我国空间科学的成就和近期计划
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中国网/中国发展门户网讯 我国空间科学发展主要通过载人航天工程、月球与深空探测工程和中国科学院空间科学战略性先导科技专项（以下简称“空间科学先导专项”）等推动。在我国航天科技界共同努力下，20 年来研究水平显著提升，在极端宇宙探索、月球科学、冷原子时频、量子科学实验、微重力物理等方面取得了重要成果；一些科研机构和高校积极提出空间科学任务建议，一批重要的空间研究和探测计划正在实施，出现了蓬勃发展的良好势头。以下概述我国空间科学的成就和近期计划，并对笔者直接参加的载人航天空间科学任务和几个天文卫星的情况稍做展开。
载人航天工程的空间科学任务
载人飞船和空间实验室上的空间科学项目
（1）载人飞船阶段科学项目。1992 年，中央批准实施载人航天工程。在第一步载人飞船任务中，安排了我国当时规模最大，领域方向最广的空间科学与应用计划。神舟二号（SZ-2）飞船到神舟六号（SZ-6）飞船上开展了 28 项科学实验：①空间生命科学方面，开展了多种生物的空间效应研究、蛋白质结晶、空间细胞培养、细胞电融合等实验；②微重力科学方面，开展了半导体光电子、金属合金等材料的空间生长和晶体生长实时观察、大马兰戈尼（Marangoni）数液滴热毛细迁移实验；③空间天文方面，开展了宇宙伽马射线暴和太阳高能辐射探测；④地球科学方面，与国际同步发展了中分辨率成像光谱仪、多模态微波遥感器、卷云探测仪、地球辐射收支仪等新载荷。所有项目均为我国首次，起到了开创奠基作用，掌握了重要的空间科学实验方法和技术，推动了空间对地观测技术的跨越发展，使我国空间科学上了一个新台阶。
（2）空间实验室阶段科学项目。2007—2017 年第二步空间实验室任务中，在神舟七号（SZ-7）、神舟八号（SZ-8）飞船，天宫一号（TG-1）、天宫二号（TG-2）空间实验室，以及天舟一号（TZ-1）货运飞船上，开展了 50 余项空间科学实验。中德合作空间生命科学的 17 项实验、高等植物培养实验、空间干细胞增殖分化实验取得重要结果，国际首台空间冷原子微波钟开展了原子激光冷却和操控实验，取得迄今最高频率稳定度的实验结果，中国-瑞士合作的伽马暴偏振探测取得国际最大样本伽马暴偏振度累积分布函数，发现偏振度的时间变化新现象；采用 Decoy 方法的量子密钥分配实验、复合胶体晶体生长实验、12 种新型材料空间制备研究、多形态液桥热毛细对流实验等取得重要结果；微波成像高度计作为国际首台采用小入射角-短基线干涉-孔径合成新体制的海洋科学观测设备，开拓了海洋动力现象观测研究的新途径，多角度偏振及宽波段光谱成像、紫外临边观测推动了对地观测和地球科学研究方法创新。整体看，空间实验室阶段取得了一批科学前沿和关键技术突破的重点成果，为后续开展大规模的空间科学与应用任务奠定了基础。
载人空间站的空间科学任务部署
经过 30 年坚持不懈的努力，我国载人航天“三步走”的发展蓝图得以实现。载人空间站“天和”核心舱已在轨运行超过 1 年；2022 年 7 月 24 日，“问天”实验舱成功发射并与核心舱完成对接，随后还将发射“梦天”实验舱；2022 年底完成 3 舱在轨组装建造，并在轨运行 10 年以上，是我国开展大规模系统性有人参与空间研究的历史性机遇。
我国载人航天工程空间应用系统邀集组织国内近百位院士和千余位一线专家经过长期、多轮论证，形成了重点突出、层次明晰的科学与应用任务规划。规划分为 4 个领域：①空间生命科学与人体研究。深入认识生命现象本质和人在太空的响应变化规律，研究生命和医学基础问题，支持人类长期太空探索，发展生物技术，为人类医疗健康服务。②微重力物理科学。开展流体物理（含软物质）与热物理、燃烧、材料科学的基础和应用研究，加强对地面产业的支持，基础物理安排针对基本物理规律的实验研究。③空间天文和地球科学。加深对宇宙暗物质、暗能量、致密天体、星系形成演化、地球变化等重大科学问题的深入理解。④空间新技术与应用。发展和验证新一代航天基础技术、空间科学与应用新技术等。
