中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 2021?年?12?月?25?日，詹姆斯?·?韋布空間望遠(yuǎn)鏡經(jīng)歷?25?年研制，多次推延，花費(fèi)約?110?億美元巨資后，終于在法屬圭亞那庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)成功升空。該望遠(yuǎn)鏡作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的“繼任者”，其發(fā)射過(guò)程被全球超過(guò)?3?億人通過(guò)媒體觀看；2022?年?7?月?12?日，美國(guó)拜登政府專門舉行發(fā)布會(huì)展示了該望遠(yuǎn)鏡拍攝的首批全彩色圖像，引起全社會(huì)極大關(guān)注。人類探索宇宙奧秘重大活動(dòng)的影響可見(jiàn)一斑。實(shí)際上，與名氣爆棚的哈勃望遠(yuǎn)鏡并稱為“四大軌道天文臺(tái)”的，還有斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X射線天文臺(tái)和康普頓伽馬射線天文臺(tái)，它們都取得了重大科學(xué)成果。世界多國(guó)還發(fā)射了?3?代測(cè)量宇宙微波背景的宇宙背景探測(cè)器（COBE）、威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），以及普朗克（Plank）衛(wèi)星等約?120?多顆天文衛(wèi)星，為現(xiàn)代天文學(xué)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，與地面天文臺(tái)的貢獻(xiàn)各占了半壁江山。

空間科學(xué)是探索宇宙和自然規(guī)律的空間活動(dòng)，包括了空間物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)、空間天文學(xué)、月球與行星科學(xué)、空間地球科學(xué)、空間生命科學(xué)、微重力物理等分支，領(lǐng)域廣泛，并孕育了新的交叉研究方向。人類進(jìn)入空間?65?年來(lái)，規(guī)模宏大的空間活動(dòng)此起彼伏，有力推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步。縱觀幾十年的空間活動(dòng)，其實(shí)際效益體現(xiàn)在兩大方面。①空間應(yīng)用。深入地滲透到經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、公眾生活和軍事活動(dòng)各方面，推動(dòng)了社會(huì)信息化發(fā)展，成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的基礎(chǔ)保障。②空間科學(xué)探索。人類沖破地球大氣層進(jìn)入太空后，開(kāi)辟了全新的研究途徑，科學(xué)探索的廣度、深度和范圍極大拓展，深入研究了發(fā)生在地球、日地空間、太陽(yáng)系乃至整個(gè)宇宙的物理、化學(xué)和生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律，取得重大成就。 

空間科學(xué)的成就和發(fā)展趨勢(shì)

空間科學(xué)的成就概述

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在迄今為止人類發(fā)射的全部?6?000多個(gè)空間飛行器中（近年發(fā)射的立方星和低軌大規(guī)模星座除外），有?900?多顆專門從事科學(xué)研究的衛(wèi)星和深空探測(cè)器，以及多個(gè)載人空間實(shí)驗(yàn)室和空間站。特別是載人空間實(shí)驗(yàn)室和空間站作為綜合性研究設(shè)施，完成了近萬(wàn)項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)施了幾十個(gè)國(guó)際空間科學(xué)研究計(jì)劃，開(kāi)展了規(guī)模宏大的空間科學(xué)探測(cè)、實(shí)驗(yàn)和研究活動(dòng)。

（1）空間物理學(xué)和太陽(yáng)物理學(xué)。揭示了太陽(yáng)爆發(fā)和太陽(yáng)高能輻射機(jī)制；發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)是攜帶磁場(chǎng)的高速等離子體流，并擴(kuò)散于整個(gè)太陽(yáng)系，初步揭示了太陽(yáng)風(fēng)與星際介質(zhì)相互作用的特征和規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶，描述了地球和行星磁層結(jié)構(gòu)，以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響機(jī)理，建立了全新的日-地空間和行星際空間的物理圖像，由此開(kāi)拓了空間天氣研究和保障。

（2）空間天文學(xué)。開(kāi)拓了全電磁波段天文、粒子天體物理，推動(dòng)天文學(xué)進(jìn)入多信使新時(shí)代；發(fā)現(xiàn)了大批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外行星；研究了天體爆發(fā)和時(shí)變現(xiàn)象，揭示了極端條件下的天體物理過(guò)程，推動(dòng)了宇觀和微觀物理研究的結(jié)合；精細(xì)測(cè)量了宇宙微波背景輻射，計(jì)算出宇宙年齡和組成，證實(shí)了宇宙的加速膨脹，推動(dòng)建立了宇宙重子物質(zhì)循環(huán)和爆炸宇宙學(xué)理論框架，促進(jìn)對(duì)宇宙和天體認(rèn)識(shí)的革命性進(jìn)步。

