中國網/中國發展門戶網訊 空間科學是依托空間飛行器平臺，研討日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間中的物理、地理、化學及性命等天然現象及其規律的科學。其所依托的空間飛行器，從晚期的探空氣球和探空火箭，到現在已經廣泛采用天然地球衛星、深空探測器和各類載人飛行平臺。
人類自1957年發射第一顆天然衛星以來，已經發射了數百顆科學衛星和深空探測器，極年夜地推進了人類對宇宙來源和演變、太陽系及其各天體、地球空間和地球系統，以及物質和性命在地球以外運動規律的認識，使人類對天然世界的認識發生了宏大的變化。很難想象，假如沒有天然衛星和之后的空間科學研討，人類對宇宙、地球和性命的認識能夠還逗留在很低的程度，愛因斯坦等偉年夜科學家的良多理論和設想，還只是逗留在紙上，無法獲得實驗的驗證。
回顧1957年以來空間科學的發展，經歷了2個明顯分歧的發展階段。其年夜致可分為1958—1990年的年夜發現階段，1990年至今的技術創新引領的研討階段。
年夜發現階段（1958—1990年）。1957年蘇聯發射第一顆天然衛星之后，american在1958年1月也發射了其第一顆天然衛星，并發現了地球輻射帶（被地球磁場限制在必定區域中的高能電子和質子）。其后american、蘇聯這兩個航天技術先進國家，在太空競賽包養網比擬的年夜佈景下，又不斷做出了良多新的科學發現，包含對地球、月球、金星、火星、太陽自己的認識，以及通過X射線看遠鏡對宇宙深處的觀測，獲得了銀河系的大批信息及河外其他星系的信息，也包含應用機器人和載人空間活動對月球的初步探測，以及對帶回來的月球樣品的研討。但是這些，年夜部門都是到達即發現的科學衝破。也就是說，航天飛行器所達到的地位，為科學家供給了大批直接的新信息。例如：對地球輻射帶、行星際太陽風中電包養離粒子的原位探測，在地球軌道上由于居高臨下的優勢，對地球進行更宏觀的系統性的觀測（如對完全的臺風和其移動過程的觀測等）；到達月球概況往研討月球等。這有點像在地球上傳統的科學探險，必須起首要到達要探險的地點，才幹獲得新的科學認知。我們把這一階段稱為年夜發現階段。在這個階段，實現科學的衝破比較不難，只需把空中上成熟的探測器帶到太空中，就可以獲得新的發現。
技術創新引導的研討階段（1990年至今）。由于american在20世紀60—70年月初實施的“阿波羅計劃”耗資宏大，政治影響遠年夜于其科學影響，促使american科學界開始積極地倡導發射能夠有更多科學產出的計劃，推動了之后大批科學衛星的發射。別的，1975年景立的歐洲航天局（ESA）也從一開始就把本身的定位很年夜水平上放在了空間科學上。這些都促使了1990年以后的空間科學計劃更強調其科學探測儀器的先進性。也就是說，即便同樣在地球軌道上飛行，通過晉陞探測儀器的靈敏度和空間辨別率等探測計劃的技術創新，來獲得新的科學發現和研討結果。具有代表性的科學計劃包含american的哈勃太空看遠鏡（HST）、斯皮策太空看遠鏡（SST），“宇宙佈景探測者”（COBE），“開普勒”（Kepler），以及通過精確測量在同軌道上飛行的前后2顆衛星之間的距離變化反演地球引力場（包含地下水變化）的“引力重建和氣候實驗計劃”（GRACE）等。在歐洲空間局，有通過多點探測計劃獲取地球空間環境信息的“星簇計劃”（Cluster）等。當然在這一時期，到達即發現的任務依然存在，可是必須選擇新的目標地，例如歐洲航天局的“尤利西斯計劃”（Ulysses），飛離了黃道面進進到了太陽極軌，以及american航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）和歐洲航天局的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）對太陽進行了抵近探測等。
