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“未来10年中国学科发展战略”丛书是国家自然科学基金委员会和中国科学院学部历时两年多联合开展研究的重要成果，凝聚着600多位院士、专家的智慧和心血，对广大科技工作者洞悉学科发展规律、了解前沿领域和重点方向及开展科技创新等有重要的参考价值，对促进我国学科均衡、协调、可持续发展必将发挥积极作用。 《未来10年中国学科发展战略．空间科学》全面总结了近年来空间科学的研究现状和研究动态，客观分析了学科发展态势，从学科的发展规律和研究特点出发，前瞻性地思考了学科的整体布局，提出了空间科学的重要科学问题、前沿方向及我国发展该学科领域的政策措施等。
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目录总序（路甬祥陈宜瑜）/i前言/v摘要/viiAbstract/xxi第一章战略地位/001第一节空间科学是当代自然科学的前沿领域，不断扩展人类的知识领域/001第二节空间科学是牵引及带动航天和相关高技术领域发展的引擎/003第三节空间科学是社会和经济发展的重要推动力/004第四节空间科学探测任务是国家意志的重要体现/005第五节空间科学在我国总体学科发展布局中占有重要的地位/006参考文献/008第二章空间科学的发展规律与发展态势/009第一节空间科学的概念和内涵/009第二节空间科学学科的发展规律和特点/010第三节国际上空间科学发展状况与趋势/014一、空间太阳物理/014二、空间物理与空间环境学/016三、行星与太阳系探测/020四、微重力科学/027五、空间大地测量/030参考文献/033第三章我国空间科学学科的发展现状/034第一节我国空间科学发展概况/034第二节我国空间科学的国际地位及学科发展状况/035第三节经费投入与平台建设情况/039第四节人才队伍总体情况/040第五节问题和差距/040一、我国没有明确的主管空间科学发展的政府部门，空间科学探测缺少顶层设计/040二、我国还没有空间科学系列卫星/041三、我国的空间科学研究缺乏稳定的支持经费和渠道/041四、卫星有效载荷研发水平与国际水平有较大差距/042五、专业人才不足/042参考文献/042第四章空间科学学科发展布局/043第一节总体发展战略布局和战略目标/043一、学科发展布局的主要思路/043二、我国空间科学到2020年发展战略总体目标/043三、未来10年空间科学学科发展布局/044第二节分学科发展布局和重点发展方向/045一、空间太阳物理/045二、空间物理与空间环境/049三、行星与太阳系探测/054四、微重力科学/055五、空间大地测量/059第三节交叉学科发展布局与发展方向/072第四节优势学科与薄弱学科的平衡问题/077第五节人才培养需求分析/077第六节国家重点实验室等平台建设计划需求分析/078一、国家重点实验室建设需求分析/078二、未来10年空间科学探测卫星需求分析/082三、天地一体化空间环境综合监测体系建设需求分析/085四、发展我国多频多模卫星导航系统仿真及综合应用平台/086五、月球与深空探测科学应用研究平台/086参考文献/087第五章优先发展领域与重大交叉研究领域/089第一节遴选优先发展领域的基本原则/089第二节优先发展领域/089一、日地空间环境和空间天气/089二、太阳活动及其对空间天气的影响/095三、月球探测及地月系早期演化历史的研究/098四、火星、金星与小天体探测，以及行星表面环境与生命生存背景耦合关系的研究/102五、复杂流体行为的微重力研究/108六、空间大地测量理论、方法与技术及其地学应用/115第三节重大交叉研究领域/125第四节预期取得的重要进展/130参考文献/130第六章国际合作与交流/131第一节国际合作的发展态势/131一、美国深空探测合作计划/131二、欧洲深空探测国际合作计划/131三、日本JAXA的战略规划中的国际合作计划/132四、国际大地测量协会的全球大地测量观测计划/132第二节国际合作与交流的基本情况/133一、依托国家重大任务开展广泛的国际合作/133二、积极参加国际上组织的重大科技合作计划/133三、举办和参加系列性的大型国际学术会议/134四、开始在国际学术组织和学术期刊中担任重要职位/134第三节国际合作交流的战略需求分析与总体布局/134一、战略需求分析/134二、总体布局/136第七章保障措施与建议/138附录缩略语表
