中國網/中國發展門戶網訊 空間科學是依托空間飛行器平臺，研究日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間中的物理、天文、化學及生命等自然現象及其規律的科學。其所依托的空間飛行器，從早期的探空氣球和探空火箭，到現在已經普遍采用人造地球衛星、深空探測器和各類載人飛行平臺。

人類自1957年發射第一顆人造衛星以來，已經發射了數百顆科學衛星和深空探測器，極大地推進了人類對宇宙起源和演化、太陽系及其各天體、地球空間和地球系統，以及物質和生命在地球以外運動規律的認識，使人類對自然世界的認識發生了巨大的變化。很難想象，如果沒有人造衛星和之后的空間科學研究，人類對宇宙、地球和生命的認識可能還停留在很低的水平，愛因斯坦等偉大科學家的很多理論和設想，還只是停留在紙上，無法得到實驗的驗證。

回顧1957年以來空間科學的發展，經歷了2個明顯不同的發展階段。其大致可分為1958—1990年的大發現階段，1990年至今的技術創新引領的研究階段。

大發現階段（1958—1990年）。1957年蘇聯發射第一顆人造衛星之后，美國在1958年1月也發射了其第一顆人造衛星，并發現了地球輻射帶（被地球磁場限制在一定區域中的高能電子和質子）。其后美國、蘇聯這兩個航天技術先進國家，在太空競賽的大背景下，又不斷做出了很多新的科學發現，包括對地球、月球、金星、火星、太陽本身的認識，以及通過X射線望遠鏡對宇宙深處的觀測，獲得了銀河系的大量信息及河外其他星系的信息，也包括利用機器人和載人空間活動對月球的初步探測，以及對帶回來的月球樣品的研究。然而這些，大部分都是到達即發現的科學突破。也就是說，航天飛行器所達到的位置，為科學家提供了大量直接的新信息。例如：對地球輻射帶、行星際太陽風中電離粒子的原位探測，在地球軌道上由于居高臨下的優勢，對地球進行更宏觀的系統性的觀測（如對完整的臺風和其移動過程的觀測等）；到達月球表面去研究月球等。這有點像在地球上傳統的科學探險，必須首先要到達要探險的地點，才能獲得新的科學認知。我們把這一階段稱為大發現階段。在這個階段，實現科學的突破比較容易，只要把地面上成熟的探測器帶到太空中，就可以獲得新的發現。

技術創新引導的研究階段（1990年至今）。由于美國在20世紀60—70年代初實施的“阿波羅計劃”耗資巨大，政治影響遠大于其科學影響，促使美國科學界開始積極地倡導發射能夠有更多科學產出的計劃，推動了之后大量科學衛星的發射。另外，1975年成立的歐洲航天局（ESA）也從一開始就把自己的定位很大程度上放在了空間科學上。這些都促使了1990年以后的空間科學計劃更強調其科學探測儀器的先進性。也就是說，即使同樣在地球軌道上飛行，通過提升探測儀器的靈敏度和空間分辨率等探測方案的技術創新，來獲得新的科學發現和研究成果。具有代表性的科學計劃包括美國的哈勃太空望遠鏡（HST）、斯皮策太空望遠鏡（SST），“宇宙背景探測者”（COBE），“開普勒”（Kepler），以及通過精確測量在同軌道上飛行的前后2顆衛星之間的距離變化反演地球引力場（包括地下水變化）的“引力重建和氣候實驗計劃”（GRACE）等。在歐洲空間局，有通過多點探測方案獲取地球空間環境信息的“星簇計劃”（Cluster）等。當然在這一時期，到達即發現的任務仍然存在，但是必須選擇新的目的地，例如歐洲航天局的“尤利西斯計劃”（Ulysses），飛離了黃道面進入到了太陽極軌，以及美國航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）和歐洲航天局的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）對太陽進行了抵近探測等。

技術創新引導的研究階段一直延續至今，該階段最重要的特點是探測技術的不斷提升。這是因為空間科學需要新的數據、靈敏度更高的數據和空間分辨率更高的數據，需要在探測技術上不斷地提升。這里通常有2個提升途徑：一個是延續原來的技術路線，通過材料、工藝的提升，甚至望遠鏡口徑的增大來提高空間分辨率和探測靈敏度；另外一條路徑，更像是從“0”到“1”的創新，如采用創新的探測方案——多星編隊式的探測理論、干涉式的成像理論等。但無論哪種路徑，只要能提高分辨率、靈敏度，就能夠獲得新的數據，有希望獲得新的科學突破。

