我國空間科學發展的挑戰和機遇*

中國科學院空間應用工程與技術中心北京100094

我國空間科學發展的挑戰和機遇*

文/顧逸東

中國科學院空間應用工程與技術中心北京100094

文章概述了空間活動的興起和空間科學探索研究取得的巨大成就，闡述了空間科學在當代基礎前沿研究中的重要戰略地位，分析了我國發展空間科學面臨的挑戰和機遇，強調我國應當進一步重視空間科學，將其作為前沿研究的突破口。文章還提出了促進我國空間科學發展的相關建議。

空間科學，基礎研究，挑戰，機遇，突破口

1 空間時代興起的重大科學領域

1957年10月4日，前蘇聯成功發射了第一顆人造地球衛星“斯普特尼克-1”號，人類終于得以掙脫地球的束縛進入太空，開創了空間科技發展新紀元。第一顆人造衛星發射成功恰逢1957—1959年的國際地球物理年（IGY），在此期間發射了十幾顆衛星，開展了高層大氣、微流星體、宇宙射線、太陽輻射、地球輻射、行星際物質成分、地球和云圖拍攝等研究，其中1958美國“探險者”1號發現并確認了范艾倫輻射帶的存在，1959年前蘇聯“月球”1號首次探測到太陽風，同年美國“探險者”6號從太空拍攝了第一張地球照片。首次在科學計劃中用衛星進行空間探測獲得了極大成功。在當時的冷戰背景下，前蘇聯一度在空間技術上的領先（包括1961年4月前蘇聯首次實現載人太空飛行）對美國形成了巨大挑戰，觸發了美蘇之間全方位、大規模的太空競賽。這個階段的特點是以政治需求驅動，在空間這個新的戰略領域不惜代價大規模投入，重點發展高顯示度的載人航天、載人登月和深空探測。這場競賽以美國取得全面優勢告一段落，前蘇聯雖然也取得了許多重大成就，但也付出了因過度投入而經濟失衡加劇的慘痛代價。類似15—17世紀的地理大發現，這一時期空間活動規模和探索疆界迅速擴張，促進了空間技術的飛速發展，同時在空間開展科學研究和應用（包括軍事應用）的效益和巨大潛力受到重視，并逐漸成為空間活動的核心內容。

半個多世紀以來，人類共發射了約6 000顆衛星和300多艘（次）載人航天器。規模如此巨大的空間活動的內涵是什么？我國2000年11月首次發布的《中國航天白皮書》指出，空間領域（我國稱航天事業）包括空間科學、空間應用和空間技術三個關系密切而目的不同的主要方面。

空間科學是以空間飛行器為主要平臺，研究發生在地球、日地空間、太陽系乃至整個宇宙的物理、化學及生命等自然現象及其規律的科學[1]。在太空開展科學研究沖破了地球大氣屏障和引力束縛，直接面對或深入廣袤無垠的宇宙，具有地面無法企及的特殊優勢，極大地開拓了人類的視野和活動疆域，在科學發展史上具有劃時代意義。空間科學是基礎研究，其目的是探索和發現。空間應用已深入滲透到經濟、社會、人類日常生活和軍事活動中，效益巨大，空間活動成為我們所處時代科技和社會進步的顯著標識。

空間技術造就了空間科學和應用，空間科學和應用是空間活動的主要目的，也有力地推動了空間技術進步，成為人類開展空間活動的不竭動力。

空間科學發展到今天，已經涉及幾乎全部自然科學領域。剛結題的中科院學部空間科學戰略研究課題把空間科學分為空間物理學和太陽物理學、空間天文學、月球與行星科學、空間地球科學、空間生命科學、微重力科學（含微重力流體物理、燃燒、材料和基礎物理）等分支領域。空間科學在我國學科分類中沒有被定義為單獨的一級學科，而是作為相關母學科的重要組成部分或前沿分支，發揮著探索先鋒的重大作用。

