空间科学在载人航天、深空探测和科学卫星这三类任务中如何发挥作用

baichuanlv · 发表于 2024-11-5 11:52:09

原文刊载于《中国科学院院刊》2022年第11期“学科发展”，原文标题《载人航天、深空探测和科学卫星三类任务中的空间科学》。本文为精简改编版

吴季

1. 中国科学院国家空间科学中心

2. 中国科学院大学

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空间科学的起源与定义

从人类1957年10月发射第一颗人造卫星开始，就进入了太空时代。当时，人类对太空的了解非常少，比如对电离层以外的空间环境如何，太阳辐射的粒子到达地球空间后如何运动还尚不清楚。因此，就应运而生了对空间开展直接的研究这个新的学科，称为空间研究（Space Research）。

此后，在美苏的太空竞赛中，尽管双方都在力争太空领域中的第一，无瑕开展专门的太空研究，但是在各种航天器中都力争携带了粒子探测器、磁场探测器和其它空间环境探测载荷，获得了大量的针对空间环境的原位（in-situ）探测数据。由此诞生的，以研究空间为主要目标的学科，逐渐浓缩为等离子体物理或空间物理。

在之后的数十年中，空间物理一直是空间科学的核心学科。对地球空间中等离子体及其运动规律的研究，逐渐拓展到地球空间以外的从太阳上层大气到太阳系边界的整个行星际空间，也拓展到了月球、水星、金星、火星、木星和土星，和它们的卫星周边的空间环境。

人类在初步了解了太空的环境以后，开始利用飞行器的平台从事天文观测。其好处是可以突破大气层对电磁波某些频段的阻隔，比如甚低频电磁波频段，比毫米波频率还要高的太赫兹频段，以及紫外频段及以上的X射线和伽马射线。这使得空间天文成为空间物理之后空间科学领域的又一个重要分支。与空间物理不同的是，由于天文领域的很多望远镜仍然在地面上，因此天文卫星往往并不是空间天文领域的大多数科学家唯一可以获得数据的来源。

几乎与对地球空间的探测同步展开的，太空竞赛期间，美苏最大的竞争方向是深空探测。月球、金星、火星、小行星、以及之后的太阳系边界探测，都给对行星的研究带来了大量的新数据。不仅仅是那里的空间环境和遥感数据，更重要的是实现了着陆之后的岩石、土壤和地质信息。这使得大量地球化学科学家、地质地理科学家加入到了空间研究的队伍，促进了空间科学另一个分支学科，行星科学的发展。

与空间科学领域其它分支学科的发展不同，空间地球科学对地球系统的研究的起步是由于遥感应用卫星的发展。居高临下是从太空观测地球的优势。从数百公里的高处，你可以看到数千公里范围内的地面上正在发生着什么。当然，如果天气不好，有云，光学遥感器就无能为力了。但是对气象预报，从这个高度哪怕是观测云顶的移动和变化，都非常有用。科学家还在紫外波段的遥感观测中发现了臭氧洞。这些应用数据逐渐积累，直到推动了空间地球科学作为空间科学中一门比较新的，利用遥感卫星研究地球系统变化的学科的确立。

在载人航天起步的时候，微重力科学和空间生命科学的研究同时开始起步。因为载人航天的实际需求非常迫切，这两个领域的科学研究从一开始就有明确的应用目标，即要为载人航天服务。然而它们又和同样具有应用意义的空间地球科学不一样。遥感图像具有非常直接的看图识字功能，甚至不需要研究就可看到台风、就可以识别出目标。但是在太空中的微重力环境下，当地球表面那1g的重力“面纱”被揭开以后，物质（特别是流体）以及生命体的运动本质到底是什么，是需要开展大量研究的。特别是对复杂的人体，更是需要不断的、深入的航天医学研究。这就催生了微重力科学和空间生命科学的发展。

可见空间科学成为一个新兴的、交叉的，且包含众多学科分支（空间物理、空间天文、行星科学、空间地球科学、微重力与空间生命科学，以及基础物理试验）的科学领域，是伴随着人类进入太空的步伐逐渐发展起来的。如果用一句话来定义的话，就是：空间科学是指利用航天器为主要平台，研究发生在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理学、天文学、化学及生命科学等自然现象及其规律的综合性交叉学科。

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载人航天任务的特点

载人航天在发展初期虽然受到了冷战和太空竞赛的驱动，但是在一定程度上也反映了人类的探索精神。前苏联在载人航天领域的零的突破，美国阿波罗计划将人首次送上月球，仍然是他们至今还在享用的政治资本。因此，载人航天任务的最大特点就是其公众关注度高。

