吳 季

(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190)

0 空間科學(xué)是建設(shè)航天強(qiáng)國的重要支撐

空間科學(xué)是以航天器為主要平臺(tái)，研究發(fā)生在地球、日地空間、行星際空間乃至整個(gè)宇宙空間的物理、天文、化學(xué)以及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學(xué)?？臻g科學(xué)的研究對象包括宇宙、生命、暗物質(zhì)、引力波、太陽的活動(dòng)規(guī)律和地球系統(tǒng)的演化等，占據(jù)了自然科學(xué)的宏觀和微觀兩大前沿?？臻g科學(xué)具有兩個(gè)鮮明的特點(diǎn)：一是必須基于衛(wèi)星/航天器平臺(tái)，到空間中開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)及探索，取得科學(xué)發(fā)現(xiàn)；二是空間科學(xué)研究投入高、風(fēng)險(xiǎn)大，屬于有組織開展的定向研究工作，涉及大量航天共性技術(shù)?？茖W(xué)史已經(jīng)充分證明，對宇宙和太空的探索引發(fā)了大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展，不斷突破著人類的認(rèn)知極限，極大地推動(dòng)了人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃具有明顯的探索性及技術(shù)創(chuàng)新性，它與應(yīng)用衛(wèi)星計(jì)劃相比存在很大差別(見圖1)。首先，空間科學(xué)計(jì)劃的建議，往往通過科學(xué)家團(tuán)隊(duì)自下而上(Bottom-up)，通過項(xiàng)目申請的方式提出，體現(xiàn)的是科學(xué)家對科學(xué)前沿問題的思考及創(chuàng)新思想。在科學(xué)家提出計(jì)劃建議后，則由計(jì)劃管理部門按照一定程序及原則開展遴選，組織實(shí)施。其次，空間科學(xué)計(jì)劃主要致力于基礎(chǔ)科研，成果主要體現(xiàn)為公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文；計(jì)劃的成果要用這些論文的質(zhì)量和數(shù)量來評價(jià)[1]。在實(shí)踐中，一類空間科學(xué)計(jì)劃具有極其突出的科學(xué)目標(biāo)重大性，一旦實(shí)施取得突破，將促使人類在認(rèn)識(shí)宇宙和自然中取得革命性的重大科學(xué)突破，但其成果數(shù)量相對可能較少；另一類空間科學(xué)計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)參與度很高，眾多科研人員將參與到計(jì)劃的研究實(shí)施中來，并產(chǎn)出大量的科學(xué)論文，對空間科學(xué)的學(xué)科發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的帶動(dòng)性和牽引作用。這兩類空間科學(xué)計(jì)劃，無論哪一類都將推動(dòng)國家的基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展，并帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新。

基礎(chǔ)研究是整個(gè)科學(xué)體系的源頭，也是撬動(dòng)所有技術(shù)問題的總機(jī)關(guān)、裝備發(fā)展的原動(dòng)力[2]。在科學(xué)發(fā)展史早期，重大基礎(chǔ)科學(xué)突破大都是通過個(gè)人，經(jīng)過自由探索研究取得的。在人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段后，有組織的定向基礎(chǔ)研究則成為了取得基礎(chǔ)領(lǐng)域重大科學(xué)突破的重要途徑和手段。近代至今，由國家組織優(yōu)勢力量開展體現(xiàn)國家意志的定向基礎(chǔ)研究工作獲得重大科學(xué)突破的比例不斷增大[3]。

發(fā)展空間科學(xué)是實(shí)現(xiàn)有組織的定向重大基礎(chǔ)研究的重要工具之一。發(fā)展空間科學(xué)不僅能夠推動(dòng)我國在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)代科學(xué)知識(shí)的“使用者”到“創(chuàng)造者”的轉(zhuǎn)變；還將為航天高技術(shù)創(chuàng)新帶來重要的驅(qū)動(dòng)力，為航天技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展不斷注入新的活力。同時(shí)，這些高新技術(shù)在向地面的轉(zhuǎn)化應(yīng)用中，將不斷開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，為國家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

正是由于空間科學(xué)對建設(shè)航天強(qiáng)國、科技強(qiáng)國的強(qiáng)有力支撐作用，我國高度重視空間科學(xué)的發(fā)展。2016年5月30日，在全國科技三會(huì)上，習(xí)近平總書記發(fā)出了將我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國的號(hào)召，指出“必須推動(dòng)空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用全面發(fā)展”[4]。在黨的“十九大”報(bào)告中，習(xí)總書記強(qiáng)調(diào)， “要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破……為建設(shè)科技強(qiáng)國、質(zhì)量強(qiáng)國、航天強(qiáng)國……提供有力支撐”。