中國的空間科學起步較晚。2003年第一個真正意義上的科學衛星——“地球空間雙星探測計劃”的“探測一號”發射。它與之后發射的“探測二號”組成對地球空間的兩點探測，同時雙星計劃又和歐洲航天局4顆星組成的“星簇計劃”（Cluster）聯合，開展了對地球空間的六點探測。這是一個創新的多點探測的組合。2011年中國科學院實施空間科學戰略性先導科技專項，其中“悟空號”“墨子號”和“慧眼號”，也都是采用了創新的技術方案。

由此可見，自第1顆人造地球衛星發射半個多世紀以來，空間科學的研究范式已經從比較簡單和顯而易見的、所到即所得的大發現階段，進入到了一個必須依靠創新的技術和方案才能獲得新的數據的研究階段。即使是所到即所得式的任務，那些比較容易到達的目的地也都已經被前人所覆蓋，必須創新性的思考更加具有挑戰意義的新的目的地，比如在月球背面著陸，才能做出新的科學發現。

具有技術創新的科學任務從哪里來？

由于未來空間科學任務的產出越來越依賴于執行該任務的探測方案、科學載荷的創新度，因此對提出任務的首席科學家在技術領域的創新思想和能力的要求就變得越來越高。

參考國外遴選空間科學任務的經驗，所有成功的空間科學任務的起點，都來自早期在任務遴選中對探測方案和科學載荷創新度的要求。所謂早期遴選是指在任務思想剛剛形成的預研階段。在該階段，項目管理機構通常不是根據項目的成熟度來遴選，而是根據項目的創新性來遴選，哪怕可行性還達不到100%，只要其思想不違反基本科學原理，哪怕技術上還并不成熟，都有可能獲得支持。而提出該項目的首席科學家，在這個早期的預研階段，也許并不那么出名，但是一旦他們的建議得到支持，就會傾力投入，通過桌面實驗、環境實驗甚至最后階段的搭載實驗，驗證他們的創新想法，最終走到工程立項階段，成為一項真正的空間科學任務的首席科學家。

然而，沿用傳統技術，并通過更大規模的任務獲得新觀測數據的空間科學任務，更需要任務管理單位采用建制化的組織來領導。這種情況適用于更大的物理孔徑、更大的常規衛星組成的星座規模、更多的常規傳感器組合的任務等。這類任務需要任務管理單位任命更具有工程經驗的技術科學家或工程師來負責研制，同時任命一位可以充分利用這類任務數據的首席科學家來負責數據的處理、分析和科學應用。這類任務的首席科學家可能在任務進入工程階段才予以任命，與前面談到的技術創新類空間科學任務的首席科學家從預研開始就負責有所不同。但是他仍然需要具備充分的技術方面的知識，從而對觀測軌道的選擇、主要科學載荷技術指標的確定、輔助科學載荷的配置，以及對觀測規劃提出具體要求。

通常，在我們的高等教育體系中，往往對理科和工程類學科教育進行適度的分離，因此，很多理科的學生缺少工程技術方面的知識。當然個別以觀測為主要數據來源的學科，如天文學，也會有觀測技術方面的課程。盡管如此，在觀測技術方面提出創新思想仍然是較高的要求。此外，對工程類學科的學生，課程配置往往并不提供科學前沿的課程，如果學生在學習階段不思考、不關注科學前沿在哪里、有哪些科學問題需要通過更創新的技術來突破？他們往往也不會成為未來的首席科學家，或與首席科學家并肩作戰的載荷工程師。

總之，未來空間科學的發展已經與技術創新緊密聯系在了一起。沒有新思路、新方案、新載荷甚至新探測原理的突破，幾乎無法實現新的科學前沿的突破。而這些技術創新的來源，只能有2個：一個是具有深厚技術背景與技術創新能力的科學家，另一個有可能就是關注科學前沿并思考如何通過技術創新實現突破的工程師。

首席科學家的技術創新能力

我們傳統認識中的科學家，其科學產出往往以論文的形式為主。然而，在以觀測和實驗為主要研究手段的科學領域，越來越多的科學家的主要工作開始偏向設計新的實驗方法和路徑，以期獲得新的數據。這是因為，隨著現代科技的迅速發展，常規的實驗方法已經無法實現科學前沿的突破，或者說低垂的“果實”已經剩得不多了。如果想獲得新的科學突破，必須創新實驗和觀測方法，突破原有實驗的限制，獲取新的實驗數據，才能實現科學發現。

