顧逸東

中國科學(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 · 韋布空間望遠鏡①詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）由美國、歐洲和加拿大聯(lián)合研制，主要開展紅外波段的宇宙起源、星系演化等觀測研究，目前已公布了首批科學(xué)成果。經(jīng)歷 25年研制，多次推延，花費約 110 億美元巨資后，終于在法屬圭亞那庫魯發(fā)射場成功升空。該望遠鏡作為哈勃空間望遠鏡②哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）于1990年4月發(fā)射，主要開展光學(xué)波段（延伸至近紅外和近紫外）的宇宙學(xué)、星系、黑洞及恒星等觀測研究。的“繼任者”，其發(fā)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(fā)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(guān)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③斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope，SST）于2003年8月發(fā)射，主要開展紅外波段的宇宙學(xué)觀測研究。、錢德拉X射線天文臺④錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory，CXO）于1999年7月發(fā)射，主要開展X射線天文學(xué)研究。和康普頓伽馬射線天文臺⑤康普頓伽馬射線天文臺（Compton Gamma Ray Observatory，CGRO）于1991年4月發(fā)射，主要開展伽馬射線天文學(xué)研究。，它們都取得了重大科學(xué)成果。世界多國還發(fā)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(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，與地面天文臺的貢獻各占了半壁江山。

空間科學(xué)是探索宇宙和自然規(guī)律的空間活動，包括了空間物理學(xué)和太陽物理學(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。人類進入空間 65年來，規(guī)模宏大的空間活動此起彼伏，有力推動了社會發(fā)展和科技進步?？v觀幾十年的空間活動，其實際效益體現(xiàn)在兩大方面。①空間應(yīng)用。深入地滲透到經(jīng)濟、社會、公眾生活和軍事活動各方面，推動了社會信息化發(fā)展，成為當(dāng)今社會不可或缺的基礎(chǔ)保障。②空間科學(xué)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(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、太陽系乃至整個宇宙的物理、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

1.1 空間科學(xué)的成就概述

據(jù)不完全統(tǒng)計，在迄今為止人類發(fā)射的全部 6000多個空間飛行器中（近年發(fā)射的立方星和低軌大規(guī)模星座除外），有 900 多顆專門從事科學(xué)研究的衛(wèi)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(shè)施，完成了近萬項科學(xué)實驗，實施了幾十個國際空間科學(xué)研究計劃，開展了規(guī)模宏大的空間科學(xué)探測、實驗和研究活動。

（1）空間物理學(xué)和太陽物理學(xué)。揭示了太陽爆發(fā)和太陽高能輻射機制；發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)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(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)，以及太陽活動對地球空間環(huán)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(xué)。開拓了全電磁波段天文、粒子天體物理，推動天文學(xué)進入多信使新時代；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)和時變現(xiàn)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(jié)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(zhì)循環(huán)和爆炸宇宙學(xué)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(xué)（太陽系科學(xué)）。對月球和太陽系所有行星及其衛(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(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)建了較完整的太陽系及太陽系天體的知識體系。

（4）空間地球科學(xué)。開創(chuàng)并推動了地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展，獲取了全球重力場、大氣流場、冰水分布動態(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、巖石圈耦合過程，推動了全球變化等重大科學(xué)問題的深入研究。

（5）空間生命科學(xué)。取得了人體和各類生物及其不同組成層次對微重力響應(yīng)機制的重要認識，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(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)。揭示了被重力對流掩蓋的流體界面張力/濃度梯度驅(qū)動的特殊流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微重力下物質(zhì)與能量輸運、相變等特殊規(guī)律；揭示了微重力燃燒過程重要本征參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)冷焰燃燒等特殊現(xiàn)象；空間材料科學(xué)在晶體生長動力學(xué)、過冷與非平衡相變等過程機理方面取得重要進展；基礎(chǔ)物理方面驗證了廣義相對論的重要效應(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，突破性地拓展了人類視野和探索疆域，開創(chuàng)了地面無法實現(xiàn)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(shù)突破和地面新興產(chǎn)業(yè)，推動空間技術(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[1]。近年來，與空間科學(xué)探測密切相關(guān)的諾貝爾獎項頻次顯著增加（表 1）。

表1 與空間科學(xué)探測密切相關(guān)的諾貝爾獎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、地球變化趨勢等。

