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中国学科发展战略|空间科学

空间科学是以空间飞行器为主要工作平台,研究发生在地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙的物理、化学和生命等自然现象及其规律的科学。空间科学包括太阳物理学、空间物理学、空间天文学、月球与行星科学、空间地球科学、空间生命科学、微重力科学等分支领域。

1957年第一颗人造地球卫星发射成功以来,人类开展了大规模的空间活动,共发射了6000多颗卫星和深空探测器及300多艘(次)载人航天器,其中约900颗卫星和深空探测器用于科学研究。进入太空开展科学研究,突破性地拓展了人类视野和活动疆域,开创了地面无法实现或受限的全新实验方法,革命性的发现源源不断,取得了辉煌成就,极大地丰富了人类知识,深刻地改变了人类的自然观和宇宙观,为当代科学技术发展做出了重大贡献。

图片来源:Stock Snap 作者:Stephen Rahn

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空间科学的意义和战略价值

1. 基础前沿和重大科学问题的突破口

空间科学以发现新现象、探索科学规律为目标。其研究领域广阔,涉及太阳系乃至宇宙的起源演化、物质结构、生命起源、人类生存环境等当代重大基础前沿科学问题,以及空间特殊条件下物质运动规律等基础和应用研究,是充满新发现机遇的突破口。

空间科学集中了当代最具挑战性的基础前沿和重大科学问题。例如,暗物质性质和暗能量本质问题被形容为笼罩在物理学上的“两朵乌云”,空间研究将为破解该难题做出独特贡献;生命起源及地外生命之谜最可能在空间研究中得到解答;宇宙中存在地面无法企及的极端物理条件,空间研究促进了宇观(宇宙学)和微观(基本粒子物理学)研究的融合,成为探究物质本源的前沿;太阳、空间物理、地球、月球和行星研究将更深入地理解太阳系和行星演化,并通过比较加深对地球变化趋势的认识;空间检验基本物理理论将达到前所未有的精度,并推动物理理论的发展。地球环境变化涉及经济社会发展和人类命运,而空间研究是理解这一复杂大系统问题的有效途径。

空间科学对重大基础前沿科学问题的研究将取得重大突破,可能催生新一轮的科学革命,是基础研究的战略必争领域。在过去的几个世纪中,我国已经屡次失去了在科技革命中有所作为的机遇,今后不可再错失机会。空间科学是我国实现基础科学研究重点突破的重要机遇,是我国建设科技强国的重大领域之一。

2.推动航天科技发展的不竭动力

空间科学、空间技术和空间应用构成了航天领域的三大支柱。人类探究太空奥秘的渴望和空间科学不断获得的重大发现,成为激励空间活动持续发展的不竭动力。空间科学挑战极限的需求有力地牵引着空间技术向更高水平发展,促进尖端探测技术不断突破,是航天核心技术发展的强劲动力,也是空间应用的先导和基础。

大力发展空间科学,将有力地带动航天高新技术的跨越式发展,激发航天科技发展的内生动力和创新活力,推动我国航天事业健康、高质量的持续发展,促进我国实现从航天大国向航天强国的跨越,走中国特色的航天科技创新发展之路。

3.创新驱动发展的重要阵地

空间科学的创新性和探索性催生出多种新技术,空间科学对高性能探测技术的需求有力地促进了光学、精密机械、特种材料、人工智能、激光、红外、极低温、高性能探测器和传感器等高技术的创新,为国家创新发展提供源源不断的动力。

空间科学各领域的知识积累和成果转化将带动高新技术、新兴产业发展。太阳物理和空间物理研究、空间天气预报对保障空间活动和地面大型设施安全具有基础性作用;空间地球科学研究为预测和应对全球气候变化,解决资源、环境、污染、灾害等急迫问题提供科学依据和技术手段;空间生命科学研究将获得创新的生物材料、药物和医疗技术,提高农、林产业水平,促进人民健康;微重力科学对流体和燃烧的研究对改进地面工业流程、提高能效、节能减排有重要贡献;微重力材料制备的研究,可为优化地面工业生产工艺、合成与开发新材料做出重要贡献;微重力基础物理研究推动了量子信息技术、高精度时间频率技术的发展和广泛应用,产生了重大效益。

4. 提升综合国力和国际影响力的重要途径

空间科学活动体现了国家目标和国家意志,也是人类求知欲和探索创新力的生动体现;其全球瞩目,广受关注,具有世界性影响,是体现国家科技进步和综合实力的重要标志;空间科学的广泛国际合作是开展对外交往的重要领域,对吸引青少年投身科学和提高公众科学素养具有不可估量的作用;空间科学活动具有显著的政治、科技、经济、外交和文化等意义,对提高我国综合国力具有重要作用。

