中国空间科学学会  

摘     要

本报告主要论述了中国空间科学学科发展的现状、近期研究成果、未来几年（2006-2009年）学科发展计划以及中期（2010-2015年）空间科学发展战略构想。为了更好地发展我国空间科学，也论及了国际空间科学态势，并进行了比较，从中得到启迪，为我所用。

本报告分为四大部分：

一、国外空间科学态势

主要论述了21世纪初期（2006-2034年）世界空间大国空间科学发展的短期（2006-2015年）、中期（2015-2025）和长期（2025-2034年）战略布局，其中美国的计划比较全面而完整，包括明确的科学目标、相应的探测计划等，其目的是要保持在国际空间科学中的领先地位。

二、我国空间科学现状

主要论及了自20世纪末以来我国空间科学进展，特别是空间物理与空间探测所取得的重大成果，以及空间化学与空间地质学、微重力科学、空基对地观测等的进展。

三、我国未来几年空间科学学科发展

主要论述了2006-2009年间空间科学发展计划，主要含高能天体物理学、太阳物理学、空间物理学、太阳系探测（月球探测等）、微重力科学、空间生命科学等发展计划。

四、我国2010年后空间科学发展战略构想

主要论述了我国2010年后空间科学发展构想，其中包括空间天文学（含2010年发射硬X射线调制望远镜）、空间物理学（含“夸父”计划）、太阳系探测（含月球探测等）、行星地球科学、微重力科学、空间生命科学等研究计划。

引    言

我国近期空间科学发展，重点在于实施2009年以前的发展计划。一般地，空间科学研究计划历时较长，一个计划从构思科学目标直到分析探测结果，大约需要10年，乃至更长的时间。因此，空间科学学科发展往往是各阶段相互衔接的过程。

在我国近期的空间天文学研究中，主要为实现X射线调制望远镜（HXMT）计划而进行分阶段的研究，其目的为了增强高能天体物理学研究，预计在2010年左右发射（HXNT）。为了深入太阳物理学研究，多年研制的空间太阳望远镜（SST）正在进行关键性技术研究。

要继续加强空间物理学研究与太阳系探测，这包括正在制定的“夸父（KuaFu）”计划，以增强日地空间物理研究。同时，正在发展业务型空间环境卫星，以增强日地空间天气预报的能力。

目前，在太阳系探测中，主要在实施月球探测计划，预定“嫦娥一号”探月卫星于2007年发射，并在论证二期探月计划。接着，在探测月球的基础上，主要目标将开展火星探测。空基对地球观测，主要了解全球变化以及人类活动对空间信息的反馈机理。

微重力科学研究主要含微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学和空间（空基）基础物理研究等领域，以获得对自然现象的新认识。

空间生命科学研究包括：主要从分子、细胞、组织直到个体生命复杂系统，认识其对空间环境的响应和适应规律；生命个体之间的相互关系、生态系统内物质循环和能量流；基于空间环境的生物工程技术等。

由于空间科学研究计划历时很长，因此，对未来研究必须有战略构想及其相应的规划。在2010年后的构想主要含：空间天学研究，包括X射线和γ射线天体物理研究等；空间物理学研究，主要通过“夸父”计划的实施（2012年发射探测卫星），达到预定的科学目标；太阳系探测，将实现月球探测的后续计划，并转向火星探测，同时将把我们居住的地球作为一个行星进行研究；将更多地利用卫星和飞船系列进行微重力科学和空间生命科学研究。

一、国外空间科学态势

(一) 21世纪初(2006-2034) 空间科学宏伟计划

1、 美国宏大计划

（1）美国总统布什宣布新空间探索计划后，美国航空和航天局（NASA）就制定了空间探测远景（Vision）计划， 其中提出了5项指导性国家目标：①人类和机器探测太阳系及其外部空间；②2020年重返月球、2030年载人登陆火星、太阳系其它行星（准备）；③对地观测；④发展新技术支持探测计划；⑤国际合作。为此，进一步制定了18项战略目标，其中第15项的总目标（2006-2034）：探索日地系统以了解太阳，太阳对地球、太阳系和载人探险之旅所必经的空间环境条件的影响，和试验演示可以完善未来运行系统的技术。并分为三个科学目标：