2 空間科學獲得前所未有的研究成果

幾十年來國際空間科學研究高潮迭起，發射了700顆專門從事空間科學研究的科學衛星，建造了多個空間實驗室和空間站等綜合性空間研究設施，實施了幾十個大型科學研究計劃，開展了規模巨大的空間科學探測、實驗和研究活動，取得了人類歷史上劃時代的輝煌成就。

太陽物理學研究太陽的結構、組成、能量和輻射的來源與傳輸；空間物理學研究地球空間、日地空間和行星際空間的物理現象和規律。全世界共發射了約200顆衛星，并利用地面設施進行了大規模全方位探測，深入研究了太陽活動規律和機理，揭示了太陽耀斑的非熱特征，發現了日冕穩定向外膨脹，發現了地球輻射帶，揭示了行星際磁場結構，證實了太陽風的存在及其與地球和行星磁場相互作用，以及影響地球空間各層次的基本過程，建立了全新的地球空間、日-地空間和行星際空間較為完整清晰的物理圖像（圖1）。

圖1 2013年5月3日美國太陽動力學天文臺（SDO）拍攝的日珥爆發事件（左側）

空間天文學在大氣頂部和空間開展天文觀測，拓展了僅限于可見光、射電等波段（稱為大氣窗口）的地面觀測限制，擴展為紅外/亞毫米、可見、紫外、X射線和γ射線的全電磁波段天文，以及粒子天文和引力波天文的新時代。通過發射100多顆不同波段、功能強大的天文衛星，發現了數以千萬計的紅外、X射線和γ射線源，發現并證實存在黑洞/中子星等致密天體，確定了類星體性質以及對于宇宙演化的作用，發現了宇宙γ射線暴及其多樣性，發現了大批系外行星，建立了宇宙重子物質循環的基本物理圖像；特別是精細測定了宇宙微波背景輻射，有力支持了宇宙暴脹模型，測定了宇宙年齡和物質組成。空間天文推動建立了恒星結構演化、宇宙大爆炸模型兩大理論框架，以前所未有的深度和廣度拓展了人類對于宇宙和天體的認識（圖2、3）。

圖2 哈勃望遠鏡拍攝的船底座η星，這顆恒星可能即將爆發

圖3 歐美合作的普朗克衛星2013年3日21日公布的最高空間分辨率宇宙微波觀測數據（據此計算出宇宙年齡為138.2億年、宇宙中普通物質占4.9%、暗物質26.8%、暗能量68.3%等最新數據，進一步證實宇宙微波背景約十萬分之一的各向非均勻性，并符合平直宇宙的模型。）

月球和行星科學領域共發射了200多個探測器，對月球和太陽系所有行星及其主要衛星、矮行星、小行星、彗星等進行了多波段遙感觀測、著陸探測或表面巡視勘查，對各天體的形貌、物質組成和結構、大氣和磁場等進行了大量觀測研究，實現了載人登月及取樣返回，發現了火星上的甲烷和水冰。全面更新了太陽系各類天體的知識，對太陽系及行星的起源與演化有了全新的認識（圖4）。

圖4 美國2011年在空間拍攝的最新木星照片，為近紅外和線性成像光譜儀合成圖片（已探明木星是質量巨大的氣態行星，氫氦比約3∶1，與整個宇宙中的氫氦比例相似，符合宇宙暴脹理論預期，內部為液態氫和固體核，有偶極強磁場。）

空間地球科學通過空間觀測，研究地球作為一顆行星的整體系統狀態及變化。通過發射上百顆專門的地球研究衛星，采用最先進的觀測手段，對地球的大氣圈、水圈（含冰凍圈）、生物圈（包括人類活動）、巖石圈及其相互作用進行了全球定量化研究，取得了系統資料和許多新發現（圖5）。獲取了全球重力場，發現中高層大氣放電，發現了海洋環流變化、陸/海/氣能量交換及其與區域氣候變化的關聯，在地球極區大氣層發現臭氧洞，對預測和應對全球變化等關系人類生存環境和可持續發展的重大問題中發揮了重要作用。