02

空间科学的发展规律和特点

1. 科学驱动的空间任务

科学驱动是空间科学任务的本质特征,创新超越是空间科学项目的基本理念,空间科学项目以取得科学成果为出发点和最终评价依据。在项目酝酿时一般采用自下而上的方式,由科学家主导,经同行评议,确认项目的科学意义和创新性;纳入国家规划后在立项、指标确定、工程研制中仍需要发挥首席科学家和科学家团队的主动性与创新性,在工程实现和任务管理中始终贯穿科学目标导向;科学家在空间科学任务中具有关键作用,应在任务领导体制中体现;数据(样品)分析是空间科学任务获取科学成果的关键阶段,应加大投入力度,开放数据,发展模型和算法,活跃科学思想,阐释科学机理,最大化地促进科学成果产出。

2.科学、技术与工程的高度结合

空间科学项目的遴选依据是创新的科学思想和先进可行的科学载荷方案,需要长期规划、征集提案、全面部署、先期预研、攻克关键、夯实科学和技术基础,推出具有国际竞争力的项目。体现科学特点的工程管理是空间科学任务成功的保证,要在航天工程严格管理的基础上充分体现科学任务的特点,以科学需求为主线,加强载荷与飞行器、天基和地面段的一体化设计及仿真,科学地确定系统方案和指标分配,反复权衡迭代,确保系统的科学能力;研制流程要安排飞行产品和地面科学分析方案(含软件)同步研发并相互验证,同时保证科学载荷测试的完备性和定量化水平;科学和工程技术的密切配合是实现科学目标的关键,需要各方专业人员大力协同,培育科学工程文化,培养科学、技术和工程融通的复合型人才队伍。

3.国家科学规划的重要组成部分

空间科学几乎涉及全部自然科学领域,是各大基础学科中的前沿方向或重要分支。

空间科学规划应成为国家整体科学规划的重要组成部分。空间科学承载着探索发现使命,是融合高端技术的战略性科学领域,是国家科技发展战略的重要组成部分。空间科学与自由探索性的科学活动有很大不同,加之空间科学任务投入大、任务实施周期长、空间实验机会宝贵、风险高,因此在国家层面的统一规划、长期积累、周密组织是发展空间科学的内在需求,国家规划的科学性、长远性和支持的稳定性是空间科学可持续发展的重要保证。

4.交流合作的活跃领域

基础性科学研究需要开放、交流、合作及知识体系的积累。空间科学的基础研究性质使其全球范围内的交流合作异常活跃,学术交流形式多样。各国航天机构大多将国际合作列为重要的发展政策,相当比例的科学卫星和国际空间站的科学任务都是通过国际合作开展的。空间科学宽广的研究领域、重大科学问题的广泛共识和聚焦、对学术研究深度和探测技术的高度依赖、任务投入大和经费分担等需求,是促使空间科学活动开展深度国际合作,形成国际联合计划的重要原因。空间科学已成为航天领域学术交流和实质性项目合作最活跃的领域。

图片来源:Stock Snap 作者:Free Nature Stock

03

空间科学的发展趋势

当今空间科学研究的重点目标更趋集中。从国际空间科学的具体计划看,科学卫星和深空探测将持续高水平推进,国际空间站的综合利用得到加强,载人空间探索正处于进一步酝酿和确定具体目标阶段。未来几十年的空间科学孕育着对物理学、生命科学、宇宙科学和地球系统科学认识的重大突破。

在太阳物理和空间物理学领域,美国、欧洲、俄罗斯、日本等计划在未来进一步探索太阳,研究太阳活动规律及对行星际空间和地球空间的影响;加深对地球磁层、电离层和大气层动力学及各圈层相互作用过程的理解,强调提高地球空间天气预报能力,以保障空间探索和为技术社会服务;将充分发挥地面台站的作用,开展全球联合的地基观测,并发射采用更先进探测技术的新一代卫星,不断从宏观和微观两个维度开展探测。

