空間科學強國指標體系研究及其啟示

范全林 宋婷婷 時 蓬 魏海燕 陳小莉 王學昭 郭世杰

1 中國科學院國家空間科學中心 北京 1001902 中國科學院文獻情報中心 北京 100190

星空浩瀚無比，探索永無止境，只有不斷創新，中華民族才能更好走向未來。航天夢是強國夢的重要組成部分，要努力建設航天強國和世界科技強國。習近平總書記的系列重要講話是我國今后一段時間進行科技創新工作的重要指導和根本遵循。

我國作為有重要影響的航天大國，航天界的一個基本共識是：我國空間技術發展最好，空間應用有待加強，空間科學相對最弱。多位空間科學領軍人物更是一針見血地指出“要建設航天強國，亟需補齊空間科學短板”①航天強國建設別缺了空間科學和應用. (2018-03-05)[2022-07-11]. https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/3/404476.shtm.。

為此，本文首次嘗試構建了空間科學強國的綜合評價指標體系，并就我國與世界空間科學強國在各主要指標上的表現展開橫向對比分析，以期找出我國空間科學的真實差距、發展潛力和努力方向，助力科學謀劃和加快建設航天強國。

1 空間科學強國的定義

當前科學界關于世界科技強國定義和內涵的認知不斷深化[1]，我國科技強國建設的重點科技布局和關鍵路徑設計日益清晰[2]。但是，中國離航天強國到底有多遠的研究[3]卻較少。根據 2022年國務院新聞辦發布的《2021 中國的航天》②中華人民共和國國務院新聞辦公室. 2021 中國的航天. (2022-01-28). http://www.scio.gov.cn/ztk/dtzt/47678/47826/index.htm.提出的發展愿景，航天強國指的是自由進出空間能力、高效利用空間能力、有效管控太空能力和科學認知太空能力都達到世界一流水平的航天國家，而其中科學認知太空能力屬于航天強國的核心特征和關鍵能力，是人類和平利用空間、維護國家空間安全的“科學密碼”。

圖1 空間科學、空間技術和空間應用是中國“大航天”的支柱Figure 1 Space science, space technology, and space application are main pillars of China Space

一個國家的強大與否，除了自身不斷發展進步，還取決于該國與其他國家實力的橫向全方位對比。美國是社會公眾、媒體界、航天界和科學界公認的航天強國、空間科學強國[6]，筆者剖析其突出特征，并結合航天發展趨勢，嘗試對“空間科學強國”給出如下定義（圖 2）：空間科學強國是擁有一批杰出的科學大家，依托充裕持續的國家財政投入，實施了系列標志性的空間探索任務，產出了更新人類知識圖譜的新發現、新知識，保障和提升了人類生存質量、不斷拓展著人類發展疆域的航天國家。

圖2 空間科學強國的定義與內涵Figure 2 Definition and connotation of space science strength

2 空間科學強國指標體系

2.1 研究背景

學界談及科技強國時，常從規模、基礎、質量和效益等方面因素進行綜合考量，旨在揭示我國在主要科技指標上的表現與差距[7]。空間科學承載了更多國家需求、使命擔當的價值，唯有率先建成空間科學強國，方不負構建科技強國的“四梁八柱”之重托。具體到航天領域，有兩點需要注意：① 回溯世界航天近半個世紀的歷史，蘇聯和俄羅斯是不可忽略的重要角色；② 英、法、德等國主要在泛歐一體化框架下，通過歐盟（EU）和歐洲航天局（ESA）遂行航天發展，可視作整體考慮，而在各國家層面主要為軍用航天，不屬于本研究的范圍。聚焦空間科學，中國應對標以美國為主，包括歐洲、俄羅斯等的航天大國/強國或機構。

就全球航天領域實力評價而言，美國富創公司（Futron）于 2008年提出了“航天競爭力指數（SCI）”概念，曾連續多年就美、歐、俄、中、日、印等 10 余個國家或地區的航天競爭力、航天產業投資及其效益開展比較分析[8]。歐洲咨詢公司（Euroconsult）也持續發布航天和衛星產業評估報告和十年預測等[9]。國內亦有關于全球和美、歐、俄等國家或地區航天能力發展的評估研究[10]。中國工程院持續開展了 3 期航天強國戰略及深化研究，確定了建設航天強國的目標和重點③陸琦. 王禮恒院士：建設航天強國急需軍民深度融合. (2018-05-30)[2022-07-11]. https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/5/413448.shtm.。日本科學技術振興機構（JST）2014年開展了涉及空間科學評價的研究，較早引起國人關注，其研究針對世界主要航天國家，就空間科學、運載火箭、空間應用和載人航天等內容邀請專家打分（滿分 100分）和排序：美國 95 分，中國 48 分，位列美、歐、俄、日之后；就空間科學單項 20 分而言，美國 19 分，中國僅 4 分[11]。當前，中國科學院也部署了建設空間科學強國主要途徑和政策建議的重點課題。

