我国空间科学发展的思考和建议
|
|
中国网/中国发展门户网讯 我国空间科学已取得一批重要成果，一些重点方向有所突破，具备了一定的国际竞争力，但毕竟起步较晚，基础不够雄厚，目前处于关键发展阶段。面对以美国为主、欧洲等国家和地区合作推动的国际新一轮空间科学计划和新发展态势，我国空间科学要进入国际前沿，任重而道远，必须清醒认识我国与国际先进水平的差距，深入分析问题和原因，从根本上采取措施，提高水平，做长期艰苦的努力。
存在的问题
空间科学支持力度不足。长期以来我国空间科学活动规模小，投入不足，从2015年起虽有显著提升，但与我国航天活动整体规模相比仍相当不平衡。2015—2021 年底我国共实施226次航天发射（全球占比 30.75%），其中空间科学相关发射次数约 5%（含科学卫星、月球与火星探测器），期间我国空间科学经费投入仅约全球的 3%—5%，在轨科学卫星数量为全球的 9.6%，尚未建立完整的科学卫星系列；载人航天、月球和深空探测等国家科技重大专项中的空间科学经费比例也远低于国际平均水平，前期研究、地面实验、仿真和数据分析等投入低，支持渠道匮乏。
与国际先进水平差距显著。2011—2020 年我国空间科学论文数量年均增长率较高，总发文量从 2017 年开始稳居世界第二，但论文篇均被引频次在发文数量前10位国家中排名垫底；2011—2020 年中国作者发表论文采用我国自主任务数据的仅占 20.5%（2000—2011 年该数字为 5.2%），且迄今尚未产生有重大科学影响、国际同行公认的成就。我国空间科学队伍规模小，一些重要领域（如空间天文、月球与行星科学等）的研究人员数量仅为美、英等单个国家的十分之一。分析更深层次的要素，我国在科学领军人才数量和国际影响力、基础研究积累、科学认知水平、技术和方法原创力、任务经验积累、开放学术氛围、国际化程度等方面尚有巨大差距。
空间科学的战略地位
我国空间科学发展滞后的根本原因之一，是对基础研究重视不够，对空间科学重要性认识不足，这是发展理念问题。空间科学属基础研究，需要较大投入，但往往存在“不那么重要和紧迫”“锦上添花”等错误认识，与空间任务相比处于弱势地位。近年来科技界和领导层高度重视基础研究对解决“卡脖子”问题和作为技术创新之源的重要性，无疑是正确的。从更宏观的科技发展和人类文明进步历史看，近代技术革命和产业变革都是由科学革命引发的。17 世纪以来的经典力学、电磁学、数学、进化论等构建了近代科学体系并奠定了现代工业基础；20 世纪初以量子论、相对论为核心的科学革命，造就了近百年来的科技繁荣和新兴产业。科学进步永无止境，面对未来可能的科学革命，我国不能无所作为，而应当为人类作出更大贡献，并为我国当前和未来科技、产业发展积淀深厚的科学基础；造就探索未知、求真溯源、开放理性的科学精神，使我国空间科学发展根深叶茂，行稳致远，这应是建设科技强国的深度内涵。
爱因斯坦曾指出：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军”。空间科学链接了宇观和微观研究的前沿，包括挑战现代物理学基础的暗物质性质、暗能量本质，极端宇宙的物理规律，并涉及太阳系和地球演化、生命起源与本质等基本问题，可能推动新科学革命。空间科学还延伸到利用空间特殊环境的重要应用基础研究，领域广阔，充满发现机遇，各大国将其视为空间时代的大科学和战略必争领域。空间科学应当作为我国基础研究的重点突破口之一。
