中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 從1957年10月發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開始，人類就進入了太空時代。當時，人類對太空的了解非常少，如對電離層以外的空間環(huán)境如何、太陽輻射的粒子到達地球空間后如何運動還尚不清楚。因此，就應運而生了對空間開展直接研究的新學科，并被稱為空間研究（Space Research）。1958年，在美蘇兩個航天大國和部分西方國家的倡議下，國際科學聯(lián)盟理事會（ICSU）成立了一個特別委員會來應對當時所有的學科聯(lián)盟都無法覆蓋的這個新研究領(lǐng)域。這就是現(xiàn)在空間科學領(lǐng)域唯一的國際組織“國際空間研究委員會”（COSPAR）。

此后，在美蘇的太空競賽中，雙方都在力爭太空領(lǐng)域中的第一。雖然無暇開展專門的太空研究，但是兩國在各種航天器上都力爭搭載了粒子探測器、磁場探測器和其他空間環(huán)境探測載荷，并獲得了大量的針對空間環(huán)境的原位（in-situ）探測數(shù)據(jù)。由此誕生了以研究空間為主要目標的學科，逐漸濃縮為空間物理學或空間等離子體物理學。

在之后的數(shù)十年中，空間物理學一直是空間科學的核心學科。從對地球空間中等離子體及其運動規(guī)律的研究，逐漸拓展到對地球空間以外的從太陽上層大氣到太陽系邊界的整個行星際空間，也拓展到了月球、水星、金星、火星、木星和土星及其衛(wèi)星周邊的空間環(huán)境。

人類在初步了解了太空的環(huán)境以后，開始利用飛行器的平臺從事天文觀測。該觀測方法的優(yōu)點是可以突破大氣層對電磁波某些頻段的阻隔，如甚低頻電磁波頻段、比毫米波頻率還要高的太赫茲頻段，以及紫外頻段及以上的X射線和伽馬射線。為此，美國在20世紀60—70年代建立了3個天文衛(wèi)星系列，分別是太陽觀測平臺、天文觀測平臺和高能觀測平臺。這使得空間天文學成為空間物理學之后空間科學領(lǐng)域的又一個重要分支。與空間物理學不同的是，很多用于天文領(lǐng)域研究的望遠鏡仍然在地面上，因此天文衛(wèi)星往往并不是空間天文學領(lǐng)域的大多數(shù)科學家唯一可以獲得數(shù)據(jù)的來源。

幾乎與對地球空間的探測同步展開的，太空競賽期間，美蘇最大的競爭方向是深空探測。月球、金星、火星、小行星，以及之后的太陽系邊界探測，都給對行星的研究帶來了大量的新數(shù)據(jù)——不僅僅是那里的空間環(huán)境和遙感數(shù)據(jù)，更重要的是實現(xiàn)著陸之后獲得的巖石、土壤和地質(zhì)信息。這使得大量地球化學科學家、地質(zhì)地理科學家加入到了空間研究的隊伍，促進了空間科學另一個分支學科——行星科學的發(fā)展。

與空間科學領(lǐng)域其他分支學科的發(fā)展不同，空間地球科學對地球系統(tǒng)的研究的起步是由于遙感應用衛(wèi)星的發(fā)展。居高臨下是從太空觀測地球的優(yōu)勢。從數(shù)百公里高的軌道上飛過，你可以看到數(shù)千公里范圍內(nèi)的地面上正在發(fā)生著什么。當然，如果天氣不好（如有云），光學遙感器就無法觀測了。但是對氣象預報，從這個高度哪怕是觀測云頂?shù)囊苿雍妥兓挤浅Ｓ杏谩？茖W家還在紫外波段的遙感觀測中發(fā)現(xiàn)了臭氧洞。這些應用數(shù)據(jù)逐漸積累，直到推動了空間地球科學作為空間科學中一門比較新的、利用遙感衛(wèi)星研究地球系統(tǒng)變化的學科的確立。

在載人航天起步的時候，微重力和空間生命科學的研究同時開始起步。因為載人航天的實際需求非常迫切，這兩個領(lǐng)域的科學研究從一開始就有明確的應用目標，即服務于載人航天任務。然而，它們和同樣具有應用意義的空間地球科學不一樣。對地球空間科學而言，遙感圖像具有非常直接的“看圖識字”功能，甚至不需要研究就可以識別出目標（如臺風）。但是，在太空中的微重力環(huán)境下，當?shù)厍虮砻婺?G的重力加速度的“面紗”被揭開以后，“物質(zhì)（特別是流體）以及生命體在無重力干擾的情況下的運動本質(zhì)到底是什么？”是需要開展大量研究的。特別是對復雜的人體系統(tǒng)，更是需要不斷的、深入的研究，這被稱為航天醫(yī)學。這就推動了微重力和空間生命科學兩個學科領(lǐng)域的發(fā)展。