    1）开拓空间环境预报的前沿领域；2）了解太空家园的自然规律；3）保障探索之旅的安全。

（2）科学问题、相关探测计划：1）目前计划，2）近期计划，3）中期计划， 4）长期计划（2025-2034）。

（3）关键技术领先：1）太阳帆技术，2）太阳系内海量数据返回技术，3）数据分析、可视化技术等，以提取有效信息。

总之，美国趋向于减少航天飞机和空间站的投入，以加大空间科学各个领域的比例。

2、俄罗斯等空间大国计划

    （1）俄罗斯计划

    2006-2015年计划实现火星载人探测，建造新型6人航天飞机代替联盟号飞船。研究学科较全面：天体物理，x 、Υ 射线探测；太阳物理；日地物理；对地观测；空间天气预报；行星及卫星探测，与ESA合作探测火星、金星、土卫六，与NASA合作载人探测月球。

（2）ESA计划

    宇宙全景计划，未来20年发展蓝图。目前，Mars Express(2003),Double Star(2003)，Venus Express(2005)等7项计划。未来，地球观测，2009年发射3颗极轨卫星；水星探测，2012年发射，4年后到达；太阳极轨探测，2015年发射。

（3）日本计划

    3类计划：月球探测，30年内建成月球基地；行星探测，金星、水星探测；天文观测，包括Astro-F 和 Solar-B计划。

（4）加拿大计划

    1989年，建立空间局。计划优先等级：宇宙、太阳系、太阳、地球大气层和在太空生活。主要参加ESA、NASA国际合作计划，包括中国“夸父”计划。

（二）各国空间科学发展比较

    1、共同性

空间科学对国防、经济、社会、科技等有着重大的意义，各国都在尽力发展。凝炼前沿科学问题，力求达到目标，精心设计探测计划；总体布局，短、中、长期衔接；与本国实力相符，满足国家战略利益等需求；利用国际合作契机。

2、差异性

世界上，虽有10多个国家能参加空间科学研究，但在规模、技术水平等方面相差甚远，探测能力（多种技术集成创新能力）差异凸现，国际合作存在着不对称性。以美国为代表，空间科学、技术、实用全面发展，总战略目标—保持世界领先，从而保住全球霸主地位。

（三）对我国的启示

    我国是一个航天技术大国，发射了技术实验（实践系列）、通信、资源、气象、海洋等卫星系列，对经济、社会发展起到巨大作用。但直到2003年，才发射了真正意义上的空间科学卫星—地球空间双星。按实力，可以做得更好，以致不存在这种不平衡、不协调、不合理的局面。为了使我国成为空间科学、航天技术和应用全面发展的大国，必须调整空间政策和改变领导体制等的落后状态。

    1）必须有国家统一的领导、管理机构；

    2）用系统综合集成方法，制定军民融合、寓军于民的国家级空间科学技术规划、计划；

    3）科学目标与实用需求相互结合和促进。

二、我国空间科学现状

（一）近年空间科学概况

     “863”计划、“921”工程的推动，“双星”计划的实施，“神州”飞船系列多项实验的完成，国家微重力实验室的建立，“子午工程”的实施；等等；这表明，我国已加强了能力建设。有一批专业研究机构及相应的研究队伍。但是，与国际相比，发表论文数仍较少；在国内比较，空间科学显得比较落后。

（二）空间天文学

以X射线和伽马射线观测研究为主的高能天文观测是空间天文的主力学科，突破性的进展还是在神舟号上实现了对宇宙伽马射线暴、太阳耀斑、和近地轨道上的高能粒子沉降事件的观测，首次自主设计和研制了伽马射线暴探测器系统，实现了短时标、宽能段、多个探测器对空间爆发量的联合观测，记录和发现了30余例伽马射线爆发事件、包括几个最强的太阳耀斑在内的130余例太阳耀斑爆发事件、以及142例太阳活动峰年期地磁粒子沉降事件，实现了我国首次对宇宙伽玛暴等高能爆发现象的空间实测研究。