2.2 空間科學強國指標體系構建原則與研究過程

在準確把握空間科學強國內涵的基礎上，本著體現綜合性為主、主觀指標與客觀指標相結合、從整體角度進行綜合評價的原則，本研究嘗試構建一套相對獨立完整的空間科學強國評價指標體系，以期為決策者了解我國空間科學整體實力在全球的位置、不足和世界發展格局提供理論支撐。

本文以系統工程思想為基礎，按“3 個結合”方法開展研究：① 理論研究與案例分析相結合；② 定性分析與定量計算相結合，以定量為主；③ 層次分析法（AHP）與德爾菲法（Delphi）相結合。構建過程分為 3 個階段：① 根據空間科學強國涉及的人才、平臺、知識、投入和文明等特征，提出了空間科學強國三級指標體系框架，合理配置了各指標的權重值。 ② 邀請航天界知名院士學者組成專家組進行咨詢評議。③ 綜合集成專家趨勢研判與文獻計量分析，形成較完善的空間科學強國指標體系方案。

鑒于指標體系直接關乎空間科學強國評價的準確性和可信度，研究團隊就前兩個階段的研究成果多輪次征詢了院士專家的意見，并得到廣泛肯定和具體指導：星際探索是空間科學的關鍵，新理論新發現是空間科學的靈魂，建議增加相關權重；區別于航天強國評價指標體系，空間科學對航天工業體系的帶動作用在本研究中不宜過分強調。

2.3 指標體系內容及其解讀

本研究嘗試構建的空間科學強國指標體系（表 1）體現了空間科學強國內涵的核心特征。其中：一級指標共 3 個，反映一國空間科學的當今競爭力和未來成長力；二級指標共 9 個，主要從全面性和完整性考慮，反映了影響空間科學國家能力水平的關鍵因素；三級指標共 20 個，主要考慮可獲得性、可比較性和弱相關性，選取各領域最具有代表性的指標，按照定性和定量分別進行衡量。

表1 空間科學強國指標體系的構成及相應權重Table 1 Index system and weights of space science strength

（1）空間科學的核心使命是通過新發現、尋找新規律、形成新理論、產生新知識。因此一級指標空間科學原創能力的權重最高，也是空間科學強國內涵的最核心表達；具體體現在出人才（創新人才群體）、建平臺（新平臺、新裝置）、出成果（新理論、新發現）3 個方面。例如，二級指標中“新平臺、新裝置”著重強調空間科學衛星工程和任務，以及有效載荷創新技術突破，具體表現為星際探索和載人航天 2 個三級指標，前者與國際通稱的機器人空間探索相對應，后者強調載人航天空間科學與應用。需要說明的是，以地面科技基礎設施為主的大科學工程與大科學計劃如 500 米口徑球面射電望遠鏡（FAST）不屬于本指標計量范圍，但是其對科技強國的支撐能力不可忽視。

設定TD為設備使用時限。在設備預防維護可靠度閾值限制下，以總維修費用率最低為優化目標，由式(7)～式(13)、式(16)和式(17)經過推導可得到單設備的動態不完全預防性維護經濟優化目標函數為：

（2）空間科學發展環境和發展潛力代表了國家的空間科學成長力。本研究考慮了航天工業體系的全面性和完整性，以便與并行開展的航天強國指標體系④航天強國指標體系為中國工程院戰略研究與咨詢重點課題“航天強國發展若干重大問題研究（二期）：空間科學”（2021—2022）研究成果呼應，但二級指標“航天工業基礎”更強調行業規模和技術水平對空間科學研究價值鏈的全方位支撐。基礎研究不以直接商業化為目的、短時間內很難直接轉化為生產力。為此，本研究設立了二級指標“成果轉移轉化”，主要考慮一國空間科學成果轉化為生產力的潛力，如對空間技術的牽引帶動、對空間應用的輻射作用和對商業航天的溢出效應。隨著空間科學不斷獲得關于太陽系的新認知，以及空間技術能力的持續提升，空間資源開發也將成為空間應用新的增長點。