1.2.1 近期任務(wù)規(guī)劃面向科學(xué)前沿

美國一直致力于引領(lǐng)空間科學(xué)發(fā)展。美國國家科學(xué)研究委員會（NRC）和各學(xué)科領(lǐng)域?qū)ｉT委員會依靠科學(xué)家群體共同形成的《十年調(diào)查》（Decade Survey）規(guī)劃，是美國科學(xué)發(fā)展的頂層指導(dǎo)。空間科學(xué)各領(lǐng)域基本囊括在《十年調(diào)查》框架中，由 NRC、美國科學(xué)院空間研究委員會（SSB）及相關(guān)領(lǐng)域委員會共同研究，對空間科學(xué)未來 10年或更長時間的科學(xué)問題、研究目標、任務(wù)建議和經(jīng)費投入進行優(yōu)先級排序。2021年發(fā)布的《21 世紀 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)，美國國家航空航天局（NASA）將滾動制定路線圖并組織任務(wù)實施，實施中對項目的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)進步、計劃等進行中期評議，提出優(yōu)化意見，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)中長期規(guī)劃建立了大型（L）、中型（M）、小型（S）、國際合作、機遇任務(wù)等層次分明的分類架構(gòu)，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?qū)佑^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(wèi)星（2009年）、天體測量衛(wèi)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(xué)成果。2021年，ESA 發(fā)布了最新版中長期發(fā)展規(guī)劃“遠航 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)前沿和未來技術(shù)，提出 3 個大型、14 個中型任務(wù)方向，以及 4 個國際合作任務(wù)等；最終還將遴選出 10 項大中型任務(wù)，再征集遴選小型任務(wù)靈活實施。

美國和歐洲的空間科學(xué)規(guī)劃重視平衡投資，采取多層次靈活的計劃和滾動機制，采用征集競爭性提案優(yōu)選科學(xué)研究項目，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)新先進概念”（NIAC），為未來計劃提供富有想象力的可選方案；各國規(guī)劃頂層協(xié)調(diào)，并在任務(wù)實施、科學(xué)統(tǒng)籌、協(xié)同觀測等方面深入合作，大范圍集聚智力和技術(shù)資源，形成相互配合互補的發(fā)展格局。

美國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(wù)涉及的領(lǐng)域更加廣泛。

表2 美國最高優(yōu)先級（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)過長期徘徊和論證已經(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(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(wù)并籌備前往火星。

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

Artemis 提出 7 大科學(xué)目標，包括：理解行星過程、了解揮發(fā)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(xué)目標基于長期的研究基礎(chǔ)，體現(xiàn)了國際科學(xué)界對月球探索頂層科學(xué)問題的共識。截至 2022年4 月，共有 16 個國家參加了 Artemis 計劃。

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，國際空間站（International Space Station，ISS）運行 24年來一直發(fā)揮著近地空間實驗室的優(yōu)勢和重要作用，2022年初美國宣布將 ISS 運營期延長到 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 多臺設(shè)備開展天文、空間環(huán)境和地球科學(xué)研究，配置了 30 多個專用和通用科學(xué)實驗機柜開展微重力等特殊環(huán)境下人體、生命和微重力科學(xué)實驗，共完成了近 4000 項科學(xué)實驗和應(yīng)用項目，吸引了 103 個國家的科學(xué)家參與，在宇宙和天體、物質(zhì)運動規(guī)律、人類長期太空飛行、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，美國和各參與國制定實施了多個不斷滾動、科學(xué)內(nèi)涵逐步擴展的實驗研究計劃，產(chǎn)出的新知識和新技術(shù)不斷惠及人類健康和地面產(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，美國太空探索技術(shù)公司（Space-X）開始發(fā)展垂直回收重復(fù)使用火箭技術(shù)，迄今獵鷹 9 號運載火箭（Falcon 9）已實現(xiàn)一級火箭和助推器的同時回收和一箭十幾次重復(fù)使用；正在開發(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(fā)推進。這種變革性技術(shù)可望將進入空間的成本降低兩個量級，實現(xiàn)航班化的空間運輸服務(wù)。此外，空間核推進、空間核能源等技術(shù)發(fā)展，將推動包括科學(xué)探索在內(nèi)的人類空間活動規(guī)模和水平進入新時代，更復(fù)雜和更強大的科學(xué)裝置、更具規(guī)模的深空探索可望實現(xiàn)，開拓新發(fā)現(xiàn)的機遇。

商業(yè)航天近年來爆發(fā)性增長，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(jié)約了大量經(jīng)費。NASA 還花費 4.15 億美元支持了 3 個商業(yè)空間站提案的初期開發(fā)，期望在后 ISS 時代繼續(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 計劃中，NASA 同樣通過商業(yè)采購征集艙段設(shè)計，推進商業(yè)月球載荷服務(wù)，向月面運送科學(xué)設(shè)備、實驗載荷等物資。

1.3 小結(jié)

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

2 我國空間科學(xué)的成就和近期計劃

我國空間科學(xué)發(fā)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(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（以下簡稱“空間科學(xué)先導(dǎo)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(xué)、冷原子時頻、量子科學(xué)實驗、微重力物理等方面取得了重要成果；一些科研機構(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計劃正在實施，出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的良好勢頭。以下概述我國空間科學(xué)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(xué)任務(wù)和幾個天文衛(wèi)星的情況稍做展開。

2.1 載人航天工程的空間科學(xué)任務(wù)