技術創新引導的研討階段一向延續至今，該階段最主要的特點是探測技術的不斷晉陞。這是因為空間科學需求新的數據、靈敏度更高的數據和空間辨別率更高的數據，需求在探測技術上不斷地晉陞。這里凡是有2個晉陞途徑：一個是延續原來的技術路線，通過資料、工藝的晉陞，甚至看遠鏡口徑的增年夜來進步空間辨別率和探測靈敏度；別的一條路徑，更像是從“0”到“1”的創新，如采用創新的探測計劃——多星編隊式的探測理論、干預式的成像理論等。但無論哪種路徑，只需能進步辨別率、靈敏度，就能夠獲得新的數據，有盼望獲得新的科學衝破。
中國的空間科學起步較晚。2003年第一個真正意義上的科學衛星——“地球空間雙星探測計劃”的“探測一號”發射。它與之后發射的“探測二號”組成對地球空間的兩點探測，同時雙星計劃又和歐洲航天局4顆星組成的“星簇計劃”（Cluster）聯合，開展了對地球空間的六點探測。這是一個創新的多點探測的組合。2011年中國科學院實施空間科學戰略性先導科技專項，此中“悟空號”“墨子號”和“慧眼號”，也都是采用了創新的技術計劃。
由此可見，自第1顆天然地球衛星發射半個多世紀以來，空間科學的研討范式已經從比較簡單和顯而易見的、所到即所得的年夜發現階段，進進到了一個必須依附創新的技術和計劃才幹獲得新的數據的研討階段。即便是所到即所得式的任務，那些比較不難到達的目標地也都已經被後人所覆蓋，必須創新性的思慮加倍具有挑戰意義的新的目標地，好比在月球後背著陸，才幹做出新的科學發現。
具有技術創新的科學任務從哪里來？
由于未來空間科學任務的產出越來越依賴于執行該任務的探測計劃、科學載荷的創新度，是以對提出任務的首席科學家在技術領域的創新思惟和才能的請求就變得越來越高。
參考國外遴選空間科學任務的經驗，一切勝利的空間科學任務的起點，都來自晚期在任務遴選中對探測計劃和科學載荷創新度的請求。所謂晚期遴選是指在任務思惟剛剛構成的預研階段。在該階段，項目治理機構凡是不是根據項目標成熟度來遴選，而是根據項目標創新性來遴選，哪怕可行性還達不到100%，只需其思惟不違反基礎科學道理，哪怕技術上還并不成熟，都有能夠獲得支撐。而提出該項目標首席科學家，在這個晚期的預研階段，也許并不那么知名，可是一旦他們的建議獲得支撐，就會傾力投進，通過桌面實驗、環境實驗甚至最后階段的搭載實驗，驗證他們的創新設法，最終走到工程立項階段，成為一項真正的空間科學任務的首席科學家。
但是，沿用傳統技術，并通過更年夜規模的任務獲得新觀測數據的空間科學任務，更需求任務治理單位采用建制化的組織來領導。這種情況適用于更年夜的物理孔徑、更年夜的常規衛星組成的星座規模、更多的常規傳感器組合的任務等。這類任務需求任務治理單位錄用更具有工程經驗的技術科學家或工程師來負責研制，同時錄用一位可以充足應用這類任務數據的首席科學家來負責數據的處理、剖析和科學應用。這類任務的首席科學家能夠在任務進進工程階段才予以錄用，與後面談到的技術創新類空間科學任務的首席科學家從預研開始就負責有所分歧。可是他依然需求具備充足的技術方面的知識，從而對觀測軌道的選擇、重要科學載荷技術指標的確定、輔助科學載荷的設置裝備擺設，以及對觀測規劃提出具體請求。