然而，要想取得公众的关注度，就必须不断地实现突破，为公众带来新的关注热点。中国航天员杨利伟在2003年实现了中国人独立自主的天地往返，虽然比前苏联的加加林晚了42年，但仍然可以在中国人心中激励起自豪感。因此，载人航天的公众性是由执行任务的主体而决定的，具有地域和民族性。当然，如果想引起全人类的公众的关注，就必须实现人类的第一次。

即使在同一个地域和国家内，载人航天如果要持续保持当地公众的关注度，就一定要有不断的突破，比如从单人1天到多人多天、从男航天员到女航天员、从舱内活动到出舱活动、从单舱到多舱的交会对接，直至空间站建设等。但是这些都是技术性的突破，还不是空间科学研究。

空间科学研究可以为载人航天的发展提供一个可持续的工作方向。比如，当一个空间站已经建成，不断的技术突破暂时停滞时，航天员在空间站上开展的各种科学试验，就可以为公众不断地提供关注点，继续维持载人航天的公众性这个特点。

可见载人航天任务最大的特点还是其无可比拟的公众性。但是要实现和保持这样的公众性，就需要不断地由人，也就是航天员来突破和实现新的目标，而不能在一个技术平台上停滞不前或重复已经做过的活动。因此，从大的任务方向上来讲，在轨道空间站之后，一定是载人登月。

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深空探测任务的特点

与载人航天任务不同，我们这里所说的深空探测是无人深空探测任务，包括对月球、火星，和对太阳系其他天体的抵达探测，但是不包括在深空轨道上对太阳的探测和天文观测，因为那属于科学卫星任务的范畴。因此，并不是所有深空轨道的任务都是深空探测任务。比如美国前不久发射的韦伯太空望远镜，虽然它定位于日地系统拉格朗日L2点的深空轨道，但它是一个典型的科学卫星任务，尽管已经不是地球卫星。深空探测任务的特点是到达太阳系中一个独特的地点，特别是需要实现人类的第一次，以及实现新的科学发现。

人类在进入空间时代之后，几乎已经飞临甚至着陆探测了太阳系当中所有八大行星以及少量他们的卫星，包括月球、水星、金星、火星、木星系统中的四颗伽利略卫星、土星，以及天王星和海王星，并在月球、金星、火星，土卫六和几个小行星上成功着陆，还实现了月球样品和小行星样品的采样返回。但是人类对太阳系的了解仍然太少。即使是同一个天体，在不同的地点着陆都会获得高度的公众关注和全新的科学认知。比如尽管人类早在上世纪六十年代就实现了载人登月，但是嫦娥4号无人探测器在月球背面的着陆，仍然被认为是第一次和重大的突破，引起了高度的公众关注度，并获得了新的科学发现。

可见深空探测任务只要选择了新的目的地（无论是飞跃、环绕还是着陆），实现了人类的第一次，就可以获得很高的公众关注度。因此，与载人航天任务相似，公众关注度是深空探测任务需要考虑的重要因素和不容忽视的目标。但是，深空探测任务同时要关注这个第一次到达的地点所带来的科学发现。如果仅仅是为了达到，而没有新的科学发现，公众就会质疑到那里去的目的是什么？公众对任务的关注度也自然就会减半。因此，科学目标一定是伴随深空任务的重要目标。到太阳系中一个人类还没有去过的地方实现新的科学发现，才是深空探测任务的完整定义和内涵。

因为不断有新的目的地，和不断产出新的科学发现，深空探测任务的可持续性是比较容易把握的。这主要是得益于太阳系的宏大和其中各种类型天体的众多，至少到现在为止，我们总是可以找到新的、有重大科学发现意义的目的地。

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科学卫星任务的特点

与载人航天与深空探测任务不同，科学卫星是以科学目标为最主要目标的航天任务。自人类进入太空开始，科学卫星就是一类非常独特并且始终占有主要航天国家和机构预算一部分的重要任务类型。在美国国家航空与宇航局（NASA），科学卫星的预算在全部预算中大约占30%。在欧洲空间局（ESA），科学卫星（不包括空间地球科学，微重力和空间生命科学）占全部预算的约15%。

科学卫星以科学目标的重大性为主要立项标准。虽然并没有把公众的关注度放在首位，但是一旦其实现了重大科学发现，或科学前沿的重大突破，特别是一旦其成果获得了诺贝尔科学奖，将会产生更加突出的公众效应。实际上，自人类进入太空时代以来，已经有大约10个科学卫星取得的科学成果获得了诺贝尔奖。因此，科学卫星在立项遴选时，需要特别关注其科学目标的重大性。