（三）空间物理与空间探测成就：1、太阳风起源和湍流传输获突出成果，2、双星观测获前沿性成果：（1）磁层小尺度结构在大尺度范围上演化；（2）磁重联、磁亚暴等研究获重要成果；（3）星上中频电磁波探测器获重要数据。

（四）空间环境及应用：1、空间环境预报等关键技术获实际应用；2、空间碎片碰撞预警系统发挥重要作用；3、建立了空间天气预报新模式等。

（五）空间化学与地质学新进展

1、在陨石学研究中，提出了太阳、行星形成的新观点；2、在月球研究中，建立了月表有效太阳幅照度模型，进行了月面平均反射率估算、月球地体构造分类，研制出月壤模拟样品等。

（六）微重力科学新进展：1、利用“神州”飞船系列进行了多项实验—生物、材料、流体物理等；2、利用返回式卫星进行了多项实验 —细胞培养、过冷池沸腾、气泡热毛细迁移；3、医学实验—头低位卧床21天、神经前庭系统、中枢神经系统等实验。

三、我国未来几年空间科学学科发展

（一）空间天文学

1.加强高能天体物理

（1）为2010年发射硬X射线调制望远镜（HXMT）进行前期研究

科学目标：以理解太阳作为离我们最近的天体物理实验室和黑洞作为恒星演化以及宇宙演化的探针为突破点；对各种尺度和层次的天体的多波段空间天文观测研究。

关键科学问题：早期宇宙、星系与宇宙结构的大尺度特性；第一批恒星和星系的形成；暗物质和暗能量的本质；各种尺度黑洞的形成和演化；恒星及其行星系统的形成以及巨行星和类地行星的诞生与演化；理解作为恒星的太阳。

发展目标：拟在2010年硬X射线调制望远镜，对硬X射线天文学观测、对脉冲星等致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程进行高水平研究，争取在黑洞物理研究等领域取得突破。

2.深入太阳物理

（1）与法国合作研制太阳高能小卫星（SMESSE）    通过与法国的合作，共同研制并发射太阳高能小卫星，实现在峰年期间对太阳的高级波段的持续观测。

（2）继续支持空间太阳望远镜（SST）研制，深入进行关键技术预先研究，实现0.1角秒空间分辨能力的地面演示验证，在条件成熟的时候发射。

（二）空间物理研究与太阳系探测

1.加强日地空间物理

（1）围绕“夸父（kuaFu）”计划的前期研究    科学目标：通过研究太阳活动——行星际空间扰动——地球空间暴的链锁变化过程，理解日地空间天气的发生和发展。

关键科学问题：太阳剧烈活动的规律和产生机理，太阳扰动在行星际空间中的传播与演化；地球空间暴的多时空尺度物理过程；日地链锁变化中的基本等离子体物理过程；日地空间天气物理与数值预报模型；日地链锁变化对人类活动和生态环境的影响；日地空间特殊环境研究。

（2）日地空间天气预报    发展业务型空间环境及效应监测卫星，与应用卫星搭载的空间环境监测载荷配合，长时间积累空间环境数据，为空间天气预报和航天器远行服务。

2.太阳系探测

（1）月球探测    科学目标：在月球上建立观测基地及月球资源的分布规律和利用研究；通过地球与其他行星的比较研究；进行地—月系统科学研究。 “嫦娥一号”探月卫星预定于2007年发射。月球探测二期工程已列入计划。

（2）火星等探测预研究    以火星为主的类地行星的矿物组成和化学特性及其与地球的比较；以火星为主的类地行星上的生命问题；以火星为主的类地行星的大气和表面水体的消失和演化过程及其现状特征。

（三）空间地球科学

科学目标：进行全球观测，了解地球各层的结构活动特性和全球变化，包括人类活动的作用。了解地球系统各圈层的相互作用，人类活动对空间信息的反馈机理。制定空间地球科学研究系统卫星计划。

（四）微重力科学

科学目标：利用空间微重力环境进行微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学和基础物理研究。包括①将重点研究表面和界面现象，多相流和热传递过程，复杂流体现象等在地面难于研究的问题。②微重力燃烧消除了重力引起的热对流，有利于揭示燃烧的内在规律。③空间材料科学将研究材料的凝固规律和高晶质材料的制备。④基础物理涉及引力理论、激光冷却和低温凝聚物理等基本问题，蕴育着物理学的重大突破。