凡是，在我們的高級教導體系中，往往對文科和工程類學科教導進行適度的分離，是以，良多文科的學生缺乏工程技術方面的知識。當然個別以觀測為重要數據來源的學科，如地理學，也會有觀測技術方面的課程。盡管這般，在觀測技術方面提出創新思惟依然是較高的請求。此外，對工程類學科的學生，課程設置裝備擺設往往并不供給科學前沿的課程，假如學生在學習階段不思慮、不關注科學前沿在哪里、有哪些科學問題需求通過更創新的技術來衝破？他們往往也不會成為未來的首席科學家，或與首席科學家并肩作戰的載荷工程師。
總之，未來空間科學的發展已經與技術創新緊密聯系在了一路。沒有新思緒、新計劃、新載荷甚至新探測道理的衝破，幾乎無法實現新的科學前沿的衝破。而這些技術創新的來源，只能有2個：一個是具有深摯技術佈景與技術創新才能的科學家，另一個有能夠就是關注科學前沿并思慮若何通過技術創新實現衝破的工程師。
首席科學家的技術創新才能
我們傳統認識中的科學家，其科學產出往往以論文的情勢為主。但是，在以觀測和實驗為重要研討手腕的科學領域，越來越多的科學家的重要任務開始傾向設計新的實驗方式和路徑，以期獲得新的數據。這是因為，隨著現代科技的敏捷發展，常規的實驗方式已經無法實現科學前沿的衝破，或許說高揚的“果實”已經剩得未幾了。假如想獲得新的科學衝破，必須創新實驗和觀測方式，衝破原有實驗的限制，獲取新的實驗數據，才幹實現科學發現。
空間科學是一個典範的、以實驗或觀測數據為重要手腕的科學領域。如前所述，在空間科學發展的初期，大批的科學發現是依附所到即所得，也就是只需上了飛行器平臺進進了太空，或許飛行器第一次到達了以後人類從來沒有到達過的環境，也包含進進到微重力的環境中，任何探測器或觀測儀器所獲得的數據，都是科學發現。可是，通過幾十年的發展，空間科學的嚴重衝破越來越依附科學儀器的創新。為了確保這些創新技術的實施，各國在科學任務中越來越重視首席科學家所具備的技術創新才能。這樣的首席科學家往往既是任務的提出者，又是其重要探測或觀測計劃的設計者。在科學任務的研制過程中，首席科學家的職責需求跟蹤研制過程，確保其提出的設計指標能夠滿足科學探測任務的需求。在研制中出現不成戰勝的困難時，首席科學家還需求做出決定，能否終止研制或推遲發射。在任務發射進軌后，首席科學家負責科學探測或觀測儀器的開機和測試、標定和定標，以及后續科學數據的應用，直至科學發現。在設計的任務周期結束后，首席科學家還需決定任務能否需求延壽繼續運行，直至最后任務結束后的科學產出的評估和總結。可見在以技術創新引領的研討階段，首席科學家需求具備很高的技術素養和技術創新才能。
但是在現實中，依照以理論產出為主培養出來的科學家，并不是都能夠在技術領域做出創新，或即便能夠提出創新的設計思緒，也往往無法關注到那些工程設計和實施中的細節，而確保其設法能夠落實到研制中，并確保研制勝利。是以，就出現了站在首席科學家背后的那些工程師們，特別是被稱為科學載荷的主任設計師的工程師。這個腳色就像是軍隊中的軍長、公司中的首席執行官（CEO）。而首席科學家則是政委和董事長，政委負責指標的目的，軍長負責打勝仗；董事長負責定戰略，CEO負責具體實施。