原文刊載于《中國科學(xué)院院刊》2024年第5期專刊“建設(shè)世界科技強國—努力搶占科技制高點” 本文為精簡改編版

吳季

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心

空間科學(xué)是我國航天活動中的重要組成部分。盡管其是以科學(xué)發(fā)現(xiàn)為任務(wù)目標(biāo)的航天計劃，但是隨著技術(shù)的發(fā)展和所到即所得類型的任務(wù)越來越少，空間科學(xué)任務(wù)對實現(xiàn)其目標(biāo)的技術(shù)創(chuàng)新度的要求也越來越高，已成為未來空間科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵性的因素。

人類自1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，已經(jīng)發(fā)射了數(shù)百顆科學(xué)衛(wèi)星和深空探測器，極大地推進了人類對宇宙起源和演化、太陽系及其各天體、地球空間和地球系統(tǒng)，以及物質(zhì)和生命在地球以外運動規(guī)律的認識，使人類對自然世界的認識發(fā)生了巨大的變化。很難想象，如果沒有人造衛(wèi)星和之后的空間科學(xué)研究，人類對宇宙、地球和生命的認識可能還停留在20世紀(jì)中葉的水平上。

回顧1957年以來空間科學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了2個明顯不同的發(fā)展階段。其大致可分為1958—1990年的大發(fā)現(xiàn)階段，1990年至今的技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)的研究階段。

在1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星之后，美國在1958年1月也發(fā)射了其第一顆人造衛(wèi)星，并發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶（被地球磁場限制在一定區(qū)域中的高能電子和質(zhì)子）。其后美國、蘇聯(lián)這兩個航天技術(shù)先進國家，在太空競賽的大背景下，又不斷做出了很多新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括對地球、月球、金星、火星、太陽本身的認識，以及通過X射線望遠鏡對宇宙深處的觀測，獲得了銀河系的大量信息及河外其他星系的信息，也包括利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究。然而這些，大部分都是到達即發(fā)現(xiàn)的科學(xué)突破。也就是說，航天飛行器所達到的位置，為科學(xué)家提供了大量直接的新信息。例如：對地球輻射帶、行星際太陽風(fēng)中電離粒子的原位探測，在地球軌道上由于居高臨下的優(yōu)勢，對地球進行更宏觀的系統(tǒng)性的觀測（如對完整的臺風(fēng)和其移動過程的觀測等）；到達月球表面去研究月球等。這有點像在地球上傳統(tǒng)的科學(xué)探險，必須首先要到達要探險的地點，才能獲得新的科學(xué)認知。我們把這一階段稱為大發(fā)現(xiàn)階段。在這個階段，實現(xiàn)科學(xué)的突破比較容易，只要把地面上成熟的探測器帶到太空中，就可以獲得新的發(fā)現(xiàn)。

然而，由于這些低垂的果實所剩不多了，自1990年以后，無論是美國的空間科學(xué)計劃，還是歐洲空間局（ESA）的空間科學(xué)計劃，都開始強調(diào)通過新的探測方案和科學(xué)探測儀器的先進性，來實現(xiàn)科學(xué)突破。具有代表性的科學(xué)計劃包括美國的哈勃太空望遠鏡（HST）、斯皮策太空望遠鏡（SST），“宇宙背景探測者”（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(wèi)星之間的距離變化反演地球引力場（包括地下水變化）的“引力重建和氣候?qū)嶒炗媱潯?span style="color: #A0A0A0">（GRACE）等。在歐洲空間局，有通過多點探測方案獲取地球空間環(huán)境信息的“星簇計劃”（Cluster）等。當(dāng)然在這一時期，到達即發(fā)現(xiàn)的任務(wù)仍然存在，但是必須選擇新的目的地，例如歐洲航天局的“尤利西斯計劃”（Ulysses），飛離了黃道面進入到了太陽極軌，以及美國航空航天局（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。

在這個一直延續(xù)至今的技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)的研究階段，空間科學(xué)計劃最重要的特點是探測技術(shù)的創(chuàng)新。這是因為空間科學(xué)需要新的數(shù)據(jù)、靈敏度更高的數(shù)據(jù)和空間分辨率更高的數(shù)據(jù)，需要在探測技術(shù)上不斷地提升。這里通常有2個提升途徑：一個是延續(xù)原來的技術(shù)路線，通過材料、工藝的提升，甚至望遠鏡口徑的增大來提高空間分辨率和探測靈敏度；另外一條路徑，更像是從“0”到“1”的創(chuàng)新，如采用創(chuàng)新的探測方案——多星編隊式的探測理論、干涉式的成像理論等。但無論哪種路徑，只要能提高分辨率、靈敏度，就能夠獲得新的數(shù)據(jù)，有希望獲得新的科學(xué)突破。

