi)體海洋，構(gòu)建了較完整的太陽(yáng)系及太陽(yáng)系天體的知識(shí)體系。

（4）空間地球科學(xué)。開(kāi)創(chuàng)并推動(dòng)了地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展，獲取了全球重力場(chǎng)、大氣流場(chǎng)、冰水分布動(dòng)態(tài)變化，描述了海洋環(huán)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(guò)程，推動(dòng)了全球變化等重大科學(xué)問(wèn)題的深入研究。

（5）空間生命科學(xué)。取得了人體和各類(lèi)生物及其不同組成層次對(duì)微重力響應(yīng)機(jī)制的重要認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)輻射的生物學(xué)旁效應(yīng)，揭示了空間條件影響人體各系統(tǒng)的重要機(jī)理及對(duì)抗措施，保障了近地軌道航天員較長(zhǎng)時(shí)間生存和活動(dòng)；拓展了對(duì)生命存在條件的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)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(xué)。揭示了被重力對(duì)流掩蓋的流體界面張力/濃度梯度驅(qū)動(dòng)的特殊流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微重力下物質(zhì)與能量輸運(yùn)、相變等特殊規(guī)律；揭示了微重力燃燒過(guò)程重要本征參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)冷焰燃燒等特殊現(xiàn)象；空間材料科學(xué)在晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、過(guò)冷與非平衡相變等過(guò)程機(jī)理方面取得重要進(jìn)展；基礎(chǔ)物理方面驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的重要效應(yīng)和超冷條件下量子新奇現(xiàn)象。

空間科學(xué)是當(dāng)代規(guī)?？涨暗目茖W(xué)探索活動(dòng)，突破性地拓展了人類(lèi)視野和探索疆域，開(kāi)創(chuàng)了地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)或受限的全新實(shí)驗(yàn)方法，取得了革命性的重大成就，深刻地改變著人類(lèi)的宇宙觀和自然觀；帶動(dòng)了高新技術(shù)突破和地面新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)空間技術(shù)向更高水平發(fā)展，為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)[1]。近年來(lái)，與空間科學(xué)探測(cè)密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)頻次顯著增加（表 1）。

表1 與空間科學(xué)探測(cè)密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)Table 1 The Nobel Prize awards related to space science exploration

1.2 空間科學(xué)醞釀新的突破

各航天大國(guó)持續(xù)重視空間科學(xué)，當(dāng)前研究更加聚焦基礎(chǔ)科學(xué)重大問(wèn)題，如暗物質(zhì)性質(zhì)和暗能量本質(zhì)、恒星和星系演化、黑洞性質(zhì)、太陽(yáng)系形成演化、外太空生命和宜居行星探索、基本物理規(guī)律研究、地球變化趨勢(shì)等。

1.2.1 近期任務(wù)規(guī)劃面向科學(xué)前沿

美國(guó)一直致力于引領(lǐng)空間科學(xué)發(fā)展。美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)（NRC）和各學(xué)科領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)委員會(huì)依靠科學(xué)家群體共同形成的《十年調(diào)查》（Decade Survey）規(guī)劃，是美國(guó)科學(xué)發(fā)展的頂層指導(dǎo)?？臻g科學(xué)各領(lǐng)域基本囊括在《十年調(diào)查》框架中，由 NRC、美國(guó)科學(xué)院空間研究委員會(huì)（SSB）及相關(guān)領(lǐng)域委員會(huì)共同研究，對(duì)空間科學(xué)未來(lái) 10年或更長(zhǎng)時(shí)間的科學(xué)問(wèn)題、研究目標(biāo)、任務(wù)建議和經(jīng)費(fèi)投入進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。2021年發(fā)布的《21 世紀(jì) 20年代天文學(xué)與天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之路》（Astro2020）[2]，2022年發(fā)布的《2023—2032年行星科學(xué)和天體生物學(xué)》[3]規(guī)劃了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展方向和主要任務(wù)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將滾動(dòng)制定路線圖并組織任務(wù)實(shí)施，實(shí)施中對(duì)項(xiàng)目的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)進(jìn)步、計(jì)劃等進(jìn)行中期評(píng)議，提出優(yōu)化意見(jiàn)，近年陸續(xù)發(fā)布了《NASA 戰(zhàn)略規(guī)劃（2018年）》《科學(xué) 2020—2024年：科學(xué)卓越的愿景》等空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃⑥NASA science strategy. (2022-04-29).. https://science.nasa.gov/about-us/science-strategy.。

歐洲航天局（ESA）空間科學(xué)中長(zhǎng)期規(guī)劃建立了大型（L）、中型（M）、小型（S）、國(guó)際合作、機(jī)遇任務(wù)等層次分明的分類(lèi)架構(gòu)，成功實(shí)施了“地平線”（Horizon）計(jì)劃（1985—2005年，1995—2015年）和“宇宙憧憬”計(jì)劃（Cosmic Vision，2015—2025年），代表性的項(xiàng)目有太陽(yáng)和日球?qū)佑^測(cè)臺(tái)（SOHO，1995年）、牛頓 X 射線望遠(yuǎn)鏡（XMM-Newton，1999年）、紅外/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Herschel，2009年）、Plank 衛(wèi)星（2009年）、天體測(cè)量衛(wèi)星（Gaia，2013年）等，也參與了哈勃望遠(yuǎn)鏡、卡西尼-惠更斯土星探測(cè)等國(guó)際重大項(xiàng)目，取得了獨(dú)具特色的科學(xué)成果。2021年，ESA 發(fā)布了最新版中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃“遠(yuǎn)航 2050”（Voyage 2050）⑦Voyage 2050 sets sail: ESA chooses future science mission themes. (2022-04-28). https://www. esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Voyage_2050_sets_sail_ESA_chooses_future_science_mission_themes.。該規(guī)劃面向2050年，聚焦科學(xué)前沿和未來(lái)技術(shù)，提出 3 個(gè)大型、14 個(gè)中型任務(wù)方向，以及 4 個(gè)國(guó)際合作任務(wù)等；最終還將遴選出 10 項(xiàng)大中型任務(wù)，再征集遴選小型任務(wù)靈活實(shí)施。

美國(guó)和歐洲的空間科學(xué)規(guī)劃重視平衡投資，采取多層次靈活的計(jì)劃和滾動(dòng)機(jī)制，采用征集競(jìng)爭(zhēng)性提案優(yōu)選科學(xué)研究項(xiàng)目，規(guī)劃重視基礎(chǔ)性工作和技術(shù)發(fā)展，如 NASA 從 1998年起資助“創(chuàng)新先進(jìn)概念”（NIAC），為未來(lái)計(jì)劃提供富有想象力的可選方案；各國(guó)規(guī)劃頂層協(xié)調(diào)，并在任務(wù)實(shí)施、科學(xué)統(tǒng)籌、協(xié)同觀測(cè)等方面深入合作，大范圍集聚智力和技術(shù)資源，形成相互配合互補(bǔ)的發(fā)展格局。

美國(guó)和歐洲的大型空間科學(xué)任務(wù)規(guī)劃集中于宇宙起源演化、天體高能過(guò)程、太陽(yáng)系生命和系外行星生命探索等重大方向（表 2），中小型任務(wù)涉及的領(lǐng)域更加廣泛。

表2 美國(guó)最高優(yōu)先級(jí)（含推薦）和歐洲大型空間科學(xué)任務(wù)一覽Table2 Top priority (including recommendations) in the United States and L-class space science missions in Europe

1.2.2 載人空間探索路線趨于明朗

載人空間探索路線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期徘徊和論證已經(jīng)明確。2019年，NASA 發(fā)布《前往月球：NASA 月球探索戰(zhàn)略規(guī)劃》⑧Forward to the Moon: NASA’s strategic plan for human exploration. (2022-04-28)[2022-07-13]. https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/america_to_the_moon_2024_artemis_20190523.pdf.，正式啟動(dòng)了阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，明確了無(wú)人月球探測(cè)、載人月球探索、開(kāi)發(fā)利用月球和初期載人火星探索的載人探索總體規(guī)劃。第一階段（～2024年，將延期至 2025年后）實(shí)現(xiàn)載人登陸月球南極（圖 1）；第二階段完成月球南極大本營(yíng)和“門(mén)戶空間站”建造，“門(mén)戶空間站”運(yùn)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(wù)并籌備前往火星。

圖1 Artemis第一階段任務(wù)：2024年到達(dá)月球表面Figure 1 Artemis phase I: To the lunar surface by 2024

Artemis 提出 7 大科學(xué)目標(biāo)，包括：理解行星過(guò)程、了解揮發(fā)物周期、解釋地-月撞擊史、揭示太陽(yáng)遠(yuǎn)古歷史、利用月球觀測(cè)宇宙、開(kāi)展科研實(shí)驗(yàn)、研究深空對(duì)人體的影響及防護(hù)措施。這些科學(xué)目標(biāo)基于長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)，體現(xiàn)了國(guó)際科學(xué)界對(duì)月球探索頂層科學(xué)問(wèn)題的共識(shí)。截至 2022年4 月，共有 16 個(gè)國(guó)家參加了 Artemis 計(jì)劃。

