載人航天空間天文領域發展綜述

張九星，張 偉，李緒志

載人航天空間天文領域發展綜述

張九星1，2，張 偉1，2，李緒志1，2

（1.中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094；2.中國科學院太空應用重點實驗室，北京100094）

在分析載人航天空間天文領域優勢和局限性的基礎上，討論并綜述了禮炮號空間站、天空實驗室、和平號空間站、空間實驗室、國際空間站、以及阿波羅月球探測等航天工程開展的空間天文項目。介紹了我國神舟二號首次空間天文探測和天宮二號伽瑪暴偏振探測儀，總結分析了載人航天空間天文在軌服務的發展趨勢。研究表明，載人航天飛行器非常適合開展空間天文多波段觀測，我國未來應充分利用載人空間站等平臺的綜合優勢，開展先進的大規模空間天文前沿探測。

載人航天；空間天文；望遠鏡；空間站；空間實驗室；航天員

Abstract：The advantages and limitations of astronomical studies onboard manned spacecraft were analyzed and the space astronomical projects on the Salyut， the Skylab， the Mir， the Spacelab， the International Space Station，and the Apollo lunar exploration etc.were discussed and reviewed.Then， the first space astronomical detector onboard Shenzhou-2 and the POLAR（Gamma-Ray Burst Polarimeter）onboard Tiangong-2 were introduced.The development trends of the space astronomical on-orbit service were analyzed.The study showed that the manned spacecraft was suitable for the multi-band observation in the space astronomy.It is suggested that the comprehensive advantages of the Chinese Manned Space Station should be fully taken to carry out advanced and large-scale exploration in the frontiers of the space astronomy.

Key words：manned space flight； space astronomy； telescope； space station； space laboratory； astronaut

1 引言

1609年伽利略發明望遠鏡和1957年蘇聯發射第一顆衛星斯普特尼克1號［1］，使利用衛星進行天文觀測成為可能。1960年6月美國發射第一顆天文衛星“太陽輻射監測衛星”（Solar Radiation Monitoring Satellite，SOLRAD）［2］，之后幾十年發射了多個譜段數十個天文衛星。1961年4月12日，蘇聯發射第一艘載人飛船東方一號（Vostok 1）［3］，將加加林送入近地軌道，為航天員在軌服務開創了契機，載人或無人飛船成為空間天文觀測的重要平臺。1971年4月，蘇聯發射第一個載人空間站禮炮1號（Salyut 1）［4］，并與聯盟號飛船對接成組合體，實現航天員短期在軌駐留（返回失敗），其上搭載了天文望遠鏡，由航天員操作。1972年阿波羅16號［5-6］航天員第一次在月面安裝天文望遠鏡，開啟了月基天文觀測的新窗口。

在天空實驗室［7］、禮炮號空間站［4，8-9］、和平號空間站［10］、空間實驗室［11-12］、國際空間站［13］等載人實驗室或空間站項目中均安排有空間天文載荷，在伽瑪射線、X射線、紫外、可見光和紅外等各波段獲取了大量數據和影像，取得了技術突破和開創性成果［4，7，11，14-16］。 21 世紀后，國際空間站大規模組合體長期在軌運行，成為高能天體物理探測的理想場所，開展了阿爾法磁譜儀［15-18］、X射線［19-21］和伽瑪射線［22］、紫外［23-25］等多個探測項目，并且后續仍在規劃多個載荷［26-33］。

中國載人航天工程和空間天文較美俄航天強國起步要晚，神舟二號高能天文探測［34-37］開啟我國航天領域空間天文新方向，天宮二號首次開展高能偏振探測［38-41］，未來將繼續引領我國空間天文技術發展［42-43］，爭取在宇宙起源與演化、暗物質和暗能量等前沿方向取得成果。

本文在分析載人航天空間天文領域的優勢與局限性的基礎上，研究國內外主要載人航天工程和空間天文的發展，分析空間天文在軌服務等發展趨勢。本文以太陽系外天體物理和宇宙探測為主，不包括太陽系行星探測。