空間生命科學研究地球生物包括人類在空間特殊環境下的變化、生存和適應，關注外太空是否存在生命及生命起源演化問題[2]。實現了人在太空長時間的生活工作，500多位航天員進入太空，航天員單次在空間最長時間438天，航天醫學保障取得顯著進展；在空間站和航天飛機上開展了上千次實驗，取得了各類地球生物在空間特殊環境下應激響應、生長發育等重要認識（圖6），發現了動植物感知重力的可能機理，發現空間輻射對生物組織的旁效應。空間生物技術和轉化研究取得顯著成就。發現地外生命可能存在的跡象，拓展了對生命存在條件的認識。

圖5 歐空局空間高光譜成像儀觀測的納米比亞和安哥拉邊界影像

圖6 國際空間站（ISS）上的科學手套箱，用于開展生命科學實驗和其他科學實驗

微重力科學[3]利用空間飛行器的長時間微重力條件開展了約4 000項實驗，揭示了地面被重力掩蓋的表面（界面）張力梯度和濃度梯度驅動的特殊對流，以及擴散、相變等行為和規律（圖7）；實現了膠體晶體的無序/有序轉變；發現了燃燒火焰形態、傳播、熄滅、熱質輸運等新特性和冷焰燃燒現象；晶體生長動力學、相分離與聚集，過冷、形核與非平衡相變，熔體熱物性測量取得重要進展；驗證了廣義相對論一些重要效應，在超冷條件下新奇量子現象研究獲初步結果，展現了微重力條件下研究基礎物理的巨大潛力。

空間科學革命性的發現源源不斷，超過了以往幾千年的總和。這些激動人心的發現全面更新了人類對宇宙、太陽系、地球和物質運動規律的認知，深刻改變了人類的宇宙觀和自然觀，在科學發展史上具有劃時代意義。1971年以來，有5項諾貝爾獎授予與空間科學直接相關的科學家。

3 空間科學的重要戰略地位

圖7 日本在ISS上完成國際最大尺寸（50mm× 62.5mm）液橋流體實驗，其模型來自半導體晶體生長

（1）基礎前沿研究的重大領域。空間科學研究宇宙和太陽系形成演化、物質深層結構、生命起源及其存在形式、地球變化及未來命運等重大基礎前沿問題。研究表明，宇宙中只有約5%的天體和星際物質是粒子物理標準模型可以解釋的，其余95%是我們不了解的暗物質和暗能量，挑戰了現代物理學的底線，引起了科學界的強烈關注；宇宙中有地球上無法模擬的超高能量、超高密度、超強磁場等極端條件，宇觀和微觀的研究匯合，成為探究物質本源的前沿；地球生命能否在地外長期繁衍，地外有無生命及其表達形式如何？生命之謎將可能在空間研究中得到回答或啟示；月球和行星研究將解答太陽系形成演化問題，還將通過比較深入對地球變化趨勢的認識；微重力科學開拓了另辟蹊徑的應用基礎研究途徑，并針對基礎物理理論開展實驗驗證，尋找可能的破缺，推進“新物理”發展。

科學之樹長青。空間科學已取得的成就只是自然界奧秘的冰山一角。空間科學涵蓋了極為廣闊深邃的研究內涵，是探索發現，獲取新知識的不竭源泉。

基礎研究是科學之本、技術之源，科技發達國家無不高度重視，將其作為國家科技實力的根基。大部分科學知識可以獲得，而研究發現的能力不可替代。基礎研究所體現的追根求源、探索真理、創新思維以及科學精神和科學方法的滲透傳播，是國家和民族文明程度的體現和永續發展的基礎。從我國實際情況看，基礎研究薄弱已經成為我國科學水平提升、高技術創新和經濟轉型升級的瓶頸。空間科學在基礎研究中的重要戰略地位值得高度關注。

