財富的發動機　創新的驅動器

“地球是人類的搖籃，但人類不會永遠待在搖籃里”。1957年，前蘇聯發射了第一顆人造地球衛星，標志著人類進入空間時代，與此同時，一門與人類的生存發展息息相關、持續改變人類對宇宙空間認知的科學——空間科學誕生了。空間科學雖然是一門年輕的學科，但是其研究的科學問題卻是人類數千年來孜孜不倦一直在尋求的，包括宇宙與生命的起源演化、太陽系行星的發展演化、太陽活動的基本規律、地球的發展演化等。空間時代的到來使人類具備了進入空間的能力，使人類有能力突破大氣層的干擾和屏障，利用新的手段為這些古老的問題尋找答案。近70年來，通過空間科學探測與研究，人類關于宇宙的教科書不斷被改寫，重大科學發現與突破不斷涌現，徹底改變了人類對宇宙和自然的認識。

空間科學是以航天器為主要平臺，研究發生在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間的物理、天文、化學以及生命等自然現象及其規律的科學。空間科學是典型的以技術實現為依托的實踐科學，空間科學的發展也持續驅動空間技術和相關高技術的創新與發展，并不斷將新的理論與技術創新轉化為新的應用，形成經濟拉動效應，是國際上公認的“財富的發電機”“創新的驅動器”和“新理論新知識的源泉”。

?1 空間科學是新理論新知識的源泉，不斷推動人類文明進步，并將為保障人類的生存發展提供科學依據

回顧人類發展的歷史，不論是太陽中心說、萬有引力定律還是相對論、量子力學，每一次科學上的重大突破和本質性的進展，都大大推動了人類社會的發展和文明的進步。

愛因斯坦曾指出，“未來科學的發展無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍”。空間科學的研究對象包括宇宙、生命、暗物質與暗能量、太陽的活動規律和地球系統的發展演化等，占據著自然科學宏觀和微觀兩大前沿。當代科學發展的歷史已經充分證明，大量的科學發現和進展來自于對宇宙空間的探索。人類進入太空時代以后，通過大量的空間科學衛星和探測計劃，加速了宏觀前沿領域的突飛猛進的進展。僅在最近幾年，由于“哈勃空間望遠鏡”的觀測，人類已經發現了大量未知的天體，使人類的視界延伸至138億光年的距離，幾乎達到了宇宙自身自大爆炸以來膨脹的尺度，并使宇宙學的研究尺度到達了精確研究的階段。通過大量的可見光以及可見光以外的窗口，如X射線和微波的觀測，人類確認了宇宙起源的大爆炸理論并發現了組成宇宙主要成分的暗物質和暗能量。正是因為這些觀測和研究成果，2002年度和2006年度的諾貝爾物理學獎分別授予了成功探測到中微子、發現宇宙X射線源和發現宇宙微波背景輻射的黑體形式與各向異性的4位空間科學領域科學家;2011年度諾貝爾物理學獎授予了通過觀測遙距超新星而發現宇宙加速膨脹的3位空間科學家，以表彰他們在開辟探測宇宙的新窗口和在增進人類對宇宙的了解和認識方面所作出的突出貢獻;2019、2020、2021年度諾貝爾物理學獎亦分別授予了系外行星、黑洞和地球科學的理論與觀測研究。從1957年以來空間科學領域獲諾貝爾獎的情況可以看出，近10余年來人類重大科學發現越來越多地誕生于空間科學領域，并都是通過空間科學衛星的觀測和數據分析所獲得的，空間科學作為新理論、新知識的源泉，得到了世界各科技強國的高度重視，并已成為競相發展、尋求革命性突破的重要科學領域。