可見空間科學成為一個新興的、交叉的，且包含眾多學科分支（空間物理學、空間天文學、行星科學、空間地球科學、微重力和空間生命科學，以及基礎(chǔ)物理試驗）的科學領(lǐng)域，是伴隨著人類進入太空的步伐逐漸發(fā)展起來的。如果用一句話來定義空間科學，就是：利用航天器為主要平臺，研究發(fā)生在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理學、天文學、化學和生命科學等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的綜合性交叉學科。

載人航天任務的特點

載人航天任務因為有人參與，使其具有了很高的公眾關(guān)注度。載人航天在發(fā)展初期雖然受到了冷戰(zhàn)和太空競賽的驅(qū)動，但是在一定程度上也反映了人類的探索精神。蘇聯(lián)在載人航天領(lǐng)域的零的突破，美國“阿波羅計劃”將人類首次送上月球，仍然是他們至今還在享用的政治資本。因此，載人航天任務的最大特點就是其公眾關(guān)注度高帶來的政治性。

然而，要想取得公眾的關(guān)注度，就必須不斷地實現(xiàn)突破，為公眾帶來新的關(guān)注熱點，而不是重復那些已經(jīng)做過的、毫無新意的任務。但是，當主體變更了以后，盡管某些技術(shù)能力仍在使用。例如，楊利偉在2003年實現(xiàn)了中國人獨立自主的天地往返，雖然比蘇聯(lián)的加加林晚了42年，但仍然可以在中國人心中激勵起自豪感。再如，印度如能在未來5—7年內(nèi)實現(xiàn)自主的載人天地往返，雖然比加加林晚了60多年、比中國晚了20年，但仍會在印度人心中激勵起自豪感。因此，載人航天的公眾性是由執(zhí)行任務的主體而決定的，具有地域和民族性。當然，如果想引起全人類的公眾的關(guān)注，載人航天就必須實現(xiàn)人類的第一次。

如果是在同一個地域和國家內(nèi)，載人航天要持續(xù)保持公眾的關(guān)注度，就一定要有不斷的突破。例如，從單人1天到多人多天、從男航天員到女航天員、從艙內(nèi)活動到出艙活動、從單艙到多艙的交會對接，直至空間站建設(shè)等。但是，這些都是技術(shù)性的突破，并不是空間科學研究的突破。

必須承認，利用載人航天平臺，即使是在設(shè)施最為完善的、長期有人照料的空間站上開展空間科學研究，也是有一定的限制邊界的。這種限制首先是來自軌道。載人航天平臺由于要確保航天員少受太空粒子輻射，以及要避免來自大量低軌道地球衛(wèi)星碰撞的威脅，通常選擇400公里高度左右的傾斜軌道。這個軌道對于空間天文學、空間物理學、空間地球科學的科學目標而言總是單一的和受限的。此外，載人航天平臺需要不斷地進行軌道維持，以及生命保障系統(tǒng)各種設(shè)備的運轉(zhuǎn)，因此對具有高精度指向要求的天文望遠鏡，以及高微重力水平要求的物理試驗來說，載人航天平臺也不是一個很好的工作環(huán)境。可見，載人航天平臺只能為一部分空間科學觀測和試驗提供支持。當然，如果某項科學試驗必須要有人的照料才能完成，那么載人航天平臺則一定是首選。但是，由于上述這些限制，在空間站上開展的空間科學試驗，較難實現(xiàn)重大的科學突破。回顧國際空間站運行20年后的科學產(chǎn)出，應該是應用成果多于對科學前沿的突破。

然而，空間科學研究確實可以為載人航天的發(fā)展提供一個不重復、可持續(xù)的工作方向。比如，當一個空間站已經(jīng)建成，不斷的技術(shù)突破暫時停滯時，航天員在空間站上開展的各種科學試驗，就可以為公眾不斷地提供關(guān)注點，繼續(xù)維持載人航天的公眾性這個特點。

