空間科學專項先後成功發射了暗物質粒子探測衛星、 “ 實踐十號” 返回式科學實驗衛星、量子科學實驗衛星 3 顆科學衛星，即將發射硬 X 射線調製望遠鏡（HXMT）衛星。暗物質衛星、量子衛星穩定運行、工作正常， “ 實踐十號” 返回式衛星已順利返回。各衛星從科學思想提出、載荷配置方案到衛星研製，均為中科院主導，預期科學成果將使我國在空間科學領域進入世界先進行列。專項還部署了愛因斯坦探針（EP）等 8 個背景型號項目和三批 96 個預先研究項目，為空間科學衛星長期、可持續發展奠定了基礎。
1 發展空間科學是國家重大戰略需求
空間科學是以航天器（科學衛星/飛船/空間站等），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。空間科學佔據自然科學前沿，探索人類未知世界；空間科學引領前沿技術的顛覆性創新和戰略高新技術發展，為國家安全提供科學支撐；同時還將引領新一輪技術和產業革命，服務社會發展、引領人類未來。發展空間科學是國家重大戰略需求。
目前，我國已共發射各類衛星近 150 多顆，建立了較完整的應用衛星體系，但科學衛星極少，空間科學對國家創新驅動發展的戰略作用遠未充分發揮。為推動我國儘快取得基礎前沿重大突破，建設世界科技強國，迫切需要大力發展空間科學。
為充分發揮空間科學在國家創新驅動發展中的重要戰略作用，2010 年 3 月，國務院第 105 次常務會議審議通過，同意中科院組織實施戰略性先導科技專項。2011 年 1 月，經中科院黨組會審議通過，空間科學先導專項立項啟動實施。
2 專項入選了中科院“十二五”標誌性重大進展
空間科學先導專項的總體目標是：在最具優勢和最具重大科學發現潛力的科學熱點領域，通過自主和國際合作科學衛星計劃，實現科學上的重大創新突破，帶動相關高技術的跨越式發展，發揮空間科學在國家發展中的重要戰略作用。
“十二五”期間，專項部署了暗物質粒子探測衛星（簡稱“暗物質衛星”）、量子科學實驗衛星（簡稱“量子衛星”）、“實踐十號”返回式科學實驗衛星（簡稱“實踐十號”）和硬 X 射線調製望遠鏡衛星（簡稱“HXMT衛星”）4 個衛星工程項目；同時，還部署了空間科學背景型號和預先研究項目以及專項總體項目。
專項始終堅持“高目標、高質量、高效率和低成本”方針，進展良好。目前，暗物質衛星、量子衛星、實踐十號“三發三捷”，HXMT 衛星進入發射倒計時，背景型號項目和預先研究項目全部結題。
（1） 暗物質衛星工程於 2011 年 12 月立項啟動（圖 1）。2015 年 12 月17日，專項首發星暗物質衛星“悟空”發射升空。習近平總書記在 2016 年新年賀詞中特別提及暗物質衛星發射升空，將其作為“只要堅持，夢想總是可以實現的”的例證之一。
暗物質衛星發射後成功實現在軌運行。至 2016 年10 月 20 日，已完成全天區覆蓋；衛星在軌運行 304 天，飛行 4 700 軌；下行科學原始科學數據 7.10 TB，共採集 14.8 億個高能宇宙線粒子。科學數據正在積累、處理、研究中，有望取得重大成果。
（2） “實踐十號”衛星工程於 2012 年 12 月立項啟動（圖 2）。2016 年 4 月，衛星發射併成功回收。目前，“實踐十號”已取得首次實現哺乳動物胚胎在太空發育、在太空觀察到煤燃燒現象、在有系統的長微重力時間下振動激振顆粒實驗等科學成果。
（3） 量子衛星工程於 2011 年 12 月立項啟動（圖 3）。2016 年 8 月16 日，量子衛星“墨子號”成功發射。目前衛星在軌測試順利，建立了星地雙邊糾纏光鏈路和隱形傳態光鏈路，預計於 2016 年年底前可完成天地一體化鏈路測試並適時安排科學實驗。量子衛星將陸續形成重大科學成果，保持我國在該領域的領先地位。
（4） HXMT 衛星工程於 2011 年初正式立項啟動（圖 4），目前已完成全部研製工作。藉助 HXMT 衛星，中國天文學家將首次使用我國自主研製的空間天文望遠鏡觀測宇宙各類 X 射線輻射和爆發活動，開展黑洞的性質及極端條件下的物理規律研究。
“十二五”時期，空間科學背景型號及預先研究項目均分別於 2011、2013 年部署了兩批項目（圖 5）。其中，背景型號項目共立項實施了 8 個項目，分別是：“磁層-電離層-熱層耦合小衛星星座探測計劃（MIT）”“X射線時變與偏振探測衛星（XTP）”“空間毫米波VLBI陣列（S-VLBI）”“太陽極軌成像望遠鏡計劃（SPORT）”“系外類地行星探測計劃（STEP）”“先進天基太陽天文臺（ASO-S）”“愛因斯坦探針（EP）”和“全球水循環觀測衛星（WCOM）”。這些項目科學意義重大、創新性強，全部完成了國際論證並於 2016 年通過結題驗收。預先研究項目 2011 年部署的課題於 2015 年 5 月完成了結題驗收；2013 年部署課題將於 2016 年年底前結題。