2.1.1 載人飛船和空間實驗室上的空間科學(xué)項目

（1）載人飛船階段科學(xué)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(wù)中，安排了我國當(dāng)時規(guī)模最大，領(lǐng)域方向最廣的空間科學(xué)與應(yīng)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(xué)實驗：①空間生命科學(xué)方面，開展了多種生物的空間效應(yīng)研究、蛋白質(zhì)結(jié)晶、空間細胞培養(yǎng)、細胞電融合等實驗；②微重力科學(xué)方面，開展了半導(dǎo)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(shù)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(xué)方面，與國際同步發(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(chuàng)奠基作用，掌握了重要的空間科學(xué)實驗方法和技術(shù)，推動了空間對地觀測技術(shù)的跨越發(fā)展，使我國空間科學(xué)上了一個新臺階。

（2）空間實驗室階段科學(xué)項目。2007—2017年第二步空間實驗室任務(wù)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(xué)實驗[4]。中德合作空間生命科學(xué)的 17 項實驗、高等植物培養(yǎng)實驗、空間干細胞增殖分化實驗取得重要結(jié)果[5]，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(wěn)定度的實驗結(jié)果[6]，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(shù)，發(fā)現(xiàn)偏振度的時間變化新現(xiàn)象[7]；采用 Decoy 方法的量子密鑰分配實驗、復(fù)合膠體晶體生長實驗、12 種新型材料空間制備研究、多形態(tài)液橋熱毛細對流實驗等取得重要結(jié)果[8]；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(xué)觀測設(shè)備，開拓了海洋動力現(xiàn)象觀測研究的新途徑[9]，多角度偏振及寬波段光譜成像、紫外臨邊觀測推動了對地觀測和地球科學(xué)研究方法創(chuàng)新。整體看，空間實驗室階段取得了一批科學(xué)前沿和關(guān)鍵技術(shù)突破的重點成果，為后續(xù)開展大規(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 30年堅持不懈的努力，我國載人航天“三步走”的發(fā)展藍圖得以實現(xiàn)。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(fā)射并與核心艙完成對接，隨后還將發(fā)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(guī)模系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)邀集組織國內(nèi)近百位院士和千余位一線專家經(jīng)過長期、多輪論證，形成了重點突出、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 個領(lǐng)域：①空間生命科學(xué)與人體研究。深入認識生命現(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)問題，支持人類長期太空探索，發(fā)展生物技術(shù)，為人類醫(yī)療健康服務(wù)。②微重力物理科學(xué)。開展流體物理（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，加強對地面產(chǎn)業(yè)的支持，基礎(chǔ)物理安排針對基本物理規(guī)律的實驗研究。③空間天文和地球科學(xué)。加深對宇宙暗物質(zhì)、暗能量、致密天體、星系形成演化、地球變化等重大科學(xué)問題的深入理解。④空間新技術(shù)與應(yīng)用。發(fā)展和驗證新一代航天基礎(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(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）、ESA 合作征集科學(xué)項目，已批準空間生命科學(xué)、流體物理、空間天文等 19 項，約 40 個國家參與。國內(nèi)外渠道都將持續(xù)征集項目，滾動培育、遴選及實施。

空間站部署了先進的科學(xué)研究設(shè)施，加壓艙內(nèi)有十幾個科學(xué)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(fā)射的無容器材料實驗柜的樣品加熱溫度超過 2000℃，已產(chǎn)出科學(xué)成果；高微重力懸浮試驗在低頻段指標達到 10-7g；“問天”實驗艙正在開展科學(xué)設(shè)備的在軌測試和調(diào)試，“夢天”實驗艙的科學(xué)設(shè)備正在緊張進行地面測試（圖 2）。艙內(nèi)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(xué)探測載荷，升級和補充科學(xué)實驗設(shè)施。

表3 中國空間站科學(xué)實驗柜及用途概要Table 3 Scientific experiment racks and utilizations in China Space Station

圖2 “夢天”實驗艙Ⅱ的科學(xué)裝置在地面進行系統(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 口徑巡天空間望遠鏡（CSST），與空間站同軌飛行，可與空間站對接進行維修升級，現(xiàn)已進入初樣研制階段，預(yù)計 2024年發(fā)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(xué)、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(xiàn)源等內(nèi)容開展觀測研究。同時，已成立了 4 個科學(xué)研究中心和聯(lián)合科學(xué)中心，立項了 24 個課題（近百項子課題），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)分析軟件準備。CSST 與歐美基本同期開展的空間光學(xué)巡天項目在觀測波段、分辨率等方面協(xié)同互補（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 中國巡天空間望遠鏡（CSST）與同期歐洲歐幾里得（Euclid）、美國羅曼（Roman）巡天望遠鏡主要指標對比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)劃了第二個旗艦型項目——高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD）。這是我國主導(dǎo)、歐洲多國合作的重大空間科學(xué)項目[11]。它采用了創(chuàng)新的三維量能器和完善的系統(tǒng)設(shè)計，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(xiàn)所有設(shè)備高 1 個量級或數(shù) 10 倍（電子擴展到 100 TeV，核子探測能區(qū)擴展到 3 PeV），高能伽馬射線觀測的視場和能區(qū)有數(shù)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(zhì)信號，開展高能伽馬射線巡天監(jiān)測，成為同時代最強大的空間暗物質(zhì)搜尋和宇宙高能輻射探測研究設(shè)施。