1.2.3 近地空間站仍扮演重要角色

作為有人參與的空間研究設(shè)施，國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）運(yùn)行 24年來(lái)一直發(fā)揮著近地空間實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)和重要作用，2022年初美國(guó)宣布將 ISS 運(yùn)營(yíng)期延長(zhǎng)到 2030年⑨Biden-Harris administration extends space station operations through 2030. (2021-12-31)[2022-07-24]. https://blogs.nasa.gov/spacestation/2021/12/31/biden-harris-administration-extends-space-station-operations-through-2030.。

ISS 裝載了 20 多臺(tái)設(shè)備開(kāi)展天文、空間環(huán)境和地球科學(xué)研究，配置了 30 多個(gè)專(zhuān)用和通用科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜開(kāi)展微重力等特殊環(huán)境下人體、生命和微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，共完成了近 4000 項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目，吸引了 103 個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與，在宇宙和天體、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、人類(lèi)長(zhǎng)期太空飛行、生物藥物研發(fā)、復(fù)雜流體、燃燒科學(xué)等方面獲得大量成果，在Nature、Science、Physical Review Letters等期刊和會(huì)議上發(fā)表了近 3000 篇高水平論文，出版了 2200 多份科學(xué)出版物。2020年NASA 發(fā)布了 ISS“ISS 運(yùn)行 20年20 大科學(xué)突破”⑩20 breakthroughs from 20 years of science aboard the international space station. (2020-10-27)[2022-07-24]. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/iss-20-years-20-breakthroughs.。貫徹“將 ISS 利用效能最大化”的方針，美國(guó)和各參與國(guó)制定實(shí)施了多個(gè)不斷滾動(dòng)、科學(xué)內(nèi)涵逐步擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃，產(chǎn)出的新知識(shí)和新技術(shù)不斷惠及人類(lèi)健康和地面產(chǎn)業(yè)水平提升。

1.2.4 技術(shù)變革和商業(yè)航天助力空間科學(xué)

2014年起，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（Space-X）開(kāi)始發(fā)展垂直回收重復(fù)使用火箭技術(shù)，迄今獵鷹 9 號(hào)運(yùn)載火箭（Falcon 9）已實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭和助推器的同時(shí)回收和一箭十幾次重復(fù)使用；正在開(kāi)發(fā)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(yùn)載能力超過(guò) 100 噸，已完成了 10 km 高度的飛行和垂直降落測(cè)試，正在快速迭代開(kāi)發(fā)推進(jìn)。這種變革性技術(shù)可望將進(jìn)入空間的成本降低兩個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)航班化的空間運(yùn)輸服務(wù)。此外，空間核推進(jìn)、空間核能源等技術(shù)發(fā)展，將推動(dòng)包括科學(xué)探索在內(nèi)的人類(lèi)空間活動(dòng)規(guī)模和水平進(jìn)入新時(shí)代，更復(fù)雜和更強(qiáng)大的科學(xué)裝置、更具規(guī)模的深空探索可望實(shí)現(xiàn)，開(kāi)拓新發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇。

商業(yè)航天近年來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)，例如一批商業(yè)航天巨頭鵲起，已在大型空間任務(wù)中承擔(dān)重要角色。NASA“商業(yè)航天員計(jì)劃”采購(gòu)了 Space-X 貨運(yùn)龍飛船接送 ISS 航天員，貨運(yùn)龍飛船已向 ISS 運(yùn)貨 20 多次，為 NASA 節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)。NASA 還花費(fèi) 4.15 億美元支持了 3 個(gè)商業(yè)空間站提案的初期開(kāi)發(fā)，期望在后 ISS 時(shí)代繼續(xù)保持 LEO 的空間研究能力11NASA’s management of the International Space Station and efforts to commercialize low Earth orbit. (2021-11-30)[2022-07-24]. https://oig.nasa.gov/docs/IG-22-005.pdf.。在 Artemis 計(jì)劃中，NASA 同樣通過(guò)商業(yè)采購(gòu)征集艙段設(shè)計(jì)，推進(jìn)商業(yè)月球載荷服務(wù)，向月面運(yùn)送科學(xué)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)載荷等物資。

1.3 小結(jié)

綜上所述，長(zhǎng)期的前瞻性科學(xué)規(guī)劃、更具雄心的空間探索計(jì)劃、不斷升級(jí)的科學(xué)項(xiàng)目安排、變革性技術(shù)的推動(dòng)，將成為國(guó)際空間科學(xué)未來(lái)更高水平發(fā)展的要素，未來(lái) 20—30年空間科學(xué)將取得更大的成就。

2 我國(guó)空間科學(xué)的成就和近期計(jì)劃

我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展主要通過(guò)載人航天工程、月球與深空探測(cè)工程和中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”）等推動(dòng)。在我國(guó)航天科技界共同努力下，20年來(lái)研究水平顯著提升，在極端宇宙探索、月球科學(xué)、冷原子時(shí)頻、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)、微重力物理等方面取得了重要成果；一些科研機(jī)構(gòu)和高校積極提出空間科學(xué)任務(wù)建議，一批重要的空間研究和探測(cè)計(jì)劃正在實(shí)施，出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的良好勢(shì)頭。以下概述我國(guó)空間科學(xué)的成就和近期計(jì)劃，并對(duì)筆者直接參加的載人航天空間科學(xué)任務(wù)和幾個(gè)天文衛(wèi)星的情況稍做展開(kāi)。

2.1 載人航天工程的空間科學(xué)任務(wù)

2.1.1 載人飛船和空間實(shí)驗(yàn)室上的空間科學(xué)項(xiàng)目

（1）載人飛船階段科學(xué)項(xiàng)目。1992年，中央批準(zhǔn)實(shí)施載人航天工程。在第一步載人飛船任務(wù)中，安排了我國(guó)當(dāng)時(shí)規(guī)模最大，領(lǐng)域方向最廣的空間科學(xué)與應(yīng)用計(jì)劃。神舟二號(hào)（SZ-2）飛船到神舟六號(hào)（SZ-6）飛船上開(kāi)展了 28 項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)：①空間生命科學(xué)方面，開(kāi)展了多種生物的空間效應(yīng)研究、蛋白質(zhì)結(jié)晶、空間細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞電融合等實(shí)驗(yàn)；②微重力科學(xué)方面，開(kāi)展了半導(dǎo)體光電子、金屬合金等材料的空間生長(zhǎng)和晶體生長(zhǎng)實(shí)時(shí)觀察、大馬蘭戈尼（Marangoni）數(shù)液滴熱毛細(xì)遷移實(shí)驗(yàn)；③空間天文方面，開(kāi)展了宇宙伽馬射線暴和太陽(yáng)高能輻射探測(cè)；④地球科學(xué)方面，與國(guó)際同步發(fā)展了中分辨率成像光譜儀、多模態(tài)微波遙感器、卷云探測(cè)儀、地球輻射收支儀等新載荷。所有項(xiàng)目均為我國(guó)首次，起到了開(kāi)創(chuàng)奠基作用，掌握了重要的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，推動(dòng)了空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的跨越發(fā)展，使我國(guó)空間科學(xué)上了一個(gè)新臺(tái)階。

（2）空間實(shí)驗(yàn)室階段科學(xué)項(xiàng)目。2007—2017年第二步空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)中，在神舟七號(hào)（SZ-7）、神舟八號(hào)（SZ-8）飛船，天宮一號(hào)（TG-1）、天宮二號(hào)（TG-2）空間實(shí)驗(yàn)室，以及天舟一號(hào)（TZ-1）貨運(yùn)飛船上，開(kāi)展了 50 余項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)[4]。中德合作空間生命科學(xué)的 17 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)、空間干細(xì)胞增殖分化實(shí)驗(yàn)取得重要結(jié)果[5]，國(guó)際首臺(tái)空間冷原子微波鐘開(kāi)展了原子激光冷卻和操控實(shí)驗(yàn)，取得迄今最高頻率穩(wěn)定度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]，中國(guó)-瑞士合作的伽馬暴偏振探測(cè)取得國(guó)際最大樣本伽馬暴偏振度累積分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)偏振度的時(shí)間變化新現(xiàn)象[7]；采用 Decoy 方法的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)、復(fù)合膠體晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)、12 種新型材料空間制備研究、多形態(tài)液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)等取得重要結(jié)果[8]；微波成像高度計(jì)作為國(guó)際首臺(tái)采用小入射角-短基線干涉-孔徑合成新體制的海洋科學(xué)觀測(cè)設(shè)備，開(kāi)拓了海洋動(dòng)力現(xiàn)象觀測(cè)研究的新途徑[9]，多角度偏振及寬波段光譜成像、紫外臨邊觀測(cè)推動(dòng)了對(duì)地觀測(cè)和地球科學(xué)研究方法創(chuàng)新。整體看，空間實(shí)驗(yàn)室階段取得了一批科學(xué)前沿和關(guān)鍵技術(shù)突破的重點(diǎn)成果，為后續(xù)開(kāi)展大規(guī)模的空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