空間科學是一個典型的、以實驗或觀測數據為主要手段的科學領域。如前所述，在空間科學發展的初期，大量的科學發現是依靠所到即所得，也就是只要上了飛行器平臺進入了太空，或者飛行器第一次到達了以前人類從來沒有到達過的環境，也包括進入到微重力的環境中，任何探測器或觀測儀器所獲得的數據，都是科學發現。但是，通過幾十年的發展，空間科學的重大突破越來越依靠科學儀器的創新。為了確保這些創新技術的實施，各國在科學任務中越來越重視首席科學家所具備的技術創新能力。這樣的首席科學家往往既是任務的提出者，又是其主要探測或觀測方案的設計者。在科學任務的研制過程中，首席科學家的職責需要跟蹤研制過程，確保其提出的設計指標能夠滿足科學探測任務的需求。在研制中出現不可克服的困難時，首席科學家還需要做出決定，是否終止研制或推遲發射。在任務發射入軌后，首席科學家負責科學探測或觀測儀器的開機和測試、標定和定標，以及后續科學數據的應用，直至科學發現。在設計的任務周期結束后，首席科學家還需決定任務是否需要延壽繼續運行，直至最后任務結束后的科學產出的評估和總結。可見在以技術創新引領的研究階段，首席科學家需要具備很高的技術素養和技術創新能力。

然而在現實中，按照以理論產出為主培養出來的科學家，并不是都能夠在技術領域做出創新，或即使能夠提出創新的設計思路，也往往無法關注到那些工程設計和實施中的細節，而確保其想法能夠落實到研制中，并確保研制成功。因此，就出現了站在首席科學家背后的那些工程師們，特別是被稱為科學載荷的主任設計師的工程師。這個角色就像是軍隊中的軍長、公司中的首席執行官（CEO）。而首席科學家則是政委和董事長，政委負責指方向，軍長負責打勝仗；董事長負責定戰略，CEO負責具體實施。在具體任務中，這兩個角色所承擔的職責的分工，根據兩個人的能力和特長，可以相互補充。但是，比較理想的情況仍然是首席科學家應該具備更多的技術素養，并在任務的設計過程中能夠承擔更多的職責，而載荷主任設計師只承擔研制中的具體職責。這樣的配置比較容易確保首席科學家和工程師之間的溝通和任務的平穩實施，減少矛盾。成功的例子如“阿爾法磁譜儀計劃”（AMS）中的首席科學家丁肇中先生、美國的大部分探索（Explore）類計劃中的課題負責人（PI），以及中國的暗物質粒子探測衛星“悟空號”的首席科學家常進院士和“墨子號”量子科學實驗衛星的首席科學家潘建偉院士等。

可預見的部分重大技術創新領域

為了說明技術創新的可行性和重要意義，這里以7個比較重要的技術領域為例，將它們各自的前沿技術列出和突破點舉例說明。囿于篇幅，還不能包括這些領域中的所有技術前沿，也還沒有覆蓋其他具有更多前沿創新技術的領域。

光學望遠鏡的孔徑極限

眾所周知，光學望遠鏡的物理孔徑大小決定了其空間分辨率的高低，越大的孔徑對應的空間分辨率越高。而更高的空間分辨率，可以為天文學家提供更精確的對天體的觀測和新的發現，是研究宇宙起源與演化、暗物質和暗能量、系外行星等多個重大前沿科學問題的重要手段。

目前在地面上正在建造的最大的天文望遠鏡是歐洲極大孔徑望遠鏡（E-ELT），其物理孔徑為39米。在地面上建造大孔徑望遠鏡的難度不僅在于鏡面精度的保持，更在于使用中如何消除大氣對其產生的不可避免的擾動。因此，更大孔徑的望遠鏡需要在太空中建造，從而在沒有大氣擾動的環境中實現更高的分辨率。當然，在太空中建造大孔徑望遠鏡會引入其他困難，如克服空間環境和在太空中組裝的影響。目前在太空中最大孔徑的天文望遠鏡是由美國NASA為主建造的、2021年底發射的直徑6.5米的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），其空間分辨率與即將落成的E-ELT相比哪個更好還需進一步驗證。但可以確定的是，地面望遠鏡因大氣阻隔無法在可見光以外的頻段進行觀測，且即使在可見光頻段，觀測地點的選擇也非常重要，地球上最干燥和最好的觀測地點在一年中有效的觀測時間也是有限的。還有地面望遠鏡會受到所在地理位置的限制，無法看到完整的天區。

