中国科学院空间科学战略性先导科技专项实施11年回顾与展望
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中国网/中国发展门户网讯 2022 年 8 月，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”）部署的我国首颗综合性太阳探测科学卫星先进天基太阳观测台（ASO-S）已完成正样研制，具备发射条件，即将在金秋 10 月升空，瞄准国际太阳物理领域最具挑战的“一磁两暴”前沿，对第 25 个太阳活动周遂行科学观测。与太阳活动周 11 年“同步”，适逢空间科学先导专项实施 11 年。回顾过去，展望未来，空间科学先导专项的实施为中国空间科学的发展夯实了基础，将为航天强国、世界科技强国的建设再立新功。
空间科学先导专项来之不易，需倍加珍惜。1998年，中国科学院实施知识创新工程试点工作。2003 年，中国首个以科学目标牵引立项的“双星计划”实施，但此后的近 10 年中国再没有发射新的科学卫星。2009 年，《中国至 2050 年空间科技发展路线图》战略研究完成，其中指出空间科技在国家发展中的重要战略作用亟待发挥。2010年 3 月，国务院第 105 次常务会议决定 2011—2020 年中国科学院继续深入实施知识创新工程，着力解决关系国家长远发展的重大科技问题，中国科学院战略性先导科技专项应时顺势而立，形成重大创新突破和集群优势。
在此时代背景下，在科学技术部、财政部、原总装备部、国家国防科技工业局、国家发展和改革委员会、国家自然科学基金委员会等部委，以及全国空间科学界、相关院所高校及工业部门的大力支持下，中国科学院组织了空间科学先导专项的咨询评议和实施方案论证。2011 年 1 月 11 日，经中国科学院党组会审议并通过，空间科学先导专项首批（以下简称“专项一期”）启动，正式立项实施。
空间科学是以航天器为主要平台、使命驱动的前沿交叉基础研究，是增进人类前沿科学认知、实现“从 0 到 1 突破”的“国之重器”，同时它还具有重要且广泛的溢出效应，可带动先进技术创新、牵引未来产业革命、推动经济社会发展、支撑国家空间安全、引爆科学普及热点。毋庸讳言，相对于空间技术和空间应用，空间科学是我国航天强国建设亟待补齐的“短板”。航天科技是科技进步和创新的重要领域，空间科学先导专项肩负着采撷航天“皇冠上的明珠”的使命，坚持“科学发现只有世界第一”，勇攀世界空间科学最高峰。
空间科学先导专项的总体目标就是通过自主和国际合作科学卫星计划，实现科学上的重大创新突破，带动相关高技术的跨越式发展，从而发挥空间科学在国家发展中的重要战略作用。空间科学先导专项研究内容覆盖了从提出原创科学思想至产出重大科学成果的全过程，可分为预研项目和卫星工程两类。前者包括空间科学战略规划和发展政策、空间科学任务概念、空间科学任务预先研究、空间科学背景型号、空间科学任务规划和数据分析等 5 种研究课题；后者指空间科学卫星工程任务从方案设计、初样研制、正样研制、发射和运行，直至延寿与退役等 5 个阶段。
高起点：空间科学先导专项（一期）取得原创发现（2011—2017 年）
专项一期简介
科学卫星工程是空间科学先导专项的重要内容，在经费投入中占绝对份额；发射科学卫星不是目的，而是打造开展世界级科学研究必需的、变革性的物质技术手段。
专项一期在“十二五”期间开展了暗物质粒子探测卫星（“悟空”，2015 年 12 月发射）、实践十号返回式科学实验卫星（2016 年 4 月发射）、量子科学实验卫星（“墨子”号，2016 年 8 月发射）及硬 X 射线调制望远镜卫星（“慧眼”号，2017 年 6 月发射）4 颗科学卫星工程任务的研制工作，建立起了我国第一个科学卫星系列，是继北斗、风云、海洋等应用卫星系列后的中国航天“全新面孔”（表 1）。专项一期部署的第 5 个卫星工程项目“夸父计划”因为国际合作伙伴退出而暂缓实施。此外，根据空间科学任务价值链的属性，专项一期还前瞻部署了空间科学背景型号、空间科学预先研究项目及专项总体项目。
2017 年 11 月，专项一期完成了全部研究内容，实现了预期的科学目标，圆满收官。科学卫星系列实现了重大科学发现和技术创新突破，获得了一批具有国际影响力的原创成果；预先研究和背景型号研究突破了主要关键技术，孵化培育了一批未来新项目。专项一期初步体现了空间科学在国家创新驱动发展中的战略作用。
取得重要科学发现
专项一期建立的科学卫星系列为我国科学家开展使命驱动的建制化空间科学基础研究提供了前所未有的先进平台。
