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中國網/中國發展門戶網訊 2021 年 12 月 25 日，詹姆斯 · 韋布空間看遠鏡經歷 25 年研制，屢次推遲，花費約 110 億美元巨資后，終于在法屬圭亞那庫魯發射場勝利升空。該看遠鏡作為哈勃空間看遠鏡的“繼任者”，其發射過程被全球超過 3 億人通過媒體觀看；2022教學 年 7 月 12 日，american拜登當局專門舉行發布會展現了該看遠鏡拍攝的首批全黑色圖像，惹起全社會極年夜關注。人類摸索宇宙奧秘嚴重活動的影響可見一斑。實際上，與名氣爆棚的哈勃看遠鏡并稱為“四年夜軌道地理臺”的，還有斯皮策太空看遠鏡、錢德拉X射線地理臺和康普頓伽馬射線地理臺，它們都獲得了嚴重科學結果。世界多國還發射了 3 代測量宇宙微波佈景的宇宙佈景探測器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），以及普朗克（Plank）衛星等約 120 多顆地理衛星，為現代地理學發展作出了宏大貢獻，與空中地理臺的貢獻各占了殘山剩水。

空間科學是摸索宇宙和天然規律的空間活動，包含了空間物理學和太陽物理學、空間地理學、月球與行星科學、空間地球科學、空間性命科學、微重力物理等分支，領域廣泛，并孕育了新的穿插研討標的目的。人類進進空間 65 年來，規模巨大的空間活動此起彼伏，無力推動了社會發展和科技進步。縱觀幾十年的空間活動，其實際效益體現在兩慷慨面。①空瑜伽場地間應用。深刻地滲透到經濟、社會、公眾生涯和軍事活動各方面，推動了社會信息化發展，成為當今社會不成或缺的基礎保證。②空間科學摸索。人類沖破地球年夜氣層進進太空后，開辟了全新的研討途徑，科學摸索的廣度、深度和范圍極年夜拓展，深刻研討了發生在地球、日地空間、太陽系甚至整個宇宙的物理、化學和性命等天然現象及其規律，獲得嚴重成績。 

空間科學的成績和發展趨勢

空間科學的成績概述

據不完整統計，在迄今為止人類發射的所有的 6 000多個空間飛行器中（近年發射的立方星和低軌年夜規模星座除外），有 900 多顆專門從事科學研討的衛星和深空探測器，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討設施，完成了近萬項科學實驗，實施了幾十個國際空間科學研舞蹈場地討計劃，開展了規模巨大的空間科學探測、實驗和研討活動。

（1）空間物理學和太陽物理學。提醒了太陽爆發和太陽高能輻射機制；發現太陽風是攜帶磁場的高速等離子體流，并擴散于整個太陽系，初步提醒了太陽風與星際介質彼此感化的特征和規律；發現了地球輻射帶，描寫了地球和行星磁層結構，以及太陽活動對地球空間環境的影響機理，樹立了全新的日-地空間和行星際空間的物理圖像，由此開拓了空間天氣研討和保證。

（2）空間地理學。開拓了全電磁波段地理、粒子天體物理，推動地理學進進多信使新時代；發現了大量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內行星；研討了天體爆發和時變現象，提醒了極端條件下的天體物理過程，推動了宇觀和微觀物理研討的結合；精細測量了宇宙微波佈景輻射，計算出宇宙年齡和組成，證實了宇宙的加快膨脹，推動樹立了宇宙重子物質循環和爆炸宇宙學理論框架，促進對宇宙和天體認識的反動性進步。

（3）月球和行星科學（太陽系科學）。對月球和太陽系一切行星及其衛星、矮行星、小行星、彗星的物質組成、描摹、地質、年夜氣、物理場等進行了觀測或原位探測取樣；對月球構成演變獲得新認識，發現火星存在水和甲烷，發現土衛二等內體陸地，構建了較完全的太陽系及太陽系天體的知識體系。

（4）空間地球科學。開創并推動了地球系統科學發展，獲取了全球重力場、年夜氣流場、冰水分布動態變化，描寫了陸地環流、地球能量出入，初步提醒了地1對1教學球年夜氣圈、水圈、生物圈、巖石圈耦合過程，推動了全球變化等嚴重科學問題的深刻研討。

（5）空間性命科學。獲得了人體和各類生物及其分歧組成層次對微重力響應機制的主要認識，發現輻射的生物學旁效應，提醒了空間條件影響人體各系統的主要機理及對抗辦法，保證了近地軌道航天員較長時間保存和活動；拓展了對性命存在條件的認識，發現了地外性命能夠存在的跡象，獲得生物藥物空間制備的一系列結果。