以上是傳統技術目前的極限，要想突破JWST 6.5米的孔徑，需要人類投入更多的經費和更長的研制時間。中國載人航天工程正在研制的2米孔徑的巡天望遠鏡，采取了一些不同的技術突破，包括比哈勃太空望遠鏡更大的視場及更多的觀測頻段，力爭在一些分項領域里獲得科學前沿的突破。

與此同時，一種新興的突破性技術正在興起，這就是干涉式成像技術。該技術利用不同的小孔徑的望遠鏡觀測信號兩兩之間的相干信號（包含相位信息的乘積）獲得目標在傅里葉域中的采樣點，并通過算法再反演到目標空間域中的圖像。其小孔徑望遠鏡之間的最大物理距離（稱為干涉基線），決定了最終圖像的空間分辨率。然而，由于多個小孔徑望遠鏡的所有接收面積加起來的總面積，仍不如一個實孔徑的望遠鏡，其探測靈敏度將受到損失。歐洲南方天文臺在智利由4個8米孔徑的地面望遠鏡（VLT）組成的干涉陣列已經成功獲得了干涉圖像。

光學望遠鏡的視場

除了增大孔徑，包括干涉式綜合孔徑帶來的分辨率優勢以外，成像視場范圍的增大可以提高巡天的效率。為了極大地提高視場范圍，傳統技術的提升就是使用多個小視場的望遠鏡來增大視場覆蓋，如歐洲空間局的“柏拉圖計劃”（PLATO）。此外，在X射線波段出現了突破性的技術——類似于龍蝦眼的多孔徑寬視場成像技術，極大地突破了巡天視場的范圍，如我國不久前發射的“愛因斯坦探針計劃”（EP）。

低頻射電望遠鏡的孔徑極限

在低頻射電波段，由于受到電離層的阻隔，該波段也是望遠鏡必須到太空才能開展觀測的天文觀測波段。由于低頻射電的波長比可見光長9—10個數量級，要想得到和光學波段相當的空間分辨率，其物理孔徑的規模是可想而知且不可能實現。但如果采用上面所說的干涉式成像方法，其可行性則提高了很多。2019年獲得諾貝爾物理學獎的第一幅黑洞的射電頻段照片，就是采用這個干涉式成像技術，只不過它的觀測頻段是毫米波段，在地球上觀測仍然是可行的。

在更低的射電頻段，大氣層中的電離部分阻隔了30 MHz以下的電磁波。在地球表面無法有效觀測到來自宇宙低于30 MHz頻率以下的信號。而這個頻段的信號會帶來宇宙早期由氫原子中的電子躍遷產生的1.4 GHz的輻射，特別是在出現恒星的第一縷光之前，當宇宙中僅充滿著中性氫原子的時候——稱為宇宙的黑暗時代，這是宇宙中唯一可以測量的頻率。但這個頻率在現在的宇宙中已經通過紅移退減到30 MHz以下。因此要想了解宇宙早期黑暗時代的信號，就需要到太空中去觀測。

在這個領域，一種利用月球軌道開展小衛星的編隊飛行，實現利用干涉式綜合孔徑技術的成像計劃就頗為吸引人，有望成為該技術在太空中的重大突破，實現物理孔徑達到100千米甚至更長的低頻射電觀測。由于計劃是在月球軌道上飛行，當編隊飛到月球背面時進行觀測，可以避開來自地球自然（雷電）和人為的電磁干擾，獲得來自宇宙深空的低頻射電信息。

高精度的天體測量

精確測量遙遠天體之間的距離，被稱為是高精度的天體測量。同樣，如果在地面上開展天體測量，大氣層的湍流和擾動，極大地限制了觀測精度。因此，在太空開展高精度的天體測量也是一個技術前沿。除了為宇宙繪制精密的圖像以外，高精度天體測量還有一個新應用方向——發現系外行星。其基本原理是利用行星圍繞恒星轉動時，由于引力作用對其位置產生的擾動。如果能對這顆恒星位置的變化規律進行長期觀測，就可以獲得圍繞其旋轉的所有行星的信息，包括它們完整的軌道信息和質量信息。歐洲空間局發射的“蓋亞計劃”（GAIA）就是國際上第一個天體測量計劃。但由于其精度還不是很高，還不能用于對類地系外行星的普查工作。中國科學家提出的用于系外行星發現、更高精度的天體測量計劃——“近鄰宜居行星巡天計劃”（CHES）目前正在論證之中。