我国正在向建成科技强国、航天强国的目标迈进，空间科学是其中突出的短板，要进一步加强空间科学、空间技术和空间应用的全面协调发展，将提高空间科学地位作为航天科技领域的重点任务，获取重大成果，实现跨越发展。空间科学挑战极限和不断超越的需求，也将成为空间技术向更高水平发展的不竭动力。
空间科学规划和预算
高水平的长期规划、稳定的预算，这两个顶层要素是我国空间科学长期稳定高水平发展的保障。
制定国家空间科学规划
空间科学面向科学前沿，高风险、高回报，必须长期规划，深厚积累，组织定向基础研究，精心实施。国际上成功的经验表明，获得重大成果的空间科学项目往往经历十几年至二十几年的科学准备、技术突破和研制试验，或经历几代空间任务的积累提升。我国不少空间科学项目准备时间短，存在诸多薄弱环节，或主要追求技术成果，影响科学产出。目前，我国空间科学规划分散在各部门和各专项，各抓一面，分段规划，主要是推出项目，缺乏长期战略、顶层规划、能力建设、配套措施和资源统筹，也存在争经费、“保地盘”等因素干扰。要改变这种分散局面，发挥国家战略科技力量主力军作用和高校等各方面积极性，制定统一和长期、持续的国家空间科学规划，形成国家“一盘棋”。
规划应坚持科学导向和重大科学产出原则，发挥科学家的核心作用，广泛征集建议；结合战略科学家队伍，不断研究重大科学问题和前瞻发展趋势，凝聚科学界共识，及时响应最新动向，提出科学方向、发展路径、优先分级、任务指南。规划应包括空间科学各领域，如深空探测是研究月球和行星科学的主要途径，是空间科学的组成部分，不宜单列；空间地球科学的研究性质突出，与各类对地观测业务卫星的目标和手段不同，应在空间科学规划中包括；空间生命科学和微重力科学在空间规划中应得到重视，不能完全依靠其母学科规划。规划周期至少 10—15 年，近中远结合，定期滚动迭代。
规划应全面部署基础能力提升，制定具体计划加强空间科学各方向的研究基础、学科布局和人才培养，落实重要研究设施的建设运行，部署新一代重要探测技术攻关，提出重要政策措施和国际合作战略。
要建立有效的跨部门统筹协调机制，在国家空间科学规划指导下理顺分工职责，从科学任务概念的研究、预先研究、技术攻关、工程研制、在轨运行、研保条件、科学应用和数据系统、软件工具开发、数据分析研究，到成果产出和转化的全链条形成完整的支持体系。
建立稳定的空间科学预算
发展空间科学需要增加投入，投入比例是政策的具体体现。近 20 年国际上主要国家航天局总预算年均约 370 亿美元，其中直接空间科学预算占比 27%，年均约 100 亿美元（其中美国 60 多亿美元），其投入规模（加上空间设施运行）和运营性质与全球地面大科学装置的投入具有可比性。我国应加大对空间科学的投入，在民用航天中经费占比达到 15% 并逐步提高到国际平均水平，建立科学卫星系列，同时载人航天、月球与深空探测等国家科技重大专项也应落实对相应空间科学的合理投入，保证科学目标实现。
空间科学任务的复杂性和长期性特点，以及扩大科学队伍规模、集聚高层次人才等都需要稳定的国家预算支持。突破财政年度和 5 年周期的预算是制定长期规划的基本条件，建议国家财政单列空间科学预算账户（稳定基数，可随国家财政状况微调），改变根据每项具体任务编列预算的办法，使空间科学整体发展和长期任务有稳定的预期，以及更高的经费使用效率。
夯实空间科学发展基础
空间科学不是有了经费，扩大了规模就能出成果的。空间科学追求首次发现和规律性认识，既要有国际视野和自主的科学思维，又要有创新的探测技术和实验方法，基础厚实极为重要。我国近几年发射卫星数量和空间活动规模快速增长，引发了一些急于求成的心态，认为有了好的想法，做了一些仿真计算就可以在卫星和空间站上实施，或单纯通过探测领域的扩大就能够取得成果，这不禁令人担心在规模扩大时我们的水平能否真正上台阶。我国空间科学必须摆脱单纯以空间项目为中心的思想，重视其背后需要进行的多方面巨大努力。长期努力提升科学和技术水平，不断培养高水平人才，厚植基础，才能培育出具有独特性和国际竞争力的空间项目。