（五）空间生命科学

科学目标：探索空间和地面的重要生命过程及其本质、空间环境对生命过程的影响。

关键科学问题：从分子、细胞、组织直到个体生命复杂系统，认识其对空间环境的响应和适应规律；生命个体之间的相互关系、生态系统内物质循环和能量流。争取发射1-2颗返回式（微重力科学和空间生命科学共用）科学卫星。

四、我国2010年后空间科学发展战略构思

（一）空间天文学

1.大力发展高能天体物理

（1）X射线和γ射线天体物理    优化“硬X射线调制望远镜”的科学目标和观测方案，开展X射线和γ射线天体物理的研究：活动星系核、X射线双星、中子星、超新星遗迹、星系团等不同尺度的天体及结构的X射线和γ射线辐射物理机制、相对论喷流、激波和高能粒子加速、黑洞的形成和演化等重要天体物理前沿。

（2）磁场、磁重联过程及其在各种尺度天体物理过程的作用

（二）空间物理与太阳系探测

1.重点发展日地空间物理

（1）日地系统研究    主要实施“夸父”计划。科学目标：通过2012年发射三颗卫星的联测，完成从太阳大气到近地空间完整的扰动因果链探测，以研究日地系统能量输入和输出、日地爆发事件的形成和因果关系、以及空间天气连锁变化过程。

（2）磁层、电离层、热层耦合   在地球空间，有多种机制参与了磁层、电离层和中高层大气的耦合过程，必须进行综合的同时探测。

 空间物理探测未来20年路线图

2.太阳系探测

（1）太阳——行星空间探测  地球空间天气和空间环境主要由从太阳输出的等离子体、粒子、以及电磁辐射的影响所决定。太阳的输出在许多时间尺度上变化：从爆炸重联到对流翻转，到太阳旋转，到太阳磁场22年周期，甚至更长时间的不规则波动。

①探测内容：探测太阳风以及太阳风起源；从太阳极轨原位或遥感探测日地空间太阳风和行星际日冕物质抛射事件的传播和演化；跟踪从太阳内部到日冕的磁场结构的演化；研究外太阳大气的加热机制；探测太阳耀斑和物质抛射的触发和爆发机制；追踪从太阳到地球的能量流和物质；揭示日冕物质抛射的真实的三维结构的确定等。

②研究太阳风加速机制；研究日冕等离子体加热机制；确定太阳风的日冕源头的位置与特征；研究确定太阳风等离子体性质的日冕现象。

我国构想行星际空间探测，可以与NASA规划的日球层暴（Heluostoem，HS）太阳高能粒子（SEPM）任务等计划相配合。

（2）火星等类地行星探测（2010年后）    应该考虑在几十亿年前的火星空间环境与现在有很大的不同，对火星大气和水的逃逸有明显的约束作用。火星的内在偶极子磁场比现在可能大很多，这些火星空间环境的科学问题都与火星地质地貌及可能生命存在的可能性相关联。为此，要研究①火星尾流及磁尾结构；②火星离子逃逸的物理过程，输动机制；③火星电离层密度剖面等。

（3）比较行星学

火星各空间主要区域与地球、金星的比较。探测火星的空间环境，为人们深入认识和了解地球、金星的空间环境提供有益的比较和启示。

太阳系探测路线图——从月球到火星之旅

（三）微重力科学

1.基础物理学

（1）空间牛顿反平方定律实验检验    利用空间良好的实验环境在更高精度上开展牛顿反平方定律实验检验和新的相互作用的实验检验，对现有的超引力或超弦等理论，以及统一四种相互作用提供实验依据。

（2）新型等效原理实验    ①研制出三轴静电陀螺和测量系统、完成地面组装和模拟实验并进行高精度的地面标定和测试；②进行百米落塔自由落体演示实验；③进行高空气球自由落体高精度实验。

（3）高精度时标实验    原子时间频率标准不知不觉中已深入到人类生活中的各个方面。时间频率测量准确度和精确度的提高，将从根本上改变一系列重大自然科学和应用技术科学的面貌。