2.1.3 載人月球探測的醞釀和規(guī)劃

我國正在醞釀和規(guī)劃載人月球探測，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 個階段分步推進。為夯實載人月球探測基礎(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，組織國內(nèi)各方面專家開展了反復(fù)論證，形成了初步共識。

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

（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)運動規(guī)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(yīng)機制與適應(yīng)調(diào)控、輻射防護、月面生態(tài)系統(tǒng)與生存保障研究和技術(shù)開發(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、月塵探測及作用機理、月球樣品采集檢測與封裝等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。為支撐載人月球探測工程實施和月面活動，獲取更多科學(xué)產(chǎn)出和應(yīng)用效益，已開展了載人登月著陸區(qū)遴選、高精度全月面三維地形測繪和資源勘察、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(shù)和科學(xué)研究基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進。

2.2 科學(xué)衛(wèi)星

2.2.1 空間科學(xué)先導(dǎo)專項衛(wèi)星

中國科學(xué)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(xué)衛(wèi)星任務(wù)，具有開創(chuàng)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(fā)機制等方面取得重要成果。隨后，經(jīng)國務(wù)院批準，2011年中國科學(xué)院正式啟動實施空間科學(xué)先導(dǎo)專項，其以科學(xué)衛(wèi)星計劃為核心，對推動我國空間科學(xué)發(fā)展具有重大意義。

（1）專項一期的科學(xué)衛(wèi)星?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項一期有較高起點，實施的 4 個科學(xué)衛(wèi)星計劃均取得了顯著成就：①暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)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(zhì)起著指引作用[12]；②實踐十號返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星（SJ-10，2016年）。開展了 28 項微重力和生命科學(xué)實驗，包括在國際上首次開展的 15 項，在空間生命科學(xué)與微重力流體方面獲得了新認知[13]；③量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”（2016年）。在國際上率先實現(xiàn)了星-地千公里級雙向量子糾纏分發(fā)[14]和相距 1200 km 兩個地面站間的量子態(tài)遠程傳輸；④硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼號”（HXMT，2017年）。是我國第一顆 X 射線天文衛(wèi)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(nèi)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(guān)成果共發(fā)表論文超過 100 篇，重要科學(xué)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(qū)給出了最嚴格的限制[15]；通過發(fā)現(xiàn) 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[16]；通過在黑洞系統(tǒng)測量到能量高于 200 keV 的最高能量準周期振蕩信號，發(fā)現(xiàn)距離黑洞最近的相對論噴流；發(fā)現(xiàn)首例與快速射電暴關(guān)聯(lián)的 X 射線暴，并且證認其來自于銀河系磁星 SGR J1935+2154[17]；發(fā)現(xiàn)黑洞雙星中逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流等。

（2）專項二期進展?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項二期目前正在實施中。①微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星“太極一號”（2019年）。實現(xiàn)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(shù)。②引力波暴高能電磁對應(yīng)體全天監(jiān)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(xué)衛(wèi)星。先進天基太陽天文臺（ASO-S）、愛因斯坦探針（EP）、太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）進展順利，將于 2022—2024年陸續(xù)發(fā)射。其中，EP 衛(wèi)星（圖 3）致力于 X 射線時域天文，目標是發(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(guī)模采用龍蝦眼微孔X射線成像技術(shù)和 CMOS X 射線探測器，12 個子望遠鏡形成 3600 平方度大視場進行凝視監(jiān)測，探測到耀發(fā)信號后觸發(fā)衛(wèi)星姿態(tài)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(yōu)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(fā)天體坐標信息，引導(dǎo)其他天地設(shè)備協(xié)同觀測。EP 的強大探測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 愛因斯坦探針衛(wèi)星正在準備進行熱真空試驗Figure 3 Einstein Probe Satellite is preparing for a thermal vacuum test

空間科學(xué)先導(dǎo)專項還部署了一批重要的科學(xué)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(wèi)星（eXTP）兩個大型項目，以及中高軌量子衛(wèi)星等十幾項任務(wù)，正在推動三期科學(xué)衛(wèi)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(xué)主題，爭取更高水平、更先進的科學(xué)衛(wèi)星進入后續(xù)實施。