3 世界空間科學強國評價結果

3.1 美、歐空間科學世界領先

基于空間強國指標體系，本文獲得了以 2021年為基線的美國、歐洲、俄羅斯、日本、中國 5 個國家或地區的空間科學發展水平評價結果（表 2）。

對應國家航天發展能力“航天強國、航天大國、航天新興國家”的劃分，本文對空間科學強國指標體系提出了兩道“標準線”，60 分以上為空間科學強國，25—60 分為空間科學大國，25 分以下為空間科學新興國家。從表 2 看，美國當仁不讓成為世界空間科學發展榜首，且優勢極其明顯，也與既往研究結論吻合[6]。而歐洲剛跨過及格線，與美國相比存在較大差距，不過其泛歐框架利于孕育國際合作文化，科學任務基本也保持著“并跑”狀態，其學科規劃實踐也頗有成效和影響[12]。中國、俄羅斯、日本構成第二梯隊，但整體上也都屬于剛跨過 25 分的空間科學大國“標準”，距離 60 分還有巨大的提升空間。其中空間科學原創能力是拉開各國排序的最關鍵指標。按我國航天前輩的形象說法，中國空間科學在世界上處于“二鍋頭”，排在第二梯隊的首位。蘇聯率先開啟了人造衛星和載人航天的大幕，蘇聯解體后俄羅斯努力維持了空間科學投入，但在發展環境和潛力方面處于劣勢，在星際探索、載人航天等方面有較強的積淀和能力。日本于 2008年5 月通過了《宇宙基本法》，支持空間開發利用；持續制定和完善了 4 版《宇宙基本計劃》；重視技術試驗衛星的技術轉移，并在小行星探測領域世界領先[13]。從表 2 可以看出，日本在青年人才、合作交流、國家政策等多個三級指標上超過俄羅斯，已快速成長為世界空間科學大國。

3.2 我國空間科學發展潛力

在構建空間科學強國指標體系的過程中，我們注意到：一方面，我國目前在青年人才、學科規劃和國家政策等指標的排名已躋身國際前列，反映出新型舉國體制下國家對航天、空間科學領域的逐漸重視和未來發展的巨大潛力，同時一些暫時落后的指標也大有作為空間。例如，表 2 中國載人航天分值不及美國 50%，也低于俄羅斯。但是隨著 2022年底中國空間站即將建成及后續巡天空間望遠鏡（CSST）的發射，基于載人航天平臺，更大規模的世界級空間實驗和前沿研究必將大幅提升我國空間科學原創能力[14]。另一方面，剖析中、美兩國主要研究機構、科學家群體的情況發現：盡管我國重大原創突破非常欠缺，亟待建設高水平空間科學創新群體，但空間科學領域基礎研究進入高增長階段，部分學科領域已接近并跑，國家戰略科技力量主力軍作用凸顯。

2.33.01.70.24.50.10.13.70.40.00.10.50.81.80.83.01.40.10.40.4本日5.31.94.74.11.42.64.50.40.425.3 11.9 8.15.33.51.11.94.84.10.10.13.80.50.00.30.91.50.50.30.80.50.20.10.1斯羅俄4.66.74.34.32.70.81.50.10.125.1 15.6 7.81.7果結價評平水展發學科間空國大天航球 2 全表Table 2 Evaluation results of space science level among global space powers國中洲歐國美標指級三2.33.51.72.63.90.21.54.00.40.00.20.92.31.90.94.33.20.20.40.35.84.35.64.43.42.87.70.40.315.7 10.6 8.49.03.85.70.316.7 1.90.75.51.01.00.30.82.43.71.44.03.31.00.80.712.8 6.019.3 7.53.55.18.30.80.738.1 16.1 9.88.96.014.0 6.016.6 3.41.56.01.01.01.01.04.04.02.05.05.08.01.01.014.9 20.0 21.5 8.06.06.018.0 1.01.056.4 20.0 20.0 物才索天出項利系量名射控系流響策劃費及化人人探航產獎專體數排發測體交影政規經普轉軍年際人文要明科構界載空業作際家科研學果1.領2.青3.星4.載5.論6.重7.發8.學9.機10.世11.運12.深13.工14.合15.國16.國17.學18.科19.科20.成34.7 64.0 96.4標指級二體群才人新創置裝新、臺平新現發新、論理新平水展發科學礎基業工天航作合技科際國略戰展發家國化文神精學科化轉移轉果成標指級一力能創原學科間空境環展發學科間空力潛展發學科間空分總