（6）微重力物文科學。提醒了被重力對流掩蓋的流體界面張力/濃度梯度驅動的特別流動規律，發現微重力下物質與能量輸運、相變等特別規律；提醒了微重力燃燒過程主要本征參數，并發現冷焰燃燒等特別現象；空間資料科學在晶體生長動力學、過冷與非均衡相變等過程機理方面獲得主要進展；基礎物理方面驗證了廣義相對論的主要效應和超冷條件下量子別緻現象。

空間科學是當代規模絕後的科學摸索活動，衝破性地拓展了人類視野和摸索邊境，開創了空中無法實現或受限的全新實驗方式，獲得了反動性的嚴重成績，深入地改變著人類的宇宙觀和天然觀；帶動了高新技術衝破和空中新興產業，會議室出租推動空間技術向更高程度發展，為當代科學技術發展作出了嚴重貢獻。近年來，與空間科學探測親密相關的諾貝爾獎項頻次顯著增添（表 1）。

空間科學醞釀新的衝破

各航天年夜國持續重視空間科學，當前研討加倍聚焦基礎科學嚴重問題，如暗物質性質和暗能量本質、恒星和星系演變、黑洞性質、太陽系構成演變、外太空性命和宜居行星摸索、基礎物理規律研討、地球變化趨勢等。

 近期任務規劃面向科學前沿

american一向努力于引領空間科學發展。american國家科學研討委員會（NRC）和各學科領域專門委員會依附科學家群體配合構成的《十年調查》（Decade Survey）規劃，是am教學場地erican科學發展的頂層指導。空間科學各領域基礎囊括在《十年調查》框架中，由 NRC、american科學院空間研討委員會（SSB）及相關領域委員會配合研討，對空間科學未來 10 年或更長時間的科學問題、研討目標、任務建議和經費投進進行優先級排序。2021 年發布的《21 世紀 20 年月地理學與天體物理學發現之路》（Astro2020），2022 年發布的《2023—2032 年行星科學和天體生物學》規劃了相關領域的發展標的目的和重要任務，american國家航空航天局（NASA）將滾動制訂路線圖并組織任務實施，實施中對項目標科學發現、技術進步、計劃等進行中期評議，提出優化意見，近年陸續發布了《NASA 戰略規劃（2018 年）》《科學 2020—2024 年：科學出色的愿景》等空間科學發展規劃。

歐洲航天局（ESA）空間科學中長期規劃樹立了年夜型（L）、中型（M）、小型（S）、國際一起配合、機遇任務等層次清楚的分類架構，勝利實施了“地平線”（Horizon）計劃（1985—2005 年，1995—2015 年）和“宇宙嚮往”計劃（Cosmic Vision，2015—2025 年），代表性的項目有太陽和日球層觀測臺（SOHO，1995 年）、牛頓 X 射線看遠鏡（XMM-Newton，1999 年）、紅外/亞毫米波看遠鏡（Herschel，2009 年）、Plank 衛星（2009 年）、天體測量衛星（Gaia，2013 年）等，也參與了哈勃看遠鏡、卡西尼-惠更斯土星探測等國際嚴重項目，獲得了獨具特點的科學結果。2021 年，ESA 發布了最新版中長期發展規劃“遠航 2050”（Voyage 2050）。該規劃面向2050年，聚焦科學前沿和未來技術，提出 3 個年夜型、14 個中型任務標的目的，以及 4 個國際一起配合任務等；最終還將遴選出 10 項年夜中型任務，再征集遴選小型任務靈活實施。

american和歐洲的空間科學規劃重視均衡投資，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選科學研討項目，規劃重視基礎性任務和技術發展，如 NASA 從 1998 年起資助“創新先進概念”（NIAC），為未來計劃供給富有想象力的可選計劃；各國規劃頂層協調，并在任務實施、科學統籌、協同觀測等方面深刻一起配合，年夜范圍集聚智力和技術資源，構成彼此共同互補的發展格式。

american和歐洲的年夜型空間科學任務規劃集中于宇宙來源演變、天體高能過程、太陽系性命和系內行星性命摸索等嚴重標的目的（表 2），中小型任務觸及的領域加倍廣泛。

 載人空間摸索路線趨于開闊爽朗

載人空間摸索路線經過長期彷徨和論證已經明確。2019 年，NASA 發布《前去月球：NASA 月球摸索戰略規劃》，正式啟動了阿爾忒彌斯（Artemis）計劃，明確了無人月球探測、載人月球摸索、開發應用月球和初期載人火星摸索的載人摸索總體規劃。第一階段（~2024 年，將延期至 2025 年后）實現載人登陸月球南極（圖 1）；第二階段完成月球南極年夜本營和“門戶空間站”建造，“門戶空間站”運行在近直線暈軌道（NRHO），可招待往復月球的飛行器，容納航天員駐留，支撐探月任務并籌備前去火星。