空间天文项目规划对暗物质、暗能量及黑洞附近极端条件下物理过程等重大前沿问题做出了积极的响应,空间天文学今后研究的主要热点是:黑洞及宇宙极端条件、暗能量、暗物质和宇宙演化、星系结构和演化、类地太阳系外行星系统的搜寻等。空间可见光及红外巡天,以及X射线、伽马射线、宇宙射线、红外和紫外是天文卫星观测的重点领域。引力波天文探测的新窗口已经打开,在空间进行的低频段引力波直接探测,发现了超大质量黑洞等星体的并合,寻找电磁对应体将成为新的热点。未来空间天文学的发展将酝酿革命性的新发现和重大突破。

月球与行星科学的发展态势表明,美国将主要精力放在火星和小行星探索上,2017年已调整到月球探索方面,为未来可能的载人火星任务做准备;各国探索的重点是月球、火星、木星及木卫二、土卫六等巨行星的卫星,还有小行星和金星。寻找太阳系天体可能存在的水和生命成为热点,将在太阳系形成和太阳系天体演化方面取得新的科学认识。

空间地球科学和全球变化仍然是各空间大国高度重视的领域。将地球大气圈、水圈、岩石圈、生物圈及其相互作用作为整体系统的研究得到加强,重点是加强对各圈层变化规律及相互作用的物理学、化学和生物学过程的研究,了解主导全球变化的机理和变化规律,提高理解、预测及应对全球变化的能力。地球科学各领域专家的合作和国际联合研究的趋势也十分明显。

空间生命科学和人体科学研究以国际空间站为主要平台,将获取新的基础科学成果和转化应用成果。欧洲的空间生命科学研究注重基础和连续性;美国一度单纯强调长期载人活动中航天员的安全和健康问题,现又加强了对基础生物学的支持力度;俄罗斯在航天医学和健康药物防护、高等植物栽培、蛋白质晶体、生物制剂、药物提纯等方面开展了广泛、系统的研究;日本在密闭生态实验、蛋白质科学和航天员健康保障方面开展了重点研究,并将继续进行和发展。

微重力科学实验主要在国际空间站开展,基础物理对探索物理规律的重要性得到普遍认可。空间量子物理研究和应用开始兴起,量子气体极低温及其在临界点附近的新物态、等效原理验证、空间冷原子钟、高精度时间频率及相关基础物理研究受到高度关注。研究和理解微重力条件下复杂系统的动力学稳定性与转捩新规律,包括软物质(胶体、细颗粒物、生物流体等)的流变行为、自组织和结晶,以及燃烧反应动力学、熔体深过冷与非平衡相变、空间增材制造、相变和两相(多相)流体行为等未来重点研究的内容。

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我国空间科学的发展目标

我国空间科学的发展目标是:到2035年左右整体进入世界先进行列,在若干重点领域取得有重大影响的科学发现和突出成就,成为国际上有重要影响的空间科学大国。到21世纪中叶,主要领域处于领先或引领地位,成为空间科学强国。

太阳物理学的发展目标是:进一步认识太阳活动规律、太阳结构与演化,了解太阳活动作为扰动源对日地空间和人类生存环境的影响。

空间物理学的发展目标是:提升对太阳活动爆发机制和近地空间等离子体动力学的基本物理过程的科学认识,了解日地耦合系统和地球空间各个圈层相互作用的变化规律,大幅度提升空间天气应用服务的能力,更好地满足国家和社会的需求。空间天文学的发展目标是:通过开展先进的多波段空间观测、引力波探测和系外行星探测,在理解宇宙极端物理过程和规律、宇宙暗物质性质和暗能量本质、星系形成演化等重点领域取得重大发现。

月球与行星科学的发展目标是:在月球关键科学问题方面取得突破;开展以火星为主线的深空探测和比较行星学研究,深入理解火星和地球的变化趋势,开展生命及相关物质的探测与研究,在太阳系生命的起源与演化探索中取得突破。

空间地球科学的发展目标是:创新和提升地球观测水平与能力,在全球变化和各圈层科学研究方面形成有我国特色的科学理论与方法体系,取得一批有国际影响的重大原创性成果。

空间生命科学的发展目标是:在人体科学和航天医学、空间基础生物学、生物技术和转化应用、宇宙生物学、生物再生生命保障系统等重点领域取得有重大影响的科学发现和突破,并为我国载人空间活动提供保障,为未来长期载人探索奠定基础。

微重力科学的发展目标是:在基础物理重点方向,以及微重力流体、燃烧和空间材料科学的新兴重点、优势方向实现科学突破,并积极推进相关知识、技术研究成果的转移转化,为我国高技术发展、产业升级和资源环境领域做出显著贡献。