2 載人航天空間天文領域的優勢與局限性

2.1 近地空間觀測優勢

受大氣擾動、吸收、散射、發射等影響，地面天文觀測臺難以開展紫外、X射線、伽瑪射線等觀測，而近地空間軌道能實現全波段和全天時觀測。載人航天飛行器可以作為沒有指向特殊要求和逐事例采樣高能天文探測的理想太空實驗室［44］。基于近地空間天文觀測相對地面的獨特優勢，各國載人航天工程均安排了空間天文相關項目，利用載人或無人飛船開展了大量天文和宇宙學研究。

2.2 航天員參與維修升級

長期穩定的巡天觀測和特殊天體時變監測對于天文和宇宙學研究至關重要，而專業空間天文衛星雖經過半個多世紀發展，絕大部分沒有航天員參與，出現故障時難以維修，壽命受到極大限制。載人航天空間科學與應用可以發揮航天員的能動性和在軌服務等優勢，完成在軌安裝、維修、操作等任務［45］，延長衛星壽命，提升科學目標，取得更多成果。例如，哈勃望遠鏡得到航天員五次在軌維修升級，更換了觀測儀器等［46］，運行至今。

航天員對空間天文設施在軌服務的優勢包括：

1）在軌維修飛行器，包括能源、機械、熱控等，及時解決在軌期間出現的問題，保障飛行器穩定運行和正常工作；

2）在軌釋放天文探測衛星或天文望遠鏡；

3）運送、在軌安裝、更換望遠鏡零部件或后端載荷模塊，實現新的天文科學目標；

4）在軌巡檢、維護和維修望遠鏡系統，保障持續觀測，獲取更多數據資源；

5）返回地面時帶回儀器、設備或零部件等；

6）在軌操作望遠鏡，觀測感興趣的天體目標；

7）飛船與空間天文設施對接形成組合體，調整其姿態或軌道。

2.3 工程任務優勢

相對專業天文衛星，載人航天工程各系統統一規劃部署，具有高可靠性、高安全性和規范化管理等特點［47］。短期載人或無人飛船技術驗證快，有利于新型儀器快速取得試驗性成果，例如神舟二號高能天文探測等［36］。長期在軌的空間站運行周期長（十年甚至更長），可進行載荷更換升級［42］，對于具有特殊創新科學思想或方法的項目，可及時送往空間站，縮短任務周期。

2.4 載人航天空間天文領域的局限性

1）不是天文專用平臺

載人航天工程首要任務目標往往不是單純的空間科學，飛行器平臺也不是專門為天文學研究而設計。一般根據飛行器預留給應用載荷的空間和接口進行科學遴選，天文載荷需按體積、質量、孔徑等約束條件和要求進行設計［13］。在軌觀測或探測時的曝光時間和觀測范圍等也受飛行模式和飛行器輪廓結構等因素影響。在執行交會對接或特殊任務時，天文載荷工作時間可能受到影響。

2）軌道和可達范圍約束

近地載人航天軌道高度一般約200～450 km，空間天文觀測模式和觀測范圍受到飛行器軌道和傾角限制。載人登月工程可以在近月軌道或月球表面部署天文設施［5-6］，但受到地月運輸能力限制。目前日地空間L2點尚未實現載人飛行，無法實施航天員維修維護。

3 國外載人航天空間天文發展

3.1 總體情況

載人航天空間天文領域的發展歷程可以追溯至20世紀60年代，從雙子座飛船（Gemini11，12）和禮炮一號空間站至今已半個多世紀，包括聯盟號飛船、進步號貨運飛船等在內的各型號載人航天飛行器為空間天文載荷提供了搭載空間，在天文學、宇宙學、高能天體物理等方面引領了前沿探索。利用航天飛機運送和直接維修哈勃太空望遠鏡等大型空間天文設施，充分發揮了航天員在軌服務的重要作用。利用載人和無人飛船、貨船、實驗艙等飛行器和暴露平臺開展了數十次天文觀測（不含太陽系內行星探測）。