2.1.2 載人空間站的空間科學(xué)任務(wù)部署

經(jīng)過(guò) 30年堅(jiān)持不懈的努力，我國(guó)載人航天“三步走”的發(fā)展藍(lán)圖得以實(shí)現(xiàn)。載人空間站“天和”核心艙已在軌運(yùn)行超過(guò) 1年；2022年7月24日，“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙成功發(fā)射并與核心艙完成對(duì)接，隨后還將發(fā)射“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙；2022年底完成 3 艙在軌組裝建造，并在軌運(yùn)行 10年以上，是我國(guó)開(kāi)展大規(guī)模系統(tǒng)性有人參與空間研究的歷史性機(jī)遇。

我國(guó)載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)邀集組織國(guó)內(nèi)近百位院士和千余位一線專(zhuān)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期、多輪論證，形成了重點(diǎn)突出、層次明晰的科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃[10]。規(guī)劃分為 4 個(gè)領(lǐng)域：①空間生命科學(xué)與人體研究。深入認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象本質(zhì)和人在太空的響應(yīng)變化規(guī)律，研究生命和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，支持人類(lèi)長(zhǎng)期太空探索，發(fā)展生物技術(shù)，為人類(lèi)醫(yī)療健康服務(wù)。②微重力物理科學(xué)。開(kāi)展流體物理（含軟物質(zhì)）與熱物理、燃燒、材料科學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，加強(qiáng)對(duì)地面產(chǎn)業(yè)的支持，基礎(chǔ)物理安排針對(duì)基本物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究。③空間天文和地球科學(xué)。加深對(duì)宇宙暗物質(zhì)、暗能量、致密天體、星系形成演化、地球變化等重大科學(xué)問(wèn)題的深入理解。④空間新技術(shù)與應(yīng)用。發(fā)展和驗(yàn)證新一代航天基礎(chǔ)技術(shù)、空間科學(xué)與應(yīng)用新技術(shù)等。

目前，空間站科學(xué)任務(wù)已制定了多個(gè)研究計(jì)劃，到 2022年初通過(guò)公開(kāi)項(xiàng)目征集共收到 500 余個(gè)單位提出的超千項(xiàng)建議書(shū)，立項(xiàng)近 200 項(xiàng)。我國(guó)分別與聯(lián)合國(guó)和平利用外層空間委員會(huì)（COPUOS）、ESA 合作征集科學(xué)項(xiàng)目，已批準(zhǔn)空間生命科學(xué)、流體物理、空間天文等 19 項(xiàng)，約 40 個(gè)國(guó)家參與。國(guó)內(nèi)外渠道都將持續(xù)征集項(xiàng)目，滾動(dòng)培育、遴選及實(shí)施。

空間站部署了先進(jìn)的科學(xué)研究設(shè)施，加壓艙內(nèi)有十幾個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（表 3）。艙外暴露平臺(tái)安排了材料、生物、元器件等暴露實(shí)驗(yàn)裝置。隨核心艙發(fā)射的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜的樣品加熱溫度超過(guò) 2000℃，已產(chǎn)出科學(xué)成果；高微重力懸浮試驗(yàn)在低頻段指標(biāo)達(dá)到 10-7g；“問(wèn)天”實(shí)驗(yàn)艙正在開(kāi)展科學(xué)設(shè)備的在軌測(cè)試和調(diào)試，“夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙的科學(xué)設(shè)備正在緊張進(jìn)行地面測(cè)試（圖 2）。艙內(nèi)和艙外還有一批標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜空間和獨(dú)立載荷適配器接口，空間站投入運(yùn)行后將通過(guò)貨運(yùn)飛船上載科學(xué)探測(cè)載荷，升級(jí)和補(bǔ)充科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

表3 中國(guó)空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜及用途概要Table 3 Scientific experiment racks and utilizations in China Space Station

圖2 “夢(mèng)天”實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的科學(xué)裝置在地面進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)試Figure 2 Science racks of “Mengtian” experimental module Ⅱ are undergoing system test on ground

空間站重大科學(xué)研究設(shè)施部署了 2 m 口徑巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST），與空間站同軌飛行，可與空間站對(duì)接進(jìn)行維修升級(jí)，現(xiàn)已進(jìn)入初樣研制階段，預(yù)計(jì) 2024年發(fā)射，是我國(guó)空間天文的旗艦項(xiàng)目。CSST具有與哈勃望遠(yuǎn)鏡基本相同的角分辨率和大 300 倍的有效視場(chǎng)，配有大焦面巡天相機(jī)、多通道成像儀、積分視場(chǎng)光譜、星冕儀、太赫茲譜儀 5 個(gè)后端儀器，以多色測(cè)光和無(wú)縫光譜巡天為主，圍繞宇宙學(xué)、星系與活動(dòng)星系核、銀河系和恒星、天體測(cè)量、系外行星、太陽(yáng)系天體和暫現(xiàn)源等內(nèi)容開(kāi)展觀測(cè)研究。同時(shí)，已成立了 4 個(gè)科學(xué)研究中心和聯(lián)合科學(xué)中心，立項(xiàng)了 24 個(gè)課題（近百項(xiàng)子課題），600 多位科學(xué)家參加相關(guān)科學(xué)研究和發(fā)射前的科學(xué)分析軟件準(zhǔn)備。CSST 與歐美基本同期開(kāi)展的空間光學(xué)巡天項(xiàng)目在觀測(cè)波段、分辨率等方面協(xié)同互補(bǔ)（表 4），將成為繼地面斯隆數(shù)字巡天（SDSS）后最具科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的光學(xué)天文巡天任務(wù)。

表4 中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）與同期歐洲歐幾里得（Euclid）、美國(guó)羅曼（Roman）巡天望遠(yuǎn)鏡主要指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of main indicators of China’s CSST, European Euclid and American Roman space telescopes in same period

在空間站建造之后的應(yīng)用與發(fā)展階段，規(guī)劃了第二個(gè)旗艦型項(xiàng)目——高能宇宙輻射探測(cè)設(shè)施（HERD）。這是我國(guó)主導(dǎo)、歐洲多國(guó)合作的重大空間科學(xué)項(xiàng)目[11]。它采用了創(chuàng)新的三維量能器和完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其測(cè)量宇宙線中電子和核子的能量范圍和探測(cè)靈敏度比現(xiàn)所有設(shè)備高 1 個(gè)量級(jí)或數(shù) 10 倍（電子擴(kuò)展到 100 TeV，核子探測(cè)能區(qū)擴(kuò)展到 3 PeV），高能伽馬射線觀測(cè)的視場(chǎng)和能區(qū)有數(shù)倍的增加。HERD 將以前所未有的能力開(kāi)展宇宙線起源、成分、加速機(jī)制研究，測(cè)量高能電子和伽馬射線能譜搜尋暗物質(zhì)信號(hào)，開(kāi)展高能伽馬射線巡天監(jiān)測(cè)，成為同時(shí)代最強(qiáng)大的空間暗物質(zhì)搜尋和宇宙高能輻射探測(cè)研究設(shè)施。

2.1.3 載人月球探測(cè)的醞釀和規(guī)劃

我國(guó)正在醞釀和規(guī)劃載人月球探測(cè)，將分為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和深化論證、載人登月和月球科研站 3 個(gè)階段分步推進(jìn)。為夯實(shí)載人月球探測(cè)基礎(chǔ)，更好地規(guī)劃載人月球任務(wù)的科學(xué)探索和應(yīng)用，已廣泛征集了大量研究建議，組織國(guó)內(nèi)各方面專(zhuān)家開(kāi)展了反復(fù)論證，形成了初步共識(shí)。

（1）月球科學(xué)方面。月球形成、月球內(nèi)/外動(dòng)力演化、月表特殊環(huán)境、水和揮發(fā)分分布與來(lái)源等是月球科學(xué)、地月系統(tǒng)乃至太陽(yáng)系形成演化的重大科學(xué)問(wèn)題。

（2）月球利用方面。要更深入研究月球地質(zhì)與資源分布、物質(zhì)高效利用與循環(huán)體系、低重力物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，開(kāi)展獨(dú)特的月基觀測(cè)研究。

（3）月面生存方面。將加強(qiáng)人體和生物響應(yīng)機(jī)制與適應(yīng)調(diào)控、輻射防護(hù)、月面生態(tài)系統(tǒng)與生存保障研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。

在上述研究任務(wù)的基礎(chǔ)上，先期安排了數(shù)字月球、月面地質(zhì)與資源勘查、月球空間環(huán)境要素探測(cè)、月塵探測(cè)及作用機(jī)理、月球樣品采集檢測(cè)與封裝等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。為支撐載人月球探測(cè)工程實(shí)施和月面活動(dòng)，獲取更多科學(xué)產(chǎn)出和應(yīng)用效益，已開(kāi)展了載人登月著陸區(qū)遴選、高精度全月面三維地形測(cè)繪和資源勘察、月面科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)方案等論證。我國(guó)載人月球探測(cè)將在載人航天和無(wú)人月球探測(cè)長(zhǎng)期積累的工程技術(shù)和科學(xué)研究基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進(jìn)。