（2）創新驅動發展的重要陣地。空間科學的許多領域與經濟和社會發展，與國家創新驅動發展戰略密切相關。太陽物理和空間天氣研究直接為保障空間活動和地面設施安全服務；空間地球科學著眼于全球氣候變化，將為制定外交、經濟、社會發展政策和解決環境資源重大問題提供科學依據和技術手段；空間生命科學將獲得創新的生物材料、藥物、醫療和農業技術；微重力科學對流體、燃燒和材料制備過程的研究將為改善幾乎所有重要生產加工過程，以及發展低碳燃燒、節能減排，提升空天動力技術做出貢獻；微重力基礎物理研究將推動量子信息技術發展和極高精度時間頻率技術的廣泛應用等。

（3）航天事業發展的不竭動力。空間科學在航天領域中是最活躍、最具技術帶動性的部分。空間科學突出的探索性、非重復性以及強烈科學發現的驅動，促使其不斷采用最新的尖端探測技術和實驗裝備，并對空間技術提出多種特殊和高精度要求，成為高技術發展的強大動力。我國被公認為航天大國，但空間科學十分薄弱。大力發展空間科學將為我國航天事業注入新的活力，改變結構不合理狀態，推動從規模擴張型到內涵發展型、從航天大國到航天強國的轉變。

空間科學無例外是各科技發達國家科學研究的重點，又是各空間大國政府空間預算支持的重點。各大國（地區）均成立了國家空間機構。這些著名的機構——美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）、歐洲空間局（European Space Agency，ESA）、俄聯邦航天局（RussianFederalSpace Agency，Roscosmos）、日本宇航研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA），以及法國、德國、意大利、加拿大等國空間局都主要或大部分負責空間科學，從一個側面反映了空間科學的重要戰略地位。

4 我國空間科學存在的問題

我國空間科學取得了顯著成績，在自主空間項目很少的情況下，我國科學家開展了大量研究，并利用國際空間項目公開的二次數據取得了不俗的成績，說明具備了較高水平的研究實力。但我國空間科學整體水平與國際先進水平還有很大差距。統計表明，自2000—2012年我國空間科學論文數（SCI檢索）在美、德、英、法、意和日本之后排名世界第七；影響力排名十二，遠低于世界平均水平。受限于我國主導的空間科學任務的匱乏，圍繞我國空間任務產出的論文數量僅占中國論文總量的5.2%。至今我國空間科學領域尚無被國際同行公認的重大成就。

主要原因，一是我國空間科學活動規模小、投入低，不僅遠低于美、歐，也大大低于俄、日，只發射過極少量科學衛星，利用載人飛船和衛星僅進行了約100項空間實驗，而其他國家則完成了約5 000項空間實驗；2014年1月統計[4]，在空間運行的各國衛星中有92顆科學衛星，約占總數10%，而我國在軌的106顆衛星中沒有一顆科學衛星。2000年以來的15年空間科學預算，NASA年均60.8億美元，ESA年均22.7億美元，Roscosmos近7年年均8.2億美元，JAXA約4億美元，粗略估計我國年均低于1億美元（包括載人航天和探月工程中的空間科學任務），國外空間機構中直接空間科學預算占比普遍為20%—30%，我國占比約5%以下，有很大差距。

二是我國缺乏長遠的空間科學規劃。國家對空間科學發展缺乏統籌，科學衛星立項“一事一議”，或不得不“上書陳情”；空間重大專項計劃中對空間科學重視不夠。科技資源分配渠道分散，造成空間科學布局不系統，缺乏預見性和長期準備，預研和地面實驗支持不足，實驗機會少，條件保障不配套。空間科學研究隊伍隨具體任務變化，任務落實后又缺少人才儲備，缺乏長期性和穩定性。