（3）月球和行星科學(xué)（太陽(yáng)系科學(xué)）。對(duì)月球和太陽(yáng)系所有行星及其衛(wèi)星、矮行星、小行星、彗星的物質(zhì)組成、形貌、地質(zhì)、大氣、物理場(chǎng)等進(jìn)行了觀測(cè)或原位探測(cè)取樣；對(duì)月球形成演化取得新認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)火星存在水和甲烷，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二等內(nèi)體海洋，構(gòu)建了較完整的太陽(yáng)系及太陽(yáng)系天體的知識(shí)體系。

（4）空間地球科學(xué)。開(kāi)創(chuàng)并推動(dòng)了地球系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展，獲取了全球重力場(chǎng)、大氣流場(chǎng)、冰水分布動(dòng)態(tài)變化，描述了海洋環(huán)流、地球能量收支，初步揭示了地球大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈耦合過(guò)程，推動(dòng)了全球變化等重大科學(xué)問(wèn)題的深入研究。

（5）空間生命科學(xué)。取得了人體和各類生物及其不同組成層次對(duì)微重力響應(yīng)機(jī)制的重要認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)輻射的生物學(xué)旁效應(yīng)，揭示了空間條件影響人體各系統(tǒng)的重要機(jī)理及對(duì)抗措施，保障了近地軌道航天員較長(zhǎng)時(shí)間生存和活動(dòng)；拓展了對(duì)生命存在條件的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了地外生命可能存在的跡象，取得生物藥物空間制備的一系列成果。

（6）微重力物理科學(xué)。揭示了被重力對(duì)流掩蓋的流體界面張力/濃度梯度驅(qū)動(dòng)的特殊流動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)微重力下物質(zhì)與能量輸運(yùn)、相變等特殊規(guī)律；揭示了微重力燃燒過(guò)程重要本征參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)冷焰燃燒等特殊現(xiàn)象；空間材料科學(xué)在晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、過(guò)冷與非平衡相變等過(guò)程機(jī)理方面取得重要進(jìn)展；基礎(chǔ)物理方面驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的重要效應(yīng)和超冷條件下量子新奇現(xiàn)象。

空間科學(xué)是當(dāng)代規(guī)模空前的科學(xué)探索活動(dòng)，突破性地拓展了人類視野和探索疆域，開(kāi)創(chuàng)了地面無(wú)法實(shí)現(xiàn)或受限的全新實(shí)驗(yàn)方法，取得了革命性的重大成就，深刻地改變著人類的宇宙觀和自然觀；帶動(dòng)了高新技術(shù)突破和地面新興產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)空間技術(shù)向更高水平發(fā)展，為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。近年來(lái)，與空間科學(xué)探測(cè)密切相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)項(xiàng)頻次顯著增加（表?1）。

空間科學(xué)醞釀新的突破

各航天大國(guó)持續(xù)重視空間科學(xué)，當(dāng)前研究更加聚焦基礎(chǔ)科學(xué)重大問(wèn)題，如暗物質(zhì)性質(zhì)和暗能量本質(zhì)、恒星和星系演化、黑洞性質(zhì)、太陽(yáng)系形成演化、外太空生命和宜居行星探索、基本物理規(guī)律研究、地球變化趨勢(shì)等。

 近期任務(wù)規(guī)劃面向科學(xué)前沿

美國(guó)一直致力于引領(lǐng)空間科學(xué)發(fā)展。美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)（NRC）和各學(xué)科領(lǐng)域?qū)ｉT委員會(huì)依靠科學(xué)家群體共同形成的《十年調(diào)查》（Decade Survey）規(guī)劃，是美國(guó)科學(xué)發(fā)展的頂層指導(dǎo)。空間科學(xué)各領(lǐng)域基本囊括在《十年調(diào)查》框架中，由?NRC、美國(guó)科學(xué)院空間研究委員會(huì)（SSB）及相關(guān)領(lǐng)域委員會(huì)共同研究，對(duì)空間科學(xué)未來(lái)?10?年或更長(zhǎng)時(shí)間的科學(xué)問(wèn)題、研究目標(biāo)、任務(wù)建議和經(jīng)費(fèi)投入進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。2021?年發(fā)布的《21?世紀(jì)?20?年代天文學(xué)與天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之路》（Astro2020），2022?年發(fā)布的《2023—2032?年行星科學(xué)和天體生物學(xué)》規(guī)劃了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展方向和主要任務(wù)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將滾動(dòng)制定路線圖并組織任務(wù)實(shí)施，實(shí)施中對(duì)項(xiàng)目的科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)進(jìn)步、計(jì)劃等進(jìn)行中期評(píng)議，提出優(yōu)化意見(jiàn)，近年陸續(xù)發(fā)布了《NASA?戰(zhàn)略規(guī)劃（2018?年）》《科學(xué)?2020—2024?年：科學(xué)卓越的愿景》等空間科學(xué)發(fā)展規(guī)劃。