目前，空间站科学任务已制定了多个研究计划，到 2022 年初通过公开项目征集共收到 500 余个单位提出的超千项建议书，立项近 200 项。我国分别与联合国和平利用外层空间委员会（COPUOS）、ESA 合作征集科学项目，已批准空间生命科学、流体物理、空间天文等 19 项，约 40 个国家参与。国内外渠道都将持续征集项目，滚动培育、遴选及实施。
空间站部署了先进的科学研究设施，加压舱内有十几个科学实验柜（表 3）。舱外暴露平台安排了材料、生物、元器件等暴露实验装置。随核心舱发射的无容器材料实验柜的样品加热温度超过 2 000℃，已产出科学成果；高微重力悬浮试验在低频段指标达到 10-7 g；“问天”实验舱正在开展科学设备的在轨测试和调试，“梦天”实验舱的科学设备正在紧张进行地面测试（图 2）。舱内和舱外还有一批标准机柜空间和独立载荷适配器接口，空间站投入运行后将通过货运飞船上载科学探测载荷，升级和补充科学实验设施。
空间站重大科学研究设施部署了 2 m 口径巡天空间望远镜（CSST），与空间站同轨飞行，可与空间站对接进行维修升级，现已进入初样研制阶段，预计 2024 年发射，是我国空间天文的旗舰项目。CSST具有与哈勃望远镜基本相同的角分辨率和大 300 倍的有效视场，配有大焦面巡天相机、多通道成像仪、积分视场光谱、星冕仪、太赫兹谱仪 5 个后端仪器，以多色测光和无缝光谱巡天为主，围绕宇宙学、星系与活动星系核、银河系和恒星、天体测量、系外行星、太阳系天体和暂现源等内容开展观测研究。同时，已成立了 4 个科学研究中心和联合科学中心，立项了 24 个课题（近百项子课题），600 多位科学家参加相关科学研究和发射前的科学分析软件准备。CSST 与欧美基本同期开展的空间光学巡天项目在观测波段、分辨率等方面协同互补（表 4），将成为继地面斯隆数字巡天（SDSS）后最具科学发现潜力的光学天文巡天任务。
在空间站建造之后的应用与发展阶段，规划了第二个旗舰型项目——高能宇宙辐射探测设施（HERD）。这是我国主导、欧洲多国合作的重大空间科学项目。它采用了创新的三维量能器和完善的系统设计，其测量宇宙线中电子和核子的能量范围和探测灵敏度比现所有设备高 1 个量级或数 10 倍（电子扩展到 100 TeV，核子探测能区扩展到 3 PeV），高能伽马射线观测的视场和能区有数倍的增加。HERD 将以前所未有的能力开展宇宙线起源、成分、加速机制研究，测量高能电子和伽马射线能谱搜寻暗物质信号，开展高能伽马射线巡天监测，成为同时代最强大的空间暗物质搜寻和宇宙高能辐射探测研究设施。
载人月球探测的酝酿和规划
我国正在酝酿和规划载人月球探测，将分为关键技术攻关和深化论证、载人登月和月球科研站 3 个阶段分步推进。为夯实载人月球探测基础，更好地规划载人月球任务的科学探索和应用，已广泛征集了大量研究建议，组织国内各方面专家开展了反复论证，形成了初步共识。
（1）月球科学方面。月球形成、月球内/外动力演化、月表特殊环境、水和挥发分分布与来源等是月球科学、地月系统乃至太阳系形成演化的重大科学问题。
（2）月球利用方面。要更深入研究月球地质与资源分布、物质高效利用与循环体系、低重力物质运动规律，开展独特的月基观测研究。
（3）月面生存方面。将加强人体和生物响应机制与适应调控、辐射防护、月面生态系统与生存保障研究和技术开发。
在上述研究任务的基础上，先期安排了数字月球、月面地质与资源勘查、月球空间环境要素探测、月尘探测及作用机理、月球样品采集检测与封装等关键技术攻关。为支撑载人月球探测工程实施和月面活动，获取更多科学产出和应用效益，已开展了载人登月着陆区遴选、高精度全月面三维地形测绘和资源勘察、月面科学与应用任务方案等论证。我国载人月球探测将在载人航天和无人月球探测长期积累的工程技术和科学研究基础上稳步推进。
科学卫星