表1是國外主要載人航天空間天文領域相關的飛行器和航天任務（按搭載空間天文裝置的飛行器列舉）。

表1 國外主要載人航天空間天文領域相關飛行器和航天任務Table 1 Major foreign manned spacecrafts and missions related to space astronomy

續表

3.2 禮炮號空間站

禮炮號空間站包括軌道艙、服務艙和對接艙等，可與聯盟號載人飛船對接組合。1971至1991年禮炮號與聯盟號多次搭載天文儀器，由航天員操作觀測。禮炮1號搭載了獵戶座1號空間天文臺（或稱獵戶座望遠鏡）［4］，Soyuz-13搭載了獵戶座2號［4］，禮炮4號搭載了軌道太陽望遠鏡OST-1［8］等。

3.3 天空實驗室

20世紀70年代，美國天空實驗室（Skylab）作為試驗性和過渡性的空間站，由軌道工作艙、過渡艙、多用途對接艙、太陽望遠鏡和阿波羅飛船組成，飛船主體結構由土星五號火箭（Saturn V）第三級改裝。天空實驗室沒有軌道控制系統，只能與飛船對接改變組合體軌道，在軌靈活性較差，但天文觀測是主要功能之一。Skylab搭載太陽觀測臺（Apollo Telescope Mount，ATM）［48］，載荷包括：白光日冕儀（White Light Coronograph，WLC）、X 射線光譜望遠鏡（X-Ray Spectrographic Telescope，XRST）、 紫 外 光 譜 儀 （Ultraviolet Spectrometer，UVS）、雙能X射線望遠鏡（Dual X-Ray Telescope，DXRT）、紫外光譜儀／日光儀（Ultraviolet Spectrograph／Heliograph，UVH）等。

Skylab 開展了一系列天文科學實驗［7，48］，開啟了空間X射線天文新階段，其X射線望遠鏡采用膠片記錄，由航天員帶回地球，進行地面處理。

3.4 空間實驗室

空間實驗室（Spacelab）［11-12］是歐洲研制并加裝在美國航天飛機（STS-9，STS-51-B，STS-51-B，STS-35，STS-67）的空間科學設施，如表1所示，開展了歐洲和美國的多項科學實驗。Spacelab任務使用了載荷指向系統（Instrument Pointing System，IPS），天文探測器和望遠鏡安裝在有效載荷艙或貨艙內，望遠鏡可利用IPS進行天體跟蹤和觀測指向。3個Spacelab型號均搭載了X射線、紫外到紅外等十余種天文載荷，觀測目標包括宇宙線、太陽、宇宙天體等。Spacelab搭載的任務專家或載荷專家中包括多名天文學專家。

Spacelab1［11-12］載荷包括：遠紫外空間望遠鏡（Far Ultraviolet Space Telescope，FAUST）、甚寬視場相機（Very Wide Field Camera，VWFC）、氣體閃爍正比計數器（Gas Scintillation Proportional Counter，GSPC）、有源腔輻射計輻射監測儀（Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor，ACRIM）、太陽光譜測量（Solar Spectrum，SOLSPE）（三光柵光譜儀）、太陽常數測量實驗（Solar Constant Measure-ment Experiment，SOLCON） 等。 Spacelab2［11，49］載荷包括：大型紅外望遠鏡（InfraRed Telescope，IRT）、宇宙射線核實驗（Cosmic Ray Nuclei Experiment，CRNE）、X 射線望遠鏡（X-Ray Telescope，XRT）、太陽光學通用偏振計（Solar Optical Universal Polarimeter，SOUP）、日冕氦豐度實驗（Coronal Helium Abundance Spacelab Experiment，CHASE）、太陽紫外高分辨率望遠鏡和光譜儀（Solar Ultraviolet High Resolution Telescope and Spectrograph，HRTS）、太陽紫外光譜輻照度監測儀（Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor，SUSIM）。