由此可見，自第1顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射半個多世紀(jì)以來，空間科學(xué)的研究范式已經(jīng)從比較簡單和顯而易見的、所到即所得的大發(fā)現(xiàn)階段，進入到了一個必須依靠創(chuàng)新的技術(shù)和方案才能獲得新的數(shù)據(jù)的研究階段。即使是所到即所得式的任務(wù)，那些比較容易到達的目的地也都已經(jīng)被前人所覆蓋，必須創(chuàng)新性的思考更加具有挑戰(zhàn)意義的新的目的地，比如在月球背面著陸，才能做出新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

那么創(chuàng)新的技術(shù)方案從哪里來呢？其實它們都來自早期在任務(wù)遴選中對探測方案和科學(xué)載荷創(chuàng)新度的要求。在這個早期階段，項目管理機構(gòu)通常不是根據(jù)項目的成熟度來遴選，而是根據(jù)項目的創(chuàng)新性來遴選，哪怕可行性還達不到100%，只要其思想不違反基本科學(xué)原理，哪怕技術(shù)上還并不成熟，都有可能獲得支持。而提出該項目的首席科學(xué)家，在這個早期的預(yù)研階段，也許并不那么出名，但是一旦他們的建議得到支持，并通過桌面實驗、環(huán)境實驗甚至最后階段的搭載實驗，驗證了他們的創(chuàng)新想法，他們就會成為一項真正的空間科學(xué)任務(wù)的首席科學(xué)家。

另外一類沿用了傳統(tǒng)技術(shù)，但需要更大規(guī)模的設(shè)計來獲得新觀測數(shù)據(jù)的空間科學(xué)任務(wù)，則更需要任務(wù)管理單位采用建制化的組織來領(lǐng)導(dǎo)。這類任務(wù)需要任務(wù)管理單位任命更具有工程經(jīng)驗的技術(shù)科學(xué)家或工程師來負責(zé)研制，同時任命一位可以充分利用這類任務(wù)數(shù)據(jù)的首席科學(xué)家來負責(zé)數(shù)據(jù)的處理、分析和科學(xué)應(yīng)用。這類任務(wù)的首席科學(xué)家可能在任務(wù)進入工程階段才予以任命，與前面談到的技術(shù)創(chuàng)新類空間科學(xué)任務(wù)的首席科學(xué)家從預(yù)研開始就負責(zé)有所不同。但是他仍然需要具備充分的技術(shù)方面的知識，從而對觀測軌道的選擇、主要科學(xué)載荷技術(shù)指標(biāo)的確定、輔助科學(xué)載荷的配置，以及對觀測規(guī)劃提出具體要求。

可見，無論是哪一類的空間科學(xué)任務(wù)，其都已經(jīng)與技術(shù)創(chuàng)新緊密聯(lián)系在了一起。沒有新思路、新方案、新載荷甚至新探測原理的突破，幾乎無法實現(xiàn)新的科學(xué)前沿的突破。而這些技術(shù)創(chuàng)新的來源，只能有2個：一個是具有深厚技術(shù)背景與技術(shù)創(chuàng)新能力的科學(xué)家，另一個有可能就是關(guān)注科學(xué)前沿并思考如何通過技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)突破的工程師。

我們傳統(tǒng)認識中的科學(xué)家，其科學(xué)產(chǎn)出往往以論文的形式為主。然而，在以觀測和實驗為主要研究手段的科學(xué)領(lǐng)域，越來越多的科學(xué)家的主要工作開始偏向設(shè)計新的實驗方法和路徑，以期獲得新的數(shù)據(jù)。這是因為，隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，常規(guī)的實驗方法已經(jīng)無法實現(xiàn)科學(xué)前沿的突破，或者說低垂的“果實”已經(jīng)剩得不多了。如果想獲得新的科學(xué)突破，必須創(chuàng)新實驗和觀測方法，突破原有實驗的限制，獲取新的實驗數(shù)據(jù)，才能實現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