1 “十二五”我國空間科學(xué)取得重要進(jìn)展

空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)于2011年1月正式啟動(dòng)實(shí)施，總目標(biāo)是通過自主和國際合作科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，在最具優(yōu)勢和最具重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)潛力的科學(xué)熱點(diǎn)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破，帶動(dòng)相關(guān)高技術(shù)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。

“十二五”時(shí)期，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)聚焦宇宙和生命的起源及演化和太陽系與人類的關(guān)系兩大重要科學(xué)前沿，部署研制、發(fā)射了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星(悟空)、實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(墨子號(hào))和硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星(慧眼)，同時(shí)還部署了空間科學(xué)背景型號(hào)、空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目。通過上述項(xiàng)目的部署和實(shí)施，空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)將開展黑洞性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律、量子力學(xué)完備性檢驗(yàn)、暗物質(zhì)、空間環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與生命活動(dòng)規(guī)律等方面的研究，努力取得重大科學(xué)突破；開展背景型號(hào)項(xiàng)目科學(xué)目標(biāo)凝練及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、空間科學(xué)任務(wù)創(chuàng)新概念研究、有效載荷關(guān)鍵技術(shù)研究、地面標(biāo)定及短時(shí)飛行驗(yàn)證等工作，為空間科學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展奠定科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。

經(jīng)過“十二五”專項(xiàng)的實(shí)施，已經(jīng)立項(xiàng)的4顆科學(xué)衛(wèi)星已經(jīng)相繼成功發(fā)射。截至2017年11月，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”巡天觀測已經(jīng)完成3次全天區(qū)覆蓋，首次發(fā)現(xiàn)了宇宙高能電子TeV拐點(diǎn)及其TeV以上的精細(xì)結(jié)構(gòu)，首個(gè)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)在《Nature》發(fā)表。實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完成15項(xiàng)國際首次實(shí)驗(yàn)，其中小鼠早期胚胎在太空中順利完成從2細(xì)胞到囊胚的全程發(fā)育，是世界首次實(shí)現(xiàn)哺乳動(dòng)物胚胎在太空發(fā)育。量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”圓滿實(shí)現(xiàn)千千米級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)、星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等3大科學(xué)目標(biāo)，成果在《Science》和《Nature》上發(fā)表。硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星HXMT“慧眼”在首個(gè)雙中子星并合引力波事件發(fā)現(xiàn)過程中做出了重要貢獻(xiàn)。

空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)已于2017年11月14日通過了中國科學(xué)院組織的專項(xiàng)總體驗(yàn)收。專項(xiàng)完成了全部研究內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)目標(biāo)，取得了一批具有國際影響力的重要成果，發(fā)揮了空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。專項(xiàng)建立了我國第一個(gè)科學(xué)衛(wèi)星系列，促進(jìn)了中國空間科學(xué)走上快速發(fā)展的新路徑。專項(xiàng)建立了自戰(zhàn)略規(guī)劃、預(yù)先研究、背景型號(hào)、立項(xiàng)論證與工程研制，直至科學(xué)運(yùn)行、產(chǎn)出評估的完整的空間科學(xué)發(fā)展鏈條；專項(xiàng)所開展的空間科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃研究工作，為至2030年我國空間科學(xué)的發(fā)展指出了方向，繪制了發(fā)展藍(lán)圖。其重要研究成果——空間科學(xué)衛(wèi)星系列被納入了國家科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃；專項(xiàng)建立了以“首席科學(xué)家+工程兩總”為標(biāo)志的科學(xué)衛(wèi)星工程管理體制，建立了完備的專項(xiàng)組織管理機(jī)制；建設(shè)了先進(jìn)的專項(xiàng)公共平臺(tái)及基礎(chǔ)設(shè)施，凝聚、培養(yǎng)了一支高水平的專項(xiàng)任務(wù)研制隊(duì)伍，為后續(xù)組織實(shí)施專項(xiàng)任務(wù)奠定了重要的科學(xué)研究、工程管理、基礎(chǔ)設(shè)施和人才隊(duì)伍基礎(chǔ)。

自2016年起，空間科學(xué)衛(wèi)星已連續(xù)3年入選習(xí)近平總書記的新年賀詞。2016年8月，空間科學(xué)衛(wèi)星系列入選國務(wù)院《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，對國家未來的科技布局產(chǎn)生了深刻影響?？臻g科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)作為“十二五”期間我國空間科學(xué)領(lǐng)域最重要的系統(tǒng)性進(jìn)展，開啟了中國空間科學(xué)發(fā)展的新篇章[5]，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)中國空間科學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 “十三五”科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃簡介