ASTRO-1［11，50］搭載的載荷包括：霍普金斯紫外望遠鏡（Hopkins Ultraviolet Telescope，HUT）、威斯康星紫外光偏振實驗（Wisconsin Ultraviolet Photo-Polarimeter Experiment，WUPPE）、紫外成像望遠鏡（Ultraviolet Imaging Telescope，UIT）、寬頻帶X射線望遠鏡（Broad Band X-Ray Telescope，BBXRT）。ASTRO-1第一次同時進行UV和X-ray觀測，BBXRT是第一臺空間聚焦望遠鏡，能區0.3～12 keV，中等能量分辨率（90 eV at 1 keV，150 eV at 6 keV），用于研究 Cen X-3和 Cyg X-2雙星鐵K線、探測NGC4151線展寬證據、星團冷流等［54］。 BBXRT 與雙軸指向系統 （Two-Axis Pointing System，TAPS）位于艙尾。ASTRO-2未安裝BBXRT。

3.5 和平號空間站

和平號空間站（Mir）是首個可長期居住的空間站，由蘇聯建造和維護，1996年4月組裝完成，主要結構包括：核心艙、量子一號、量子二號、晶體號、光譜號、自然號、對接艙等，其中量子一號和晶體號開展了天文觀測。1998年發現號航天飛機曾搭載阿爾法磁譜儀AMS與Mir對接［55］。

量子一號（Kvant1或Quantum-1）與Mir核心艙對接，天文載荷包括［10，51］：Glazar 望遠鏡和 X射線天文臺等，X射線裝置主要由四個設備組成：編碼掩模成像光譜儀（Coded Mask Imaging Spectrometer，TTM／COMIS）（2 ～30 keV）、高能 X 射線實驗（High Energy X-ray Experiment，HEXE）（15～200 keV）、氣體閃爍比光譜儀（Sirene2，Gas Scintillation Proportional Spectrometer，GSPC）（2 ～100 keV）、復合晶體探測Pulsar X-1（4phoswich疊層閃爍體探測器）（50～800 keV），開展活動星系核、類星體和中子星等研究。

晶體號（Kristall）（Crystal）的天文相關載荷包括［10］：Buket 伽 瑪 射 線 譜 儀 （ Buket Gamma Ray Spectrometer，BGRS）、研究宇宙輻射的 Glazar2 紫外望遠鏡（Glazar2UV Telescope，G2UVT）、Granar天體物理譜儀（Granar Astrophysics Spectrometer，GAS）、Marina 伽瑪射線望遠鏡（Marina Gamma Ray Telescope，MGRT）、Mariya 磁譜儀 （Mariya Magnetic Spectrometer，MMS）等，其望遠鏡可探測至 18 等星［52］。

3.6 國際空間站

國際空間站ISS是迄今為止最大的載人空間設施，從1998年經13年多次組裝完成，總計達400余噸，初建至今已在軌運行17年。ISS在近地軌道長期穩定運行，適合開展長周期高能天體物理探測，進行維修或更換。

1）阿爾法磁譜儀AMS-02

2011 年 5 月，阿爾法磁譜儀 AMS-02［15，17-18］由奮進號（Endeavour）航天飛行STS-134發射升空，安裝于空間站右舷S3（Starboard 3）上，計劃運行至ISS任務結束，長期測量宇宙線、尋找反物質和尋找暗物質。AMS-02是16個國家和數百名科學家參與完成的一項大型國際科技合作項目，中國為其研制了環形永磁鐵，結構示意如圖1所示。AMS-02的三個探測器可以獲得高e／p 斥力［15］，包括：穿越輻射探測器（Transition Radiation Detector，TRD）、電磁量能器（Electromagnetic Calorimeter，ECAL） 和 徑 跡 探 測 器（TRK，Tracker），TRD和ECAL可以分離強子輕子 （lepton-hadron），組成結構還包括：飛行時間計數器（Time of Flight，TOF）、反符合計數器（Ar-ray of Anticoincidence Counters，ACC）、環形成像切連柯夫探測器（Ring Imaging Cˇerenkov Detector，RICH）等。