2.2 科學(xué)衛(wèi)星

2.2.1 空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)衛(wèi)星

中國(guó)科學(xué)院在 2003—2004年實(shí)施了地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃，這是我國(guó)第一個(gè)真正意義上的科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，具有開(kāi)創(chuàng)意義，也是與 ESA 星簇計(jì)劃（luster）相配合的國(guó)際合作項(xiàng)目，在磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴的觸發(fā)機(jī)制等方面取得重要成果。隨后，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，2011年中國(guó)科學(xué)院正式啟動(dòng)實(shí)施空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)，其以科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃為核心，對(duì)推動(dòng)我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展具有重大意義。

（1）專(zhuān)項(xiàng)一期的科學(xué)衛(wèi)星?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)一期有較高起點(diǎn)，實(shí)施的 4 個(gè)科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃均取得了顯著成就：①暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空號(hào)”（DAMPE，2015年）。直接測(cè)量了宇宙射線電子能譜在約 1.4 TeV 處的拐折，對(duì)于判定部分能量低于 1 TeV 宇宙線電子是否來(lái)自于暗物質(zhì)起著指引作用[12]；②實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（SJ-10，2016年）。開(kāi)展了 28 項(xiàng)微重力和生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括在國(guó)際上首次開(kāi)展的 15 項(xiàng)，在空間生命科學(xué)與微重力流體方面獲得了新認(rèn)知[13]；③量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”（2016年）。在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了星-地千公里級(jí)雙向量子糾纏分發(fā)[14]和相距 1200 km 兩個(gè)地面站間的量子態(tài)遠(yuǎn)程傳輸；④硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星“慧眼號(hào)”（HXMT，2017年）。是我國(guó)第一顆 X 射線天文衛(wèi)星，以天文臺(tái)模式運(yùn)行，共征集了 194 個(gè)核心和客座觀測(cè)提案，93 個(gè)機(jī)遇觀測(cè)提案，涉及觀測(cè)目標(biāo)超過(guò) 500 個(gè)，參與的國(guó)內(nèi)單位 21 個(gè)，國(guó)外單位 15 個(gè)。HXMT 運(yùn)行 4年多來(lái)成果豐碩，截至 2022年初相關(guān)成果共發(fā)表論文超過(guò) 100 篇，重要科學(xué)成果包括：對(duì)首個(gè)雙中子星并合引力波事件在 0.20—5 MeV 能區(qū)給出了最嚴(yán)格的限制[15]；通過(guò)發(fā)現(xiàn) 90 keV 最高能量中子星回旋吸收線測(cè)量到的宇宙最強(qiáng)磁場(chǎng)約為 10 億 T[16]；通過(guò)在黑洞系統(tǒng)測(cè)量到能量高于 200 keV 的最高能量準(zhǔn)周期振蕩信號(hào)，發(fā)現(xiàn)距離黑洞最近的相對(duì)論噴流；發(fā)現(xiàn)首例與快速射電暴關(guān)聯(lián)的 X 射線暴，并且證認(rèn)其來(lái)自于銀河系磁星 SGR J1935+2154[17]；發(fā)現(xiàn)黑洞雙星中逃離黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)向外高速運(yùn)動(dòng)的等離子體流等。

（2）專(zhuān)項(xiàng)二期進(jìn)展?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)二期目前正在實(shí)施中。①微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“太極一號(hào)”（2019年）。實(shí)現(xiàn)了高精度空間激光干涉測(cè)量，測(cè)試了微牛量級(jí)射頻離子和霍爾兩種微推技術(shù)。②引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器（GECAM，2020年）。成功觀測(cè)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(yáng)耀斑等。③正在研制的另外3 顆科學(xué)衛(wèi)星。先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S）、愛(ài)因斯坦探針（EP）、太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）進(jìn)展順利，將于 2022—2024年陸續(xù)發(fā)射。其中，EP 衛(wèi)星（圖 3）致力于 X 射線時(shí)域天文，目標(biāo)是發(fā)現(xiàn) X 射線劇變天體，探索沉寂黑洞耀發(fā)和引力波源 X 射線信號(hào)等，載荷為寬視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（WXT）和后隨望遠(yuǎn)鏡（FXT），探測(cè)能段 0.5—4 keV。WXT在國(guó)際上首次大規(guī)模采用龍蝦眼微孔X射線成像技術(shù)和 CMOS X 射線探測(cè)器，12 個(gè)子望遠(yuǎn)鏡形成 3600 平方度大視場(chǎng)進(jìn)行凝視監(jiān)測(cè)，探測(cè)到耀發(fā)信號(hào)后觸發(fā)衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)使天體目標(biāo)進(jìn)入 FXT 視場(chǎng)（38′）；FXT 采用 Wolter-I 型掠射聚焦望遠(yuǎn)鏡，以更高的分辨率（30″）和定位精度（優(yōu)于4″）開(kāi)展精細(xì)后隨觀測(cè)，并通過(guò)北斗短報(bào)文等星地鏈路傳遞耀發(fā)天體坐標(biāo)信息，引導(dǎo)其他天地設(shè)備協(xié)同觀測(cè)。EP 的強(qiáng)大探測(cè)能力可望取得高水平的科學(xué)產(chǎn)出，已轉(zhuǎn)入正樣階段。

圖3 愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星正在準(zhǔn)備進(jìn)行熱真空試驗(yàn)Figure 3 Einstein Probe Satellite is preparing for a thermal vacuum test

空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)還部署了一批重要的科學(xué)背景型號(hào)，包括空間引力波探測(cè)（太極計(jì)劃）、X 射線偏振與時(shí)變探測(cè)衛(wèi)星（eXTP）兩個(gè)大型項(xiàng)目，以及中高軌量子衛(wèi)星等十幾項(xiàng)任務(wù)，正在推動(dòng)三期科學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目的深化論證和遴選，圍繞極端宇宙、時(shí)空漣漪、日地全景、宜居行星等科學(xué)主題，爭(zhēng)取更高水平、更先進(jìn)的科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)入后續(xù)實(shí)施。

2.2.2 其他科學(xué)衛(wèi)星

2010年以來(lái)，我國(guó)國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局、科學(xué)技術(shù)部和有關(guān)部委、相關(guān)高校，啟動(dòng)和規(guī)劃了一批科學(xué)衛(wèi)星或試驗(yàn)性衛(wèi)星，包括全球二氧化碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（TANSAT，2016年）、張衡一號(hào)（2018年）電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星、天琴一號(hào)空間引力波技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（2019年）、羲和號(hào)太陽(yáng)探測(cè)科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星（2021年）、清華大學(xué)采用微納衛(wèi)星的“極光計(jì)劃”（2018年）和“天格計(jì)劃”，以及中國(guó)科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星 1 號(hào)（SDGSAT-1，2021年）等，取得了一批重要成果。

宇宙暫現(xiàn)源監(jiān)視器（SVOM）衛(wèi)星是中法兩國(guó)航天局合作框架下的天文衛(wèi)星（圖 4），目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)和快速定位伽馬暴，全面測(cè)量伽馬暴的電磁輻射性質(zhì)，研究伽馬暴及其余輝?？茖W(xué)載荷由中法雙方分工研制，包括伽馬監(jiān)視器（GRM），編碼孔徑 X 成像儀（ECLAIR）、軟X射線成像（MXT）、可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡（VT）。在軌觀測(cè)時(shí)，探測(cè)到爆發(fā)現(xiàn)象時(shí)將依次觸發(fā)不同波段探測(cè)器、衛(wèi)星姿態(tài)逐次機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天體目標(biāo)輻射能區(qū)由高到低觀測(cè)，獲取伽馬射線暴和其他變?cè)丛诟髂軈^(qū)輻射特性及隨時(shí)間變化規(guī)律。目前，衛(wèi)星已轉(zhuǎn)入正樣階段，計(jì)劃 2023年發(fā)射，有望在宇宙暫現(xiàn)源研究等方面取得創(chuàng)新成果。

圖4 宇宙暫現(xiàn)源監(jiān)視器衛(wèi)星的測(cè)試場(chǎng)景Figure 4 Test scenarios of SVOM (Space Variable Objects Monitor) satellite

2.3 月球與深空探測(cè)