深空探測任務的特點

深空探測任務是人類進入太陽系的機器人“偵查兵”。與載人航天任務不同，我們這里所說的深空探測是無人深空探測任務，包括對月球、火星，以及對太陽系其他天體的抵達探測，但不包括對太陽的遙感探測。對太陽的遙感探測，無論是在地球軌道上，還是飛臨太陽附近的抵近探測，都屬于科學衛(wèi)星任務。可見，并不是所有深空軌道的任務都是深空探測任務。比如，有些定位于日地系統(tǒng)拉格朗日L1或L2點的空間天文衛(wèi)星任務，就是空間科學任務。深空探測任務是以行星科學和空間物理學為學科背景、到達太陽系中一個獨特的地點、同時具有第一次到達和科學上的發(fā)現(xiàn)兩個特點。

人類在進入空間時代之后，幾乎已經(jīng)飛臨甚至著陸探測了太陽系當中所有八大行星以及部分它們的衛(wèi)星，包括月球、水星、金星、火星、木星及其系統(tǒng)中的4顆伽利略衛(wèi)星、土星、天王星和海王星，并在月球、金星、火星，土衛(wèi)六和幾個小行星上成功著陸，還實現(xiàn)了月球樣品和小行星樣品的采樣返回。但是，人類對太陽系及其起源和演化的規(guī)律了解仍然太少。即使是同一個天體，在不同的地點著陸都會獲得高度的公眾關(guān)注和全新的科學認知。例如，盡管人類早在20世紀60年代就實現(xiàn)了載人登月，但是嫦娥四號無人探測器在月球背面的著陸，仍然是人類的第一次和重大的突破，引起了高度的公眾關(guān)注度，并獲得了新的科學發(fā)現(xiàn)。

由此可見，深空探測任務只要選擇了新的目的地——無論是飛越、環(huán)繞還是著陸，實現(xiàn)了人類的第一次，就可以獲得很高的公眾關(guān)注度。因此，與載人航天任務相似，公眾關(guān)注度是深空探測任務需要考慮的重要因素和不容忽視的目標。但深空探測任務同時也要關(guān)注這個第一次到達的地點所帶來的科學發(fā)現(xiàn)。如果僅僅是為了達到，而沒有新的科學發(fā)現(xiàn)，公眾就會質(zhì)疑到那里去的目的是什么？公眾對任務的關(guān)注度也自然就會降低。因此，科學目標一定是伴隨深空任務的重要目標。到太陽系中一個人類還沒有去過的地方實現(xiàn)新的科學發(fā)現(xiàn)，才是深空探測任務的完整定義和內(nèi)涵。

因為不斷有新的目的地，以及不斷產(chǎn)出新的科學發(fā)現(xiàn)，深空探測任務的可持續(xù)性是比較容易把握的。這主要是得益于太陽系的宏大和其中各種類型天體的眾多。至少到現(xiàn)在，我們總是可以找到新的、有重大科學發(fā)現(xiàn)意義的目的地。

科學衛(wèi)星任務的特點

科學衛(wèi)星以突破重大科學前沿為首要目標。與載人航天和深空探測任務不同，科學衛(wèi)星是以科學目標為最主要目標的航天任務。自人類進入太空開始，科學衛(wèi)星就是一類非常獨特并且始終占有主要航天國家和機構(gòu)預算一部分的重要任務類型。在美國國家航空航天局（NASA），科學衛(wèi)星的預算在全部預算中大約占30%。在歐洲空間局（ESA），科學衛(wèi)星（不包括空間地球科學、微重力科學和空間生命科學）占全部預算的約15%。

科學衛(wèi)星以科學目標的重大性為主要立項標準。雖然并沒有把公眾的關(guān)注度放在首位，但是一旦其實現(xiàn)了重大科學發(fā)現(xiàn)，或科學前沿的重大突破，特別是一旦其成果獲得了諾貝爾科學獎，將會產(chǎn)生更加突出的公眾效應。實際上，自人類進入太空時代以來，已經(jīng)有大約10個科學衛(wèi)星取得的科學成果獲得了諾貝爾獎。因此，科學衛(wèi)星在立項遴選時，需要特別關(guān)注其科學目標的重大性。

