我國空間科學的成就和近期計劃
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中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 我國空間科學發(fā)展主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(zhàn)略性先導科技專項（以下簡稱“空間科學先導專項”）等推動。在我國航天科技界共同努力下，20?年來研究水平顯著提升，在極端宇宙探索、月球科學、冷原子時頻、量子科學實驗、微重力物理等方面取得了重要成果；一些科研機構(gòu)和高校積極提出空間科學任務建議，一批重要的空間研究和探測計劃正在實施，出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的良好勢頭。以下概述我國空間科學的成就和近期計劃，并對筆者直接參加的載人航天空間科學任務和幾個天文衛(wèi)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上的空間科學項目
（1）載人飛船階段科學項目。1992?年，中央批準實施載人航天工程。在第一步載人飛船任務中，安排了我國當時規(guī)模最大，領(lǐng)域方向最廣的空間科學與應用計劃。神舟二號（SZ-2）飛船到神舟六號（SZ-6）飛船上開展了?28?項科學實驗：①空間生命科學方面，開展了多種生物的空間效應研究、蛋白質(zhì)結(jié)晶、空間細胞培養(yǎng)、細胞電融合等實驗；②微重力科學方面，開展了半導體光電子、金屬合金等材料的空間生長和晶體生長實時觀察、大馬蘭戈尼（Marangoni）數(shù)液滴熱毛細遷移實驗；③空間天文方面，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(fā)展了中分辨率成像光譜儀、多模態(tài)微波遙感器、卷云探測儀、地球輻射收支儀等新載荷。所有項目均為我國首次，起到了開創(chuàng)奠基作用，掌握了重要的空間科學實驗方法和技術(shù)，推動了空間對地觀測技術(shù)的跨越發(fā)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，在神舟七號（SZ-7）、神舟八號（SZ-8）飛船，天宮一號（TG-1）、天宮二號（TG-2）空間實驗室，以及天舟一號（TZ-1）貨運飛船上，開展了?50?余項空間科學實驗。中德合作空間生命科學的?17?項實驗、高等植物培養(yǎng)實驗、空間干細胞增殖分化實驗取得重要結(jié)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，取得迄今最高頻率穩(wěn)定度的實驗結(jié)果，中國-瑞士合作的伽馬暴偏振探測取得國際最大樣本伽馬暴偏振度累積分布函數(shù)，發(fā)現(xiàn)偏振度的時間變化新現(xiàn)象；采用?Decoy?方法的量子密鑰分配實驗、復合膠體晶體生長實驗、12?種新型材料空間制備研究、多形態(tài)液橋熱毛細對流實驗等取得重要結(jié)果；微波成像高度計作為國際首臺采用小入射角-短基線干涉-孔徑合成新體制的海洋科學觀測設(shè)備，開拓了海洋動力現(xiàn)象觀測研究的新途徑，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究方法創(chuàng)新。整體看，空間實驗室階段取得了一批科學前沿和關(guān)鍵技術(shù)突破的重點成果，為后續(xù)開展大規(guī)模的空間科學與應用任務奠定了基礎(chǔ)。
載人空間站的空間科學任務部署
經(jīng)過?30?年堅持不懈的努力，我國載人航天“三步走”的發(fā)展藍圖得以實現(xiàn)。載人空間站“天和”核心艙已在軌運行超過?1?年；2022?年?7?月?24?日，“問天”實驗艙成功發(fā)射并與核心艙完成對接，隨后還將發(fā)射“夢天”實驗艙；2022?年底完成?3?艙在軌組裝建造，并在軌運行?10?年以上，是我國開展大規(guī)模系統(tǒng)性有人參與空間研究的歷史性機遇。