2.3.1 探月工程

我國(guó)嫦娥探月工程于 2006年被列為國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)。工程規(guī)劃為“繞、落、回”三期，在環(huán)月探測(cè)、月面著陸巡視、月背著陸及采樣返回等重大技術(shù)和科學(xué)研究方面取得矚目成就，為我國(guó)進(jìn)一步開(kāi)展深空探測(cè)活動(dòng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次月球環(huán)繞探測(cè)，取得我國(guó)首幅月球地質(zhì)圖和月球構(gòu)造綱要圖。嫦娥二號(hào)完成了更高分辨率的環(huán)月探測(cè)，獲取了 7 m 分辨率的月表三維影像數(shù)據(jù)和多種元素全月面分布數(shù)據(jù)。嫦娥三號(hào)首次實(shí)現(xiàn)落月，開(kāi)展了月面巡視勘察，獲得著陸區(qū)月壤的化學(xué)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(hào)和嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)了工程技術(shù)重大突破，科學(xué)探測(cè)取得重大成果。嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)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(nèi)的地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)和月幔的物質(zhì)組成，首次在月表開(kāi)展能量中性原子的就位探測(cè)和月表粒子輻射環(huán)境探測(cè)。嫦娥五號(hào)完成了月表鏟取和鉆取、采樣封裝并成功返回地球，獲得 1731 g 月壤樣品，通過(guò)樣品分析發(fā)現(xiàn)月球的巖漿活動(dòng)一直持續(xù)到距今約 20 億年，月球地質(zhì)壽命比此前推測(cè)的又延長(zhǎng)了 8 億年；精準(zhǔn)測(cè)定了玄武巖樣品形成年齡為 20.30±0.04 億年，將之前認(rèn)定的巖漿洋活動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)了 800 萬(wàn)—900 萬(wàn)年[18]，估算到玄武巖月幔源區(qū)的最高水含量小于 5 μg/g[19]。

嫦娥探月四期工程已于 2021年經(jīng)國(guó)家批準(zhǔn)，以月球南極地區(qū)作為主要探測(cè)目標(biāo)，規(guī)劃了嫦娥六號(hào)、七號(hào)和八號(hào)任務(wù)，2024—2030年實(shí)施，實(shí)現(xiàn)月球背面采樣、月球南極巡視探測(cè)，并計(jì)劃與俄羅斯等國(guó)家合作在月球南極建設(shè)國(guó)際月球科研站基本型。

2.3.2 小行星與深空探測(cè)

我國(guó)首個(gè)火星探測(cè)器天問(wèn)一號(hào)于 2020年7月發(fā)射，國(guó)際上首次第一次任務(wù)就實(shí)現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)，開(kāi)展火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，火星土壤特征與水冰分布、物質(zhì)組成、大氣電離及氣候與環(huán)境特征，火星物理場(chǎng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等探測(cè)研究。至今天問(wèn)一號(hào)巡視器、著陸器、環(huán)繞器均正常工作，獲取了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。我國(guó)正在醞釀和規(guī)劃 2030年左右實(shí)施火星采樣返回任務(wù)。

小行星采樣返回任務(wù)預(yù)計(jì) 2025年前后實(shí)施，計(jì)劃通過(guò)一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)近地小行星采樣返回和主帶彗星繞飛探測(cè)，對(duì)太陽(yáng)系典型小天體的特征和演化機(jī)理、太陽(yáng)系早期物質(zhì)和生命信息等進(jìn)行研究。

我國(guó)正在醞釀?wù)撟C木星系探測(cè)及太陽(yáng)系邊際探測(cè)，主要研究木星磁層結(jié)構(gòu)、木衛(wèi)二大氣和冰層，尋找地外生命信號(hào)，以及研究日球?qū)哟蟪叨热S結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)風(fēng)傳播演化、日球?qū)舆吔绾托请H空間特征等，并穿越探測(cè)木星、土星、海王星等外太陽(yáng)系天體，研究太陽(yáng)系起源與演化。

3 我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展的思考和建議

我國(guó)空間科學(xué)已取得一批重要成果，一些重點(diǎn)方向有所突破，具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，但畢竟起步較晚，基礎(chǔ)不夠雄厚，目前處于關(guān)鍵發(fā)展階段。面對(duì)以美國(guó)為主、歐洲等國(guó)家和地區(qū)合作推動(dòng)的國(guó)際新一輪空間科學(xué)計(jì)劃和新發(fā)展態(tài)勢(shì)，我國(guó)空間科學(xué)要進(jìn)入國(guó)際前沿，任重而道遠(yuǎn)，必須清醒認(rèn)識(shí)我國(guó)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，深入分析問(wèn)題和原因，從根本上采取措施，提高水平，做長(zhǎng)期艱苦的努力。

3.1 存在的問(wèn)題

（1）空間科學(xué)支持力度不足。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)空間科學(xué)活動(dòng)規(guī)模小，投入不足，從2015年起雖有顯著提升，但與我國(guó)航天活動(dòng)整體規(guī)模相比仍相當(dāng)不平衡。2015—2021年底我國(guó)共實(shí)施226次航天發(fā)射（全球占比 30.75%）122015—2021年底我國(guó)航天發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計(jì). [2022-05-06]. http://www.spacelaunchreport.com.，其中空間科學(xué)相關(guān)發(fā)射次數(shù)約 5%（含科學(xué)衛(wèi)星、月球與火星探測(cè)器），期間我國(guó)空間科學(xué)經(jīng)費(fèi)投入僅約全球的 3%—5%，在軌科學(xué)衛(wèi)星數(shù)量為全球的 9.6%，尚未建立完整的科學(xué)衛(wèi)星系列；載人航天、月球和深空探測(cè)等國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)中的空間科學(xué)經(jīng)費(fèi)比例也遠(yuǎn)低于國(guó)際平均水平，前期研究、地面實(shí)驗(yàn)、仿真和數(shù)據(jù)分析等投入低，支持渠道匱乏。

（2）與國(guó)際先進(jìn)水平差距顯著。2011—2020年我國(guó)空間科學(xué)論文數(shù)量年均增長(zhǎng)率較高，總發(fā)文量從 2017年開(kāi)始穩(wěn)居世界第二13截至2020年底排名為：美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、日本、西班牙、荷蘭、加拿大。，但論文篇均被引頻次在發(fā)文數(shù)量前10位國(guó)家中排名墊底；2011—2020年中國(guó)作者發(fā)表論文采用我國(guó)自主任務(wù)數(shù)據(jù)的僅占 20.5%（2000—2011年該數(shù)字為 5.2%），且迄今尚未產(chǎn)生有重大科學(xué)影響、國(guó)際同行公認(rèn)的成就。我國(guó)空間科學(xué)隊(duì)伍規(guī)模小，一些重要領(lǐng)域（如空間天文、月球與行星科學(xué)等）的研究人員數(shù)量?jī)H為美、英等單個(gè)國(guó)家的十分之一。分析更深層次的要素，我國(guó)在科學(xué)領(lǐng)軍人才數(shù)量和國(guó)際影響力、基礎(chǔ)研究積累、科學(xué)認(rèn)知水平、技術(shù)和方法原創(chuàng)力、任務(wù)經(jīng)驗(yàn)積累、開(kāi)放學(xué)術(shù)氛圍、國(guó)際化程度等方面尚有巨大差距。

3.2 空間科學(xué)的戰(zhàn)略地位

我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展滯后的根本原因之一，是對(duì)基礎(chǔ)研究重視不夠，對(duì)空間科學(xué)重要性認(rèn)識(shí)不足，這是發(fā)展理念問(wèn)題?？臻g科學(xué)屬基礎(chǔ)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(cuò)誤認(rèn)識(shí)，與空間任務(wù)相比處于弱勢(shì)地位。近年來(lái)科技界和領(lǐng)導(dǎo)層高度重視基礎(chǔ)研究對(duì)解決“卡脖子”問(wèn)題和作為技術(shù)創(chuàng)新之源的重要性，無(wú)疑是正確的。從更宏觀的科技發(fā)展和人類(lèi)文明進(jìn)步歷史看，近代技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革都是由科學(xué)革命引發(fā)的。17 世紀(jì)以來(lái)的經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、數(shù)學(xué)、進(jìn)化論等構(gòu)建了近代科學(xué)體系并奠定了現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)；20 世紀(jì)初以量子論、相對(duì)論為核心的科學(xué)革命，造就了近百年來(lái)的科技繁榮和新興產(chǎn)業(yè)。科學(xué)進(jìn)步永無(wú)止境，面對(duì)未來(lái)可能的科學(xué)革命，我國(guó)不能無(wú)所作為，而應(yīng)當(dāng)為人類(lèi)作出更大貢獻(xiàn)，并為我國(guó)當(dāng)前和未來(lái)科技、產(chǎn)業(yè)發(fā)展積淀深厚的科學(xué)基礎(chǔ)；造就探索未知、求真溯源、開(kāi)放理性的科學(xué)精神，使我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展根深葉茂，行穩(wěn)致遠(yuǎn)，這應(yīng)是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的深度內(nèi)涵。

愛(ài)因斯坦曾指出：“未來(lái)科學(xué)的發(fā)展無(wú)非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍”?？臻g科學(xué)鏈接了宇觀和微觀研究的前沿，包括挑戰(zhàn)現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)的暗物質(zhì)性質(zhì)、暗能量本質(zhì)，極端宇宙的物理規(guī)律，并涉及太陽(yáng)系和地球演化、生命起源與本質(zhì)等基本問(wèn)題，可能推動(dòng)新科學(xué)革命?？臻g科學(xué)還延伸到利用空間特殊環(huán)境的重要應(yīng)用基礎(chǔ)研究，領(lǐng)域廣闊，充滿發(fā)現(xiàn)機(jī)遇，各大國(guó)將其視為空間時(shí)代的大科學(xué)和戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域?？臻g科學(xué)應(yīng)當(dāng)作為我國(guó)基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)突破口之一。