图片来源:Pexels

05

关键科学问题和优先发展方向

1.太阳物理和空间物理学

关键科学问题:①太阳风暴形成机制传播过程;②日地系统空间天气的耦合过程;③空间天气区域和集成建模方法;④空间天气对人类活动的影响。

我国优先研究方向聚焦于日地系统连锁变化过程的研究,目的是显著提升我国应对空间天气灾害的能力。具体包括:形成空间天气连锁过程的整体性理论框架;构建空间天气因果链综合模式;建立起基于物理规律的空间天气集成模式;太阳爆发事件在日地复杂系统的传播、演化、耗散过程的定量化描述;利用国内外天基、地基观测数据进行数值模拟和理论研究,开展空间天气数值预报试验,支撑我国空间活动的安全;开拓空间天气对人类活动影响机理的研究。此外,发展太阳和空间物理探测的新概念与新方法,提出新的空间天气系列卫星方案,开展子午工程II期建设并推进国际空间天气子午圈计划。

2.空间天文学

关键科学问题:①天体高能过程,黑洞视界和中子星表面及内部极端物理过程与机制;②暗物质性质,宇宙加速膨胀机制和宇宙基本物理规律;③恒星生命周期,星系和类星体等各种宇宙天体的演化规律;④类地行星及生命迹象。

优先发展方向:剧烈爆发现象(如伽马暴等)的多信使、多电磁波段联合观测及物理机制研究,极强引力、极强磁场和极高密度等极端条件下的物理规律;观测宇宙学和宇宙学模型检验;星系科学研究,天体形成与演化;空间引力波及其电磁对应体的探测、综合研究;类地太阳系外行星系统的搜寻。此外,发展创新的探测技术,发射先进天文卫星,重点是天体高能波段观测、空间光学巡天观测、宇宙线和暗物质探测、空间引力波直接探测、空间甚长基线干涉测量(VLBI)射电观测和系外行星观测;加强天体物理和宇宙学数值模拟和理论研究。

3.月球与行星科学

关键科学问题:①月球形成、岩浆洋结晶与壳-幔分异,月球撞击历史;②月表物理环境、太空风化和月壤物性;③火星地质演化、多圈层相互作用与古环境演化;④火星磁场、大气逃逸和大气演化;⑤火星上水与生命活动迹象。

我国将月球、火星、木星和小行星系统探测作为优先发展方向。月球与行星科学的主要研究方向与之配合,包括月球(火星)返回样品分析研究,月球(火星)成因、演变与构造研究,资源与能源利用研究;火星形貌、地质、大气与磁层研究;火星和木卫的水与生命探索研究;比较行星学研究。此外,将进一步凝练科学目标,研发创新的轻量化、小型化、集成化、功能多样的有效载荷和探测方法支撑探测计划。

4.空间地球科学

关键科学问题:①气候变化研究和地球复杂系统数值模拟;②水循环和能量循环过程研究;③地球生物化学循环和地球生物物理过程;④全球重力场分布、海平面变化、板块运动研究。

优先发展方向:大气动力学、物理学、化学和辐射机理及其耦合机制;陆地、海洋、生态、大气圈层相互作用与区域气候调控过程;陆、海、气、生态系统的水和碳的循环、收支变化及定量研究;地球辐射收支平衡过程和能量循环;人类活动、生态系统、农牧业、水资源和人类健康对气候变化的敏感性与适应性。此外,需要充分利用业务卫星和地面台站信息,发展地球科学研究卫星,推进地球大数据科学工程;完善气候系统模式中的过程定量描述和地球系统数值模拟。

5.空间生命科学

关键科学问题:①微重力下人体生理变化机制,宇宙辐射对机体的危害;②生物不同层次对(微)重力、辐射、亚磁、节律变化的感知及信号转导过程,损伤与修复或适应机理;③生命起源的环境和分子机制。优先发展方向:空间人体心血管功能失调、骨质流失、肌肉萎缩、免疫功能减弱、神经功能障碍、空间运动病、消化代谢紊乱等机制及对抗措施;植物不同层次对微重力刺激转导和代谢响应的细胞及分子机理;空间生物再生生命保障基础科学问题;干细胞和细胞(组织)的空间三维培养;空间亚磁、生物力学、生命分子进化等前沿交叉问题;生物技术和转化应用。此外,发展先进的空间实验平台和诊断技术、基因组测序等分析技术,组织科学计划,开展一系列空间实验并取得重点突破。