在空间天文领域，“悟空”号获得了迄今为止世界上最精确的宇宙射线电子、质子和氦核能谱精细结构。2020 年，“慧眼”号在国际上首次直接测量到宇宙最强磁场；2022 年 7 月再次刷新观测记录，首次观测到黑洞双星爆发过程全景，证认了快速射电暴源于磁星。
在空间基础物理实验方面，“墨子”号在国际上率先实现千公里级的星地量子纠缠分发、星地量子密钥分发和星地量子隐形传态实验，完成引力诱导量子纠缠退相干实验，构建了天地一体化广域量子密钥通信网络，使我国第一次在空间科学研究领域走到了世界最前列，牢牢占据了空间量子科学研究领域的主导和引领地位。
2020 年，实践十号返回式科学实验卫星在世界上首次实现微重力条件下细胞胚胎至囊胚的发育；微重力环境下的颗粒流体实验获取了颗粒分聚现象的微观结构和动力学关联，对需要混合或分离的工业过程具有借鉴意义。
上述重要科学发现的成果已在 Nature、Science、Physical Review Letters 等国际著名期刊发表，或成为封面文章，或应约撰写长篇综述论文。据不完全统计，截至 2021 年，专项一期已经发表科学论文超过 1 500 篇，其中国际期刊超过 2/3；发表国际会议报告超过 650 篇；申请发明专利超过 200 项，已有超过 50 项授权；登记软件著作权超过 70 项。
3.取得技术突破等多重成效
空间科学挑战极限的需求有力推动了尖端空间技术的突破。暗物质卫星首创国内面向“卫星平台载荷一体化”设计，载荷平台比高达 73%，突破了航天以平台为中心的设计惯例，开创了我国航天器研制的新思路。量子卫星突破了星地光路对准关键技术（“针尖对麦芒”），跟踪精度达到 0.5 μrad，量子光指向偏差小于 1.5 μrad，对国家安全和广域量子通信产业的发展具有重大意义。实践十号卫星实现了我国返回式卫星技术的创新发展，突破了大尺度冷板和回收舱高效热控等技术，为节能减排、培育植物新品种、保障粮食安全、提高人类健康水平提供了新的解决方案。“慧眼”号卫星建成了国内首个国际水准的 X 射线标定束线（100 m），提高了脉冲星的观测水平，为未来脉冲星导航奠定重要科学基础。
专项一期 4 颗科学卫星发射升空并成功遂行空间探测和科学实验，填补了我国空间科学空白，产生了巨大的社会影响。近 10 年来，专项一期成果先后 7 次入选两院院士评选的中国科技十大进展开云网页版-开云（中国）官方在线登录和科学技术部中国科学十大进展。2017 年，“墨子”号成为 Nature 年度十大科学开云网页版-开云（中国）官方在线登录“空间量子通信”的最重要贡献者。专项一期还发挥了重要的科学普及作用，科学卫星征名引发全社会关注中国空间科学，“悟空寻找宇宙暗物质引大众好奇”入选中国科学技术协会 2015 年“十大科学传播事件”，“墨子”号量子科学实验卫星载荷及手稿资料入藏中国国家博物馆 。
习近平总书记在 2016、2017、2018 年的新年贺词中将“悟空”“墨子”和“慧眼”作为我国科技突破的代表性成果，并在“十九大”报告中将其作为创新型国家建设丰硕成果的典型代表。专项一期开启了中国空间科学发展的新篇章，是我国空间科学发展进入新时代的重要标志，为后续发展奠定了重要基础。
再发展：空间科学先导专项（二期）持续重要产出（2018 年 5 月—2024 年 12 月）
2016 年 5 月 30 日，习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上的讲话指出：“空间技术深刻改变了人类对宇宙的认知，为人类社会进步提供了重要动力，同时浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索，必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展。”2016 年 8 月，空间科学卫星系列入选国务院《“十三五”国家科技创新规划》。空间科学的发展被提升到了一个前所未有的高度。为了切实落实习近平总书记的指示要求，以实际行动继续推动中国空间科学发展，中国科学院决定实施空间科学先导专项（二期）（以下简称“专项二期”）。
专项二期简介
专项二期致力于空间天文、日球层物理等领域前沿，将开展时域天文学与引力波电磁对应体、黑洞、太阳磁场与爆发活动之间的关系、引力波与时空本质等方向的科学探测，有望开拓现有科学认知，取得重大发现与突破。