Artemis 提出 7 年夜科學目標，包含：懂得行星過程、清楚揮發物周期、解釋地-月撞擊史、提醒太陽遠古歷史、應用月球觀測宇宙、開展科研實驗、研討深空對人體的影響及防護辦法。這些科學目標基于長期的研討基礎，體現了國際科學界對月球摸索頂層科學問題的共識。截至 2022 年 4 月，共有 16 個國家參加了 Artemis 計劃。

近地空間站仍飾演主要腳色

作為有人參與的空間研討設施，國際空間站（International Space Station，ISS）運行 24 年來一向發揮著近地空間實驗室的優勢和主要感化，2022 年頭american宣布將 ISS 運營期延長到 2030 年。

ISS 裝載小樹屋了 20 多臺設備開展地理、空間環境和地球科學研討，設置裝備擺設了 30 多個專用和通用科學實驗機柜開展微重力等特別環境下人體、性命和微重力科學實驗，共完成了近 4 000 項科學實驗和應用項目，吸引了 103 個國家的科學家參與，在宇宙和天體、物質運動規律、人類長期太空飛行、生物藥物研發、復雜流體、燃燒科學等方面獲得大批結果，在 Nature、Science、Physical Review Letters 等期刊和會議上發表了近 3 000 篇高程度論文，出書了 2 200 多份科學出書物。2020 年 NASA 發布了 ISS“ISS 運行 20 年 20 年夜科學衝破”。貫徹“將 ISS 應用效能最年夜化”的方針，american和各參與國制訂實施了多個不斷滾動、科學內涵慢慢擴展的實驗研討計劃，產出的新知識和新技術不斷惠及人類安康和空中產業程度晉陞。

 技術變革和商業航天祐力空間科學

2014 年起，american太空摸索技術公司（Space-X）開始發展垂直收受接管重復應用火箭技術，迄今獵鷹 9 號運載火箭（Falcon 9）已實現一級火箭和助推器的同時收受接管和一箭十幾次重復應用；正在開發的所有的可重用超重型航天器星艦（Starship），直徑為 12 m、近地軌道（LEO）運載才能超過 100 噸，已完成了 10 km 高度的飛行和垂直下降測試，正在疾速迭代開發推進。這種變革性技術可看將進進空間的本錢下降兩個量級，實現航班化的空間運輸服務。此外，空間核推進、空間核動力等技術發展，將推動包含科學摸索在內的人類空間活動規模和程度進進新時代，更復雜和更強年夜的科學裝置、更具規模的深空摸索可看實現，開拓新發現的機遇。

商業航天近年來爆發性增長，例如一批商業航天巨頭鵲起，已在年夜型空間任務中承擔主要腳色。NASA“商業航天員計劃”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 屢次，為 NASA 節約了大批經費。NASA 還花費 4.15 億美元支撐了 3 個商業空間站提案的初期開發，希冀在后 ISS 時代繼續堅持 LEO 的空間研討才能。在 Artemis 計劃中，NASA 同樣通過商業采購征集艙段設計，推進商業月球載荷服務，向月面運送科學設備、實驗載荷等物資。

3.小結

綜上所述，長期的前瞻性科學規劃、更具大志的空間摸索計劃、不斷升級的科學項目設定、變革性技術的推動，將成為國際空間科學未來更高程度發展的要素，未來 20—30 年空間科學將獲得更年夜的成績。

我國空間科學的成績和近期計劃

我國空間科學發展重要通過載人航天工程、月球與深空探測工程和中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（以下簡稱“空間科學先導專項”）等推動。在我國航天科技界配合盡力下，20 年來研討程度顯著晉陞，在極端宇宙摸索、月球科學、冷原子時頻、量子科學實驗、微重力物理等方面獲得了主要結果；一些科研機構和高校積極提出空間科學任務建議，一批主要的空間研討和探測計劃正在實施，出現了蓬勃發展的傑出勢頭。以下概述我國空間科學的成績和近期計劃，并對筆者直接參加的載人航天空間科學任務和幾個地理衛星的情況稍做展開。