3.2.1 建設高水平空間科學創新群體

近年來，科睿唯安持續發布年度“高被引科學家”名單⑤科睿唯安. 2021年度高被引科學家白皮書.，但空間科學領域我國高被引科學家竟然為零。實際上，這種情況自 2014年以來一直存在（如表 3 所示）！這直指我國空間科學原創能力偏弱的軟肋，值得重點關注。

表3 空間科學領域我國學者情況及與“高被引科學家”的差距Table 3 Number of Chinese scholars and gap to high cited scientists in space science

以現有標準衡量，我國有國際影響力的空間科學家數量太少，主要源于國內高被引論文數太少，發表高被引論文是入選高被引科學家的第一步。亟需我國學者持續聚焦和深耕世界空間科學重大前沿，并加大新一代青年人才培養力度，以持續產出高質量研究成果。

3.2.2 激發我國空間科學的發展優勢

分析過去 11年來中、美兩國空間科學領域論文數據，美國呈現逐漸增加的趨勢，但我國論文數量亦逐年增加且增速顯著高于美國，論文總數已由僅占美國 15%，提升到 1/3 以上（圖 3）。與此同時，我國空間科學個別領域已逐漸向空間科學強國靠近。例如，在我國有優勢的太陽物理領域，長期以來主要依靠國外數據和地面觀測，論文總數已由僅占美國 25% 提升到近三年平均 70%，2021年占比甚至高達 80%。隨著 2022年我國首顆綜合性太陽探測衛星先進天基太陽天文臺（ASO-S）的發射升空[15]，利用這些自主科學衛星平臺，我國太陽物理研究乃至整個空間科學的原創能力飛躍可期。

圖3 中國和美國近10年空間科學論文數量對比Figure 3 Comparison of publications between USA and China in space science during past 10 years

我國空間科學相關高校和科研機構數量僅為美國的 60.4%（492/815），相應的“機構數量”三級指標在未來若干年內難以明顯提升。就空間科學研究而言，我國 TOP20 機構的論文與美國相比仍有不小差距（如表 4 所示），但深入分析表明，它們產出的論文數量和被引頻次對我國的貢獻占比分別達到了 69% 和 70%，遠超美國相應機構占比（38% 和 31%），是我國空間科學發展的“排頭兵”。需要指出的是，表 4 中并未包括我國全部空間科學任務工程實施機構。

表4 中國與美國空間科學領域排名前20的高校和研究機構2011—2021年論文產出情況對比Table 4 Comparison of publications between TOP20 institutes of China and USA in space science from 2011 to 2021

4 思考與建議

我國與當今世界空間科學強國相比差距顯著，其中空間科學原創能力落后是首要因素。本研究通過構建空間科學強國指標評價體系，得出我國空間科學實力位居世界第三的結論，但本研究并不想止步于此，因為剖析導致該現狀的原因、明晰改變該現狀的抓手更具現實和長遠意義。

4.1 我國空間科學發展必須抓住 21 世紀的歷史機遇

空間科學成為我國航天強國建設的短板是有其歷史原因的。中國航天幾乎與世界航天同時起步，但我國空間科學發展歷史過短的事實長期以來被忽視。美國空間科學與其航天發展高度同步。1958年1 月美國首顆衛星“探索者 1 號”升空，隨即發現了地球輻射帶，成為世界空間科學探索時代開啟的最重要標志。同年3 月“空間科學”（space science）首次出現在美國總統科學咨詢委員會報告中，自此空間科學成為美國航天發展的重要組成部分[4]。我國的空間科學發展起步較晚，經歷了 3 個階段：2000年之前的摸索階段、2000—2016年的現代空間科學階段或起步階段，2016年以后的空間科學新時代階段。“雙星計劃”是我國第一個以科學為目標牽引立項的科學衛星任務。載人航天與探月工程均為兼顧科學目標的國家重大工程。即使如此，我國空間科學的起步和發展也不是線性過程，依然出現了 21 世紀前 10年的空間科學任務空白，直到 2011年國家批準中國科學院實施空間科學戰略性先導科技專項系列科學衛星任務，至此，中國航天才開始真正發力空間科學。2016年，習近平總書記在全國科技創新大會、兩院院士大會、中國科協第九次全國代表大會上強調指出，“浩瀚的空天還有許多未知的奧秘有待探索，必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展”，我國空間科學才真正邁入了加速發展的新時代。中國航天 70 載，空間科學 20年。至建國百年，我們實際上要用 21 世紀 50年的加速發展，完成美國從 20 世紀中葉開始的 100年空間科學發展路。