我國載人航天工程空間應用系統(tǒng)邀集組織國內(nèi)近百位院士和千余位一線專家經(jīng)過長期、多輪論證，形成了重點突出、層次明晰的科學與應用任務規(guī)劃。規(guī)劃分為?4?個領(lǐng)域：①空間生命科學與人體研究。深入認識生命現(xiàn)象本質(zhì)和人在太空的響應變化規(guī)律，研究生命和醫(yī)學基礎(chǔ)問題，支持人類長期太空探索，發(fā)展生物技術(shù)，為人類醫(yī)療健康服務。②微重力物理科學。開展流體物理（含軟物質(zhì)）與熱物理、燃燒、材料科學的基礎(chǔ)和應用研究，加強對地面產(chǎn)業(yè)的支持，基礎(chǔ)物理安排針對基本物理規(guī)律的實驗研究。③空間天文和地球科學。加深對宇宙暗物質(zhì)、暗能量、致密天體、星系形成演化、地球變化等重大科學問題的深入理解。④空間新技術(shù)與應用。發(fā)展和驗證新一代航天基礎(chǔ)技術(shù)、空間科學與應用新技術(shù)等。
目前，空間站科學任務已制定了多個研究計劃，到?2022?年初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(lián)合國和平利用外層空間委員會（COPUOS）、ESA?合作征集科學項目，已批準空間生命科學、流體物理、空間天文等?19?項，約?40?個國家參與。國內(nèi)外渠道都將持續(xù)征集項目，滾動培育、遴選及實施。
空間站部署了先進的科學研究設(shè)施，加壓艙內(nèi)有十幾個科學實驗柜（表?3）。艙外暴露平臺安排了材料、生物、元器件等暴露實驗裝置。隨核心艙發(fā)射的無容器材料實驗柜的樣品加熱溫度超過?2?000℃，已產(chǎn)出科學成果；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(shè)備的在軌測試和調(diào)試，“夢天”實驗艙的科學設(shè)備正在緊張進行地面測試（圖?2）。艙內(nèi)和艙外還有一批標準機柜空間和獨立載荷適配器接口，空間站投入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(shè)施。
空間站重大科學研究設(shè)施部署了?2?m?口徑巡天空間望遠鏡（CSST），與空間站同軌飛行，可與空間站對接進行維修升級，現(xiàn)已進入初樣研制階段，預計?2024?年發(fā)射，是我國空間天文的旗艦項目。CSST具有與哈勃望遠鏡基本相同的角分辨率和大?300?倍的有效視場，配有大焦面巡天相機、多通道成像儀、積分視場光譜、星冕儀、太赫茲譜儀?5?個后端儀器，以多色測光和無縫光譜巡天為主，圍繞宇宙學、星系與活動星系核、銀河系和恒星、天體測量、系外行星、太陽系天體和暫現(xiàn)源等內(nèi)容開展觀測研究。同時，已成立了?4?個科學研究中心和聯(lián)合科學中心，立項了?24?個課題（近百項子課題），600?多位科學家參加相關(guān)科學研究和發(fā)射前的科學分析軟件準備。CSST?與歐美基本同期開展的空間光學巡天項目在觀測波段、分辨率等方面協(xié)同互補（表?4），將成為繼地面斯隆數(shù)字巡天（SDSS）后最具科學發(fā)現(xiàn)潛力的光學天文巡天任務。
在空間站建造之后的應用與發(fā)展階段，規(guī)劃了第二個旗艦型項目——高能宇宙輻射探測設(shè)施（HERD）。這是我國主導、歐洲多國合作的重大空間科學項目。它采用了創(chuàng)新的三維量能器和完善的系統(tǒng)設(shè)計，其測量宇宙線中電子和核子的能量范圍和探測靈敏度比現(xiàn)所有設(shè)備高?1?個量級或數(shù)?10?倍（電子擴展到?100?TeV，核子探測能區(qū)擴展到?3?PeV），高能伽馬射線觀測的視場和能區(qū)有數(shù)倍的增加。HERD?將以前所未有的能力開展宇宙線起源、成分、加速機制研究，測量高能電子和伽馬射線能譜搜尋暗物質(zhì)信號，開展高能伽馬射線巡天監(jiān)測，成為同時代最強大的空間暗物質(zhì)搜尋和宇宙高能輻射探測研究設(shè)施。