載人航天工程的空間科學任務

 載人飛船和空間實驗室1對1教學上的空間科學項目

（1）載人飛船階段科學項目。1992 年，中心同意實施載人航天工程。在第一個步驟載人飛船任務中，設定了我國當時規模最年夜，領域標的目的最廣的空間科學與應用計劃。神船二號（SZ-2）飛船到神船六號（SZ-6）飛船上開展了 28 項科學實驗：①空間性命科學方面，開展了多種生物的空間效應研討、卵白質結晶、空間細胞培養、細胞電融會等實驗；②微重力科學方面，開展了半導體光電子、金屬合金等資料的空間生長和晶體生長實時觀察、年夜馬蘭戈尼（Marangoni）數液滴熱毛細遷移實驗；③空間地理方面，開展了宇宙伽馬射線暴和太陽高能輻射探測；④地球科學方面，與國際同步發展了平分辨率成像光譜儀、多模態微波遙感器、卷云探測儀、地球輻射出入儀等新載荷。一切項目均為我國初次，起到了開創奠定感化，把握了主要的空間科學實驗方式和技術，推動了空間對地觀測技術的跨越發展，使我國空間科學上了一個新臺階。

（2）空間實驗室階段科學項目。2007—2017 年第二步空間實驗室任務中，在神船七號（SZ-7）、神船八號（SZ-8）飛船，天宮一號（TG-1）、天宮二號（TG-2）空間實驗室，以及天船一號（TZ-1）貨運飛船上，開展了 50 余項空間科學實驗。中德一起配合空間性命科學的 17 項實驗、高級植物培養實驗、空間干細胞增殖分化實驗獲得主要結果，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，獲得迄今最高頻率穩定度的實驗結果，中國-瑞士一起配合的伽馬暴偏振探測獲得國際最年夜樣本伽馬暴偏振度累積分布函數，發現偏振度的時間變化新現象；采用 Decoy 方式的量子密鑰分派實驗、復合膠體晶體生長實驗、12 種新型資料空間制備研討、多形態液橋熱毛細對流實驗等獲得主要結果；微波成像高度計作為國際首臺采用小進射角-短基線干預-孔徑分解新體制的陸地科學觀測設備，開拓了陸地動力現象觀測研討的新途徑，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研討方式創新。整體看，空間實驗室階段獲得了一批科學前沿和關鍵技術衝破的重點結果，為后續開展年夜規模的空間科學與應用任務奠基了基礎。

載人空間站的空間科學任務安排

經過 30 年堅持不懈的盡力，我國載人航天“三步走”的發展藍圖得以實現。載人空間站“天和”焦點艙已在軌運行超過 1 年；2022 年 7 月 24 日，“問天”實驗艙勝利發射并與焦點艙完成對接，隨后還將發射“夢天”實驗艙；2022 年末完成 3 艙在軌組裝建造，并在軌運行 10 年以上，是我國開展年夜規模系統性有人參與空間研討的歷史性機遇。

我國載人航天工程空間應用系統邀集組織國內近百位院士和千余位一線專家經過長期、多輪論證，構成了重點凸起、層次了了的科學與應用任務規劃。規劃分為 4 個領域：①空間性命科學與人體研討。深刻認識性命現象本質和人在太空的響應變化規律，研討性命和醫學基礎問題，支撐人類長期太空摸索，發展生物技術，為人類醫療安康服務。②微重力物文科學。開展流體物理（含軟物質）與熱物理、燃燒、資料科學的基礎和應用研討，加強對空中產業的支撐，基礎物理設定針對基礎物理規律的實驗研討。③空間地理和地球科學。加深對宇宙暗物質、暗能量、致密天體、星系構成演變、地球變化等嚴重科學問題的深刻懂得。④空間新技術與應用。發展和驗證新一代航天基礎技術、空間科學與應用新技術等。

今朝，空間站科學任務已制訂了多個研討計劃，到 2022 年頭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。我國分別與聯合國戰爭應用外層空間委員會（COPUOS）、ESA 一起配合征集科學項目，已同意空間性命科學、流體物理、空間地理等 19 項，約 40 個國家參與。國內外渠道都將持續征集項目，滾動培養、遴選及實施。

空間站安排了先進的科學研討設施，加壓艙內有十幾個科學實驗柜（表 3）。艙外裸露平臺設定了資料、生物、元器件等裸露實驗裝置。隨焦點艙發射的無容器資料實驗柜的樣品加1對1教學熱溫度超過 2 000℃，已產出科學結果；高微重力懸浮試驗在低頻段指標達到 10-7 g；“問天”實驗艙正在開展科學設備的在軌測試和調試，“夢天”實驗艙的科學設備正在緊張進行空中測試（圖 2）。艙內和艙外還有一批標準機柜空間和獨立載荷適配器接口，空間站投進運行后將通過貨運飛船上載科學探測載荷，升級和補充科學實驗設施。