除此以外，空間科學還將為人類在地球上的長期生存與可持續發展提供科學依據。一直以來，地球上物種的生存受到宇宙天體（小行星）撞擊、太陽劇烈活動、火山爆發、氣候變化等多種因素的威脅，人類在地球上的生存還將承受著如全球變暖、生態環境惡化、生物多樣性降低和自然資源枯竭等眾多因素的威脅。科學家普遍認為，地球系統變化的驅動力分為外強迫和內強迫。外強迫是指太陽輻射、日地距離和地球軌道變化及小行星撞擊和火山噴發等;內強迫是指地球系統大氣、海洋、冰雪、巖石和生態五大圈層內部及之間的相互作用與調節機制。太陽輻射源源不斷地向地球系統提供其運動所需的能量;地球系統各大圈層內能量循環、水循環和生物化學循環（碳/氮循環等）等過程及圈層之間的能量和物質交換過程的共同作用，產生了目前既變化著的但又適宜人類生存發展的氣候環境。人類的起源只有200萬年的歷史，卻對地球環境產生了深遠的影響，從最初的影響局地環境逐漸到影響全球環境。自人類工業革命以后，人類的影響變得越來越大，已成為目前地球系統變化中不可忽視的一大擾動因素。而空間科學利用空間平臺居高臨下地觀測地球，研究地球系統五大圈層的相互作用與演化，以及水循環、能量循環和生物化學循環的變化、成因與未來發展趨勢，將極大提高我們對地球系統及其演變規律的科學認識，為人類的長期生存與可持續發展提供科學依據。

2、空間科學是創新的驅動器，是實現科技領先的重要戰略領域

空間科學的研究與發現需要通過發射衛星，到空間去開展觀測、探測或實驗，空間科學與技術的發展充分體現了“科學引領技術，技術推動科學”的相互支撐關系。空間科學衛星是獲取空間科學數據、實現空間科學發現的最重要途徑。空間科學衛星與一般應用衛星有所不同，因“科學發現只有第一沒有第二”，欲實現新的發現必須在探測區域的選取、探測方案的設計、衛星平臺的功能、探測儀器的精度或靈敏度乃至為降低發射成本而必需的儀器輕巧性和惡劣環境適應性等方面都實現超越前人的突破。舉例來說，在軌道設計方面，即使是運行于地球空間的科學衛星，多數也都需要超出常規應用衛星軌道的特殊軌道設計，如大橢圓軌道、低傾角軌道、凍結軌道、編隊飛行軌道等;在深空探測計劃的推動下，利用行星引力借力飛行的技術已普遍使用;近年來又出現了新的軌道設計理論，如星際高速公路理論。在星際航行推進技術方面，已經發展了太陽帆推進技術和核推進技術。在衛星結構、熱控方面，科學衛星已經突破了平臺和載荷相對獨立的概念，形成了平臺和載荷一體化的設計理念，大量科學衛星的構型已徹底改觀。在有效載荷技術方面，科學觀測和探測需要得到在探測窗口、超高空間分辨率、超高靈敏度和超高時空基準方面超過以往的數據，因此必須實現新的設計和技術創新。可以說每一項空間科學衛星計劃都包含大量新的需求、新的設計、新的工藝以及新的材料，是推動航天尖端技術創新和相關高技術領域快速發展的重要驅動器。

以哈勃空間望遠鏡為例，由其發展起來的超精密鏡面光學加工、CCD成像、波前像差和熱電制冷等技術，推動了地面光學成像與加工領域的革命性進展;哈勃空間望遠鏡自升空以來已多次進行空間修復，極大地促進了空間精巧機械技術、宇航員空間操作等航天尖端技術的發展，并開創了虛擬現實與應用等新的領域。再如，美國國家航空航天局（NASA）發射的“深度撞擊號”（Deep Impact）探測器經過4.31億公里飛行，在距離地球1.5億公里處成功擊中了坦普爾1號彗星，其控制精度等同于“從130公里之外擊中一只蒼蠅的眼睛”，大大推動了航天超遠距離自主導航與測控、空間攔截等技術的發展。

我國正在實施創新驅動發展戰略，跟蹤國外先進技術已經不能滿足我國科技與經濟社會發展的需求。因此，發展空間科學，充分發揮空間科學作為原始創新驅動的重要作用，全面帶動我國航天和相關高技術領域的跨越發展、并延伸至其他科技領域與產業，對提升我國科技實力和整體競爭力、實現科技領先具有重要戰略意義，也是我國發展成為航天強國的必由之路。

3、空間科學是財富的發電機，為國家經濟社會發展提供新的動力

空間科學致力于發現和驗證新的空間現象和規律，通過空間科學研究所獲得的新知識和新理論將創造性地轉化到應用領域，為經濟社會發展提供源源不斷的動力，并深刻改變人類的生產生活方式。