載人月球探測的醞釀和規(guī)劃
我國正在醞釀和規(guī)劃載人月球探測，將分為關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和深化論證、載人登月和月球科研站?3?個階段分步推進。為夯實載人月球探測基礎(chǔ)，更好地規(guī)劃載人月球任務的科學探索和應用，已廣泛征集了大量研究建議，組織國內(nèi)各方面專家開展了反復論證，形成了初步共識。
（1）月球科學方面。月球形成、月球內(nèi)/外動力演化、月表特殊環(huán)境、水和揮發(fā)分分布與來源等是月球科學、地月系統(tǒng)乃至太陽系形成演化的重大科學問題。
（2）月球利用方面。要更深入研究月球地質(zhì)與資源分布、物質(zhì)高效利用與循環(huán)體系、低重力物質(zhì)運動規(guī)律，開展獨特的月基觀測研究。
（3）月面生存方面。將加強人體和生物響應機制與適應調(diào)控、輻射防護、月面生態(tài)系統(tǒng)與生存保障研究和技術(shù)開發(fā)。
在上述研究任務的基礎(chǔ)上，先期安排了數(shù)字月球、月面地質(zhì)與資源勘查、月球空間環(huán)境要素探測、月塵探測及作用機理、月球樣品采集檢測與封裝等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。為支撐載人月球探測工程實施和月面活動，獲取更多科學產(chǎn)出和應用效益，已開展了載人登月著陸區(qū)遴選、高精度全月面三維地形測繪和資源勘察、月面科學與應用任務方案等論證。我國載人月球探測將在載人航天和無人月球探測長期積累的工程技術(shù)和科學研究基礎(chǔ)上穩(wěn)步推進。
科學衛(wèi)星
空間科學先導專項衛(wèi)星
中國科學院在?2003—2004?年實施了地球空間雙星探測計劃，這是我國第一個真正意義上的科學衛(wèi)星任務，具有開創(chuàng)意義，也是與?ESA?星簇計劃（luster）相配合的國際合作項目，在磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴的觸發(fā)機制等方面取得重要成果。隨后，經(jīng)國務院批準，2011?年中國科學院正式啟動實施空間科學先導專項，其以科學衛(wèi)星計劃為核心，對推動我國空間科學發(fā)展具有重大意義。
（1）專項一期的科學衛(wèi)星。空間科學先導專項一期有較高起點，實施的?4?個科學衛(wèi)星計劃均取得了顯著成就：①暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空號”（DAMPE，2015?年）。直接測量了宇宙射線電子能譜在約?1.4?TeV?處的拐折，對于判定部分能量低于?1?TeV?宇宙線電子是否來自于暗物質(zhì)起著指引作用；②實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星（SJ-10，2016年）。開展了?28?項微重力和生命科學實驗，包括在國際上首次開展的?15?項，在空間生命科學與微重力流體方面獲得了新認知；③量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”（2016?年）。在國際上率先實現(xiàn)了星-地千公里級雙向量子糾纏分發(fā)和相距?1?200?km?兩個地面站間的量子態(tài)遠程傳輸；④硬?X?射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼號”（HXMT，2017?年）。是我國第一顆?X?射線天文衛(wèi)星，以天文臺模式運行，共征集了?194?個核心和客座觀測提案，93?個機遇觀測提案，涉及觀測目標超過?500?個，參與的國內(nèi)單位?21?個，國外單位?15?個。HXMT?運行?4?