加强地面和多渠道实验研究
空间科学是以观测和实验为基础的科学，需要通过地面实验和各种途径加强实验研究，提高能力水平。
空间科学先进国家通过低成本途径（科学气球、探空火箭、空间搭载等）拓展空间科学任务规模，激励新颖科学思想，验证创新技术，培育年轻领军人才，扩展人才队伍，以及作为夯实研究和技术基础的重要途径。美国 NASA、法国国家空间研究中心（CNES）和日本、加拿大、印度、瑞典等国航天机构均配备了科学气球和探空火箭系统，NASA 常年发射大型科学气球（高度 35—45 km，载荷数 t）和探空火箭（高度约 350 km），累计各 2 000 余次，21 世纪初开始的南极长时间气球探测计划，实施了 20 多项颇具创意的大型探测任务（粒子/非粒子天体物理计划），其中两项已升级进入国际空间站，还开展了一系列有特色的大气和地球科学观测和重要技术试验；在 Artemis 计划中已征集并初步确定了十几项立方星月球探测和技术验证搭载项目。法国作为欧洲科学气球中心，长年实施“用百分之一的经费获得百分之十的收益”的科学气球计划，且近年又在扩大科学气球的活动区域。
我国已具备开展科学气球探测和探空火箭活动的技术基础。取得重要科学成果的“悟空”卫星（与美国 ATIC 南极气球任务合作）、“慧眼”卫星（直接解调成像方法验证）都有气球飞行实验的重要基础。我国应发展大型科学气球，配备相关设备，建立常态化科学气球运行系统，条件具备时开展南极长时间气球飞行；探空火箭要配置合理型谱，在已有基础上形成运行系统，安排落实科研基础设施，建立面向全国征集项目，将开展科学探测和技术试验作为有效常规手段。其他低成本方法在我国也有先例，例如清华大学“极光计划”的立方星 X 射线偏振探测取得重要成果，正在推进后续“天格计划”；我国空间站也推出了搭载计划。利用各种低成本机会开展实验，是加强研究基础和技术研发的有效途径。
为保证在国际空间站上开展的生命和物理研究项目具有更高水平，参与各国普遍采用了“培育-淘汰”的优选流程，征集后的初选项目给予少量经费开展地面研究和实验。通过 Pre-phase A（概念研究）和 Phase A（概念及技术开发）阶段的实验结果和严格的同行评议，筛选少部分优秀项目进入飞行任务阶段，优选比例约 1/5。地面实验普遍采用微重力落塔、微重力飞机和其他模拟方法进行验证。
我国已具备开展微重力落塔实验的条件，正在建设更强性能的微重力设施，需要全面安排好这些实验设施的建设发展。我国空间站实验要形成项目池和项目优选机制，充分利用各种手段加强科学研究、地面实验和与设施设备的匹配实验，争取高水平成果。
科学数据是空间科学实测（实验）的结果。我国长期利用国外空间数据开展科学研究，取得不俗成绩，并为自主空间项目进行了有效准备。随着我国自己的空间科学数据越来越多，加强数据共享利用有利于多出成果，发挥效益，并可吸引更多团队参加，加强研究基础。要破除影响数据共享的各种壁垒（包括对地观测数据用于地球科学等研究），制定数据标准，发展数据分析软件，最大限度地实现数据共享和再利用。
加强理论、实验与技术深度结合
空间科学要在观测和实验基础上达到探索未知、认清规律的目的。从以下两类科学产出分析理论、实验和技术结合的重要性。