科學衛(wèi)星根據(jù)其科學目標的需求，可以選擇任意軌道，如大橢圓地球軌道、月球軌道、日地系統(tǒng)拉格朗日點軌道、脫離黃道面的太陽極軌，以及其他行星際軌道。科學衛(wèi)星上的科學載荷，往往要突破觀測和探測精度的極限，從而獲得超過前人的數(shù)據(jù)精度，實現(xiàn)科學發(fā)現(xiàn)。因此，每顆科學衛(wèi)星對空間技術(shù)都有其特殊的需求，往往并不重復。這對航天工程設(shè)計師特別是科學有效載荷的設(shè)計師會提出挑戰(zhàn)，并對航天技術(shù)發(fā)展有很強的帶動作用。但是評價一顆科學衛(wèi)星是否成功的標準，絕不是它實現(xiàn)了哪些技術(shù)突破和創(chuàng)新，而是它是否有新的科學發(fā)現(xiàn)和對已知理論的修正甚至突破。如果是以技術(shù)突破和試驗為主，科學研究為輔的衛(wèi)星任務，則不應被稱為是科學衛(wèi)星，而應稱其為技術(shù)試驗衛(wèi)星。

未來發(fā)展和政策建議

我國包含空間科學內(nèi)容的航天任務由載人航天、深空探測和科學衛(wèi)星三類任務構(gòu)成。因此，在規(guī)劃、部署這三類任務時，為了確保其能夠高效的利用國家財政資源，發(fā)揮最大的政治作用和科學技術(shù)產(chǎn)出，就需要根據(jù)它們各自的特點，加以區(qū)別并通過不同的政策來給予激勵和管理。下面就此提出4個方面的建議。

載人航天任務需要更加關(guān)注人與科學應用試驗的結(jié)合

我國的空間站建設(shè)已經(jīng)接近尾聲，即將進入一個以應用為重點的運行階段。因此，需要重點考慮有人參與的空間科學試驗。并充分發(fā)揮空間站平臺大、傾斜軌道的特點，大力開展由載荷科學家參與的基礎(chǔ)性的、需要反復和長時間探索的流體物理和生命科學試驗，并力爭獲得重大科學突破和可推廣的重大應用成果。為了確保試驗項目科學目標的重大性，應組織開展公開遴選和征集，同時為每一個試驗設(shè)立載荷科學家，由其全權(quán)負責該項實驗的設(shè)計、研制和操作運行。

在空間站艙外平臺開展對地觀測新型遙感器的試驗和空間分辨率要求不高的天文巡天觀測也是很好的任務方向。由于空間站運行在傾斜軌道上，遙感器可以在大約90分鐘內(nèi)就掃過不同的日照角度，并且經(jīng)過地球的公轉(zhuǎn)也可以實現(xiàn)對全天區(qū)的天文觀測覆蓋，其比較適合開展對地觀測和巡天觀測的試驗項目。其中，遙感器的試驗仍屬于技術(shù)試驗類型，而不是科學研究，更像是為對地觀測領(lǐng)域的科學或應用衛(wèi)星做前期技術(shù)試驗。而天文巡天觀測，由于平臺穩(wěn)定性的限制，可以開展對空間分辨率要求不高的科學觀測任務。

此外，即使是在空間站的運行階段，還是不能忘記圍繞人做更多的文章。比如，接受國際宇航員入站、建立中國空間站與國際空間站之間的熱線電話、開展超過180天（甚至打破人類記錄）的航天員逗留、接待非航天員游客的短期逗留、地面上疑難病癥在太空的治療等。

在載人航天領(lǐng)域，最為激勵中國公眾的下一步的發(fā)展方向，應該是載人登月。

深空探測任務要實現(xiàn)首次達到與科學發(fā)現(xiàn)并重

我國已經(jīng)成功掌握了月球探測的相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了“繞、落、回”，并發(fā)射了數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星來支持在月球背面開展的探測活動。未來的月球探測任務，應更偏重于對月球資源的原位利用領(lǐng)域的研究和技術(shù)開發(fā)，為載人登月和未來的月球旅游做好準備。因此，未來的深空探測任務需要不斷地向遠走，發(fā)揮人類第一次到達的公眾關(guān)注效應。火星的樣品返回自然是首選，但是由于火星是很可能存在地外生命的天體，必須高度關(guān)注探測器對火星的前向污染和返回樣品對地球可能帶來的后向污染。前向污染會使返回的樣品和科學發(fā)現(xiàn)變成“烏龍”事件；后向污染則可能會對地球帶來不可估量的生物入侵災難。

其他能夠?qū)崿F(xiàn)第一次達到的，或具有新的視角的目的地在太陽系內(nèi)還很多。特別是著陸探測應該作為我國深空探測的一大優(yōu)勢加以發(fā)揮。未來，應該繼承天問一號“三步并一步”的優(yōu)勢，加快趕超的步伐，對所選天體盡量能實現(xiàn)到達即著陸，并確保實現(xiàn)公眾關(guān)注度和科學發(fā)現(xiàn)的均衡發(fā)展。