2.2.2 其他科學(xué)衛(wèi)星

2010年以來，我國國家國防科技工業(yè)局、科學(xué)技術(shù)部和有關(guān)部委、相關(guān)高校，啟動和規(guī)劃了一批科學(xué)衛(wèi)星或試驗性衛(wèi)星，包括全球二氧化碳監(jiān)測衛(wèi)星（TANSAT，2016年）、張衡一號（2018年）電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星、天琴一號空間引力波技術(shù)試驗衛(wèi)星（2019年）、羲和號太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星（2021年）、清華大學(xué)采用微納衛(wèi)星的“極光計劃”（2018年）和“天格計劃”，以及中國科學(xué)院可持續(xù)發(fā)展科學(xué)衛(wèi)星 1 號（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)星是中法兩國航天局合作框架下的天文衛(wèi)星（圖 4），目標是發(fā)現(xiàn)和快速定位伽馬暴，全面測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）、可見光望遠鏡（VT）。在軌觀測時，探測到爆發(fā)現(xiàn)象時將依次觸發(fā)不同波段探測器、衛(wèi)星姿態(tài)逐次機動實現(xiàn)天體目標輻射能區(qū)由高到低觀測，獲取伽馬射線暴和其他變源在各能區(qū)輻射特性及隨時間變化規(guī)律。目前，衛(wèi)星已轉(zhuǎn)入正樣階段，計劃 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)星的測試場景Figure 4 Test scenarios of SVOM (Space Variable Objects Monitor) satellite

2.3 月球與深空探測

2.3.1 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(guī)劃為“繞、落、回”三期，在環(huán)月探測、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，為我國進一步開展深空探測活動奠定了堅實基礎(chǔ)。

嫦娥一號實現(xiàn)了我國首次月球環(huán)繞探測，取得我國首幅月球地質(zhì)圖和月球構(gòu)造綱要圖。嫦娥二號完成了更高分辨率的環(huán)月探測，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)。嫦娥三號首次實現(xiàn)落月，開展了月面巡視勘察，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。

嫦娥四號和嫦娥五號實現(xiàn)了工程技術(shù)重大突破，科學(xué)探測取得重大成果。嫦娥四號實現(xiàn)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(nèi)的地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)和月幔的物質(zhì)組成，首次在月表開展能量中性原子的就位探測和月表粒子輻射環(huán)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 1731 g 月壤樣品，通過樣品分析發(fā)現(xiàn)月球的巖漿活動一直持續(xù)到距今約 20 億年，月球地質(zhì)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[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)國家批準，以月球南極地區(qū)作為主要探測目標，規(guī)劃了嫦娥六號、七號和八號任務(wù)，2024—2030年實施，實現(xiàn)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(shè)國際月球科研站基本型。

2.3.2 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(fā)射，國際上首次第一次任務(wù)就實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，開展火星形貌與地質(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，火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等探測研究。至今天問一號巡視器、著陸器、環(huán)繞器均正常工作，獲取了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。我國正在醞釀和規(guī)劃 2030年左右實施火星采樣返回任務(wù)。

小行星采樣返回任務(wù)預(yù)計 2025年前后實施，計劃通過一次發(fā)射實現(xiàn)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(zhì)和生命信息等進行研究。

我國正在醞釀?wù)撟C木星系探測及太陽系邊際探測，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，以及研究日球?qū)哟蟪叨热S結(jié)構(gòu)、太陽風(fēng)傳播演化、日球?qū)舆吔绾托请H空間特征等，并穿越探測木星、土星、海王星等外太陽系天體，研究太陽系起源與演化。

3 我國空間科學(xué)發(fā)展的思考和建議

我國空間科學(xué)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(chǔ)不夠雄厚，目前處于關(guān)鍵發(fā)展階段。面對以美國為主、歐洲等國家和地區(qū)合作推動的國際新一輪空間科學(xué)計劃和新發(fā)展態(tài)勢，我國空間科學(xué)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。

3.1 存在的問題

（1）空間科學(xué)支持力度不足。長期以來我國空間科學(xué)活動規(guī)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(guī)模相比仍相當(dāng)不平衡。2015—2021年底我國共實施226次航天發(fā)射（全球占比 30.75%）122015—2021年底我國航天發(fā)射次數(shù)統(tǒng)計. [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、月球與火星探測器），期間我國空間科學(xué)經(jīng)費投入僅約全球的 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、月球和深空探測等國家科技重大專項中的空間科學(xué)經(jīng)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(shù)據(jù)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(xué)論文數(shù)量年均增長率較高，總發(fā)文量從 2017年開始穩(wěn)居世界第二13截至2020年底排名為：美國、中國、德國、英國、法國、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位國家中排名墊底；2011—2020年中國作者發(fā)表論文采用我國自主任務(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、國際同行公認的成就。我國空間科學(xué)隊伍規(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(xué)領(lǐng)軍人才數(shù)量和國際影響力、基礎(chǔ)研究積累、科學(xué)認知水平、技術(shù)和方法原創(chuàng)力、任務(wù)經(jīng)驗積累、開放學(xué)術(shù)氛圍、國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