為了全面落實(shí)黨和國家領(lǐng)導(dǎo)人對發(fā)展我國空間科學(xué)的重要指示，中國科學(xué)院對“十三五”乃至2030年前我國的空間科學(xué)發(fā)展路徑進(jìn)行了戰(zhàn)略研究，制定了相應(yīng)的發(fā)展規(guī)劃，并自下而上地征集遴選了面向“十三五”及以遠(yuǎn)的空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)。

“十三五”期間，中國科學(xué)院將立足國際基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域，圍繞“宇宙和生命是如何起源和演化的？太陽系與人類的關(guān)系是怎樣的？”兩大主題，在我國科學(xué)家關(guān)注及具有優(yōu)勢的領(lǐng)域，組織實(shí)施愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星、先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)衛(wèi)星和太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃(SMILE)等新的空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃，深化人類對宇宙和自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星質(zhì)量約1050kg，運(yùn)行在近地550km～650km圓軌道上，傾角≤30°，設(shè)計(jì)壽命≥5年。EP衛(wèi)星將通過監(jiān)測X射線天空，發(fā)現(xiàn)和探索宇宙中的極端劇變天體和事件，研究天體的活動(dòng)性。它將以高于現(xiàn)有設(shè)備一個(gè)數(shù)量級(jí)的探測靈敏度，在軟X射線波段開展快速巡天監(jiān)測，系統(tǒng)性地探測和研究各種時(shí)標(biāo)上的X射線暫現(xiàn)源和天體的 X 射線時(shí)變。結(jié)合其快速星載后隨觀測和暫現(xiàn)源警報(bào)分布能力，愛因斯坦探針任務(wù)預(yù)期將在宇宙極端劇變天體和事件，特別是沉寂黑洞及其爆發(fā)、引力波事件的電磁波對應(yīng)體等領(lǐng)域做出突破性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)(見圖2)。

先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)衛(wèi)星質(zhì)量約900kg，運(yùn)行在近地太陽同步晨昏軌道上，高度為720km，傾角約98°；設(shè)計(jì)壽命≥4年。ASO-S衛(wèi)星將同時(shí)觀測對地球空間環(huán)境具有重要影響的太陽上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象——耀斑和日冕物質(zhì)拋射(CME)，研究耀斑和日冕物質(zhì)拋射的相互關(guān)系和形成規(guī)律。觀測太陽大氣不同層次對太陽爆發(fā)的響應(yīng)，研究太陽爆發(fā)能量的傳輸機(jī)制及動(dòng)力學(xué)特征。探測太陽爆發(fā), 預(yù)報(bào)空間天氣，為我國空間環(huán)境的安全提供保障。觀測全日面太陽矢量磁場，研究太陽耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射與太陽磁場之間的因果關(guān)系(見圖3)。

太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃(SMILE)衛(wèi)星整星質(zhì)量不超過2000kg，運(yùn)行在近地點(diǎn)高度>5000km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度17～21Re，傾角為67°～98°的大橢圓軌道上，設(shè)計(jì)壽命約4年。SMILE衛(wèi)星是中國和歐空局聯(lián)合研制的科學(xué)衛(wèi)星。它將探測太陽風(fēng)-磁層相互作用的大尺度結(jié)構(gòu)和基本模式；認(rèn)知地球亞暴整體變化過程和活動(dòng)周期；探索日冕物質(zhì)拋射事件(CME)驅(qū)動(dòng)的磁暴發(fā)生和發(fā)展。SMILE將利用先進(jìn)的成像技術(shù)提供磁層頂、極尖區(qū)和極光卵的同步觀測和視頻，結(jié)合天基和地基的太陽風(fēng)和磁層原位探測結(jié)果，提供對影響整個(gè)空間天氣鏈條的太陽風(fēng)-磁層相互作用的首次全景成像觀測。該項(xiàng)目將推動(dòng)磁層物理學(xué)的發(fā)展，在預(yù)測及減輕空間天氣災(zāi)害方面發(fā)揮重要作用(見圖4)。

通過研制發(fā)射愛因斯坦探針(EP)衛(wèi)星、先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)(ASO-S)衛(wèi)星和太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計(jì)劃(SMILE)等新的科學(xué)衛(wèi)星，預(yù)期未來我國將在時(shí)域天文學(xué)與引力波電磁對應(yīng)體探測、太陽磁場、太陽耀斑爆發(fā)及日冕物質(zhì)拋射(“一磁兩暴”)的關(guān)系及變化規(guī)律、太陽風(fēng)與地球磁層間的相互作用及其規(guī)律等科學(xué)前沿取得重大突破。