空间科学先导专项卫星
中国科学院在 2003—2004 年实施了地球空间双星探测计划，这是我国第一个真正意义上的科学卫星任务，具有开创意义，也是与 ESA 星簇计划（luster）相配合的国际合作项目，在磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴的触发机制等方面取得重要成果。随后，经国务院批准，2011 年中国科学院正式启动实施空间科学先导专项，其以科学卫星计划为核心，对推动我国空间科学发展具有重大意义。
（1）专项一期的科学卫星。空间科学先导专项一期有较高起点，实施的 4 个科学卫星计划均取得了显著成就：①暗物质粒子探测卫星“悟空号”（DAMPE，2015 年）。直接测量了宇宙射线电子能谱在约 1.4 TeV 处的拐折，对于判定部分能量低于 1 TeV 宇宙线电子是否来自于暗物质起着指引作用；②实践十号返回式科学实验卫星（SJ-10，2016年）。开展了 28 项微重力和生命科学实验，包括在国际上首次开展的 15 项，在空间生命科学与微重力流体方面获得了新认知；③量子科学实验卫星“墨子号”（2016 年）。在国际上率先实现了星-地千公里级双向量子纠缠分发和相距 1 200 km 两个地面站间的量子态远程传输；④硬 X 射线调制望远镜卫星“慧眼号”（HXMT，2017 年）。是我国第一颗 X 射线天文卫星，以天文台模式运行，共征集了 194 个核心和客座观测提案，93 个机遇观测提案，涉及观测目标超过 500 个，参与的国内单位 21 个，国外单位 15 个。HXMT 运行 4 年多来成果丰硕，截至 2022 年初相关成果共发表论文超过 100 篇，重要科学成果包括：对首个双中子星并合引力波事件在 0.20—5 MeV 能区给出了最严格的限制；通过发现 90 keV 最高能量中子星回旋吸收线测量到的宇宙最强磁场约为 10 亿 T；通过在黑洞系统测量到能量高于 200 keV 的最高能量准周期振荡信号，发现距离黑洞最近的相对论喷流；发现首例与快速射电暴关联的 X 射线暴，并且证认其来自于银河系磁星 SGR J1935+2154；发现黑洞双星中逃离黑洞强引力场向外高速运动的等离子体流等。
（2）专项二期进展。空间科学先导专项二期目前正在实施中。①微重力技术实验卫星“太极一号”（2019 年）。实现了高精度空间激光干涉测量，测试了微牛量级射频离子和霍尔两种微推技术。②引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM，2020 年）。成功观测到伽马射线暴、天蝎座 X-1 的地球掩食、X 射线脉冲星和太阳耀斑等。③正在研制的另外 3 颗科学卫星。先进天基太阳天文台（ASO-S）、爱因斯坦探针（EP）、太阳风-磁层相互作用全景成像卫星（SMILE）进展顺利，将于 2022—2024 年陆续发射。其中，EP 卫星（图 3）致力于 X 射线时域天文，目标是发现 X 射线剧变天体，探索沉寂黑洞耀发和引力波源 X 射线信号等，载荷为宽视场望远镜（WXT）和后随望远镜（FXT），探测能段 0.5—4 keV。WXT在国际上首次大规模采用龙虾眼微孔X射线成像技术和 CMOS X 射线探测器，12 个子望远镜形成 3 600 平方度大视场进行凝视监测，探测到耀发信号后触发卫星姿态机动使天体目标进入 FXT 视场（38′）；FXT 采用 Wolter-I 型掠射聚焦望远镜，以更高的分辨率（30″）和定位精度（优于4″）开展精细后随观测，并通过北斗短报文等星地链路传递耀发天体坐标信息，引导其他天地设备协同观测。EP 的强大探测能力可望取得高水平的科学产出，已转入正样阶段。
空间科学先导专项还部署了一批重要的科学背景型号，包括空间引力波探测（太极计划）、X 射线偏振与时变探测卫星（eXTP）两个大型项目，以及中高轨量子卫星等十几项任务，正在推动三期科学卫星项目的深化论证和遴选，围绕极端宇宙、时空涟漪、日地全景、宜居行星等科学主题，争取更高水平、更先进的科学卫星进入后续实施。