6. 微重力科学

关键科学问题:①微重力流体物理方面包括界面动力学,相变及多相流传热传质规律,胶体晶体自组织及相转变机理,分散体系聚集行为;②微重力燃烧科学方面包括近可燃极限燃烧、湍流燃烧,燃烧反应动力学;③空间材料方面包括生长界面形态稳定性与演化热力学和动力学过程,扩散、聚集与分离、分凝与组分配比控制,缺陷形成机制及组织结构完善性控制,空间环境下材料服役性能退化机制及控制;④基础物理方面包括光秒量级的量子力学非定域性,量子气体在皮开(pK,10-12K)量级温度下的新奇量子特性和新物理态,强弱等效原理、广义相对论的完备性。

优先发展方向:微重力流体物理优先发展方向除流体基本问题研究外,重点关注软物质、多相流动、相变传热及其应用;燃烧方面优先发展与动力技术和地面应用相关的液滴、湍流扩散等燃烧规律,煤冷焰燃烧研究,以及航天器防火涉及的燃烧问题;空间材料重点研究材料科学的本质问题,包括界面稳定性,相分离与聚集行为,金属合金等重要材料加工过程机理,地面难以制备的特殊功能材料,高温熔体物理性质测量,材料在交变温度与辐照等环境长期服役条件下的损伤机制,增材制造和地外资源原位利用等;基础物理的优先发展方向是量子力学完备性的空间验证,极低温下的量子统计性、量子相变、量子涡旋、物质波干涉、玻色与费米量子气体的相互作用,冷原子微波钟和冷原子光钟及精细结构常数变化精密测量,超过现有精度的强/弱等效原理、引力红移、磁型引力效应等实验的检验。

06

学科发展的政策建议

1. 政策和体制机制建议

1)明确发展目标。将空间科学作为建设科技强国布局的重点领域,到2050年成为空间科学强国。

2)建立统一的国家空间科学管理机构。制定国家空间科学发展战略和中长期规划;明确发展方向、科学目标、重点领域,通过征集项目建议,形成实施计划和持续稳定、及时滚动的发展模式。

3)建立科学稳定的投入机制。空间科学单列预算并保持稳定增长,保障长期规划的稳定实施;统筹国家各部门投入机制,分工有序地支持预先研究、科学仪器、研究设施、研究条件、地面系统、数据分析研究、成果转化全链条工作。

4)建立空间科学国家实验室。加强空间科学核心研究机构和实验室建设,实行目标导向的任务管理机制,调动各方面力量积极参与空间科学活动,建立数据共享开放机制。

2. 发展路线、途径和保障措施建议

本书提出了我国空间科学任务的发展路线图,并提出以下建议。

1)建立我国科学卫星系列,增加发射科学卫星数量并提高科学技术水平,今后平均每年发射两颗科学卫星(含深空探测器),包括重大“旗舰”级项目,后期条件成熟可以适当增加。

2)在国家航天专项中加大空间科学任务比重,加强在空间站实施多领域空间科学任务的部署,随运行阶段不断优选创新项目,建成国家级太空实验室,加强探月工程和深空探测中的科学任务规划。

3)加强各类研究设施和地面台站建设,建设高空科学气球、探空火箭基地并开展业务运行,建设新的大型长时间微重力(低重力)模拟设施和其他模拟空间环境的设施。

4)部署并先期开展重大空间科学项目的科学载荷技术攻关。

5)加强空间科学数据分析及理论研究。

6)开展高层次的国际合作,推动由我国发起、多国参与的“旗舰”级大型空间科学项目,并积极参加国际重要空间科学计划。

7)加强学科建设和人才培养,大力开展空间科学普及和教育活动。

3. 对空间科学资助的建议

1)统筹协调国家各部门投入机制,在空间科学规划下分工支持空间科学不同阶段全过程的投入。

2)建议科学技术部、国家发展和改革委员会、工业和信息化部、国家自然科学基金委员会针对国家重大航天专项中有重要价值的空间科学方向和项目,通过设立重点研发计划,联合基金、重点或重大基金,重点资助其学科前沿研究、重要地面研究设施及运行、地面科学应用系统、研发条件保障建设和数据处理分析。

3)建议国家自然科学基金委员会重视新创意的空间科学和技术概念,通过面上项目或重点项目予以资助。

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本文摘编自中国科学院编《中国学科发展战略·空间科学》文前摘要。

中国学科发展战略·空间科学

(中国学科发展战略)

丛书策划:侯俊琳 牛 玲

北京:科学出版社 2019.04

ISBN 978-7-03-060553-5

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(本期编辑:安 静)

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