发现性和描述性科学产出。从观测和实验中发现新现象，发现可能颠覆现有科学规律（破缺）迹象，解释现象背后的科学成因，勾画出未知的物理图像或过程脉络，发现新现象的科学机理，这些都是重大科学成果。在这个过程中，科学思想（科学洞察力）、探测和实验技术（往往要有超越性的技术和方法）、准确理解实验结果（条件变化、测量误差和置信度、统计分析结果）、数据分析工具包，以及对实验结果的科学解释都是非常重要的；大数据挖掘、人工智能将成为更有效的研究分析工具；科学仿真，特别是“端到端”仿真（观测目标-传递路径、载荷与系统响应-模拟数据生成），和进一步的“数字孪生”用于设计验证，要素影响评估、测试结果确认、数据处理准备、运行参数调整及流程规划，成为任务全周期和提高研究水平的重要环节，需要科学家、实验专家、技术专家和数据分析专家深度结合。我国各领域、各单位情况有较大差距，普遍存在科学与技术分离，任务全链条力量不完整等问题。小课题组模式已显现出局限性，需要在重要方向形成强大完整的团队，在重要任务中加强组织，多单位优势互补，集聚高水平人才，开展细致交流，加强各类工作的融合。
创建性或颠覆性的理论突破。其对科学发展有重大影响，诺贝尔科学奖比较青睐这类成果，而这方面目前是我国的突出短板。创建性或颠覆性的理论突破需要理论学家（和部分数学家）不断研究和推出关于宇宙、天体、物质、热力学、太阳系、地球、生命等不同层次重大科学问题的新学说、新模型和“大理论”。建议设立“研究特区”，动员和吸引理论学家关注和参与空间科学规划，指导空间科学项目，了解空间实验情况和结果，加强与实验科学家交流，发展复杂系统数值模拟。我国专注“大理论”的高级研究人才比实验人才更加欠缺，可遇不可求，因此特别需要开辟适宜土壤长期培育。
加快空间科学人才培养
空间科学人才不足将严重影响未来发展，因此我国首先需要采取措施扩大空间科学人才队伍规模。高校和研究机构应加大空间科学相关研究生招收培养数量，不断提高培养质量，这可能是较快的解决办法。高校要全面部署与空间科学各领域相关的学科设置。
更多的空间科学项目，包括采用低成本途径的项目是培养具有科学素养和实践经验人才的重要途径。例如，培养空间科学各领域的科学家、科学探测及实验技术专家，以及具备综合能力、能组织领导空间科学任务的项目首席科学家和管理专家。大型空间科学任务和国际合作项目应设立专门人才计划，吸引国内外学者和高素质青年人才。
部署空间科学重要领域的国家实验室或全国重点实验室，通过实验室建设承担国家空间科学任务，集聚并长期稳定高水平人才，形成专家群和完整的综合性团队。
加强空间科学国际合作
空间科学与所有基础研究的性质相同，是全球性的，国际合作已经成为各国空间科学发展政策的重要组成部分。我国空间科学的国际合作已有诸多成功经验，如地球空间双星探测计划与 ESA 的合作、空间科学先导专项卫星任务多层次的国际合作、载人航天工程中的中德空间生命科学合作、中国-瑞士合作伽马暴偏振探测（POLAR）等均取得重要成果；正在实施的一批重要国际合作计划，包括中法合作的太空望远镜（SVOM）项目、中-欧合作太阳风-磁层相互作用全景成像卫星（SMILE），以及 EP 卫星与 ESA、CNES等的合作，中国空间站与 COPUOS 和 ESA 联合征集科学实验项目合作等，这些对我们提升全球视野、提高水平、打牢基础、提升国际影响力均发挥了重要作用。
在当前国际形势下，仍要坚持贯彻开放、合作方针，积极参加重要国际空间科学计划、双边和多边项目合作，积极推动我国牵头的空间大科学计划，开放我国重大专项（空间站、探月工程等）的空间科学计划和科学卫星计划，征集国外科学家的项目建议，开展国内项目的国际评审，促使我国空间科学进入国际前沿。