年多來成果豐碩，截至?2022?年初相關(guān)成果共發(fā)表論文超過?100?篇，重要科學成果包括：對首個雙中子星并合引力波事件在?0.20—5?MeV?能區(qū)給出了最嚴格的限制；通過發(fā)現(xiàn)?90?keV?最高能量中子星回旋吸收線測量到的宇宙最強磁場約為?10?億 T；通過在黑洞系統(tǒng)測量到能量高于?200?keV?的最高能量準周期振蕩信號，發(fā)現(xiàn)距離黑洞最近的相對論噴流；發(fā)現(xiàn)首例與快速射電暴關(guān)聯(lián)的?X?射線暴，并且證認其來自于銀河系磁星?SGR J1935+2154；發(fā)現(xiàn)黑洞雙星中逃離黑洞強引力場向外高速運動的等離子體流等。
（2）專項二期進展。空間科學先導專項二期目前正在實施中。①微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星“太極一號”（2019?年）。實現(xiàn)了高精度空間激光干涉測量，測試了微牛量級射頻離子和霍爾兩種微推技術(shù)。②引力波暴高能電磁對應體全天監(jiān)測器（GECAM，2020?年）。成功觀測到伽馬射線暴、天蝎座?X-1?的地球掩食、X?射線脈沖星和太陽耀斑等。③正在研制的另外?3?顆科學衛(wèi)星。先進天基太陽天文臺（ASO-S）、愛因斯坦探針（EP）、太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）進展順利，將于?2022—2024?年陸續(xù)發(fā)射。其中，EP?衛(wèi)星（圖?3）致力于?X?射線時域天文，目標是發(fā)現(xiàn)?X?射線劇變天體，探索沉寂黑洞耀發(fā)和引力波源?X?射線信號等，載荷為寬視場望遠鏡（WXT）和后隨望遠鏡（FXT），探測能段?0.5—4?keV。WXT在國際上首次大規(guī)模采用龍蝦眼微孔X射線成像技術(shù)和?CMOS?X?射線探測器，12?個子望遠鏡形成?3?600?平方度大視場進行凝視監(jiān)測，探測到耀發(fā)信號后觸發(fā)衛(wèi)星姿態(tài)機動使天體目標進入?FXT?視場（38′）；FXT?采用?Wolter-I?型掠射聚焦望遠鏡，以更高的分辨率（30″）和定位精度（優(yōu)于4″）開展精細后隨觀測，并通過北斗短報文等星地鏈路傳遞耀發(fā)天體坐標信息，引導其他天地設(shè)備協(xié)同觀測。EP?的強大探測能力可望取得高水平的科學產(chǎn)出，已轉(zhuǎn)入正樣階段。
空間科學先導專項還部署了一批重要的科學背景型號，包括空間引力波探測（太極計劃）、X?射線偏振與時變探測衛(wèi)星（eXTP）兩個大型項目，以及中高軌量子衛(wèi)星等十幾項任務，正在推動三期科學衛(wèi)星項目的深化論證和遴選，圍繞極端宇宙、時空漣漪、日地全景、宜居行星等科學主題，爭取更高水平、更先進的科學衛(wèi)星進入后續(xù)實施。
其他科學衛(wèi)星
2010?年以來，我國國家國防科技工業(yè)局、科學技術(shù)部和有關(guān)部委、相關(guān)高校，啟動和規(guī)劃了一批科學衛(wèi)星或試驗性衛(wèi)星，包括全球二氧化碳監(jiān)測衛(wèi)星（TANSAT，2016?年）、張衡一號（2018?年）電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星、天琴一號空間引力波技術(shù)試驗衛(wèi)星（2019?年）、羲和號太陽探測科學技術(shù)試驗衛(wèi)星（2021?年）、清華大學采用微納衛(wèi)星的“極光計劃”（2018?年）和“天格計劃”，以及中國科學院可持續(xù)發(fā)展科學衛(wèi)星?1?號（SDGSAT-1，2021?年）等，取得了一批重要成果。