歐洲航天局（ESA）空間科學(xué)中長(zhǎng)期規(guī)劃建立了大型（L）、中型（M）、小型（S）、國(guó)際合作、機(jī)遇任務(wù)等層次分明的分類架構(gòu)，成功實(shí)施了“地平線”（Horizon）計(jì)劃（1985—2005?年，1995—2015?年）和“宇宙憧憬”計(jì)劃（Cosmic Vision，2015—2025?年），代表性的項(xiàng)目有太陽(yáng)和日球?qū)佑^測(cè)臺(tái)（SOHO，1995?年）、牛頓?X?射線望遠(yuǎn)鏡（XMM-Newton，1999?年）、紅外/亞毫米波望遠(yuǎn)鏡（Herschel，2009?年）、Plank?衛(wèi)星（2009?年）、天體測(cè)量衛(wèi)星（Gaia，2013?年）等，也參與了哈勃望遠(yuǎn)鏡、卡西尼-惠更斯土星探測(cè)等國(guó)際重大項(xiàng)目，取得了獨(dú)具特色的科學(xué)成果。2021?年，ESA?發(fā)布了最新版中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃“遠(yuǎn)航?2050”（Voyage 2050）。該規(guī)劃面向2050年，聚焦科學(xué)前沿和未來(lái)技術(shù)，提出?3?個(gè)大型、14?個(gè)中型任務(wù)方向，以及?4?個(gè)國(guó)際合作任務(wù)等；最終還將遴選出?10?項(xiàng)大中型任務(wù)，再征集遴選小型任務(wù)靈活實(shí)施。

美國(guó)和歐洲的空間科學(xué)規(guī)劃重視平衡投資，采取多層次靈活的計(jì)劃和滾動(dòng)機(jī)制，采用征集競(jìng)爭(zhēng)性提案優(yōu)選科學(xué)研究項(xiàng)目，規(guī)劃重視基礎(chǔ)性工作和技術(shù)發(fā)展，如?NASA?從?1998?年起資助“創(chuàng)新先進(jìn)概念”（NIAC），為未來(lái)計(jì)劃提供富有想象力的可選方案；各國(guó)規(guī)劃頂層協(xié)調(diào)，并在任務(wù)實(shí)施、科學(xué)統(tǒng)籌、協(xié)同觀測(cè)等方面深入合作，大范圍集聚智力和技術(shù)資源，形成相互配合互補(bǔ)的發(fā)展格局。

美國(guó)和歐洲的大型空間科學(xué)任務(wù)規(guī)劃集中于宇宙起源演化、天體高能過(guò)程、太陽(yáng)系生命和系外行星生命探索等重大方向（表?2），中小型任務(wù)涉及的領(lǐng)域更加廣泛。

 載人空間探索路線趨于明朗

載人空間探索路線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期徘徊和論證已經(jīng)明確。2019?年，NASA?發(fā)布《前往月球：NASA?月球探索戰(zhàn)略規(guī)劃》，正式啟動(dòng)了阿爾忒彌斯（Artemis）計(jì)劃，明確了無(wú)人月球探測(cè)、載人月球探索、開(kāi)發(fā)利用月球和初期載人火星探索的載人探索總體規(guī)劃。第一階段（~2024?年，將延期至?2025?年后）實(shí)現(xiàn)載人登陸月球南極（圖?1）；第二階段完成月球南極大本營(yíng)和“門戶空間站”建造，“門戶空間站”運(yùn)行在近直線暈軌道（NRHO），可接待往返月球的飛行器，容納航天員駐留，支持探月任務(wù)并籌備前往火星。

Artemis?提出?7?大科學(xué)目標(biāo)，包括：理解行星過(guò)程、了解揮發(fā)物周期、解釋地-月撞擊史、揭示太陽(yáng)遠(yuǎn)古歷史、利用月球觀測(cè)宇宙、開(kāi)展科研實(shí)驗(yàn)、研究深空對(duì)人體的影響及防護(hù)措施。這些科學(xué)目標(biāo)基于長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)，體現(xiàn)了國(guó)際科學(xué)界對(duì)月球探索頂層科學(xué)問(wèn)題的共識(shí)。截至?2022?年?4?月，共有?16?個(gè)國(guó)家參加了?Artemis?計(jì)劃。