3 堅持創新引領發展，成功踐行“雙輪驅動”新模式
通過專項組織實施，大幅推動了我國空間科學發展，提升中國空間科學的國際影響力；儲備先進空間技術，為我國航天事業的跨越式發展提供技術支撐保障。同時還將創造我國乃至國際空間科學發展的若干個第一次。
（1） 暗物質衛星觀測能段範圍為 5 GeV-10 GeV，能量分辨率優於 1.5%，超過國際上所有同類探測器。暗物質衛星探索樹立了我國空間科學衛星平臺新的設計理念和擇優模式，在國內首次實現了以有效載荷為中心的一體化衛星平臺方案，載荷比高達 73%；與阿爾法磁譜儀（AMS）、費米太空望遠鏡（FERMI）等著名實驗一樣，被國際權威機構歐洲核子中心（CERN）選為“認可項目”，無償優先在 CERN 完成了探測器束流定標試驗。
暗物質衛星發射得到國際社會高度關注，Nature、Science 在第一時間進行報道，認為“中國發射衛星加入暗物質探測競爭行列”“暗物質粒子探測衛星的發射開啟了中國空間科學新紀元”。
（2） “實踐十號”是我國首顆微重力科學和生命科學空間實驗衛星，也是我國首顆大規模實施無人空間微重力實驗、單次開展實驗項目最多的科學衛星。該星微重力水平優於 10⁻³ g, 19 項星上科學實驗中有 15 項為國際首次開展。
（3） 量子衛星是全球首顆量子衛星，將在國際上首次開展星地高速量子密鑰分發、空間尺度下量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，檢驗量子力學的完備性，為認識量子物理的基礎科學問題作出重要貢獻。該項目具有世界一流水平的科學研究團隊，在國際上首次實現了 100 km 量級自由空間量子隱形傳態、糾纏分發和基於運動平臺的遠距離量子密鑰分發。2016 年 7 月 28 日，Nature 以“量子互聯網的飛躍”（One giant step for quantum internet）對量子衛星進行了專門報道，並評價“中國衛星在量子保密通訊領域居於世界領先地位”。
（4） HXMT衛星是國際上唯一既能進行掃描成像巡天、又能對特定天體進行窄視場高靈敏度定點觀測的寬波段X射線觀測平臺。國際著名天體物理學家、普林斯頓大學David Spergel教授指出，該衛星的寬視場成像能力將使之成為觀測引力波暴電磁對應體的重要望遠鏡，並建議其參加引力波探測試驗激光干涉引力波天文臺（LIGO）和處女座引力波探測器（VIRGO）的後隨觀測合作望遠鏡。
空間科學先導專項不僅各衛星工程具有顯著的獨創性，背景型號及預先研究項目也都具有很強的先進性和創新性。通過聚焦於空間科學國際前沿熱點問題，確保項目的科學目標具有很強的原創性，科學意義重大，有望取得重大科學成果。
2016 年 1 月，專項順利入選中科院“十二五”標誌性重大進展。在全面推動科技創新的同時，專項還積極開展體制機制創新，建立了覆蓋空間科學研究全生命週期的創新價值鏈（圖 6）；加強頂層設計，開展空間科學戰略規劃研究（圖 7），指明瞭我國空間科學的未來發展方向；實施了以科學目標重大性和帶動性為核心標準的科學衛星計劃遴選機制；成功創建了確保重大科學產出的“首席科學家+工程兩總”的科學衛星工程管理體制。
專項是 2010 年以來我國空間科學領域最重要的系統性進展，標誌著我國空間科學事業進入了新的發展階段。專項實施 5 年以來，中科院高舉空間科學大旗，承擔起了發展我國空間科學的歷史重任。空間科學在國家層面得到高度重視，空間科學衛星系列入選“十三五”國家科技創新規劃。專項系列成果在國際上產生重要影響.2016 年 6 月，專項負責人吳季研究員因其對中國空間科學事業的傑出貢獻入選 Nature 評出的十大“中國科學之星”首位。歐空局前副局長 Roger-Maurice Bonnet 評論：“中國已經改變了方向，並已成為航天領域最重要的成員”。
2016 年 5月30日，習近平總書記在“科技三會”上，作出了“必須推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展”的重要指示。
4 專項引領產業發展，推動技術創新
縱觀近代科學史，幾乎所有基礎科學前沿的重大突破，最終都將引發技術和產業革命，推動人類社會發生深刻變化。由空間科學計劃的特殊要求帶來的技術創新可直接輻射到人類生活的方方面面。