3 面向2030年空間科學(xué)規(guī)劃對航天運(yùn)載的需求

在美國著名學(xué)術(shù)期刊《Science》公布的125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題[6]中，涉及系列空間科學(xué)問題：宇宙由什么構(gòu)成？宇宙膨脹的驅(qū)動(dòng)力來自何方？黑洞的本質(zhì)是什么？第一顆恒星與星系何時(shí)產(chǎn)生、怎樣產(chǎn)生？人類在宇宙中是否孤獨(dú)？太陽系的其他星球上現(xiàn)在和過去是否存在生命等一系列現(xiàn)代科學(xué)的未解之謎。

為了解答這些問題，人類需要不斷拓展空間探索的疆域，開展更多、更深入到宇宙深處的空間科學(xué)探索。其中，空間引力波探測、宇宙黑暗時(shí)代探測、小天體探測及采樣返回、系外行星探測、黑洞及其周邊探測、木星及其以遠(yuǎn)的行星際探測、接力木星的太陽極軌探測計(jì)劃等，將是至2030年空間科學(xué)領(lǐng)域需要致力突破的重大科學(xué)前沿。對宇宙不斷深入的遠(yuǎn)距離探索，對航天運(yùn)載系統(tǒng)提出了越來越高的技術(shù)需求。例如，在進(jìn)行黑洞及其周邊探測時(shí)，需要保證探測器的高穩(wěn)定度，載荷的總質(zhì)量可能達(dá)到4000kg；行星際通用通信接力系統(tǒng)(UNICON)需要發(fā)射6個(gè)激光通信探測器，每個(gè)探測器的質(zhì)量預(yù)計(jì)超過1200kg，分3次發(fā)射后，這些探測器需要在1.44AU(日地距離，1.5億km)日心圓軌道上均勻分布；為了實(shí)現(xiàn)探測器快速飛向太陽系的邊緣，需要考慮傳統(tǒng)化學(xué)能源、核能、太陽能以及其他新的推進(jìn)方式，以實(shí)現(xiàn)將目前30年的旅程縮短到10年的目標(biāo)。

4 結(jié)束語

21世紀(jì)以來，空間科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展日新月異，人類探索宇宙的步伐越來越頻繁，人類活動(dòng)向太空的延伸也越來越深遠(yuǎn)。空間科學(xué)作為與重大科技突破和人類生存發(fā)展密切相關(guān)、能夠引領(lǐng)密集技術(shù)創(chuàng)新的前沿交叉學(xué)科，占據(jù)了自然科學(xué)的宏觀和微觀兩大前沿?？臻g科學(xué)衛(wèi)星對宇宙空間的發(fā)現(xiàn)、探索和研究將帶來基礎(chǔ)科學(xué)的重大突破，并引領(lǐng)密集的航天技術(shù)(包括航天運(yùn)載技術(shù))方面的創(chuàng)新?！笆濉眴?dòng)實(shí)施的空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)開啟了中國空間科學(xué)發(fā)展的新篇章，是“十二五”期間我國空間科學(xué)領(lǐng)域最重要的系統(tǒng)性進(jìn)展。在“十三五”時(shí)期，中國科學(xué)院將繼續(xù)組織實(shí)施空間科學(xué)(二期)先導(dǎo)專項(xiàng)，研制發(fā)射一系列新的科學(xué)衛(wèi)星，推動(dòng)我國空間科學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展，為把我國建設(shè)成為航天強(qiáng)國、世界科技強(qiáng)國做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

[1] 吳季. 空間科學(xué)任務(wù)及其特點(diǎn)綜述[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 38(2): 139-146.

[2] 中共中央文獻(xiàn)研究室. 習(xí)近平關(guān)于科技創(chuàng)新論述摘編[M]. 北京: 中央文獻(xiàn)出版社, 2016.

[3] 吳季. 發(fā)展空間科學(xué)是建設(shè)世界科技強(qiáng)國的重要途徑[J].中國科學(xué)院院刊, 2017, 32(5): 504-511.

[4] 習(xí)近平. 為建設(shè)世界科技強(qiáng)國而奮斗——在全國科技創(chuàng)新大會(huì)、兩院院士大會(huì)、中國科協(xié)第九次全國代表大會(huì)上的講話[M]. 北京: 人民出版社, 2016.

[5] 中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)研究團(tuán)隊(duì). 開啟中國認(rèn)識(shí)宇宙的新篇章——空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)及進(jìn)展[J].中國科學(xué)院院刊, 2014, 29(6): 754-763.

[6] Kennedy D. 125. Science, 2005, 309(5731): 9. DOI:10.1126/science.1115951.