圖1 AMS-02［15］（左）和 CALET 結構示意圖［22］（右）Fig.1 Structuresof AMS-02［15］（ left） and CALET［22］（right）

AMS-01宇宙中反氦核和氦核流量之比的上限達百萬分之一，探測到數百萬個氦核，但是沒有反氦核［55］。AMS-02具有高探測靈敏度，基于1千多萬正電子和電子事件精確測量了0.5～500 GeV原初宇宙線的正電子比例［17］，約200 GeV以上正電子比例不再隨能量增加［15，17］， 高達200 GeV和700 GeV測量了電子和正電子通量與能量的關系，在0.5 GeV～1 TeV測量了Φ（e-+e+）與能量的關系［15］，有助于揭示宇宙線電子與正電子起源和暗物質等。

2）日本希望號實驗艙

日本希望號實驗艙（Japanese Experiment Module，JEM）［13］，是日本第一個近地軌道載人設施，利用遙控操縱系統（RemoteManipulator System，JEMRMS）可以在暴露設施JEM-EF（Exposed Facility）上安裝多個高能天文探測裝置［19，22，27，29-31，33］，例如MAXI（Monitoring All Sky X-Ray Images）（JEM-EF＃1）［19］和 CALET（CALorimetric Electron Telescope）（JEM-EF＃9）［22］等。 KIBO 艙體還包括加壓艙（Pressurized Module，PM）和實驗后勤艙（Experiment Logistics Module，ELM）等模塊。

全天X射線監測儀MAXI［19］，包括氣態狹縫相機（Gas Slit Camera，GSC）、固態狹縫相機（Solid-state Slit Camera，SSC）等。利用實時新星搜索程序可以很快發現X射線瞬變源，在4年間從22個活躍恒星觀測了64個較大閃耀現象，4.5年發現了 6 個新黑洞［21］。

量能器電子望遠鏡 CALET［22］由日本、意大利、美國等聯合開發，用于探測宇宙線電子（包括正電子）（達20 TeV）、伽瑪射線（達10 TeV）與核（達1000 TeV）等，有助于尋找暗物質線索，研究宇宙線加速與傳播機制等。如圖1所示，CALET［22］由伽瑪射線暴監測器（Gamma-Ray Burst Monitor，CGBM）、任務數據控制器（Mission Data Controller，MDC）和高級天空相機（Advanced Sky Camera，ASC）等組成。伽瑪射線暴監測器包括硬X射線監測器（Hard X-ray Monitor，HXM）和軟X射線監測器（Soft Gamma-ray Monitor，SGM）。

3）歐洲哥倫布艙

哥倫布艙由歐洲多個國家共同參與制造，是ESA在ISS上最大項目，天文載荷包括：太陽變化與輻射監測儀（Solar Variantions and Irradiance Monitor，SOVIM）［23］、太陽光譜輻射測量儀（Solar Spectral irradiance measurements，SOLSPEC）［23-24］、自動校準極紫外與紫外光譜儀（Auto-calibrating Extreme Ultraviolet and Ultraviolet Spectrometers，SOL-ACES）［25］。

4）星辰號服務艙

星辰號服務艙Zvezda由俄羅斯建造，安裝有PLATAN-M，2001年至2008年多次開展實驗，在30～200 MeV核子能量探測銀河系宇宙線元素組成與精細能譜、太陽宇宙線離子，檢測空間站附近的微粒子，尋找低能重粒子的太陽和銀河系起源等［53］。

5）ISS未來計劃的天文載荷

基于ISS長期運行的優勢，天文學家提出多種載荷構想和方案，有些已在研或即將發射，如表2所示，主要包括：中子星內部組成探測器NICER［26，32］，宇宙射線質能探測器 ISS-CREAM［33］、極端宇宙空間天文臺 JEM-EUSO［29-30］、太陽γ射線與X射線探測GRIS［28］、寬視場X射線全天監視器iWF MAXI［27，31］等。 圖 2 為 NICER 和 iWF MAXI的示意圖。