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第一章战略地位 1957年，**颗人造卫星发射成功，人类进入空间时代。空间科学应运而生，并伴随着航天技术的进步迈进了一个迅猛发展的新阶段。空间科学研究宇宙的过去、现在和未来，进行从宏观的天体到极端条件下原子与分子基本规律的探索，并从根本上揭示客观世界的规律，为空间技术和空间应用提供理论基础，牵引和推动高新技术和产业的发展。随着空间科学与应用研究成果的推广，空间科学已成为社会和经济发展的重要推动力之一，给人类带来巨大的利益。空间科学的水平在一定程度上代表一个国家整体的科学技术水平。发展空间科学对我国科学技术的进步将具有深远的影响，是增强国家综合实力的重大战略决策之一，将有力地促进我国高新技术特别是国防、航天领域高新技术的跨越式发展，极大地振奋民族精神，弘扬先进文化，推动全民族科技素质的提高。 第一节空间科学是当代自然科学的前沿领域，不断扩展人类的知识领域 爱因斯坦曾指出：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”空间科学探索宇宙空间及物质运动的规律，在当前自然科学微观和宏观两个重要前沿领域中，它占据着宏观世界的前沿领域并和微观领域的重要科学问题有密切关系，孕育着科学上的重大突破和发现。 空间为自然科学的发展提供了得天*厚的优越条件：①由于地球大气的影响，人们在地面上只能观测到光学和有限的射电波段，它们在宽广的天体辐射波谱中只占很小的一部分。空间观测使人们摆脱了地球大气的束缚，可以在几乎全波段范围内观测来自天体的辐射，即使是在可见光波段，由于突破地球大气的干扰，空间分辨率可以空前地提高；同时，在空间能够实现长时间不间断的观测，为研究宇宙的活动现象提供了根本保证。②宇宙空间是一个地面无法模拟的特殊实验室，不断涌现出自然科学领域数百年来的**理论所无法解决的新问题，是有待探索、开垦的重大基础科学前沿。太阳为我们提供了详细观测宇宙磁场复杂结构及其中的等离子体过程和各类电磁相互作用的*一无二的机会。日地之间的空间环境涉及诸多物理性质不同的空间区域，如中性成分（中高层大气）、电离成分（电离层）、接近完全离化和无碰撞的等离子体（磁层和行星际），以及宏观与微观多种非线性过程和激变过程，如日冕物质抛射（CME）的传播、激波传播、磁场重联、电离与复合、电离成分与中性成分的耦合、重力波、潮汐波、行星波、上下层大气间的动力耦合等，这些都是当代难度很高的基本科学问题。③空间所特有的高真空、高电导率、高温、强辐射和微重力环境，作为一种极端的物理条件，为探索自然科学前沿问题和发展高技术提供了极好的机遇，它可以研究地面重力环境下被掩盖的现象或者在地面难以研究的问题。例如，新的力学体系及毛细作用和浸润过程，没有浮力对流影响的燃烧过程，无浮力对流与沉降条件下的材料凝固过程，高温熔体中的物质输运过程及新材料制备，三维细胞/组织培养和高质量蛋白质单晶生长，以及基础物理前沿，这些研究可以为自然科学的突破性进展做出重大贡献。 当代科学发展的历史已经充分证明大量的科学发现和进展来自于对宇宙和空间的探索。空间天文开辟了从Y射线到射电波段的全天时、全方位和高分辨率探测的新纪元。至今发射的各种航天器中大约10%载有天文望远镜或与空间探测有关。美国国家航空航天局（NASA）四大空间天文台哈勃太空望远镜、康普顿Y射线天文台、钱德拉X射线天文台和空间红外天文台分别在可见光、1射线、X射线和红外等四个不同波段上观测宇宙，打开了观测宇宙的新窗口。例如，20世纪90年代发射的哈勃太空望远镜使观测宇宙的深度大大提高，极大地丰富了人类对宇宙的认识。