4.2 我國應通過國家空間科學投入雙 15% 占比的增長引爆空間科學原創力

在空間科學強國指標體系中，國家科研經費在指標體系中的權重較小（8%），但它對空間科學發展卻至關重要，是國家意志的直接體現。而破解航天強國空間科學短板的密碼在于大幅度提升我國的空間科學原創能力，這就要求我們必須直面國際空間科學最前沿、挑戰最重大最根本的問題。

我國空間科學的原創性成果較少，對人類知識的貢獻度與大國地位不相稱，一個重要的原因是投入有限，以 2021年為例，我國對空間科學經費的投入，大致只相當于 ESA 的 1/5、NASA 的 1/50。21 世紀以來，我國空間科學任務年均不到 1 個。空間科學基礎研究經費從“十三五”才開始布局，主要體現在科學技術部國家重點研發計劃等，不足空間科學投入的 1%[16]。亟需逐步增加空間科學在我國整個航天總投入中的占比，從當前的不足 5%，以每 5年增加 5% 的速度穩定增長，到 2035年占到整個航天總投入的 15%。此外，在空間科學總投入中的非工程類的研究經費實現同比增長，到 2035年占空間科學總投入的 15%（圖 4）。

圖4 努力推動我國實現空間科學國家投入未來30年穩定增長Figure 4 Expectation of increase of China national space science investment in coming 3 decades

鑒于我國國家綜合實力持續提升，我國空間科學的發展未來可期。而回歸本研究構建的空間科學強國指標體系來看，意味著用三級指標科研經費不到0.2分值的增長，帶動一級指標空間科學原創力近20分的100倍提升，其倍增效應超乎想象！

根據相關研究預測[17]，實現建設科技強國目標，至 2035年和 2050年，我國獲諾貝爾科學獎項將實現量的突破。實際上，基于現有我國航天的自主創新能力和潛力，聚焦我國有基礎有優勢的極端宇宙、時空漣漪、日地全景、宜居行星等科學主題，堅持重大科學目標牽引、堅持重大成果導向，不以航天器大小論英雄，而是通過凝聚中國智慧，采取中國特色的技術方案，未來我國空間科學探索成果取得諾獎級重大成果指日可待。

4.3 關于空間科學強國指標體系未來仍有大量工作亟待開展

空間科學強國指標體系是動態發展的。我國一方面要根據各國空間科學競爭力的發展情況定期開展監測和評價，針對不足集中發力、取人之長助己跨越；另一方面還要根據國際空間科學發展涌現的新特點，將影響空間科學發展的關鍵元素用指標的形式予以體現，從數據的角度客觀呈現出影響空間科學發展的關鍵要素，持續完善和優化指標體系，使其緊貼實際，具有鮮活的生命力。

此外，本文研究之所以采用科睿唯安的數據，主要是考慮它在 21 個基本科學指標（ESI?）學科中明確列出了“空間科學”，利于課題研究快速切入。但是必須指出，科睿唯安對空間科學的“理解”主要局限于天文學和天體物理學，與我國空間科學領域的內涵還有很大區別，某種程度上也會影響對相關研究機構數據的采信度。而另一個學術信息分析公司愛思唯爾雖然也發布“中國高被引學者”榜單，或許因為商業利益及同行競爭考慮，它甚至都沒有單獨對空間科學進行分析，相關數據沉沒在傳統的地球物理學中。相關研究人員未來有必要整合兩個數據源，優化完善相關空間科學強國指標的分值計算，更準確反映國家空間科學競爭力。

致謝 本研究得到了王禮恒院士、龍樂豪院士、戚發軔院士、葉培建院士的鼓勵和指導，王赤院士領導了本研究，中國航天系統科學與工程研究院賈寧、徐廣玉等曾參與相關討論，多位航天與空間科學一線骨干接受課題組訪談，在此謹表誠摯謝意。