我國空間科學(xué)發(fā)展滯后的根本原因之一，是對基礎(chǔ)研究重視不夠，對空間科學(xué)重要性認識不足，這是發(fā)展理念問題?？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”等錯誤認識，與空間任務(wù)相比處于弱勢地位。近年來科技界和領(lǐng)導(dǎo)層高度重視基礎(chǔ)研究對解決“卡脖子”問題和作為技術(shù)創(chuàng)新之源的重要性，無疑是正確的。從更宏觀的科技發(fā)展和人類文明進步歷史看，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 世紀以來的經(jīng)典力學(xué)、電磁學(xué)、數(shù)學(xué)、進化論等構(gòu)建了近代科學(xué)體系并奠定了現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)；20 世紀初以量子論、相對論為核心的科學(xué)革命，造就了近百年來的科技繁榮和新興產(chǎn)業(yè)?？茖W(xué)進步永無止境，面對未來可能的科學(xué)革命，我國不能無所作為，而應(yīng)當(dāng)為人類作出更大貢獻，并為我國當(dāng)前和未來科技、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、開放理性的科學(xué)精神，使我國空間科學(xué)發(fā)展根深葉茂，行穩(wěn)致遠，這應(yīng)是建設(shè)科技強國的深度內(nèi)涵。

愛因斯坦曾指出：“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍”。空間科學(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，并涉及太陽系和地球演化、生命起源與本質(zhì)等基本問題，可能推動新科學(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)機遇，各大國將其視為空間時代的大科學(xué)和戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域?？臻g科學(xué)應(yīng)當(dāng)作為我國基礎(chǔ)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(xué)是其中突出的短板，要進一步加強空間科學(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)域的重點任務(wù)，獲取重大成果，實現(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)展的不竭動力。

3.3 空間科學(xué)規(guī)劃和預(yù)算

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

3.3.1 制定國家空間科學(xué)規(guī)劃

空間科學(xué)面向科學(xué)前沿，高風(fēng)險、高回報，必須長期規(guī)劃，深厚積累，組織定向基礎(chǔ)研究，精心實施。國際上成功的經(jīng)驗表明，獲得重大成果的空間科學(xué)項目往往經(jīng)歷十幾年至二十幾年的科學(xué)準備、技術(shù)突破和研制試驗，或經(jīng)歷幾代空間任務(wù)的積累提升。我國不少空間科學(xué)項目準備時間短，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，我國空間科學(xué)規(guī)劃分散在各部門和各專項，各抓一面，分段規(guī)劃，主要是推出項目，缺乏長期戰(zhàn)略、頂層規(guī)劃、能力建設(shè)、配套措施和資源統(tǒng)籌，也存在爭經(jīng)費、“保地盤”等因素干擾。要改變這種分散局面，發(fā)揮國家戰(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)一和長期、持續(xù)的國家空間科學(xué)規(guī)劃，形成國家“一盤棋”。

規(guī)劃應(yīng)堅持科學(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)家隊伍，不斷研究重大科學(xué)問題和前瞻發(fā)展趨勢，凝聚科學(xué)界共識，及時響應(yīng)最新動向，提出科學(xué)方向、發(fā)展路徑、優(yōu)先分級、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，與各類對地觀測業(yè)務(wù)衛(wèi)星的目標和手段不同，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，近中遠結(jié)合，定期滾動迭代。

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

要建立有效的跨部門統(tǒng)籌協(xié)調(diào)機制，在國家空間科學(xué)規(guī)劃指導(dǎo)下理順分工職責(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、在軌運行、研保條件、科學(xué)應(yīng)用和數(shù)據(jù)系統(tǒng)、軟件工具開發(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年國際上主要國家航天局總預(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 60 多億美元），其投入規(guī)模（加上空間設(shè)施運行）和運營性質(zhì)與全球地面大科學(xué)裝置的投入具有可比性。我國應(yīng)加大對空間科學(xué)的投入，在民用航天中經(jīng)費占比達到 15% 并逐步提高到國際平均水平，建立科學(xué)衛(wèi)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(yīng)落實對相應(yīng)空間科學(xué)的合理投入，保證科學(xué)目標實現(xiàn)。

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

3.4 夯實空間科學(xué)發(fā)展基礎(chǔ)

空間科學(xué)不是有了經(jīng)費，擴大了規(guī)模就能出成果的。空間科學(xué)追求首次發(fā)現(xiàn)和規(guī)律性認識，既要有國際視野和自主的科學(xué)思維，又要有創(chuàng)新的探測技術(shù)和實驗方法，基礎(chǔ)厚實極為重要。我國近幾年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量和空間活動規(guī)?？焖僭鲩L，引發(fā)了一些急于求成的心態(tài)，認為有了好的想法，做了一些仿真計算就可以在衛(wèi)星和空間站上實施，或單純通過探測領(lǐng)域的擴大就能夠取得成果，這不禁令人擔(dān)心在規(guī)模擴大時我們的水平能否真正上臺階。我國空間科學(xué)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(xué)和技術(shù)水平，不斷培養(yǎng)高水平人才，厚植基礎(chǔ)，才能培育出具有獨特性和國際競爭力的空間項目。