通过哈勃太空望远镜的观测，人类已经发现了大量未知的天体，并使人类的视界延伸到了140亿光年的距离，几乎达到了宇宙自身自大爆炸以来膨胀的尺度，并使宇宙学的研究尺度到了精确研究的阶段。通过对宇宙X射线和微波的观测，人类确认了宇宙起源的大爆炸理论并发现了组成宇宙的主要成分——暗物质和暗能量，2002年和2006年的诺贝尔物理学奖分别授予了成功探测到中微子、发现宇宙X射线源，以及发现宇宙微波背景辐射的黑体形式与各向异性的空间科学领域的科学家。21世纪初，空间天文的研究将以宇宙的发端与结构、黑洞的形成与消亡、暗物质与暗能量、星系和行星系统的形成与演化，以及太阳活动及其对空间天气的影响为主题。人类对太阳系的探测，始于20世纪50年代末，从探测月球开始，逐渐发展到对地球邻近的行星（火星与金星）、其他行星、各类小天体，以及太阳和行星际空间太阳风的探测，目前的研究主题集中在两大科学问题上：太阳系是如何演变的，地外生命存在吗？人类的空间探测，由近至远，由易到难，经历了半个世纪，实现了对太阳系各层次天体和太阳系空间的253次探测。特别是在2008年7月，NASA“凤凰”号火星探测器发现火星上存在水，这是重大科学发现，为探索地外生命现象开辟了道路。2007年8月30日，经过30年的长途跋涉，“旅行者二号”飞船在离地球85个天文单位（个天文单位是地球与太阳之间的平均距离，即1.5亿千米）处对终止激波进行了就地直接观测，这是人类历史上**次传回太阳系边缘（Richardsonetal.，2008）的信息。通过这些行星与太阳系探测活动所得到的关于行星与太阳系的认识是人类数千年来所获有关知识总和的千万倍，空间科学不断扩展人类的知识领域，并促使新概念不断涌现。长时间的微重力（~106g。）和超低重力（<1012g。）环境为突破诸多基础物理难题提供了优越的实验条件，美国喷气推进实验室（PL）的A点实验在微重力环境将相变点温度范围从1mK内减到1nK内，从而测出氦相变点附近比热的奇异性趋势，验证了二阶相变的重整化群理论。普林斯顿大学的重力探测（GP-B）卫星实现了重大技术突破，在新的精度上验证了广义相对论所预言的测地效应（geodeticeffect）和坐标系拖曳效应（frame-dragging）。 第二节空间科学是牵引及带动航天和相关高技术领域发展的引擎 空间科学研究的进行离不开空间高新技术的支撑，它博采了众多现代科学技术领域里最新成果，依靠关键技术的集成创新，同时又对现代科学技术的多个领域提出了新的发展要求。每一项空间科学任务都是非重复性、非生产性的，包含大量的新思路、新设计。空间科学计划有别于一般应用卫星计划，它对航天技术的发展有直接的带动作用。在轨道设计方面，即使是运行于地球空间的科学卫星，绝大多数也都需要超出常规应用卫星轨道的特殊轨道设计，如大椭圆轨道、低倾角轨道、冻结轨道、编队飞行轨道等。进人太阳系的探测器对轨道设计提出了新的要求。在深空探测计划的推动下，利用行星引力借力飞行技术已普遍使用。在星际航行推进技术方面，已经牵引出的新技术包括太阳帆推进技术和核推进技术等。在姿态控制方面，科学卫星提出的超高分辨率要求，大大提高了卫星姿态控制的精度。在测控数传技术方面，科学卫星和深空探测计划对地面站的能力、星际导航提出了新的要求。在卫星结构、热控方面，科学卫星已经突破了平台和载荷相对*立的概念，形成了一体化的设计理念，大量科学卫星的构型已经彻底改观，无法判断哪是平台哪是载荷。在有效载荷技术方面，科学观测和探测需要在探测窗口、超高空间分辨率、超高灵敏度、超高时空基准方面得到超过前人的数据。空间科学计划直接牵引和带动航天技术的全面发展，同时也推动了相关领域高新技术的进一步发展，如电子与信息、新能源、新材料、微机电和遥科学等，从而带动我国科学技术的整体水平迈上一个新台阶。 第三节空间科学是社会和经济发展的重要推动力 21世纪人类所面临的人口增长、能源短缺、环境污染、人类的和谐生存与发展等许多重大问题，都对科学提出了严峻挑战，而科学与技术的发展将为解决或减缓这些问题做出贡献。 空间地球科学的发展，可极大地提高我们对地球环境和地球系统变化的整体认识水平，提高对天气、气候、地球环境变化和自然灾害的预报预测能力，减少或降低自然灾害对人类社会的影响。