圖8 美國JWST，主鏡直徑6.5米，由7塊子鏡拼成，計劃2018發射到日地L2點接替哈勃望遠鏡

5 我國空間科學面臨的挑戰和機遇

發達國家針對科學前沿和重大基礎科學問題，在空間科學方面加大了力度，近期具有代表性的綜合空間科學規劃是美國《NASA科學任務部科學規劃2010》[5]和歐洲空間局的《宇宙憧憬2015—2025》[6]，各國還有各領域詳細的約束性計劃。今后10年僅天文、空間物理（含太陽）和行星科學領域就計劃發射50多顆衛星，其中不乏哈勃望遠鏡后繼者詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）（圖8），以及寬視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）、高能天體先進望遠鏡（ATHENA）、新型引力波天文臺（eLISA/NGO）、太陽探針加強號（SP+）、太陽衛星（Solar-C）、金星著陸器（Venera-D）、火星著陸巡視器（Mars 2020）、木星冰月探測器（JUICE）等采用新一代技術的重要項目，其中大部分為大型項目（單項任務16億美元或10億歐元以上）。空間地球科學另有相當大的計劃。

國際空間站（ISS）已進入科學研究高峰期，各參與國普遍加強了科學任務規劃。有許多新穎的項目安排,如冷原子鐘組合（ACES）、空間光鐘（SOC）（圖9）、凍結原子實驗室（CAL）、等離子體綜合實驗室（PlasmaLab）、量子破缺等效原理實驗（QTEST）、超臨界液體和結晶研究（DECLIC），先進燃燒科學研究（ACME）等。各國還加強了空間站先進天文和地球科學項目安排，確定的有日本的暗物質粒子譜儀（CALET）、宇宙線探測器（JEM-EUSO），美國暗物質設備（CREAM）、中子星觀測器（NICER），還有歐洲的大氣關聯監測器（ASIM）和日本氣候觀測設施（CLIMS）等。

圖9 歐洲空間光鐘地面實驗，屬ESAELIPS-4計劃[7]，該計劃基礎物理部分包括冷原子鐘、Bose-Einstein凝聚、物質波和量子性質等研究

從發展趨勢看，今后空間科學的目標更趨集中，醞釀著對物理學、生命科學、宇宙科學和地球科學研究的重大突破，預示新一輪的科學革命或許正在孕育之中。一個多世紀前，以相對論、量子論創立為標志的科學革命奠定了當代科學技術的幾乎全部基礎，推動了新的產業革命，深刻地改變了人類社會的面貌。我國已經屢次失去了近代歷次科技革命中有所作為的機遇，今天和未來我們不可再錯失機會、我們再也不能無所作為。

經過多年發展，我國空間科學各領域布局較完整，具備較堅實的學術基礎和研究積累；在國家重大專項和前期任務的推動下，科學探測、實驗技術和載荷研制積累了相當基礎；我國空間工程技術實力顯著提升，為發展空間科學提供了強大的支撐。

我國已開始實施載人空間站工程，將成為21世紀30年代中后期國際上唯一的空間站。空間站科學計劃涉及空間科學絕大部分領域，規劃了大批面向國際前沿的項目。探月三期工程和醞釀的深空探測計劃為月球和行星科學研究提供重要機遇。中科院空間科學先導專項正在研制4顆重要的科學衛星，并開展了一批背景型號預研，為持續發展科學衛星打下基礎。

我國科學界特別需要有世界前沿水平的重大突破。發展我國空間科學既有難得的歷史機遇，又是我國基礎科學重點突破的需要，國家發展的需要。

6 我國空間科學發展目標和政策建議

中科院學部組織多位院士專家討論，認為我國具備在空間科學領域實施突破的基本條件，呼吁抓住歷史機遇，將空間科學的跨越作為今后我國基礎科學和航天領域發展的主要突破口之一。

（1）我們的戰略目標：經過15—20年的努力，使我國空間科學整體跨上新臺階，進入世界先進行列；努力在若干重點領域取得有重大影響的領先科學發現，使我國成為國際上重要的空間科學大國。