近地空間站仍扮演重要角色

作為有人參與的空間研究設(shè)施，國(guó)際空間站（International Space Station，ISS）運(yùn)行?24?年來(lái)一直發(fā)揮著近地空間實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)和重要作用，2022?年初美國(guó)宣布將?ISS?運(yùn)營(yíng)期延長(zhǎng)到?2030?年。

ISS?裝載了?20?多臺(tái)設(shè)備開(kāi)展天文、空間環(huán)境和地球科學(xué)研究，配置了?30?多個(gè)專用和通用科學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜開(kāi)展微重力等特殊環(huán)境下人體、生命和微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)，共完成了近?4?000?項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目，吸引了?103?個(gè)國(guó)家的科學(xué)家參與，在宇宙和天體、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、人類長(zhǎng)期太空飛行、生物藥物研發(fā)、復(fù)雜流體、燃燒科學(xué)等方面獲得大量成果，在?Nature、Science、Physical Review Letters?等期刊和會(huì)議上發(fā)表了近?3?000?篇高水平論文，出版了?2?200?多份科學(xué)出版物。2020?年?NASA?發(fā)布了?ISS“ISS?運(yùn)行?20?年?20?大科學(xué)突破”。貫徹“將?ISS?利用效能最大化”的方針，美國(guó)和各參與國(guó)制定實(shí)施了多個(gè)不斷滾動(dòng)、科學(xué)內(nèi)涵逐步擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃，產(chǎn)出的新知識(shí)和新技術(shù)不斷惠及人類健康和地面產(chǎn)業(yè)水平提升。

 技術(shù)變革和商業(yè)航天助力空間科學(xué)

2014?年起，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（Space-X）開(kāi)始發(fā)展垂直回收重復(fù)使用火箭技術(shù)，迄今獵鷹?9?號(hào)運(yùn)載火箭（Falcon 9）已實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭和助推器的同時(shí)回收和一箭十幾次重復(fù)使用；正在開(kāi)發(fā)的全部可重用超重型航天器星艦（Starship），直徑為?12?m、近地軌道（LEO）運(yùn)載能力超過(guò)?100?噸，已完成了?10?km?高度的飛行和垂直降落測(cè)試，正在快速迭代開(kāi)發(fā)推進(jìn)。這種變革性技術(shù)可望將進(jìn)入空間的成本降低兩個(gè)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)航班化的空間運(yùn)輸服務(wù)。此外，空間核推進(jìn)、空間核能源等技術(shù)發(fā)展，將推動(dòng)包括科學(xué)探索在內(nèi)的人類空間活動(dòng)規(guī)模和水平進(jìn)入新時(shí)代，更復(fù)雜和更強(qiáng)大的科學(xué)裝置、更具規(guī)模的深空探索可望實(shí)現(xiàn)，開(kāi)拓新發(fā)現(xiàn)的機(jī)遇。

商業(yè)航天近年來(lái)爆發(fā)性增長(zhǎng)，例如一批商業(yè)航天巨頭鵲起，已在大型空間任務(wù)中承擔(dān)重要角色。NASA“商業(yè)航天員計(jì)劃”采購(gòu)了?Space-X?貨運(yùn)龍飛船接送?ISS?航天員，貨運(yùn)龍飛船已向?ISS?運(yùn)貨?20?多次，為?NASA?節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)。NASA?還花費(fèi)?4.15?億美元支持了?3?個(gè)商業(yè)空間站提案的初期開(kāi)發(fā)，期望在后?ISS?時(shí)代繼續(xù)保持?LEO?的空間研究能力。在?Artemis?計(jì)劃中，NASA?同樣通過(guò)商業(yè)采購(gòu)征集艙段設(shè)計(jì)，推進(jìn)商業(yè)月球載荷服務(wù)，向月面運(yùn)送科學(xué)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)載荷等物資。

綜上所述，長(zhǎng)期的前瞻性科學(xué)規(guī)劃、更具雄心的空間探索計(jì)劃、不斷升級(jí)的科學(xué)項(xiàng)目安排、變革性技術(shù)的推動(dòng)，將成為國(guó)際空間科學(xué)未來(lái)更高水平發(fā)展的要素，未來(lái)?20—30?年空間科學(xué)將取得更大的成就。

（作者：顧逸東，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心；《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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