表2 ISS計劃安裝的主要天文裝置Table 2 Planned astronomical payloads on ISS

圖 2 NICER［32］（左）和 iWF-MAXI［27］（右）示意圖Fig.2 Sketches of NICER［32］（ left） and iWFMAXI［27］（right）

iWFMAXI將由航天員安裝在iSEEP上，再由機械臂放至 JEM-EF［31］，主要探測器包括［27］軟 X射線大立體角相機（Soft X-ray Large Solid Angle Camera，SLC）和硬X射線監測儀（Hard X-ray Monitor，HXM），對0.7 ～12 keV 和 20 keV ～1 MeV能區敏感，四個方向覆蓋天區。

3.7 哈勃太空望遠鏡

哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）于1990年4月由“發現號”航天飛機發射升空［46］，至今已在軌運行26年。HST由航天員分別于1993年12月、1997年2月、1999年12月、2002年3月和2009年5月進行了5次維修維護，更換多個后端模塊，改善了波段范圍，提高了觀測精度和效率，拓展了科學目標。HST在深場觀測（Hubble Deep Fields）、宇宙年齡和大小、恒星和星系形成與演化、行星系統、黑洞、類星體與活動星系、引力透鏡等多個方面做出了重要貢獻，取得了一批前所未有的科學成果。

HST的后繼者詹姆斯韋伯望遠鏡（James Webb Telescope，JWST）將被放置于日地拉格朗日L2點，進行近紅外和紅外觀測，將難以由航天員在軌維修。

3.8 阿波羅計劃月基天文觀測

1972年4月21日阿波羅16號（Apollo 16）開展了人類首次月基天文觀測試驗，航天員在月面安裝口徑3英寸施密特望遠鏡，利用遠紫外相機 攝 譜 儀 （ Far-Ultraviolet Camera／Spectroscope，FUVCS），在 300 ～ 1350 ? 光譜范圍 （分辨率30 ?）進行紫外觀測，在兩通道1050～1260 ? 和1200 ～1550 ? 進行成像［6］，獲取了大麥哲倫星云（Large Magellanic Cloud，LMC）光譜和圖像數據，及OB星協等信息［5］，由航天員將磁帶運回地球。此次試驗表明月面是天文觀測的理想場所。此外，利用Apollo16飛船，伽瑪射線能譜儀（Apollo Gamma-Ray Spectrometer，AGRS） 在 60 keV ～5 MeV能量范圍獲得了銀道面光譜和流量角分布信息［56］。

4 國內載人航天空間天文發展

4.1 神舟二號無人飛船

北京時間2001年1月10日凌晨1時，神舟二號無人飛船在甘肅酒泉衛星發射中心由長征二號乙火箭成功發射，返回艙于1月16日返回地球，留軌艙（軌道艙）繼續運行，搭載了由中國科學院高能物理研究所和紫金山天文臺共同研制的空間天文儀器，在軌運行近半年，觀測快速時變現象等，是我國航天領域首次空間天文任務。

神舟二號空間天文載荷由超軟X射線探測器［34］、X 射 線 探 測 器［35］和 γ 射 線 探 測 器 組成［36-37］，探測了宇宙γ射線暴、太陽X射線、高能帶電粒子和軟X射線背景等［34-35］，具有寬能區、高時間分辨等特點，開辟了我國γ射線暴探測前沿探索。在軌運行期間獲得30多個宇宙γ暴射線事例和近百次太陽硬X射線耀斑事例［36］，X射線探測器獲得科學數據664組，2001年4月2日探測到1989年以來最大一次太陽耀斑X射線［35］。

4.2 天宮二號空間實驗室

2016年9月15日22時，天宮二號空間實驗室由長征二號FT2火箭發射升空，搭載了伽瑪暴偏振探測儀POLAR［38-40］，是中國與瑞士的國際合作項目。POLAR用于大視場伽瑪暴GRB偏振探測，利用Compton散射原理測量偏振伽瑪光子線偏振度和偏振方向。POLAR由艙外偏振探測器和艙內電控箱組成，首次詳細偏振測量將有助于理解天體輻射機制［39］，目前已開展初步探測實驗，包括伽瑪暴和太陽X射線暴等，發現了太陽暴候選體和蟹狀星云（Crab）脈沖星信號等［41］。