宇宙暫現(xiàn)源監(jiān)視器（SVOM）衛(wèi)星是中法兩國航天局合作框架下的天文衛(wèi)星（圖?4），目標是發(fā)現(xiàn)和快速定位伽馬暴，全面測量伽馬暴的電磁輻射性質(zhì)，研究伽馬暴及其余輝。科學載荷由中法雙方分工研制，包括伽馬監(jiān)視器（GRM），編碼孔徑?X?成像儀（ECLAIR）、軟X射線成像（MXT）、可見光望遠鏡（VT）。在軌觀測時，探測到爆發(fā)現(xiàn)象時將依次觸發(fā)不同波段探測器、衛(wèi)星姿態(tài)逐次機動實現(xiàn)天體目標輻射能區(qū)由高到低觀測，獲取伽馬射線暴和其他變源在各能區(qū)輻射特性及隨時間變化規(guī)律。目前，衛(wèi)星已轉(zhuǎn)入正樣階段，計劃?2023?年發(fā)射，有望在宇宙暫現(xiàn)源研究等方面取得創(chuàng)新成果。
月球與深空探測
探月工程
我國嫦娥探月工程于?2006?年被列為國家重大科技專項。工程規(guī)劃為“繞、落、回”三期，在環(huán)月探測、月面著陸巡視、月背著陸及采樣返回等重大技術(shù)和科學研究方面取得矚目成就，為我國進一步開展深空探測活動奠定了堅實基礎(chǔ)。
嫦娥一號實現(xiàn)了我國首次月球環(huán)繞探測，取得我國首幅月球地質(zhì)圖和月球構(gòu)造綱要圖。嫦娥二號完成了更高分辨率的環(huán)月探測，獲取了?7?m?分辨率的月表三維影像數(shù)據(jù)和多種元素全月面分布數(shù)據(jù)。嫦娥三號首次實現(xiàn)落月，開展了月面巡視勘察，獲得著陸區(qū)月壤的化學組成、礦物組成、月壤厚度及其下覆三套玄武巖等的系列成果。
嫦娥四號和嫦娥五號實現(xiàn)了工程技術(shù)重大突破，科學探測取得重大成果。嫦娥四號實現(xiàn)了人類航天器首次月球背面軟著陸，揭示了月球背面地下?40?m?深度內(nèi)的地質(zhì)分層結(jié)構(gòu)和月幔的物質(zhì)組成，首次在月表開展能量中性原子的就位探測和月表粒子輻射環(huán)境探測。嫦娥五號完成了月表鏟取和鉆取、采樣封裝并成功返回地球，獲得?1?731?g?月壤樣品，通過樣品分析發(fā)現(xiàn)月球的巖漿活動一直持續(xù)到距今約?20?億年，月球地質(zhì)壽命比此前推測的又延長了?8?億年；精準測定了玄武巖樣品形成年齡為?20.30±0.04?億年，將之前認定的巖漿洋活動時間延長了?800?萬—900?萬年，估算到玄武巖月幔源區(qū)的最高水含量小于?5?μg/g。
嫦娥探月四期工程已于?2021?年經(jīng)國家批準，以月球南極地區(qū)作為主要探測目標，規(guī)劃了嫦娥六號、七號和八號任務，2024—2030?年實施，實現(xiàn)月球背面采樣、月球南極巡視探測，并計劃與俄羅斯等國家合作在月球南極建設(shè)國際月球科研站基本型。
小行星與深空探測
我國首個火星探測器天問一號于?2020?年7月發(fā)射，國際上首次第一次任務就實現(xiàn)火星環(huán)繞、著陸和巡視探測，開展火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征，火星土壤特征與水冰分布、物質(zhì)組成、大氣電離及氣候與環(huán)境特征，火星物理場與內(nèi)部結(jié)構(gòu)等探測研究。至今天問一號巡視器、著陸器、環(huán)繞器均正常工作，獲取了大量科學數(shù)據(jù)。我國正在醞釀和規(guī)劃?2030?年左右實施火星采樣返回任務。
小行星采樣返回任務預計?2025?年前后實施，計劃通過一次發(fā)射實現(xiàn)近地小行星采樣返回和主帶彗星繞飛探測，對太陽系典型小天體的特征和演化機理、太陽系早期物質(zhì)和生命信息等進行研究。
我國正在醞釀論證木星系探測及太陽系邊際探測，主要研究木星磁層結(jié)構(gòu)、木衛(wèi)二大氣和冰層，尋找地外生命信號，以及研究日球?qū)哟蟪叨热S結(jié)構(gòu)、太陽風傳播演化、日球?qū)舆吔绾托请H空間特征等，并穿越探測木星、土星、海王星等外太陽系天體，研究太陽系起源與演化。
（作者：顧逸東，中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心；《中國科學院院刊》供稿）