在具體任務中，這兩個腳色所承擔的職責的分工，根據兩個人的才能和特長，可以彼此補充。可是，比較幻想的情況依然是首席科學家應該具備更多的技術素養，并在任務的設計過程中能夠承擔更多的職責，而載荷主任設計師只承擔研制中的具體職責。這樣的設置裝備擺設比較不難確保首席科學家和工程師之間的溝通和任務的平穩實施，減少牴觸。勝利的例子如“阿爾法磁譜儀計劃”（AMS）中的首席科學家丁肇中師長教師、american的年夜部門摸索（Explore）類計劃中的課題負責人（PI），以及中國的暗物質粒子探測衛星“悟空號”的首席科學家常進院士和“墨子號”量子科學實驗衛星的首席科學家潘建偉院士等。
可預見的部門嚴重技術創新領域
為了說明技術創新的可行性和主要意義，這里以7個比較主要的技術領域為例，將它們各自的前沿技術列出和衝破點舉例說明。囿于篇幅，還不克不及包含這些領域中的一切技術前沿，也還沒有覆蓋其他具有更多前沿創新技術的領域。
光學看遠鏡的孔徑極限
眾所周知，光學看遠鏡的物理孔徑鉅細決定了其空間辨別率的高下，越年夜的孔徑對應的空間辨別率越高。而更高的空間辨別率，可以為地理學家供給更精確的對天體的觀測和新的發現，是研討宇宙來源與演變、暗物質和暗能量、系內行星等多個嚴重前沿科學問題的主要手腕。
今朝在空中上正在建造的最年夜的地理看遠鏡是歐洲極年夜孔徑看遠鏡（E-ELT），其物理孔徑為39米。在空中上建造年夜孔徑看遠鏡的難度不僅在于鏡面精度的堅持，更在于應用中若何打消年夜氣對其產生的不成防止的擾動。是以，更年夜孔徑的看遠鏡需求在太空中建包養造，從而在沒有年夜氣擾動的環境中實現更高的辨別率。當然，在太空中建造年夜孔徑看遠鏡會引進其他困難，如戰勝空間環境和在太空中組裝的影響。今朝在太空中最年夜孔徑的地理看遠鏡是由americanNASA為主建造的、2021年末發射的直徑6.5米的詹姆斯·韋伯太空看遠鏡（JWST），其空間辨別率與即將落成的E-ELT比擬哪個更好還需進一個步驟驗證。但可以確定的是，空中看遠鏡因年夜氣阻隔無法在可見光以外的頻段進行觀測，且即便在可見光頻段，觀測地點的選擇也很是主要，地球上最干燥和最好的觀測地點在一年中有用的觀測時間也是無限的。還有空中看遠鏡會遭到地點地輿地位的限制，無法看到完全的天區。
以上是傳統技術今朝的極限，要想衝破JWST 6.5米的孔徑，需求人類投進更多的經費和更長的研制時間。中國載人航天工程正在研制的2米孔徑的巡天看遠鏡，采取了一些分歧的技術衝破，包含比哈勃太空看遠鏡更年夜的視場及更多的觀測頻段，力爭在一些分項領域里獲得科學前沿的衝破。
與此同時，一種新興的衝破性技術正在興起，這就是干預式成像技術。該技術應用分歧的小孔徑的看遠鏡觀測信號兩兩之間的相關信號（包括相位信息的乘積）獲得目標在傅里葉域中的采樣點，并通過算法再反演到目標空間域中的圖像。其小孔徑看遠鏡之間的最年夜物理距離（稱為干預基線），決定了最終圖像的空間辨別率。但是，由于多個小孔徑看遠鏡的一切接受面積加起來的總面積，仍不如一個實孔徑的看遠鏡，其探測靈敏度將遭到損掉。歐洲南邊地理臺在智利由4個8米孔徑的空中看遠鏡（VLT）組成的干預陣列已經勝利獲得了干預圖像。
光學看遠鏡的視場
除了增年夜孔徑，包含干預式綜合孔徑帶來的辨別率優勢以外，成像視場范圍的增年夜可以進步巡天的效力。為了極年夜地進步視場范圍，傳統技術的晉陞就是應用多個小視場的看遠鏡來增年夜視場覆蓋，如歐洲空間局的“柏拉圖計劃”（PLATO）。此外，在X射線波段出現了衝破性的技術——類似于龍蝦眼的多孔徑寬視場成像技術，極年夜地衝破了巡天視場的范圍，如我國不久前發射的“愛因斯坦探針計劃”（EP）。