空間科學(xué)是一個典型的、以實驗或觀測數(shù)據(jù)為主要手段的科學(xué)領(lǐng)域。如前所述，在空間科學(xué)發(fā)展的初期，大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)是依靠所到即所得，也就是只要上了飛行器平臺進入了太空，或者飛行器第一次到達了以前人類從來沒有到達過的環(huán)境，也包括進入到微重力的環(huán)境中，任何探測器或觀測儀器所獲得的數(shù)據(jù)，都是科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但是，通過幾十年的發(fā)展，空間科學(xué)的重大突破越來越依靠科學(xué)儀器的創(chuàng)新。為了確保這些創(chuàng)新技術(shù)的實施，各國在科學(xué)任務(wù)中越來越重視首席科學(xué)家所具備的技術(shù)創(chuàng)新能力。這樣的首席科學(xué)家往往既是任務(wù)的提出者，又是其主要探測或觀測方案的設(shè)計者。在科學(xué)任務(wù)的研制過程中，首席科學(xué)家的職責(zé)需要跟蹤研制過程，確保其提出的設(shè)計指標(biāo)能夠滿足科學(xué)探測任務(wù)的需求。在研制中出現(xiàn)不可克服的困難時，首席科學(xué)家還需要做出決定，是否終止研制或推遲發(fā)射。在任務(wù)發(fā)射入軌后，首席科學(xué)家負責(zé)科學(xué)探測或觀測儀器的開機和測試、標(biāo)定和定標(biāo)，以及后續(xù)科學(xué)數(shù)據(jù)的應(yīng)用，直至科學(xué)發(fā)現(xiàn)。在設(shè)計的任務(wù)周期結(jié)束后，首席科學(xué)家還需決定任務(wù)是否需要延壽繼續(xù)運行，直至最后任務(wù)結(jié)束后的科學(xué)產(chǎn)出的評估和總結(jié)。可見在以技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)的研究階段，首席科學(xué)家需要具備很高的技術(shù)素養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新能力。

為了說明技術(shù)創(chuàng)新的重要意義，這里以7個比較重要的技術(shù)領(lǐng)域為例，將它們各自的前沿技術(shù)列出和突破點舉例說明。囿于篇幅，還不能包括這些領(lǐng)域中的所有技術(shù)前沿，也還沒有覆蓋其他具有更多前沿創(chuàng)新技術(shù)的領(lǐng)域。

1 光學(xué)望遠鏡的孔徑極限

眾所周知，光學(xué)望遠鏡的物理孔徑大小決定了其空間分辨率的高低，越大的孔徑對應(yīng)的空間分辨率越高。而更高的空間分辨率，可以為天文學(xué)家提供更精確的對天體的觀測和新的發(fā)現(xiàn)，是研究宇宙起源與演化、暗物質(zhì)和暗能量、系外行星等多個重大前沿科學(xué)問題的重要手段。目前在太空中運行的最大的天文望遠鏡是由美國NASA為主建造的，2021年底發(fā)射的，直徑6.5米的詹姆斯?韋伯太空望遠鏡（JWST）。

與此同時，一種新興的突破性技術(shù)正在興起，這就是干涉式成像技術(shù)。該技術(shù)利用不同的小孔徑的望遠鏡觀測信號兩兩之間的相干信號（包含相位信息的乘積）獲得目標(biāo)在傅里葉域中的采樣點，并通過算法再反演到目標(biāo)空間域中的圖像。其小孔徑望遠鏡之間的最大物理距離（稱為干涉基線），決定了最終圖像的空間分辨率。然而，由于多個小孔徑望遠鏡的所有接收面積加起來的總面積，仍不如一個實孔徑的望遠鏡，其探測靈敏度將受到損失。

2 光學(xué)望遠鏡的視場

除了增大孔徑，包括干涉式綜合孔徑帶來的分辨率優(yōu)勢以外，成像視場范圍的增大可以提高巡天的效率。為了極大地提高視場范圍，傳統(tǒng)技術(shù)的提升就是使用多個小視場的望遠鏡來增大視場覆蓋，如歐洲空間局的“柏拉圖計劃”（PLATO）。此外，在X射線波段出現(xiàn)了突破性的技術(shù)——類似于龍蝦眼的多孔徑寬視場成像技術(shù)，極大地突破了巡天視場的范圍，如我國不久前發(fā)射的“愛因斯坦探針計劃”（EP）。

3 低頻射電望遠鏡的孔徑極限

在低頻射電波段，由于受到電離層的阻隔，也必須到太空才能觀測。這是因為大氣層中的電離部分阻隔了30 MHz以下的電磁波，在地球表面無法有效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早期由氫原子中的電子躍遷產(chǎn)生的1.4 GHz的輻射，特別是在出現(xiàn)恒星的第一縷光之前，當(dāng)宇宙中僅充滿著中性氫原子的時候——稱為宇宙的黑暗時代，這是宇宙中唯一可以測量的頻率。但這個頻率在現(xiàn)在的宇宙中已經(jīng)通過紅移退減到30 MHz以下。因此要想了解宇宙早期黑暗時代的信號，就需要到太空中去觀測。

在這個領(lǐng)域，一種利用月球軌道開展小衛(wèi)星的編隊飛行，實現(xiàn)利用干涉式綜合孔徑技術(shù)的成像計劃就頗為吸引人，有望成為該技術(shù)在太空中的重大突破，實現(xiàn)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(dāng)編隊飛到月球背面時進行觀測，可以避開來自地球自然（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。