其他科学卫星
2010 年以来，我国国家国防科技工业局、科学技术部和有关部委、相关高校，启动和规划了一批科学卫星或试验性卫星，包括全球二氧化碳监测卫星（TANSAT，2016 年）、张衡一号（2018 年）电磁监测试验卫星、天琴一号空间引力波技术试验卫星（2019 年）、羲和号太阳探测科学技术试验卫星（2021 年）、清华大学采用微纳卫星的“极光计划”（2018 年）和“天格计划”，以及中国科学院可持续发展科学卫星 1 号（SDGSAT-1，2021 年）等，取得了一批重要成果。
宇宙暂现源监视器（SVOM）卫星是中法两国航天局合作框架下的天文卫星（图 4），目标是发现和快速定位伽马暴，全面测量伽马暴的电磁辐射性质，研究伽马暴及其余辉。科学载荷由中法双方分工研制，包括伽马监视器（GRM），编码孔径 X 成像仪（ECLAIR）、软X射线成像（MXT）、可见光望远镜（VT）。在轨观测时，探测到爆发现象时将依次触发不同波段探测器、卫星姿态逐次机动实现天体目标辐射能区由高到低观测，获取伽马射线暴和其他变源在各能区辐射特性及随时间变化规律。目前，卫星已转入正样阶段，计划 2023 年发射，有望在宇宙暂现源研究等方面取得创新成果。
月球与深空探测
探月工程
我国嫦娥探月工程于 2006 年被列为国家重大科技专项。工程规划为“绕、落、回”三期，在环月探测、月面着陆巡视、月背着陆及采样返回等重大技术和科学研究方面取得瞩目成就，为我国进一步开展深空探测活动奠定了坚实基础。
嫦娥一号实现了我国首次月球环绕探测，取得我国首幅月球地质图和月球构造纲要图。嫦娥二号完成了更高分辨率的环月探测，获取了 7 m 分辨率的月表三维影像数据和多种元素全月面分布数据。嫦娥三号首次实现落月，开展了月面巡视勘察，获得着陆区月壤的化学组成、矿物组成、月壤厚度及其下覆三套玄武岩等的系列成果。
嫦娥四号和嫦娥五号实现了工程技术重大突破，科学探测取得重大成果。嫦娥四号实现了人类航天器首次月球背面软着陆，揭示了月球背面地下 40 m 深度内的地质分层结构和月幔的物质组成，首次在月表开展能量中性原子的就位探测和月表粒子辐射环境探测。嫦娥五号完成了月表铲取和钻取、采样封装并成功返回地球，获得 1 731 g 月壤样品，通过样品分析发现月球的岩浆活动一直持续到距今约 20 亿年，月球地质寿命比此前推测的又延长了 8 亿年；精准测定了玄武岩样品形成年龄为 20.30±0.04 亿年，将之前认定的岩浆洋活动时间延长了 800 万—900 万年，估算到玄武岩月幔源区的最高水含量小于 5 μg/g。
嫦娥探月四期工程已于 2021 年经国家批准，以月球南极地区作为主要探测目标，规划了嫦娥六号、七号和八号任务，2024—2030 年实施，实现月球背面采样、月球南极巡视探测，并计划与俄罗斯等国家合作在月球南极建设国际月球科研站基本型。
小行星与深空探测
我国首个火星探测器天问一号于 2020 年7月发射，国际上首次第一次任务就实现火星环绕、着陆和巡视探测，开展火星形貌与地质构造特征，火星土壤特征与水冰分布、物质组成、大气电离及气候与环境特征，火星物理场与内部结构等探测研究。至今天问一号巡视器、着陆器、环绕器均正常工作，获取了大量科学数据。我国正在酝酿和规划 2030 年左右实施火星采样返回任务。
小行星采样返回任务预计 2025 年前后实施，计划通过一次发射实现近地小行星采样返回和主带彗星绕飞探测，对太阳系典型小天体的特征和演化机理、太阳系早期物质和生命信息等进行研究。
我国正在酝酿论证木星系探测及太阳系边际探测，主要研究木星磁层结构、木卫二大气和冰层，寻找地外生命信号，以及研究日球层大尺度三维结构、太阳风传播演化、日球层边界和星际空间特征等，并穿越探测木星、土星、海王星等外太阳系天体，研究太阳系起源与演化。
（作者：顾逸东，中国科学院空间应用工程与技术中心；《中国科学院院刊》供稿）