對地球空間的多點和成像觀測

自人類發射人造地球衛星以來，對地球空間磁場和粒子的探測都是采用原位（in-situ）觀測的方式，也就是直接測量衛星周圍的磁場和粒子。這種觀測技術雖然準確并能夠直接反映衛星經過地點的空間環境，但是對于隨著來襲的太陽風而變化的磁場和粒子環境，單個衛星已經無法區分其觀測數據的變化是由于空間位置的變化還是由于輸入太陽風的變化。因此采用多點、即衛星編隊來探測空間環境成為新的探測方式。然而，由于多顆衛星的成本遠高于單顆衛星，新的編隊探測也在向采用微小衛星甚至微納衛星編隊方向發展。此外，對粒子空間分布的探測還出現了遙感成像技術，包括在紫外頻段對中性原子的成像和在X射線頻段對磁層頂中性氫受太陽風粒子激發的X射線輻射的成像。這些新的地球空間探測技術，將進一步提升人類對地球空間及其變化規律的認識。

高精度的空間基線測量

前文曾提到過通過2顆衛星之間高精度的距離測量，在地球軌道上可以測量地球重力場的異常并反演地下水隨季節的變化的GRACE計劃。這種技術的進一步發展，在激光波段，可以成為在更高的軌道上實現數十萬千米到上百萬千米長的基線的高精度測量，從而反演空間引力波。這是用電磁波觀測宇宙之后的又一種觀測手段。如果電磁波信息提供的是宇宙的圖像，引力波提供的則是宇宙中的“聲音”。

如果將探測器之間的距離測量的精度提高到p米的精度，就可以通過3個探測器形成的3條基線來探測空間引力波。目前這個技術仍然在地面預研之中，歐洲空間局和中國都有相關計劃在推進。相信在不遠的將來，激光干涉的高精度空間距離測量就會成為一個新的、重要的天文觀測手段。

觀測位置上的新突破

所到即所得的空間科學計劃一般比較容易提出。但是經過近70年的發展，大部分重要的空間位置已經都被訪問過了。太陽系中的八大行星及其主要行星也都至少被近距離飛越式地探測過了。然而，仍然存在很多區域可以考慮，例如，幾個極端的位置，抵近太陽、太陽極軌和太陽系邊界。在這幾個位置，已經去過的探測計劃均只獲得了很初步的信息。例如，太陽極軌，只獲得過原位探測的信息，沒有對太陽極區進行過成像探測。又如對太陽系邊界的探測，也只有極為少量的磁場和高能粒子的探測數據。對太陽的抵近探測，也還沒有突破10個太陽半徑的距離。此外對金星的著陸僅有1次，由于超過400℃的高溫，著陸器只生存了不到1小時獲得了極少量的數據就失效了，也并沒有開展過巡視探測。

以上的特殊位置或地點的突破，或者是同一地點的、采用新的儀器和更強的能力的拓展探測，就一定會有新的數據和科學突破。

愛因斯坦曾經預言：“未來科學的發展，無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。”空間科學既研究宇宙起源和演化，也研究暗物質粒子和生命的起源，同時覆蓋了宏觀和微觀的科學前沿，因此是實現重大科學突破的重要科學領域。經過近70年的發展，空間科學已經不再是只要能進入太空，就可獲得科學發現的階段，進入到必須靠技術創新才能獲得新數據和科學發現的新階段。

然而無論是探測方案上的創新，還是探測能力上的提升，都需要通過激勵和培育；經過從預研到實驗驗證的研究階段，才能發展為真正的空間科學衛星計劃。因此，任務管理機構需要對這個階段的項目給予充分的關注并匹配足夠的研究經費。而這些任務均需要具有較深技術背景和素養的科學家提出并領導，這些科學家就是未來空間科學衛星任務的首席科學家。

在未來空間科學領域中的技術創新方面，本文也做了一些預測。文中提到的這些相關技術，都是初露苗頭或正在發展的新技術，應該引起我們空間科學任務的管理機構的充分關注甚至是重點培育。然而，更具創新的、特別是突破性的技術是很難預測的，也是光靠喊口號換不出來的，需要我們從激勵創新的科研生態的建立，對青年科技人員的關注和支持，以及大量的前期預研經費的投入等方面予以重視。

未來空間科學的發展絕不是輕而易舉的，其中技術創新起著最為關鍵甚至是決定性的作用。只要我們認識到這一點，就一定可以找到辦法和工作思路，讓我國的空間科學盡快在世界上成為引領的力量，讓我國科學家盡快在科學的宏觀和微觀前沿作出重大突破，讓我們激勵出的創新技術不但在空間科學任務中創造奇跡，并在更為廣泛的天地場景中得到應用。

（作者：吳季，中國科學院國家空間科學中心。《中國科學院院刊》供稿）