和地球对流层天气一样，空间环境也常常出现一些突发的、灾害性的空间天气变化，有时会使卫星运行、通信、导航和电力系统遭到破坏，影响天基和地基技术系统的正常运行和可靠性，危及人类的健康和生命，进而导致多方面的社会经济损失甚至威胁到国家安全。据统计，航天故障40%来自空间天气的影响。在空间物理基础上发展起来的空间天气学强调科学与应用的密切结合，专门研究和预报空间环境特别是空间环境中灾害性过程的变化规律，旨在防止或者减轻空间灾害，为航天活动、通信、导航与定位、国家安全保驾护航，服务于国家的经济建设和社会发展。 微重力环境中可以生长出比地面质量更好的蛋白质单晶，利用这些单晶可以获得蛋白质的结构信息，从而有利于研制新药和促进蛋白质工程的发展。空间的细胞/组织三维培养可以获得与活体功能相近的组织。人们借鉴空间生物反应器的成果，致力于发展地基的先进生物反应器，从而促进组织工程的发展。微重力环境下可以更准确地测定熔体的热物理参数和物质输运系数，这些基础数据在材料制备的模型与模拟研究中是必不可少的。通过使用精确材料参数的模型化研究，可以发展先进的地基铸造技术。微重力流体科学开展的多相流过程研究，对于提高传热传质效率具有重要的作用；微重力条件下的燃烧实验研究，为揭示燃烧过程中的基本规律、发展燃烧理论开辟了一条有效的途径，结合微重力燃烧科学的研究，对改善地球环境污染、提高能源利用效率具有良好的应用前景。长期以来煤炭在我国能源结构中占据主导地位，同时燃煤也是大气污染的最大来源，通过微重力实验研究，将可得到我国代表性煤种的准确的燃烧特性基础数据，基于科学研究成果和其他相关努力，有望促使燃煤设备的设计得到改进，不仅可以节约大量的燃煤成本，还将有效地缓解交通运输压力、减少大气污染物的排放（Hu，2008）。 载人航天过程需要对宇航员进行细致的医监和医保，特别要寻求针对骨流失、肌肉萎缩等问题的对抗措施，以及监护人体心血管和血液流动的系统。这些空间医学的成果可以提高地面治疗骨质疏松等疾病的相关医疗水平，促进人类健康。 地外天体具有丰富的天然资源，可以作为地球资源的重要补充和储备，可对人类社会的可持续发展产生深远影响。月球表面可获得丰富的太阳能、丰富的氦-3，可为未来能源的发展提供资源。利用月球特殊的环境条件——高真空、弱重力、强辐射、微磁场和丰富的太阳能等，可制造出地面环境中无法获得的新材料、新器件、生物制品等。月球所蕴藏的矿物资源及所具有的天然特殊环境，有可能转化为直接或间接的经济效益，服务于未来的人类社会的进步与可持续发展。 空间大地测量是为人类的活动提供地球空间信息的学科。随着全球卫星导航系统（GNSS）、卫星测高（SA）、卫星重力测量（SG）、干涉合成孔径雷达测量（InSAR）、甚长基线干涉测量（VLBI）及卫星激光测距（SLR）等空间技术的迅速发展及广泛应用，空间大地测量已成为研究地球动力学和监测全球环境变化，以及地震、海啸、台风、火山喷发等自然灾害的重要手段（许厚泽，2002）。空间大地测量与地球科学领域其他学科的交叉，有力地提升了解决地球科学问题的能力，为探索全球变化、地球深层结构、动力学过程与机制提供理论方法和技术支持。空间大地测量还有助于解决空间飞行器、空间站交会对接中的精密定轨定位，以及空间天气效应修正理论与方法等关键科学问题，为载人航天工程、新一代卫星导航系统建设等多项重大标志型战略任务的顺利实施，提供了重要保障。 第四节空间科学探测任务是国家意志的重要体现 空间探索体现了当代人类的基本特征：强烈的好奇心和探索未知世界的迫切性。空间探索的极端艰难性激发了人类的激情与创新。空间科学的发现和空间探测任务是人类认识自然、征服自然的象征。人类历史上*能体现国家意志的无疑是美国的“阿波罗计划”。20世纪60年代以来，美国在人造地球卫星和载人太空技术方面一直落后于苏联，因而美国制订了人类登月的“阿波罗计划”，加紧了从事人类登月方面的研究与实验。为了早日实现“阿波罗计划”，美国方面动员了40多
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