在空间微重力条件下，原子无沉降效应，可冷却到更低的温度，可利用更慢的原子增加相互作用时间，获得毫赫兹量级的谱线宽度。宽间微重力环境为冷原子钟提供了极佳的工作条件，因而可研制出性能极好的原子钟，空间可得到稳定度在10^-16—10^-17的空间原子钟。

2.微重力流体物理学

（1）流体界面或表面研究

（2）微重力两相流及其传热研究

（3）复杂流体研究

3.微重力燃烧学

结合我国国情和发展战略目标，选取具有重大科学意义和应用前景的研究方向，通过地面实验、数值模拟，并利用短时间微重力设施（落塔和气球），对燃烧过程的机理和载人航天器火灾安全问题进行深入研究。

（1）燃烧基础研究

（2）空间火灾安全研究

（3）地基能力研究

（4）筛选空间实验等研究

4.空间材料科学

（1）材料物理、化学特征研究

（2）新材料、高性能材料制备研究

（1）    纳米材料、自组装材料等研究

（四）空间生命科学

未来空间生命科学的研究就是要把空间生命科学研究的长远目标与生命科学研究的当今发展总趋势紧密地结合起来，利用现代科学的理论或概念，路线或方法，技术或设备开展空间生命科学基本问题和空间生物技术的发展与应用研究。将经我国“载人航天工程”二期计划和返回式微重力科学实验卫星系列规划为依托，以国家重大科技、高技术发展需求为主，兼顾重要基础科学问题，开展如下前期预研：

1.生命个体对空间环境的响应、适应

从分子、亚细胞、细胞、组织、器官直到整体（个体）水平研究动物、植物和微生物，特别是一些模式实验生物和有经济价值的生物繁殖、生长和发育、生理和代谢、运动和行为、遗传和变异等等。

2.生命群体在空间环境的相互关系

特别关注不同物种之间的关系 及空间生态平衡系统的建立。从单物种到多物种，或从二元系统到多系统。物种之间的关系是复杂的，相互间存在着有益的影响，相互间也存在着有害的影响，这些影响在空间的表现也会与地面不同。这些影响将关系到空间生态平衡系统的设计、构建和维持。

3.空间生物技术的发展

密切关注在生物技术的发展过程中有那些新技术的障碍是与地球重力有关的。当前生物技术是在不断地发展和完善，也会有新的生物技术替代原有的生物技术。但是，在一些新的技术中同样存在着一些明显的障碍或困难，其中不排除有的障碍或困难是与地球重力有关。

进一步完善已有的、有应用前景的空间生物技术，提高效率，达到真正可用的程度，无论是在空间，还是在地面。如空间生物大分子的分离、纯化、结晶技术，空间细胞工程技术，空间组织工程技术，空间诱变技术等等。

A Summary

This report mainly discusses the situation of China space science, recent achievements, the plans for the subject development in the near future （2006-2009）and strategic configuration for the space science developing after2010. For the sake of a bright perspective of Chinese space science, the situation of international space science and some comparison with ours are also related, inspiration can be derived for our own needs.

This report comprises four major parts.

1.The situation for international space science

The strategic distribution of space science development in the world advanced Space countries in short term (2006-2015), mid-term (2015-2025) and long term(2025-2034) during the early 21 century is discussed. In order to keep ahead in space science in the world, the plan of U.S.A is comparatively comprehensive and integrated, including clear scientific objective, and relevant exploring plan etc.

2.The situation of China space science

Basically the progress of China space science from the end of 20 century is related, especially about the significant achievements in space physics, space exploration, space geology, micro-gravity science and observation of the earth in space.

  3.The development of China space science in the near future

It mainly refers the developing plan of space science between 2006 and 2009, chiefly including the high energy astrophysics, solar physics, space physics, solar system exploration (lunar exploration), micro-gravity science and space life science.

    4.The strategic configuration for China space science development after  2010

It basically relates the developing plans of China space science after2010,including the space astronomy (such as,the launch of X-ray modulated telescope （HXMT）in 2010),space physics (such as, KuaFu plan),solar exploration(lunar exploration etc), planetology science, microgravity science and space life science etc.