我國(guó)正在向建成科技強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)邁進(jìn)，空間科學(xué)是其中突出的短板，要進(jìn)一步加強(qiáng)空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的全面協(xié)調(diào)發(fā)展，將提高空間科學(xué)地位作為航天科技領(lǐng)域的重點(diǎn)任務(wù)，獲取重大成果，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展[20]?？臻g科學(xué)挑戰(zhàn)極限和不斷超越的需求，也將成為空間技術(shù)向更高水平發(fā)展的不竭動(dòng)力。

3.3 空間科學(xué)規(guī)劃和預(yù)算

高水平的長(zhǎng)期規(guī)劃、穩(wěn)定的預(yù)算，這兩個(gè)頂層要素是我國(guó)空間科學(xué)長(zhǎng)期穩(wěn)定高水平發(fā)展的保障。

3.3.1 制定國(guó)家空間科學(xué)規(guī)劃

空間科學(xué)面向科學(xué)前沿，高風(fēng)險(xiǎn)、高回報(bào)，必須長(zhǎng)期規(guī)劃，深厚積累，組織定向基礎(chǔ)研究，精心實(shí)施。國(guó)際上成功的經(jīng)驗(yàn)表明，獲得重大成果的空間科學(xué)項(xiàng)目往往經(jīng)歷十幾年至二十幾年的科學(xué)準(zhǔn)備、技術(shù)突破和研制試驗(yàn)，或經(jīng)歷幾代空間任務(wù)的積累提升。我國(guó)不少空間科學(xué)項(xiàng)目準(zhǔn)備時(shí)間短，存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，或主要追求技術(shù)成果，影響科學(xué)產(chǎn)出。目前，我國(guó)空間科學(xué)規(guī)劃分散在各部門(mén)和各專(zhuān)項(xiàng)，各抓一面，分段規(guī)劃，主要是推出項(xiàng)目，缺乏長(zhǎng)期戰(zhàn)略、頂層規(guī)劃、能力建設(shè)、配套措施和資源統(tǒng)籌，也存在爭(zhēng)經(jīng)費(fèi)、“保地盤(pán)”等因素干擾。要改變這種分散局面，發(fā)揮國(guó)家戰(zhàn)略科技力量主力軍作用和高校等各方面積極性，制定統(tǒng)一和長(zhǎng)期、持續(xù)的國(guó)家空間科學(xué)規(guī)劃，形成國(guó)家“一盤(pán)棋”。

規(guī)劃應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)導(dǎo)向和重大科學(xué)產(chǎn)出原則，發(fā)揮科學(xué)家的核心作用，廣泛征集建議；結(jié)合戰(zhàn)略科學(xué)家隊(duì)伍，不斷研究重大科學(xué)問(wèn)題和前瞻發(fā)展趨勢(shì)，凝聚科學(xué)界共識(shí)，及時(shí)響應(yīng)最新動(dòng)向，提出科學(xué)方向、發(fā)展路徑、優(yōu)先分級(jí)、任務(wù)指南。規(guī)劃應(yīng)包括空間科學(xué)各領(lǐng)域，如深空探測(cè)是研究月球和行星科學(xué)的主要途徑，是空間科學(xué)的組成部分，不宜單列；空間地球科學(xué)的研究性質(zhì)突出，與各類(lèi)對(duì)地觀測(cè)業(yè)務(wù)衛(wèi)星的目標(biāo)和手段不同，應(yīng)在空間科學(xué)規(guī)劃中包括；空間生命科學(xué)和微重力科學(xué)在空間規(guī)劃中應(yīng)得到重視，不能完全依靠其母學(xué)科規(guī)劃。規(guī)劃周期至少 10—15年，近中遠(yuǎn)結(jié)合，定期滾動(dòng)迭代。

規(guī)劃應(yīng)全面部署基礎(chǔ)能力提升，制定具體計(jì)劃加強(qiáng)空間科學(xué)各方向的研究基礎(chǔ)、學(xué)科布局和人才培養(yǎng)，落實(shí)重要研究設(shè)施的建設(shè)運(yùn)行，部署新一代重要探測(cè)技術(shù)攻關(guān)，提出重要政策措施和國(guó)際合作戰(zhàn)略。

要建立有效的跨部門(mén)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機(jī)制，在國(guó)家空間科學(xué)規(guī)劃指導(dǎo)下理順?lè)止ぢ氊?zé)，從科學(xué)任務(wù)概念的研究、預(yù)先研究、技術(shù)攻關(guān)、工程研制、在軌運(yùn)行、研保條件、科學(xué)應(yīng)用和數(shù)據(jù)系統(tǒng)、軟件工具開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析研究，到成果產(chǎn)出和轉(zhuǎn)化的全鏈條形成完整的支持體系。

3.3.2 建立穩(wěn)定的空間科學(xué)預(yù)算

發(fā)展空間科學(xué)需要增加投入，投入比例是政策的具體體現(xiàn)。近 20年國(guó)際上主要國(guó)家航天局總預(yù)算年均約 370 億美元，其中直接空間科學(xué)預(yù)算占比 27%，年均約 100 億美元（其中美國(guó) 60 多億美元），其投入規(guī)模（加上空間設(shè)施運(yùn)行）和運(yùn)營(yíng)性質(zhì)與全球地面大科學(xué)裝置的投入具有可比性。我國(guó)應(yīng)加大對(duì)空間科學(xué)的投入，在民用航天中經(jīng)費(fèi)占比達(dá)到 15% 并逐步提高到國(guó)際平均水平，建立科學(xué)衛(wèi)星系列，同時(shí)載人航天、月球與深空探測(cè)等國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)也應(yīng)落實(shí)對(duì)相應(yīng)空間科學(xué)的合理投入，保證科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

空間科學(xué)任務(wù)的復(fù)雜性和長(zhǎng)期性特點(diǎn)，以及擴(kuò)大科學(xué)隊(duì)伍規(guī)模、集聚高層次人才等都需要穩(wěn)定的國(guó)家預(yù)算支持。突破財(cái)政年度和 5年周期的預(yù)算是制定長(zhǎng)期規(guī)劃的基本條件，建議國(guó)家財(cái)政單列空間科學(xué)預(yù)算賬戶（穩(wěn)定基數(shù)，可隨國(guó)家財(cái)政狀況微調(diào)），改變根據(jù)每項(xiàng)具體任務(wù)編列預(yù)算的辦法，使空間科學(xué)整體發(fā)展和長(zhǎng)期任務(wù)有穩(wěn)定的預(yù)期，以及更高的經(jīng)費(fèi)使用效率。

3.4 夯實(shí)空間科學(xué)發(fā)展基礎(chǔ)

空間科學(xué)不是有了經(jīng)費(fèi)，擴(kuò)大了規(guī)模就能出成果的?？臻g科學(xué)追求首次發(fā)現(xiàn)和規(guī)律性認(rèn)識(shí)，既要有國(guó)際視野和自主的科學(xué)思維，又要有創(chuàng)新的探測(cè)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法，基礎(chǔ)厚實(shí)極為重要。我國(guó)近幾年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量和空間活動(dòng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，引發(fā)了一些急于求成的心態(tài)，認(rèn)為有了好的想法，做了一些仿真計(jì)算就可以在衛(wèi)星和空間站上實(shí)施，或單純通過(guò)探測(cè)領(lǐng)域的擴(kuò)大就能夠取得成果，這不禁令人擔(dān)心在規(guī)模擴(kuò)大時(shí)我們的水平能否真正上臺(tái)階。我國(guó)空間科學(xué)必須擺脫單純以空間項(xiàng)目為中心的思想，重視其背后需要進(jìn)行的多方面巨大努力。長(zhǎng)期努力提升科學(xué)和技術(shù)水平，不斷培養(yǎng)高水平人才，厚植基礎(chǔ)，才能培育出具有獨(dú)特性和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的空間項(xiàng)目。

3.4.1 加強(qiáng)地面和多渠道實(shí)驗(yàn)研究

空間科學(xué)是以觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，需要通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)和各種途徑加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究，提高能力水平。