科学卫星根据其科学目标的需求，可以选择任意轨道，比如大椭圆地球轨道、月球轨道、日地系统拉格朗日点轨道，脱离黄道面的太阳极轨，或其他行星际轨道。科学卫星上的科学载荷，往往要突破观测和探测精度的极限，从而获得超过前人的数据精度，实现科学发现。因此每一颗科学卫星对空间技术都有特殊的需求，往往并不重复。这对航天工程设计师，特别是科学有效载荷的设计师会提出挑战，对航天技术发展有很强的带动作用。但是评价一颗科学卫星是否成功的标准，绝不是它实现了那些技术突破和创新，而是它是否有新的科学发现和对已知理论的修正甚至突破。如果是以技术突破和试验为主，科学研究为辅的卫星任务，则不应称为是科学卫星，应称其为技术试验卫星。

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未来发展和政策建议

对于载人航天任务

我国的空间站即将进入一个以应用为重点的运行阶段。需要重点考虑有人参与的空间科学试验。为了确保试验项目科学目标的重大性，应组织开展公开遴选和征集，同时为每一个试验设立载荷科学家全权负责该项实验的设计、研制和操作运行。在空间站舱外平台开展对地观测新型遥感器的试验和空间分辨率要求不高的天文巡天观测也是很好的任务方向。

此外，空间站在运行阶段的任务还是应该更多地围绕人做文章。比如接受国际宇航员入站、建立中国空间站与国际空间站之间的热线电话、开展超过180天（甚至打破人类记录）的航天员逗留、接待非航天员游客的短期逗留、地面上疑难病症在太空的治疗等。

在载人航天领域，最为激励中国公众的下一步的发展方向，应该是载人登月。

关于深空探测计划

我国已经成功掌握了月球探测的相关技术，实现了“绕、落、回”，并发射了数据中继卫星来支持在月球背面开展的探测活动。未来的月球探测任务，应该更偏重于对月球资源的原位利用领域的研究和技术开发，为载人登月和未来的月球旅游做好准备。因此，未来的深空探测任务需要不断地向远走，发挥人类第一次到达的公众关注效应。

能够实现第一次达到的，或具有新的视角的目标在太阳系内有很多。特别是着陆探测应该作为我国深空探测的一大优势加以发挥。在未来应该继承“天问一号”三步并一步走的优势，加快赶超的步伐，对所选天体尽量能实现到达即着陆，并确保实现公众关注度和科学发现的均衡发展。

为了实现重大科学发现，所有深空探测任务在立项初期就要确定整个任务的首席科学家，并在首席科学家的领导下开展目标或着陆点的选择、科学有效载荷的配置、研制中和科学产出相关的各类技术指标的把控、到达后任务运行的规划，直至科学数据分析的组织。与载人航天任务不同的是，深空探测往往是一个任务一个目标，因此需要任命整个任务的首席科学家。

科学卫星

科学卫星实现可持续发展的要点是要有重大科学产出。因此为了确保科学产出的最大化，应该对科学卫星的科学产出进行全价值链的管理，包括从战略规划、项目建议、遴选、预研、遴选、背景型号、遴选、立项、设计、试验、生产、发射、在轨测试、运行、总结的全过程。在每一个阶段，都应该有确保科学产出最大化的措施。

科学卫星需要设立首席科学家。与载人航天中的单项试验的科学家，深空探测任务的首席科学家不同，科学卫星的首席科学家应该具有一票否决权。这是因为科学卫星的目标是以科学产出的重大性为衡量标准的。首席科学家是对此目标负责的最终责任人。

目前我国的科学卫星在中国科学院和国家航天局都有规划，但是要想使其得到可持续的发展，必须确保其科学产出的重大化。因此，需要相关管理部门认真研究在项目的各个阶段如何来确保科学产出最大化的措施。切记不能把搭载了科学载荷的技术试验卫星称为科学卫星。因为这样的卫星不是一个完整的科学卫星任务。

吴季中国科学院国家空间科学中心学术委员会主任、研究员。中国空间科学学会理事长，俄罗斯科学院外籍院士，国际宇航科学院院士，电气和电子工程师协会（IEEE）会士。曾任中国科学院国家空间科学中心主任，中国科学院空间科学战略性先导科技专项 I 期负责人，嫦娥一号和三号探测器有效载荷总指挥等。获国家科技进步奖一等奖、中国航天基金会特别奖、国际宇航科学院团队成就奖、国际空间研究委员会（COSPAR）国际合作奖等。

文章源自：

吴季.载人航天、深空探测和科学卫星三类任务中的空间科学.中国科学院院刊,2022,37(11):1635-1641.

DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220925001

总监制：杨柳春

责任编辑：张帆

助理编辑、校对：PAN

排版：江淼

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