专项二期部署的科学卫星工程包括爱因斯坦探针（EP）、先进天基太阳天文台（ASO-S）、中国科学院-欧洲航天局（ESA）联合太阳风-磁层相互作用全景成像卫星“微笑计划”（SMILE）、引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星“怀柔一号”（GECAM）等 4 个新的空间科学卫星任务。
除了延续专项一期预研类项目的部署，专项二期还首次设置了重大背景型号，其中增强型 X 射线时变与偏振空间天文台（eXTP）是以我国为主牵头发起、领衔实施的一项“国际大科学计划”，全球 20 多个国家和地区的 100 多个单位参加，备受瞩目；中高轨量子卫星是在专项一期“墨子”号的基础上，继续坚持科学目标牵引、关键技术突破，将与“科技创新2030—重大项目”相衔接。围绕空间引力波探测，设置了“太极计划”重大背景型号，发射了微重力技术实验卫星“太极一号”（Taiji-1）。
专项二期进展
专项二期的科学卫星研制进展顺利（图 1），目前已全部进入工程研制或发射运行阶段。
专项二期首发星 Taiji-1 是我国首颗空间引力波探测技术实验卫星，2019 年 8 月 31 日发射升空，现已完成全部预设实验任务和拓展任务，预计将于 2022 年底前后退役。Taiji-1 实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证，迈出了我国空间引力波探测第一步，为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。
GECAM 已于 2020 年 12 月发射升空，已探测到来自伽马暴、磁星、X 射线双星、太阳和地球的数百个高能爆发事件，通过北斗导航系统首次实现了准实时下传发布触发警报，成功引导国际空间和地面望远镜进行联合观测。GECAM 发现 1 例来自中子星双星系统（编号为 4U 0614+09）的明亮的 X 射线热核爆发，探测到爆发震荡频率为 413 Hz，支持其来源于该天体系统的自转；发现磁星 SGR J1935+2154 的大量爆发，创新了多卫星联合定位算法，突破了传统定位方法的定位精度；经过地面和在轨标定，GECAM 的相对时间精度达到 0.1 μs，是伽马射线监测器的最高时间分辨率。
ASO-S即将于 2022 年 10 月发射，利用太阳活动第 25 周峰年的契机，研究“一磁两暴”，即太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）的起源、彼此关联和相互作用，揭示其科学机理，也为灾害性空间天气预报提供支持。
预计于 2023 年发射的 EP，将在 X 射线波段对宇宙天体开展高灵敏度实时动态巡天监测，发现宇宙中的 X 射线剧变天体，监测已知天体的活动性，探究相关现象的性质及物理机制；发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发，测绘黑洞的分布，进一步理解其起源、演化及物质吸积过程；探寻来自引力波源的 X 射线信号，增进对极端致密天体及其合并过程的认知。
SMILE 是继“双星计划”后又一中欧大型空间科学国际合作项目，中欧双方首次在任务的整个生命周期内，共同策划、征集、遴选，并开展方案设计、工程研制及数据分析与科学研究。SMILE 预计于 2025 年发射，利用创新的 X 射线和紫外成像有效载荷，首次对太阳风和磁层之间的相互作用进行全景成像（图 2）。它的科学目标是：探测太阳风-磁层相互作用的大尺度结构和基本模式；认知地球磁层亚暴的整体变化过程和周期变化；探索 CME 事件驱动的磁暴的发生和发展。
随着专项二期的接续实施，我国专用科学卫星数量有望首次突破 10 颗，将占据我国已发射 760 颗航天器的 1.3%（截至 2022 年 4 月），可谓中国航天“空间科学、空间技术、空间应用”全面发展的重要节点，未来任重道远。
鉴于专项一期的丰硕成果和广泛影响，国内外各界对我国空间科学给予了更大的期望，社会关注度也更高。专项二期必须聚焦国际空间科学前沿重大问题，瞄准原创性或颠覆性的重大成果，确保工程研制质量和基础研究水平，继续砥砺前行。
大突破：空间科学后续发展规划孕育重大成果（预计 2025 年 1 月—2030 年 12 月）
专项一期实现了我国空间科学卫星系列“从 0 到1”的突破，已取得了多项重大原创成果；专项二期正在顺利实施，我国空间科学日益走近世界舞台的中央，迎来了加速发展的最好历史时机。空间科学未来发展亟须顶层规划、提前布局，后续发展规划部署迫在眉睫。