為了實現(xiàn)重大科學發(fā)現(xiàn)，所有深空探測任務在立項初期就要確定整個任務的首席科學家，并在首席科學家的領(lǐng)導下開展目標或著陸點的選擇、科學有效載荷的配置、研制中和科學產(chǎn)出相關(guān)的各類技術(shù)指標的把控、到達后任務運行的規(guī)劃，直至科學數(shù)據(jù)的分析和組織。與載人航天任務不同的是，深空探測往往是一個任務一個目標，因此需要任命整個任務的首席科學家。

科學衛(wèi)星要以其科學產(chǎn)出為最終評價標準

科學衛(wèi)星實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的要點是要有重大科學產(chǎn)出。因此，為了確保科學產(chǎn)出的最大化，應該對科學衛(wèi)星的科學產(chǎn)出進行全價值鏈的管理。包括從戰(zhàn)略規(guī)劃、項目建議、遴選、預研、遴選、背景型號、遴選、立項、設(shè)計、試驗、生產(chǎn)、發(fā)射、在軌測試、運行、任務總結(jié)的全過程。在每一個階段，都應該有確保科學產(chǎn)出最大化的措施。

科學衛(wèi)星需要設(shè)立首席科學家。與載人航天中的單項試驗的科學家，以及深空探測任務的首席科學家不同，科學衛(wèi)星的首席科學家應該具有一票否決權(quán)。這是因為科學衛(wèi)星的目標是以科學產(chǎn)出的重大性為衡量標準的，而首席科學家是對此目標負責的最終責任人。

目前，我國的科學衛(wèi)星在中國科學院和國家航天局都有規(guī)劃，但是要想使其得到可持續(xù)的發(fā)展，必須確保其科學產(chǎn)出的重大化。因此，需要相關(guān)管理部門認真研究在科學衛(wèi)星項目的各個階段如何來確保科學產(chǎn)出最大化的措施。

確保載人航天任務的科學產(chǎn)出是統(tǒng)籌發(fā)展的核心

為實現(xiàn)我國空間科學的良性發(fā)展，還需要對這三類航天任務中的空間科學統(tǒng)籌考慮。由于載人航天在這三類航天任務中政治性、公眾性最高，經(jīng)費投入最大。為了確保其可持續(xù)性，除了不斷提升航天員活動的水平以外，空間科學起著很重要的作用。因此，任何空間科學任務目標，如果能夠在載人空間站上實現(xiàn)的，都要優(yōu)先考慮將其放在空間站上來實施；只有不適合在空間站上實施的空間科學任務再考慮放到其他兩類任務上來實施。至于深空探測和科學衛(wèi)星，它們各自有相對獨立的定位，相互交叉的科學目標不多。深空探測任務主要瞄準需要實際到達才能實現(xiàn)的科學目標，而科學衛(wèi)星更關(guān)注不需要實際到達（或根本無法達到）就可完成的科學目標，如天文和系外行星探測任務等。

在我國三類包括空間科學內(nèi)容的航天任務中，由于其各自特點的不同，空間科學在其中所占的比重或重要性是不同的。如果用比例數(shù)字大致概括投入到空間科學相關(guān)活動，包括項目遴選、載荷研制、發(fā)射運行和科學研究等的比重：在載人航天任務中，空間科學可以占到大約30%的比重；特別是到了空間站階段，具有科學研究性質(zhì)的試驗所占的比重有可能增加。在深空探測任務中，空間科學相關(guān)的活動應該占到50%的比重——因為由航天技術(shù)來確保實現(xiàn)的第一次到達和由首席科學家及其團隊確保的重大科學發(fā)現(xiàn)，兩者缺一不可。而在科學衛(wèi)星任務中，對空間科學的重視程度需占到超過70%的比重，其他不到30%是為了確保科學目標的實現(xiàn)而必須采用的技術(shù)創(chuàng)新和對航天技術(shù)的帶動作用。

我國航天事業(yè)正處在一個高速發(fā)展的階段。習近平總書記在2016年的“科技三會”上明確指出要“推動空間科學、空間技術(shù)、空間應用全面發(fā)展”。我們在落實習近平總書記重要指示的時候，應該對不同的航天任務特點進行分析，恰當且實事求是地制定政策和措施，確保我國的空間科學得到全面和可持續(xù)的發(fā)展。 

（作者：吳 季 ，中國科學院國家空間科學中心學術(shù)委員會主任、研究員。《中國科學院院刊》供稿）