空間科學(xué)先進(jìn)國(guó)家通過(guò)低成本途徑（科學(xué)氣球、探空火箭、空間搭載等）拓展空間科學(xué)任務(wù)規(guī)模，激勵(lì)新穎科學(xué)思想，驗(yàn)證創(chuàng)新技術(shù)，培育年輕領(lǐng)軍人才，擴(kuò)展人才隊(duì)伍，以及作為夯實(shí)研究和技術(shù)基礎(chǔ)的重要途徑。美國(guó) NASA、法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）和日本、加拿大、印度、瑞典等國(guó)航天機(jī)構(gòu)均配備了科學(xué)氣球和探空火箭系統(tǒng)[21]，NASA 常年發(fā)射大型科學(xué)氣球（高度 35—45 km，載荷數(shù) t）和探空火箭（高度約 350 km），累計(jì)各 2000 余次，21 世紀(jì)初開(kāi)始的南極長(zhǎng)時(shí)間氣球探測(cè)計(jì)劃，實(shí)施了 20 多項(xiàng)頗具創(chuàng)意的大型探測(cè)任務(wù)（粒子/非粒子天體物理計(jì)劃），其中兩項(xiàng)已升級(jí)進(jìn)入國(guó)際空間站，還開(kāi)展了一系列有特色的大氣和地球科學(xué)觀測(cè)和重要技術(shù)試驗(yàn)；在 Artemis 計(jì)劃中已征集并初步確定了十幾項(xiàng)立方星月球探測(cè)和技術(shù)驗(yàn)證搭載項(xiàng)目。法國(guó)作為歐洲科學(xué)氣球中心，長(zhǎng)年實(shí)施“用百分之一的經(jīng)費(fèi)獲得百分之十的收益”的科學(xué)氣球計(jì)劃，且近年又在擴(kuò)大科學(xué)氣球的活動(dòng)區(qū)域。

我國(guó)已具備開(kāi)展科學(xué)氣球探測(cè)和探空火箭活動(dòng)的技術(shù)基礎(chǔ)。取得重要科學(xué)成果的“悟空”衛(wèi)星（與美國(guó) ATIC 南極氣球任務(wù)合作）、“慧眼”衛(wèi)星（直接解調(diào)成像方法驗(yàn)證）都有氣球飛行實(shí)驗(yàn)的重要基礎(chǔ)。我國(guó)應(yīng)發(fā)展大型科學(xué)氣球，配備相關(guān)設(shè)備，建立常態(tài)化科學(xué)氣球運(yùn)行系統(tǒng)，條件具備時(shí)開(kāi)展南極長(zhǎng)時(shí)間氣球飛行；探空火箭要配置合理型譜，在已有基礎(chǔ)上形成運(yùn)行系統(tǒng)，安排落實(shí)科研基礎(chǔ)設(shè)施，建立面向全國(guó)征集項(xiàng)目，將開(kāi)展科學(xué)探測(cè)和技術(shù)試驗(yàn)作為有效常規(guī)手段。其他低成本方法在我國(guó)也有先例，例如清華大學(xué)“極光計(jì)劃”的立方星 X 射線偏振探測(cè)取得重要成果[22]，正在推進(jìn)后續(xù)“天格計(jì)劃”；我國(guó)空間站也推出了搭載計(jì)劃。利用各種低成本機(jī)會(huì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，是加強(qiáng)研究基礎(chǔ)和技術(shù)研發(fā)的有效途徑。

為保證在國(guó)際空間站上開(kāi)展的生命和物理研究項(xiàng)目具有更高水平，參與各國(guó)普遍采用了“培育-淘汰”的優(yōu)選流程，征集后的初選項(xiàng)目給予少量經(jīng)費(fèi)開(kāi)展地面研究和實(shí)驗(yàn)。通過(guò) Pre-phase A（概念研究）和 Phase A（概念及技術(shù)開(kāi)發(fā)）階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和嚴(yán)格的同行評(píng)議14NASA Systems Engineering Handbook, Program/Project Life Cycle. [2022-05-05]. https://www.nasa.gov/seh/3- project-life-cycle，篩選少部分優(yōu)秀項(xiàng)目進(jìn)入飛行任務(wù)階段，優(yōu)選比例約 1/5。地面實(shí)驗(yàn)普遍采用微重力落塔、微重力飛機(jī)和其他模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證。

我國(guó)已具備開(kāi)展微重力落塔實(shí)驗(yàn)的條件，正在建設(shè)更強(qiáng)性能的微重力設(shè)施，需要全面安排好這些實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)發(fā)展。我國(guó)空間站實(shí)驗(yàn)要形成項(xiàng)目池和項(xiàng)目?jī)?yōu)選機(jī)制，充分利用各種手段加強(qiáng)科學(xué)研究、地面實(shí)驗(yàn)和與設(shè)施設(shè)備的匹配實(shí)驗(yàn)，爭(zhēng)取高水平成果。

科學(xué)數(shù)據(jù)是空間科學(xué)實(shí)測(cè)（實(shí)驗(yàn)）的結(jié)果。我國(guó)長(zhǎng)期利用國(guó)外空間數(shù)據(jù)開(kāi)展科學(xué)研究，取得不俗成績(jī)，并為自主空間項(xiàng)目進(jìn)行了有效準(zhǔn)備。隨著我國(guó)自己的空間科學(xué)數(shù)據(jù)越來(lái)越多，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享利用有利于多出成果，發(fā)揮效益，并可吸引更多團(tuán)隊(duì)參加，加強(qiáng)研究基礎(chǔ)。要破除影響數(shù)據(jù)共享的各種壁壘（包括對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)用于地球科學(xué)等研究），制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展數(shù)據(jù)分析軟件，最大限度地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和再利用。

3.4.2 加強(qiáng)理論、實(shí)驗(yàn)與技術(shù)深度結(jié)合

空間科學(xué)要在觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上達(dá)到探索未知、認(rèn)清規(guī)律的目的。從以下兩類(lèi)科學(xué)產(chǎn)出分析理論、實(shí)驗(yàn)和技術(shù)結(jié)合的重要性。

（1）發(fā)現(xiàn)性和描述性科學(xué)產(chǎn)出。從觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)可能顛覆現(xiàn)有科學(xué)規(guī)律（破缺）跡象，解釋現(xiàn)象背后的科學(xué)成因，勾畫(huà)出未知的物理圖像或過(guò)程脈絡(luò)，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的科學(xué)機(jī)理，這些都是重大科學(xué)成果。在這個(gè)過(guò)程中，科學(xué)思想（科學(xué)洞察力）、探測(cè)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)（往往要有超越性的技術(shù)和方法）、準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果（條件變化、測(cè)量誤差和置信度、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果）、數(shù)據(jù)分析工具包，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)解釋都是非常重要的；大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能將成為更有效的研究分析工具；科學(xué)仿真，特別是“端到端”仿真（觀測(cè)目標(biāo)-傳遞路徑、載荷與系統(tǒng)響應(yīng)-模擬數(shù)據(jù)生成），和進(jìn)一步的“數(shù)字孿生”用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證，要素影響評(píng)估、測(cè)試結(jié)果確認(rèn)、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備、運(yùn)行參數(shù)調(diào)整及流程規(guī)劃，成為任務(wù)全周期和提高研究水平的重要環(huán)節(jié)，需要科學(xué)家、實(shí)驗(yàn)專(zhuān)家、技術(shù)專(zhuān)家和數(shù)據(jù)分析專(zhuān)家深度結(jié)合。我國(guó)各領(lǐng)域、各單位情況有較大差距，普遍存在科學(xué)與技術(shù)分離，任務(wù)全鏈條力量不完整等問(wèn)題。小課題組模式已顯現(xiàn)出局限性，需要在重要方向形成強(qiáng)大完整的團(tuán)隊(duì)，在重要任務(wù)中加強(qiáng)組織，多單位優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，集聚高水平人才，開(kāi)展細(xì)致交流，加強(qiáng)各類(lèi)工作的融合。

（2）創(chuàng)建性或顛覆性的理論突破。其對(duì)科學(xué)發(fā)展有重大影響，諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)比較青睞這類(lèi)成果，而這方面目前是我國(guó)的突出短板。創(chuàng)建性或顛覆性的理論突破需要理論學(xué)家（和部分?jǐn)?shù)學(xué)家）不斷研究和推出關(guān)于宇宙、天體、物質(zhì)、熱力學(xué)、太陽(yáng)系、地球、生命等不同層次重大科學(xué)問(wèn)題的新學(xué)說(shuō)、新模型和“大理論”。建議設(shè)立“研究特區(qū)”，動(dòng)員和吸引理論學(xué)家關(guān)注和參與空間科學(xué)規(guī)劃，指導(dǎo)空間科學(xué)項(xiàng)目，了解空間實(shí)驗(yàn)情況和結(jié)果，加強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)科學(xué)家交流，發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)值模擬。我國(guó)專(zhuān)注“大理論”的高級(jí)研究人才比實(shí)驗(yàn)人才更加欠缺，可遇不可求，因此特別需要開(kāi)辟適宜土壤長(zhǎng)期培育。

3.4.3 加快空間科學(xué)人才培養(yǎng)

空間科學(xué)人才不足將嚴(yán)重影響未來(lái)發(fā)展，因此我國(guó)首先需要采取措施擴(kuò)大空間科學(xué)人才隊(duì)伍規(guī)模。高校和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)加大空間科學(xué)相關(guān)研究生招收培養(yǎng)數(shù)量，不斷提高培養(yǎng)質(zhì)量，這可能是較快的解決辦法。高校要全面部署與空間科學(xué)各領(lǐng)域相關(guān)的學(xué)科設(shè)置。