3.4.1 加強地面和多渠道實驗研究

空間科學(xué)是以觀測和實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，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(xué)先進國家通過低成本途徑（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，激勵新穎科學(xué)思想，驗證創(chuàng)新技術(shù)，培育年輕領(lǐng)軍人才，擴展人才隊伍，以及作為夯實研究和技術(shù)基礎(chǔ)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(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），累計各 2000 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(chuàng)意的大型探測任務(wù)（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(xué)觀測和重要技術(shù)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(shù)驗證搭載項目。法國作為歐洲科學(xué)氣球中心，長年實施“用百分之一的經(jīng)費獲得百分之十的收益”的科學(xué)氣球計劃，且近年又在擴大科學(xué)氣球的活動區(qū)域。

我國已具備開展科學(xué)氣球探測和探空火箭活動的技術(shù)基礎(chǔ)。取得重要科學(xué)成果的“悟空”衛(wèi)星（與美國 ATIC 南極氣球任務(wù)合作）、“慧眼”衛(wèi)星（直接解調(diào)成像方法驗證）都有氣球飛行實驗的重要基礎(chǔ)。我國應(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)氣球運行系統(tǒng)，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(chǔ)上形成運行系統(tǒng)，安排落實科研基礎(chǔ)設(shè)施，建立面向全國征集項目，將開展科學(xué)探測和技術(shù)試驗作為有效常規(guī)手段。其他低成本方法在我國也有先例，例如清華大學(xué)“極光計劃”的立方星 X 射線偏振探測取得重要成果[22]，正在推進后續(xù)“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(chǔ)和技術(shù)研發(fā)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(yōu)選流程，征集后的初選項目給予少量經(jīng)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(shù)開發(fā)）階段的實驗結(jié)果和嚴格的同行評議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)秀項目進入飛行任務(wù)階段，優(yōu)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(shè)更強性能的微重力設(shè)施，需要全面安排好這些實驗設(shè)施的建設(shè)發(fā)展。我國空間站實驗要形成項目池和項目優(yōu)選機制，充分利用各種手段加強科學(xué)研究、地面實驗和與設(shè)施設(shè)備的匹配實驗，爭取高水平成果。

科學(xué)數(shù)據(jù)是空間科學(xué)實測（實驗）的結(jié)果。我國長期利用國外空間數(shù)據(jù)開展科學(xué)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(xué)數(shù)據(jù)越來越多，加強數(shù)據(jù)共享利用有利于多出成果，發(fā)揮效益，并可吸引更多團隊參加，加強研究基礎(chǔ)。要破除影響數(shù)據(jù)共享的各種壁壘（包括對地觀測數(shù)據(jù)用于地球科學(xué)等研究），制定數(shù)據(jù)標準，發(fā)展數(shù)據(jù)分析軟件，最大限度地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和再利用。

3.4.2 加強理論、實驗與技術(shù)深度結(jié)合

空間科學(xué)要在觀測和實驗基礎(chǔ)上達到探索未知、認清規(guī)律的目的。從以下兩類科學(xué)產(chǎn)出分析理論、實驗和技術(shù)結(jié)合的重要性。

（1）發(fā)現(xiàn)性和描述性科學(xué)產(chǎn)出。從觀測和實驗中發(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，勾畫出未知的物理圖像或過程脈絡(luò)，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的科學(xué)機理，這些都是重大科學(xué)成果。在這個過程中，科學(xué)思想（科學(xué)洞察力）、探測和實驗技術(shù)（往往要有超越性的技術(shù)和方法）、準確理解實驗結(jié)果（條件變化、測量誤差和置信度、統(tǒng)計分析結(jié)果）、數(shù)據(jù)分析工具包，以及對實驗結(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（觀測目標-傳遞路徑、載荷與系統(tǒng)響應(yīng)-模擬數(shù)據(jù)生成），和進一步的“數(shù)字孿生”用于設(shè)計驗證，要素影響評估、測試結(jié)果確認、數(shù)據(jù)處理準備、運行參數(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、實驗專家、技術(shù)專家和數(shù)據(jù)分析專家深度結(jié)合。我國各領(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大完整的團隊，在重要任務(wù)中加強組織，多單位優(yōu)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(chuàng)建性或顛覆性的理論突破。其對科學(xué)發(fā)展有重大影響，諾貝爾科學(xué)獎比較青睞這類成果，而這方面目前是我國的突出短板。創(chuàng)建性或顛覆性的理論突破需要理論學(xué)家（和部分數(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)、太陽系、地球、生命等不同層次重大科學(xué)問題的新學(xué)說、新模型和“大理論”。建議設(shè)立“研究特區(qū)”，動員和吸引理論學(xué)家關(guān)注和參與空間科學(xué)規(guī)劃，指導(dǎo)空間科學(xué)項目，了解空間實驗情況和結(jié)果，加強與實驗科學(xué)家交流，發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)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。