低頻射電看遠鏡的孔徑極限
在低頻射電波段，由于遭到電離層的阻隔，該波段也是看遠鏡必須到太空才幹開展觀測的地理觀測波段。由于低頻射電的波長比可見光長9—10個數量級，要想獲得和光學波段相當的空間辨別率，其物理孔徑的規模是可想而知且不成能實現。但假如采用下面所說的干預式成像方式，其可行性則進步了良多。2019年獲得諾貝爾物理學獎的第一幅黑洞的射電頻段照片，就是采用這個干預式成像技術，只不過它的觀測頻段是毫米波段，在地球上觀測依然是可行的。
在更低的射電頻段，年夜氣層中的電離部門阻隔了30 MHz以下的電磁波。在地球概況無法有用觀測到來自宇宙低于30 MHz頻率以下的信號。而這個頻段的信號會帶來宇宙晚期由氫原子中的電子躍遷產生的1.4 GHz的輻射，特別是在出現恒星的第一縷光之前，當宇宙中僅充滿著中性氫原子的時候——稱為宇宙的暗中時代，這是宇宙中獨一可以測量的頻率。但這個頻率在現在的宇宙中已經通過紅移退減到30 MHz以下。是以要想清楚宇宙晚期暗中時代的信號，就需求到太空中往觀測。
在這個領域，一種應用月球軌道開展小衛星的編隊飛行，實現應用干預式綜合孔徑技術的成像計劃就頗為吸惹人，無望成為該技術在太空中的嚴重衝破，實現物理孔徑達到100千米甚至更長的低頻射電觀測。由于計劃是在月球軌道上飛行，當編隊飛到月球後背時進行觀測，可以避開來自地球天然（雷電）和人為的電磁干擾，獲得來自宇宙深空的低頻射電信息。
高精度的天體測量
精確測量遙遠天體之間的距離，被稱為是高精度的天體測量。同樣，假如在空中上開展天體測量，年夜氣層的湍流和擾動，極年夜地限制了觀測精度。是以，在太空開展高精度的天體測量也是一個技術前沿。除了為宇宙繪制緊密的圖像以外，高精度天體測量還有一個新應用標的目的——發現系內行星。其基礎道理是應用行星圍繞恒星轉動時，由于引力感化對其地位產生的擾動。假如能對這顆恒星地位的變化規律進行長期觀測，就可以獲得圍繞其旋轉的一切行星的信息，包含它們完全的軌道信息和質量信息。歐洲空間局發射的“蓋亞計劃”（GAIA）就是國際上第一個天體測量計劃。但由于其精度還不是很高，還不克不及用于對類地系內行星的普查任務。中國科學家提出的用于系內行星發現、更高精度的天體測量計劃——“近鄰宜居行星巡天計劃”（CHES）今朝正在論證之中。
對地球空間的多點和成像觀測
自人類發射天然地球衛星以來，對地球空間磁場和粒子的探測都是采用原位（in-situ）觀測的方法，也就是直接測量衛星周圍的磁場和粒子。這種觀測技術雖然準確并能夠直接反應衛星經過地點的空間環境，可是對于隨著來襲的太陽風而變化的磁場和粒子環境，單個衛星已經無法區分其觀測數據的變化是由于空間地位的變化還是由于輸進太陽風的變化。是以采用多點、即衛星編隊來探測空間環境成為新的探測方法。但是，由于多顆衛星的本錢遠高于單顆衛星，新的編隊探測也在向采用渺小衛星甚至微納衛星編隊標的目的發展。此外，對粒子空間分布的探測還出現了遙感成像技術，包含在紫外頻段對中性原子的成像和在X射線頻段對磁層頂中性氫受太陽風粒子激發的X射線輻射的成像。這些新的地球空間探測技術，將進一個步驟晉陞人類對地球空間及其變化規律的認識。
高精度的空間基線測量