更多的空間科學(xué)項(xiàng)目，包括采用低成本途徑的項(xiàng)目是培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)人才的重要途徑。例如，培養(yǎng)空間科學(xué)各領(lǐng)域的科學(xué)家、科學(xué)探測(cè)及實(shí)驗(yàn)技術(shù)專(zhuān)家，以及具備綜合能力、能組織領(lǐng)導(dǎo)空間科學(xué)任務(wù)的項(xiàng)目首席科學(xué)家和管理專(zhuān)家。大型空間科學(xué)任務(wù)和國(guó)際合作項(xiàng)目應(yīng)設(shè)立專(zhuān)門(mén)人才計(jì)劃，吸引國(guó)內(nèi)外學(xué)者和高素質(zhì)青年人才。

部署空間科學(xué)重要領(lǐng)域的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室或全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)承擔(dān)國(guó)家空間科學(xué)任務(wù)，集聚并長(zhǎng)期穩(wěn)定高水平人才，形成專(zhuān)家群和完整的綜合性團(tuán)隊(duì)。

3.4.4 加強(qiáng)空間科學(xué)國(guó)際合作

空間科學(xué)與所有基礎(chǔ)研究的性質(zhì)相同，是全球性的，國(guó)際合作已經(jīng)成為各國(guó)空間科學(xué)發(fā)展政策的重要組成部分。我國(guó)空間科學(xué)的國(guó)際合作已有諸多成功經(jīng)驗(yàn)，如地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃與 ESA 的合作、空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)衛(wèi)星任務(wù)多層次的國(guó)際合作[23]、載人航天工程中的中德空間生命科學(xué)合作、中國(guó)-瑞士合作伽馬暴偏振探測(cè)（POLAR）等均取得重要成果；正在實(shí)施的一批重要國(guó)際合作計(jì)劃，包括中法合作的太空望遠(yuǎn)鏡（SVOM）項(xiàng)目、中-歐合作太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE），以及 EP 衛(wèi)星與 ESA、CNES等的合作，中國(guó)空間站與 COPUOS 和 ESA 聯(lián)合征集科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合作等，這些對(duì)我們提升全球視野、提高水平、打牢基礎(chǔ)、提升國(guó)際影響力均發(fā)揮了重要作用。

在當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)下，仍要堅(jiān)持貫徹開(kāi)放、合作方針，積極參加重要國(guó)際空間科學(xué)計(jì)劃、雙邊和多邊項(xiàng)目合作，積極推動(dòng)我國(guó)牽頭的空間大科學(xué)計(jì)劃，開(kāi)放我國(guó)重大專(zhuān)項(xiàng)（空間站、探月工程等）的空間科學(xué)計(jì)劃和科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，征集國(guó)外科學(xué)家的項(xiàng)目建議，開(kāi)展國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的國(guó)際評(píng)審，促使我國(guó)空間科學(xué)進(jìn)入國(guó)際前沿。

要充分發(fā)揮科學(xué)家在開(kāi)展學(xué)術(shù)交流和形成國(guó)際合作項(xiàng)目中的作用，鼓勵(lì)支持我國(guó)科學(xué)家積極參加國(guó)際會(huì)議和國(guó)際組織的活動(dòng)并任職，形成活躍的有影響力的國(guó)際交流人才隊(duì)伍；加強(qiáng)我國(guó)空間科學(xué)各領(lǐng)域與國(guó)外對(duì)口專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)（研究中心、實(shí)驗(yàn)室等）之間的密切交流，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的合作關(guān)系；要舉辦和參加各種科學(xué)討論會(huì)和工作會(huì)議，積極參與 COPUOS 的活動(dòng)，顯著提升我國(guó)空間科學(xué)的國(guó)際影響力。

3.5 完善空間科學(xué)任務(wù)管理模式

空間科學(xué)的實(shí)施體現(xiàn)為航天工程任務(wù)（科學(xué)衛(wèi)星、深空探測(cè)）或其中的重要組成部分（載人航天工程等），具有顯著的科學(xué)與工程結(jié)合特點(diǎn)，也經(jīng)常顯現(xiàn)出科學(xué)文化與工程文化的沖突與融合。如何完善空間科學(xué)相關(guān)任務(wù)的管理，是我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展的重要課題。

3.5.1 處理好科學(xué)與工程的關(guān)系

多年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)形成了完整的航天工程管理體系；空間科學(xué)滯后進(jìn)入，需要一個(gè)理解、適應(yīng)和提升過(guò)程?？傮w上，要堅(jiān)持“科學(xué)（應(yīng)用）是最終目的，工程是根本保證”的理念，既要滿足科學(xué)任務(wù)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(xué)與工程兩者有不同的內(nèi)在需求和規(guī)律差異。例如，我國(guó)航天工程重視狀態(tài)管理（設(shè)計(jì)狀態(tài)、初樣和正樣狀態(tài)），把技術(shù)狀態(tài)作為基線嚴(yán)格管控、保證質(zhì)量，這也是我國(guó)航天工程普遍采用由多個(gè)系統(tǒng)組成大系統(tǒng)的管理模式所需；而這要求科學(xué)載荷很早就確定技術(shù)狀態(tài)和接口，對(duì)許多項(xiàng)目而言難以適應(yīng)。在歐美的一些大型空間科學(xué)任務(wù)中，特別重視科學(xué)需求（科學(xué)任務(wù)對(duì)工程的需求），項(xiàng)目以科學(xué)需求文檔（SRD）為核心貫穿研制全周期和天地系統(tǒng)，不斷挖掘科學(xué)潛力，不斷迭代，即使在詳細(xì)設(shè)計(jì)（CDR，相當(dāng)于正樣設(shè)計(jì)）和系統(tǒng)測(cè)試后，仍要按 SRD 或新需求更改完善，筆者認(rèn)為這更加符合科學(xué)規(guī)律和保證產(chǎn)出的理念。這種理念可行的基礎(chǔ)是科學(xué)家主導(dǎo)下的合同制管理模式，即使空間科學(xué)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)衛(wèi)星給予首席科學(xué)家一票否決權(quán)，但也還不具備完全實(shí)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(guó)航天工程的階段劃分還不能貼切地反映科學(xué)載荷與飛行器的差異，特別是科學(xué)載荷測(cè)試驗(yàn)證、標(biāo)定，以及匹配實(shí)驗(yàn)等細(xì)致工作需要時(shí)間，而目前往往過(guò)于緊張。

載人航天工程在國(guó)內(nèi)外都被賦予了體現(xiàn)國(guó)家威望等更廣泛的意義，總體上與其中的科學(xué)任務(wù)是可以很好兼顧的，我國(guó)空間站工程正在不斷探索完善。在空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的科學(xué)項(xiàng)目管理中，管理的高效性、項(xiàng)目培育遴選、立項(xiàng)程序和時(shí)效、資源分配、余量管理、系統(tǒng)間協(xié)調(diào)、流程改進(jìn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)度安排等方面還有很大改進(jìn)空間，需要防止重進(jìn)度、輕科學(xué)產(chǎn)出的傾向。

我國(guó)航天工程管理體系是長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的寶貴結(jié)晶，但也要與時(shí)俱進(jìn)，將科學(xué)任務(wù)特點(diǎn)和科學(xué)產(chǎn)出最大化理念納入更完善的工程管理方法中。

3.5.2 重視發(fā)揮科學(xué)家的作用

科學(xué)家群體應(yīng)在制定我國(guó)空間發(fā)展戰(zhàn)略、長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、項(xiàng)目論證、評(píng)審遴選、同行評(píng)議、任務(wù)評(píng)估、成果評(píng)估中發(fā)揮主體作用。特別是在空間科學(xué)任務(wù)中，科學(xué)家及科學(xué)家團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)發(fā)揮核心作用，在立項(xiàng)、科學(xué)目標(biāo)確定、指導(dǎo)系統(tǒng)研制、測(cè)試驗(yàn)收、地面系統(tǒng)、科學(xué)分析等全過(guò)程中保證科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。目前，多項(xiàng)空間科學(xué)任務(wù)已經(jīng)采用了首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制，或是科學(xué)家、總工程師和總指揮“三首長(zhǎng)制”，科學(xué)家開(kāi)始發(fā)揮作用，但還很有限。在現(xiàn)有以行政領(lǐng)導(dǎo)為主的管理架構(gòu)中，涉及科學(xué)產(chǎn)出的重大問(wèn)題如何決策，首席科學(xué)家及責(zé)任科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的實(shí)際地位和作用發(fā)揮如何保證，還要繼續(xù)探索和積累經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)管理規(guī)定逐步成型。此外，我國(guó)還需要培養(yǎng)出一批懂科學(xué)、懂管理、懂載荷、懂工程、理解科學(xué)任務(wù)特點(diǎn)規(guī)律的復(fù)合型領(lǐng)導(dǎo)人才，為空間科學(xué)任務(wù)更好體現(xiàn)科學(xué)導(dǎo)向發(fā)揮重要作用。