科学卫星工程项目后续发展规划
2021 年 2 月，习近平总书记在会见探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表时提出：“要继续发挥新型举国体制优势，加大自主创新工作力度，统筹谋划，再接再厉，推动中国航天空间科学、空间技术、空间应用创新发展，积极开展国际合作，为增进人类福祉作出新的更大贡献”。
作为我国空间科学发展的主力军，中国科学院责无旁贷，于 2021 年 7 月及时启动了面向“十五五”及以远的空间科学任务“新地平线计划”，征集工作将围绕极端宇宙、时空涟漪、日地全景、宜居行星四大科学主题开展前沿探索和研究，以期实现更多原创科学成果的重大突破，为落实习近平总书记重要指示，加速我国空间科学发展再立新功。
秉持着“科学目标优先、学科均衡发展、技术经济可行”的原则，为遴选产出诺贝尔奖级成果的科学卫星任务，后续发展规划的科学卫星工程项目综合论证前后持续近 1 年的时间，邀请了国家空间科学专家委员会，以及业内各领域的近百位院士和顶级专家参加咨询和评议，全程 3 类 6 轮任务论证工作覆盖了科学意义重大性评审、科学目标国际评估；任务方案论证、工程技术论证；经济可行性论证；以及综合评审等，得到了学界的广泛参与，形成了重要共识。很多优秀的项目开始“浮出水面”，分属空间天文、系外行星、日球层物理、行星科学与空间地球科学等领域。
（1）空间天文。致力于解决“中子星和黑洞的自旋和质量分布如何告诉我们这些天体的形成和演化”“如何揭示宇宙的起源和演化、暗物质和暗能量的本质”等科学问题。此外，为了率先实现人类首次空间引力波探测，中国科学院正在加紧部署太极二号的论证工作，力争探测到致密星系、种子黑洞和超大质量黑洞并合等产生的中低频段（mHz）引力波，探讨时空和引力本质、宇宙起源和统一场论。
（2）系外行星。拟围绕“太阳系周围是否存在系外宜居带行星，地球是否是宇宙中唯一有智慧生命的星球、如何发现地球 2.0”等科学问题开展研究。
（3）日球层物理。将致力于回答“影响行星宜居性的太阳活动水平长周期演化规律和机制是什么”“太阳磁活动周和高速太阳风起源”“太阳爆发引起的空间天气事件”等前沿科学问题。
（4）行星科学与空间地球科学。将解决“行星的起源和演化、生命宜居环境与地外生命信息探索”“全球海表全流场分布、演变的动力学和能量学，如何将海表动力、热力场信息拓展到海洋内部”等重大科学问题。
后续发展规划设想
应该说，空间科学后续发展规划论证过程中浮现出的优秀候选项目都是全国空间科学界智慧的结晶，如果它们有机会工程实施必将为我国科学家实现探索浩瀚宇宙的梦想提供舞台（表 2）。加速我国空间科学发展，应深刻理解空间科学发展进入新时代的历史方位和时代特征，把握新发展阶段，贯彻新发展理念，构建新发展格局，积极推动在国家财政设立空间科学卫星专门渠道，尊重航天研制客观规律，以10年为周期实施空间科学行动计划，厚积薄发，持续不断地产出高质量原创科学成果。
作为“国家队、国家人”，肩负“国家责、国家事”，现阶段，中国科学院将继续高举中国国家空间科学发展大旗，坚持重大科学目标牵引。加快推动空间科学后续发展规划的科学卫星工程项目的立项实施，围绕宇宙黑暗时代和黎明、引力波空间探测、太阳爆发机制立体探测、系内系外宜居行星等重大科学前沿，在专项一期和二期的基础上，瞄准诺贝尔奖级重大科学突破，争取在“十五五”期间通过实施 5—7 项大中小型空间科学任务，率先取得重大科学发现与突破。同期，部署实施空间科学任务概念研究、预先研究、背景型号、任务规划与数据分析、科学卫星地面支撑等项目。
站在“两个一百年”奋斗目标的历史交汇点上，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。空间科学对落实创新驱动发展战略、建设世界科技强国的重要作用日益凸显。空间科学先导专项已走过了 11 年历程，使我国的空间科学发展第一次有了系统性的支持计划，使我国空间科学开始日益走近世界舞台的中央。我们相信，有党中央、国务院正确决策、坚强领导，中国科学院将“坚持空间科学全国一盘棋”，牵引带动科学卫星平台和先进有效载荷技术的跨越，实现我国空间科学卫星系列的长期可持续发展，为加快建成航天强国作出不可或缺的历史性贡献。
致谢感谢中国科学院重大科技任务局局长丁赤飚院士对本文的指导；感谢中国科学院学部重点项目“建设空间科学强国的主要途径和政策建议”的支持。
（作者：吴季、王赤、范全林，中国科学院国家空间科学中心；《中国科学院院刊》供稿）