前文曾提到過通過2顆衛星之間高精度的距離測量，在地球軌道上可以測量地球重力場的異常并反演地下水隨季節的變化的G包養網RACE計劃。這種技術的進一個步驟發展，在激光波段，可以成為在更高的軌道上實現數十萬千米到上百萬千米長的基線的高精度測量，從而反演空間引力波。這是用電磁波觀測宇宙之后的又一種觀測手腕。假如電磁波信息供給的是宇宙的圖像，引力波供給的則是宇宙中的“聲音”。
假如將探測器之間的距離測量的精度進步到p米的精度，就可以通過3個探測器構成的3條基線來探測空間引力波包養網。今朝這個技術依然在空中預研之中，歐洲空間局和中國都有相關計劃在推進。信任在不遠的將來，激光干預的高精度空間距離測量就會成為一個新的、主要的地理觀測手腕。
觀測地位上的新衝破
所到即所得的空間科學計劃普通比較不難提出。可是經過近70年的發展，年夜部門主要的空間地位已經都被訪問過了。太陽系中的八年夜行星及其重要行星也都至多被近距離飛越式地探測過了。但是，依然存在良多區域可以考慮，例如，幾個極真個地位，抵近太陽、太陽極軌和太陽系邊界。在這幾個地位，已經往過的探測計劃均只獲得了很初步的信息。例如，太陽極軌，只獲得過原位探測的信息，沒有對太陽極區進行過成像探測。又如對太陽系邊界的探測，也只要極為大批的磁場和高能粒子的探測數據。對太陽的抵近探測，也還沒有衝破10個太陽半徑的距離。此外對金星的著陸僅有1次，由于超過400℃的高溫，著陸器只保存了不到1小時獲得了極大批的數據就掉效了，也并沒有開展過巡視探測。
以上的特別地位或地點的衝破，或許是統一地點的、采用新的儀器和更強的才能的拓展探測，就必定會有新的數據和科學衝破。
愛因斯坦曾經預言：“未來科學的發展，無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。”空間科學既研討宇宙來源和演變，也研討暗物質粒子和性命的來源，同時覆蓋了宏觀和微觀的科學前沿，是以是實現嚴重科學衝破的主要科學領域。經過近70年的發展，空間科學已經不再是只需能進進太空，就可獲得科學發現的階段，進進到必須靠技術創新才幹獲得新數據和科學發現的新階段。
但是無論是探測計劃上的創新，還是探測才能上的晉陞，都需求通過激勵和培養；經過從預研到實驗驗證的研討階段，才幹發展為真正的空間科學衛星計劃。是以，任務治理機構需求對這個階段的項目給予充足的關注并婚配足夠的研討經費。而這些任務均需求具有較深技術佈景和素養的科學家提出并領導，這些科學家就是未來空間科學衛星任務的首席科學家。
在未來空間科學領域中的技術創新方面，本文也做了一些預測。文中提到的這些相關技術，都是初露苗頭或正在發展的新技術，應該惹起我們空間科學任務的治理機構的充足關注甚至是重點培養。但是，更具創新的、特別是衝破性的技術是很難預測的，也是光靠喊口號換不出來的，需求我們從激勵創新的科研生態的樹立，對青年科技人員的關注和支撐，以及大批的後期預研經費的投進等方面予以重視。
未來空間科學的發展絕不是輕而易舉的，此中技術創新起著最為關鍵甚至是決定性的感化。只需我們認識到這一點，就必定可以找到辦法和任務思緒，讓我國的空間科學盡快活著界上成為引領的氣力，讓我國科學家盡快在科學的宏觀和微觀前沿作出嚴重衝破，讓我們激勵出的創新技術不單在空間科學任務中創造奇跡，并在更為廣泛的六合場景中獲得應用。
（作者：吳季，中國科學院國家空間科學中間。《中國科學院院刊》供稿）