3.4.3 加快空間科學(xué)人才培養(yǎng)

空間科學(xué)人才不足將嚴重影響未來發(fā)展，因此我國首先需要采取措施擴大空間科學(xué)人才隊伍規(guī)模。高校和研究機構(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)項目，包括采用低成本途徑的項目是培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)和實踐經(jīng)驗人才的重要途徑。例如，培養(yǎng)空間科學(xué)各領(lǐng)域的科學(xué)家、科學(xué)探測及實驗技術(shù)專家，以及具備綜合能力、能組織領(lǐng)導(dǎo)空間科學(xué)任務(wù)的項目首席科學(xué)家和管理專家。大型空間科學(xué)任務(wù)和國際合作項目應(yīng)設(shè)立專門人才計劃，吸引國內(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)域的國家實驗室或全國重點實驗室，通過實驗室建設(shè)承擔(dān)國家空間科學(xué)任務(wù)，集聚并長期穩(wěn)定高水平人才，形成專家群和完整的綜合性團隊。

3.4.4 加強空間科學(xué)國際合作

空間科學(xué)與所有基礎(chǔ)研究的性質(zhì)相同，是全球性的，國際合作已經(jīng)成為各國空間科學(xué)發(fā)展政策的重要組成部分。我國空間科學(xué)的國際合作已有諸多成功經(jīng)驗，如地球空間雙星探測計劃與 ESA 的合作、空間科學(xué)先導(dǎo)專項衛(wèi)星任務(wù)多層次的國際合作[23]、載人航天工程中的中德空間生命科學(xué)合作、中國-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(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，中國空間站與 COPUOS 和 ESA 聯(lián)合征集科學(xué)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(chǔ)、提升國際影響力均發(fā)揮了重要作用。

在當(dāng)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(xué)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(xué)計劃，開放我國重大專項（空間站、探月工程等）的空間科學(xué)計劃和科學(xué)衛(wèi)星計劃，征集國外科學(xué)家的項目建議，開展國內(nèi)項目的國際評審，促使我國空間科學(xué)進入國際前沿。

要充分發(fā)揮科學(xué)家在開展學(xué)術(shù)交流和形成國際合作項目中的作用，鼓勵支持我國科學(xué)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(xué)各領(lǐng)域與國外對口專業(yè)機構(gòu)（研究中心、實驗室等）之間的密切交流，形成長期穩(wěn)定的合作關(guān)系；要舉辦和參加各種科學(xué)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(xué)的國際影響力。

3.5 完善空間科學(xué)任務(wù)管理模式

空間科學(xué)的實施體現(xiàn)為航天工程任務(wù)（科學(xué)衛(wèi)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(xué)與工程結(jié)合特點，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，我國已經(jīng)形成了完整的航天工程管理體系；空間科學(xué)滯后進入，需要一個理解、適應(yīng)和提升過程。總體上，要堅持“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，我國航天工程重視狀態(tài)管理（設(shè)計狀態(tài)、初樣和正樣狀態(tài)），把技術(shù)狀態(tài)作為基線嚴格管控、保證質(zhì)量，這也是我國航天工程普遍采用由多個系統(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，對許多項目而言難以適應(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)對工程的需求），項目以科學(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，即使在詳細設(shè)計（CDR，相當(dāng)于正樣設(shè)計）和系統(tǒng)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(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)專項科學(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(xué)載荷與飛行器的差異，特別是科學(xué)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(nèi)外都被賦予了體現(xiàn)國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，我國空間站工程正在不斷探索完善。在空間站長期運營的科學(xué)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(tǒng)間協(xié)調(diào)、流程改進、質(zhì)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(xué)產(chǎn)出的傾向。

我國航天工程管理體系是長期實踐經(jīng)驗的寶貴結(jié)晶，但也要與時俱進，將科學(xué)任務(wù)特點和科學(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)在制定我國空間發(fā)展戰(zhàn)略、長遠規(guī)劃、項目論證、評審遴選、同行評議、任務(wù)評估、成果評估中發(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)家團隊?wèi)?yīng)當(dāng)發(fā)揮核心作用，在立項、科學(xué)目標確定、指導(dǎo)系統(tǒng)研制、測試驗收、地面系統(tǒng)、科學(xué)分析等全過程中保證科學(xué)目標實現(xiàn)。目前，多項空間科學(xué)任務(wù)已經(jīng)采用了首席科學(xué)家負責(zé)制，或是科學(xué)家、總工程師和總指揮“三首長制”，科學(xué)家開始發(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)出的重大問題如何決策，首席科學(xué)家及責(zé)任科學(xué)家團隊的實際地位和作用發(fā)揮如何保證，還要繼續(xù)探索和積累經(jīng)驗，通過管理規(guī)定逐步成型。此外，我國還需要培養(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。