振興我國空間科學的關鍵，是在體制機制方面加大改革的力度，做好頂層設計，轉變發展理念，重視具有長遠性、基礎性和戰略性的空間科學。

（2）我們的主要政策建議：理順國家對空間科學的領導管理體制，制定國家空間科學發展中遠期規劃和實施計劃，長遠謀劃、科學決策。與之相配合，應為空間科學單獨建立長期穩定的經費預算，在民用航天和航天重大專項中空間科學應保證合理比例，體現支持政策，并形成空間科學項目經費支持體系，統籌支持從科學概念提出、理論方法研究，項目預研、技術攻關、工程研制、條件保障，到數據分析、成果產出轉化全過程。要發揮中科院作為國家戰略科技力量和實際上的空間科學主力軍作用，并發動高校和其他科研院所優勢力量參與。要加強國際合作，開放我國重大專項和科學衛星的科學計劃，積極鼓勵以我為主的國際合作，積極參加重要的國際空間科學計劃和雙、多邊合作項目。要加強人才培養，采取有力措施穩定和擴大隊伍，改變由于單純經費引導使隊伍波動或流失等不利情況，并加強空間科學相關學科建設和科普教育。

在實施途徑上，要充分利用國家重大專項（載人空間站、探月工程和未來深空探測工程）開展空間研究，特別需要突出科學驅動的理念；應建立我國科學衛星系列，今后15年需要規劃約30顆科學衛星，含10個里程碑式的大型項目；要完善科學氣球、探空火箭、自由落體等設施和地面臺站，加強預先研究，擴大地基研究規模，培養壯大隊伍，部署空間科學探測和實驗重點技術發展，充分做好前期準備，夯實空間項目基礎；要制定針對性政策，鼓勵和資助科研院所、高校、民企發展低成本新穎科學載荷和科學衛星，集聚資源，活躍繁榮我國空間科學。

我國在空間領域長期輕視空間科學的情況應當盡快改變，全面規劃空間科學應當擺上國家議事日程。期望中國空間科學能創造輝煌，做出無愧于中華民族的偉大貢獻。

1全國空間科學及其應用標準化技術委員會.GB/T 30114.1-2013,空間科學及其應用術語第1部分：基礎通用.北京：中國標準出版社，2013.

2格爾達·霍內克，莊逢源.宇宙生物學.北京：中國宇航出版社，2010.

3胡文瑞.微重力科學概論.北京：科學出版社，2010.

4 http://www.ucsusa.org/nuclear_weapons_and_global_security/solutions/space-weapons/ucs-satellite-database.html.

5 NASA.2010 Science Plan For NASA’s Science Mission Directorate.2010.

6 ESA.Cosmic Vision:space science for Europe 2015-2025.2005.

7 ESA.ELIPS-4.2012.

Challenge and Opportunity for Promoting Space Science in China

Gu Yidong
（Technology and Engineering Center for Space Utilization,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100094,China）

This paper describes the rising space activity and the great achievement in space science briefly.The strategic importance of space science in forefront fundamental research has been expounded.Also the challenges and opportunities to promote space science in China have been analyzed.It is emphasized that we should pay more attention to space science and take it as a breakthrough opportunity in cutting-edge research in China.A series of recommendations have been proposed to promote space science in China.

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10.3969/j.issn.1000-3045.2014.05.008

中科院“我國空間科學發展戰略研究”（Y2020111AY）

修改稿收到日期：2014年8月28日

顧逸東中科院院士，中科院空間應用工程與技術中心學術委員會主任，研究員，中國空間科學學會理事長。1970年畢業于清華大學工程物理系，1974年起在中科院高能物理所從事宇宙線研究和科學氣球工作，1994—2009年任載人航天應用系統總設計師，領導了應用系統總體技術工作和“神舟飛船”、“天宮一號”空間實驗室多項空間科學和應用任務，近年參與組織空間站科學和應用任務規劃。曾獲國家科技進步獎特等獎等科技獎勵，發表論文60余篇。E-mail:ydgu@aoe.ac.cn