4 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，如果在地面上開展天體測量，大氣層的湍流和擾動，極大地限制了觀測精度。因此，在太空開展高精度的天體測量也是一個技術(shù)前沿。除了為宇宙繪制精密的圖像以外，高精度天體測量還有一個新應(yīng)用方向——發(fā)現(xiàn)系外行星。其基本原理是利用行星圍繞恒星轉(zhuǎn)動時，由于引力作用對其位置產(chǎn)生的擾動。如果能對這顆恒星位置的變化規(guī)律進行長期觀測，就可以獲得圍繞其旋轉(zhuǎn)的所有行星的信息，包括它們完整的軌道信息和質(zhì)量信息。

5 對地球空間的多點和成像觀測

自人類發(fā)射人造地球衛(wèi)星以來，對地球空間磁場和粒子的探測都是采用原位（in-situ）觀測的方式，也就是直接測量衛(wèi)星周圍的磁場和粒子。這種觀測技術(shù)雖然準(zhǔn)確并能夠直接反映衛(wèi)星經(jīng)過地點的空間環(huán)境，但是對于隨著來襲的太陽風(fēng)而變化的磁場和粒子環(huán)境，單個衛(wèi)星已經(jīng)無法區(qū)分其觀測數(shù)據(jù)的變化是由于空間位置的變化還是由于輸入太陽風(fēng)的變化。因此采用多點、即衛(wèi)星編隊來探測空間環(huán)境成為新的探測方式。然而，由于多顆衛(wèi)星的成本遠高于單顆衛(wèi)星，新的編隊探測也在向采用微小衛(wèi)星甚至微納衛(wèi)星編隊方向發(fā)展。此外，對粒子空間分布的探測還出現(xiàn)了遙感成像技術(shù)，包括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(fēng)粒子激發(fā)的X射線輻射的成像。這些新的地球空間探測技術(shù)，將進一步提升人類對地球空間及其變化規(guī)律的認識。

6 高精度的空間基線測量

前文曾提到過通過2顆衛(wèi)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(jié)的變化的GRACE計劃。這種技術(shù)的進一步發(fā)展，在激光波段，可以成為在更高的軌道上實現(xiàn)數(shù)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段。如果電磁波信息提供的是宇宙的圖像，引力波提供的則是宇宙中的“聲音”。如果將探測器之間的距離測量的精度提高到p米的精度，就可以通過3個探測器形成的3條基線來探測空間引力波。

7 觀測位置上的新突破

所到即所得的空間科學(xué)計劃一般比較容易提出。但是經(jīng)過近70年的發(fā)展，大部分重要的空間位置已經(jīng)都被訪問過了。太陽系中的八大行星及其主要行星也都至少被近距離飛越式地探測過了。然而，仍然存在很多區(qū)域可以考慮，例如，幾個極端的位置，抵近太陽、太陽極軌和太陽系邊界。在這幾個位置，已經(jīng)去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(qū)進行過成像探測。又如對太陽系邊界的探測，也只有極為少量的磁場和高能粒子的探測數(shù)據(jù)。對太陽的抵近探測，也還沒有突破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，著陸器只生存了不到1小時獲得了極少量的數(shù)據(jù)就失效了，也并沒有開展過巡視探測。

愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言：“未來科學(xué)的發(fā)展，無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍?！笨臻g科學(xué)既研究宇宙起源和演化，也研究暗物質(zhì)粒子和生命的起源，同時覆蓋了宏觀和微觀的科學(xué)前沿，因此是實現(xiàn)重大科學(xué)突破的重要科學(xué)領(lǐng)域。經(jīng)過近70年的發(fā)展，空間科學(xué)已經(jīng)不再是只要能進入太空，就可獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的階段，進入到必須靠技術(shù)創(chuàng)新才能獲得新數(shù)據(jù)和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新階段。

然而實現(xiàn)未來空間科學(xué)的發(fā)展絕不是輕而易舉的，其中技術(shù)創(chuàng)新起著最為關(guān)鍵甚至是決定性的作用。只要我們認識到這一點，就一定可以找到辦法和工作思路，讓我國的空間科學(xué)盡快在世界上成為引領(lǐng)的力量，讓我國科學(xué)家盡快在科學(xué)的宏觀和微觀前沿作出重大突破，讓我們激勵出的創(chuàng)新技術(shù)不但在空間科學(xué)任務(wù)中創(chuàng)造奇跡，并在更為廣泛的天地場景中得到應(yīng)用。

吳 季 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心學(xué)術(shù)委員會主任、研究員。中國空間科學(xué)學(xué)會理事長，俄羅斯科學(xué)院外籍院士，國際宇航科學(xué)院院士，電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）會士。

文章源自：吳季. 技術(shù)創(chuàng)新是未來空間科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵因素. 中國科學(xué)院院刊, 2024, 39(5): 891-898.

doi: 10.16418/j.issn.1000-3045.20240409007.