主要指標［40］：探測能區50 ～500 keV，最小可測偏振度 ＜10% （Ftotal≥3 × 10-5erg·cm-2），定位精度≤ 5°（Ftotal≥ 10-5erg·cm-2），視場±70°× ±70°。

5 載人航天空間天文領域發展趨勢分析

5.1 載荷性能比較

載人航天發展早期搭載了紫外、紅外、可見光等觀測裝置，近二十年隨著在軌時間延長和機械臂輔助操作，X射線、伽瑪射線、宇宙線等高能探測快速發展，且呈現寬能量范圍、高分辨率、高靈敏度、大視場和精細探測的發展趨勢，典型載荷如表3所示。

表3 近年典型高能天文載荷Table 3 Typical payloads of high energy astronomy in recent years

5.2 在軌服務發展趨勢

載人航天空間天文領域具有在軌服務的先天優勢，經歷了從搭載和手動操作到回收和維修天文衛星的過程，如圖3所示。在技術驅動方面經歷了探索新觀測窗口（波段）和試驗驗證的技術突破階段，發展到今天以重大科學目標為驅動的精細探測。

圖3 載人航天空間天文領域在軌服務發展Fig.3 Development of on-orbit service for space astronomy in manned space flight

我國載人航天僅神舟二號和天宮二號在軌搭載了高能天文探測裝置，未來空間站［42］暴露平臺將安裝高能宇宙輻射探測設施［44］。目前我國已經具備航天員出艙活動的技術基礎，載人空間站將在機械臂支持下進行在軌服務［42］。基于空間站平臺將可能在多個方面促進空間天文技術發展，包括在軌安裝或更換新型天文載荷、釋放天文探測小衛星、開展望遠鏡在軌試驗等，為新技術新方式試驗驗證和天文前沿探索奠定基礎。

共軌飛行的光學艙［43］將開展大規模多色測光與無縫光譜巡天，包括深度和極深度巡天觀測等，同時光學艙可以與空間站對接，進行在軌維護，實現長期運行，將引領我國光學空間天文技術發展，開啟空間天文研究的新局面。隨著在軌服務技術的成熟，大型太空光學天文望遠鏡在軌組裝和載人月基大型望遠鏡建造將是未來空間天文技術發展的重要方向。

6 結論

載人航天飛行器在空間天文多個方面具有獨特優勢，提供了長期穩定觀測、新技術試驗驗證、在軌操作等理想環境。國內外載人航天工程已在二十多個飛行器上開展空間天文探測，其中，Spacelab開創了先進的空間天文多波段探測綜合應用，HST引領了航天員在軌更換儀器和維修維護，AMS-2通過探測帶電宇宙射線為尋找暗物質和反物質等提供了線索，我國成功開展了神舟二號和天宮二號高能天文探測，實踐表明載人航天飛行器非常適合空間天文探測并促進了相關技術快速發展。未來在軌服務將是大型空間天文的必由之路，提高探測器分辨率和靈敏度、拓寬譜段范圍將是重要發展趨勢。國外載人航天空間天文發展及其先進技術是我國載人航天飛行器天文載荷技術發展的有益參考，未來我國將利用載人空間站暴露平臺和光學艙開展廣泛的高能天文探測和大規模光學巡天。

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（責任編輯：龐迎春）

Review of Development in Space Astronomy on Onboard Manned Spacecraft

ZHANG Jiuxing1，2， ZHANG Wei1，2， LI Xuzhi1，2
（1.Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094， China；2.Key Laboratory of Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

P171.4

A

1674-5825（2017）05-0670-10

2016-11-19；

2017-06-05

國家自然科學基金委-中國科學院聯合學科發展戰略研究項目（Y5031011AY）

張九星，男，碩士，助理研究員，研究方向為載人航天空間科學戰略研究、空間科學數據處理與分析等。E-mail：jxzhang＠csu.ac.cn