要充分发挥科学家在开展学术交流和形成国际合作项目中的作用，鼓励支持我国科学家积极参加国际会议和国际组织的活动并任职，形成活跃的有影响力的国际交流人才队伍；加强我国空间科学各领域与国外对口专业机构（研究中心、实验室等）之间的密切交流，形成长期稳定的合作关系；要举办和参加各种科学讨论会和工作会议，积极参与 COPUOS 的活动，显著提升我国空间科学的国际影响力。
完善空间科学任务管理模式
空间科学的实施体现为航天工程任务（科学卫星、深空探测）或其中的重要组成部分（载人航天工程等），具有显著的科学与工程结合特点，也经常显现出科学文化与工程文化的冲突与融合。如何完善空间科学相关任务的管理，是我国空间科学发展的重要课题。
处理好科学与工程的关系
多年来，我国已经形成了完整的航天工程管理体系；空间科学滞后进入，需要一个理解、适应和提升过程。总体上，要坚持“科学（应用）是最终目的，工程是根本保证”的理念，既要满足科学任务特殊要求，也要遵从航天工程高可靠（载人航天还有高安全性）的要求。
科学与工程两者有不同的内在需求和规律差异。例如，我国航天工程重视状态管理（设计状态、初样和正样状态），把技术状态作为基线严格管控、保证质量，这也是我国航天工程普遍采用由多个系统组成大系统的管理模式所需；而这要求科学载荷很早就确定技术状态和接口，对许多项目而言难以适应。在欧美的一些大型空间科学任务中，特别重视科学需求（科学任务对工程的需求），项目以科学需求文档（SRD）为核心贯穿研制全周期和天地系统，不断挖掘科学潜力，不断迭代，即使在详细设计（CDR，相当于正样设计）和系统测试后，仍要按 SRD 或新需求更改完善，笔者认为这更加符合科学规律和保证产出的理念。这种理念可行的基础是科学家主导下的合同制管理模式，即使空间科学先导专项科学卫星给予首席科学家一票否决权，但也还不具备完全实施这种模式的条件，遑论其他，但今后肯定要推行这种理念。我国航天工程的阶段划分还不能贴切地反映科学载荷与飞行器的差异，特别是科学载荷测试验证、标定，以及匹配实验等细致工作需要时间，而目前往往过于紧张。
载人航天工程在国内外都被赋予了体现国家威望等更广泛的意义，总体上与其中的科学任务是可以很好兼顾的，我国空间站工程正在不断探索完善。在空间站长期运营的科学项目管理中，管理的高效性、项目培育遴选、立项程序和时效、资源分配、余量管理、系统间协调、流程改进、质量标准、进度安排等方面还有很大改进空间，需要防止重进度、轻科学产出的倾向。
我国航天工程管理体系是长期实践经验的宝贵结晶，但也要与时俱进，将科学任务特点和科学产出最大化理念纳入更完善的工程管理方法中。
重视发挥科学家的作用
科学家群体应在制定我国空间发展战略、长远规划、项目论证、评审遴选、同行评议、任务评估、成果评估中发挥主体作用。特别是在空间科学任务中，科学家及科学家团队应当发挥核心作用，在立项、科学目标确定、指导系统研制、测试验收、地面系统、科学分析等全过程中保证科学目标实现。目前，多项空间科学任务已经采用了首席科学家负责制，或是科学家、总工程师和总指挥“三首长制”，科学家开始发挥作用，但还很有限。在现有以行政领导为主的管理架构中，涉及科学产出的重大问题如何决策，首席科学家及责任科学家团队的实际地位和作用发挥如何保证，还要继续探索和积累经验，通过管理规定逐步成型。此外，我国还需要培养出一批懂科学、懂管理、懂载荷、懂工程、理解科学任务特点规律的复合型领导人才，为空间科学任务更好体现科学导向发挥重要作用。
（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）