通過暗物質衛星的研製，攻克了以有效載荷為中心，“衛星平臺載荷一體化”的衛星構型設計關鍵技術，實現了高載荷比，能夠在保證科學目標前提下，有效減少衛星平臺的尺寸和重量，開創了我國衛星及航天器研製的新思路。
通過“實踐十號”開展在空間環境下對物質運動和生命活動規律的研究，將能為節能減排、培育植物新品種、保障糧食安全及提高人類的健康水平等提供科學解決方案。
通過量子衛星的研製，可為未來實現遠距離、即時和量子絕對保密通信奠定基礎，對國家安全和廣域量子通信產業的跨越式發展具有重大意義。量子衛星的發射成功，將為未來我國領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力搶佔先機。
通過 HXMT 衛星的研製，將促進空間高能天文學領域對脈衝星的觀測研究，為應用 X 射線脈衝星導航奠定重要的基礎，實現安全和特別適合於深空的自主導航技術，對保障國家安全具有重要意義。
5 對推動我國空間科學發展的建議
為推動我國在空間科學領域持續獲得重大科學突破，牽引、帶動航天高技術及其產業發展，培育世界一流水平的科研隊伍，促進我國空間科學全面可持續發展，建議：
（1） 設立“空間科學衛星系列”國家科技重大專項。由中科院牽頭，在專項已取得的成功經驗基礎上，組織相關部門和行業，實施包括空間引力波探測等在內的科學衛星計劃，在基礎科學前沿不斷取得重大突破，凝聚並穩定中國空間科學研究隊伍，推動空間科學全面發展。
（2） 成立空間科學與前沿技術國家實驗室。發揮中科院在空間科學研究方面的核心優勢，整合全國優勢力量，通過國家研究力量的集中、整合，形成大體量、學科交叉融合、綜合集成的空間科學創新基礎平臺和體現國家意志的戰略科技力量，在自然科學前沿取得重大突破，打造聚集國際一流人才的人才高地，牽引帶動前沿技術創新，引發戰略性新興產業。
（依託單位：中科院國家空間科學中心）
專家點評
我全力支持中科院國家空間科學中心（NSSC，CAS）組織的中國空間科學發展規劃研究工作。
自2004 年以來，歐洲空間局（ESA）與NSSC 有著穩定的合作機制，對探測思想和任務計劃進行交流研討，並探索未來合作領域，也已經在多個衛星任務中開展了成功的合作。
過去 10 年，經過NSSC 的不懈努力，中國空間科學取得了巨大的進步，特別是空間科學先導專項已取得的成就。在歐洲空間科學界，科學家們熱切關注著中國未來的空間科學發展規劃。空間科學衛星系列是一個雄心勃勃的計劃，歐空局期待著未來的深入合作。
點評專家:
阿爾瓦諾·吉梅內斯（Alvaro Gimenez） 歐空局負責空間科學副局長、歐空局科學部主任、歐洲空間天文中心主任。2001年，被任命為歐空局科學部空間科學部門負責人。2007年，受歐空局局長委派擔任歐空局巴黎總部科學政策協調人，2011年被任命為歐空局科學與機器人探測部主任和歐空局下屬的歐洲空間天文中心主任。2016年被任命為新改組的歐空局科學部主任，任期4年。科學部負責歐空局強制性的空間科學項目併為其他部門的項目提供諮詢和支持。
專家點評
中國“實踐十號”衛星成功發射、運行並返回地面，這使我感到非常開心、鼓舞；幾個月前，中國已成功發射了暗物質粒子探測衛星，並打算於2016 年下半年發射量子科學實驗衛星和硬X 射線望遠鏡衛星。這些表明空間科學先導專項結出了豐碩果實，中國的空間科學計劃正在蓬勃發展。
空間科學先導專項取得如此重大的成就，很大程度上得益於國家空間科學中心（NSSC）牽頭開展的空間科學發展規劃研究。作為美國國家科學院行星科學領域十年調查（2002—2012） 的研究主任，我深感組織空間科學發展規劃研究工作的重要性。
同樣作為空間科學發展規劃研究的輸出，中國未來的空間科學計劃（空間科學衛星系列）也令人非常激動，將成為未來空間領域開展國際合作的基石！
點評專家:
戴維·史密斯（David Smith）美國國家研究理事會（NRC）高級官員，並擔任美國國家研究理事會一系列活動的研究主任，如行星科學領域十年調查《太陽系新前沿：綜合探測策略2003-2013》（New Frontiers in the Solar System: An Integrated Exploration Strategy 2003-2013） 和《行星科學領域未來視野和思路》（Vision and Voyages for Planetary Science in the Decade 2013-2022） 的研究。
文章來源於：《中國科學院院刊》，更多精彩內容請關注微信公眾號“中科院院刊” CASbulletin
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