一個典型的例子是美國的阿波羅計劃。通過阿波羅計劃產生了3000多項專利，其中有1300多項轉移到了國民經濟領域，從醫用CT掃描儀到兒童尿不濕材料，從筆記本電腦到仿真技術，無不出自這一計劃。阿波羅計劃的實施，直接帶動了美國微波雷達、遙控作業、無線電制導、超高強度和耐高溫合成材料、新型電子計算機、藥物及生物工程等領域的發展;今天美國航天工業、國防工業和許多民用工業的關鍵技術，很大部分來自這一計劃的第二代或第三代技術或這些技術的衍生技術;同時阿波羅計劃還激勵了數代年輕人懷抱科技夢想，踏入和從事科研與技術、工程等工作。

空間科學計劃也將推動經濟的發展。空間提供的特有微重力、真空、高輻射等環境，可用于開展細胞、生物系統和藥物等方面的研究和實驗。目前國際空間站上實施的部分生命和藥物方面的實驗，已經非常接近應用，可望在近期實現產業化。空間材料科學的研究成果可望提供地面上難于獲得的高品質材料，而其技術成果向地面轉移可以大大改進地面材料的加工工藝。微重力流體科學開展的多相流過程及復雜流體研究，對于提高傳熱傳質效率具有重要的作用;微重力條件下的燃燒實驗研究，為揭示燃燒過程中的基本規律、發展燃燒理論開辟了一條有效的途徑，結合微重力燃燒科學的研究，對改善地球環境污染、提高能源利用效率具有良好的應用前景。在量子信息科學領域，最先走向實用化的量子信息技術是量子通信，利用衛星平臺的自由空間光子傳輸被公認為是最切實可行的克服光子易被光纖信道吸收的弱點、實現廣域乃至全球量子通信的技術途徑，通過在空間開展量子糾纏分發的驗證實驗，可以開拓以量子密鑰為核心的保密通信新領域。隨著量子通信技術的產業化和廣域量子通信網絡的實現，在不久的將來，作為保障未來信息社會通信安全的關鍵技術，量子保密通信將有望走向大規模應用，成為電子政務、電子商務、電子醫療、生物特征傳輸和智能傳輸系統等各種電子服務的驅動器，為當今信息化社會提供基礎的安全服務和可靠的安全保障，并將帶來巨大的經濟效益。

可以說，通過空間科學計劃，在獲取科學突破、持續牽引高技術進步的同時，還將通過“輻射效應”推動國家經濟社會的發展，產生豐厚的回報。1990年前后，美國科學家就NASA在國民經濟中的貢獻做過專門研究，得出的結論是：NASA開展的民用航天項目每投入1美元對美國國民經濟產生14美元的經濟拉動效應。在2002年歐盟委員會發表的《航空航天二十一世紀戰略審議報告》中指出，歐洲的空間計劃在確保歐洲的安全與經濟繁榮方面有著關鍵的戰略作用，是“財富的發電機”和“保持全球競爭力的支柱”，對空間活動對歐洲所具有的重要戰略性作用給予了高度評價。

4、中國的空間科學發展展望

“卿云爛兮，糾縵縵兮。日月光華，旦復旦兮。”這首流傳至今的《卿云歌》表達了中國古人對宇宙空間的感知與贊嘆。進入21世紀，地球空間“雙星探測計劃”和載人航天工程、月球探測工程等空間科學與應用任務的相繼開展，為我國空間科學的發展奠定了基礎。2011年由中科院牽頭的空間科學先導專項的組織實施標志著我國空間科學事業進入新的發展階段，“十二五”期間立項研制的4顆科學衛星已于2015～2017年先后發射，我國從事空間科學領域的科技人員空前活躍，國際影響力與日俱增。

預計未來10～15年，在國家的穩定支持下，在全國空間科學家和技術人員的共同努力下，我國將在宇宙的形成和演化、引力波與時空本質、系外行星探索和地外生命的探索探尋、太陽系的形成與演化、太陽活動及其對地球空間環境的影響、地球系統的發展演化、超越現有基本物理理論的新物理規律、空間環境下的物質運動規律和生命活動規律等前沿熱點領域，取得重大科學發現與創新突破，躋身空間科學國際一流水平國家，同時極大促進和推動我國相關高技術領域的跨越式發展，為人類認識宇宙、探索太空作出中華民族應有的重大貢獻。

（原載《中國科學院院刊》，本報有刪減）