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要想打造韦伯望远镜级的项目,中国空间科学该如何发展?

测试中的詹姆斯·韦伯望远镜 | 图源:NASA/Chris Gunn

 

编者按

中国政府于2001年首次发布《中国的航天》白皮书,指出航天事业包括空间科学、空间应用和空间技术三个方面[1],空间科学作为一个正式领域被认可。在20多年后的今天,中国空间科学的发展依然面临诸多挑战,如缺乏长期规划和稳定的资金支持、缺乏统一的空间科学管理组织、空间科学界内部分歧导致难以选择原始项目、国际合作有限等。中国要打造韦伯望远镜级别的空间科学项目,还有很长的路要走。

 

撰文 | 张志会(中科院自然科学史所副研究员)

责编 | 邸利会

 

空间科学是以空间飞行器为主要平台,研究发生在地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙的物理、化学及生命等自然现象及其规律的科学。[2]

自新中国成立以来,空间科学一直处于我国航天计划的范围内,但相对于技术和国家安全目标而言,显然只是排在了次要的位置。
今天,中国航空航天的部门庞大且不断发展,然而相比于航天强国的国际地位,空间科学仍需要继续增强。笔者认为,在此有必要厘清影响中国空间科学发展的几个关键要素。

 

1、政出多门?

中国的空间科学任务通常有多个机构赞助,这点与国际不同。

拿美国来说,美国国家航空航天局(以下简称NASA)负责月球和火星探索在内的深空探索的各个方面,中国则将这些项目分在了载人航天飞行办公室与中科院。中科院空间应用工程与技术中心有一个单独的管理办公室,负责所有载人航天任务的科学活动。

此外,中国卫星的交付、发射和使用由国家国防科技工业局负责。因为没有一个像美国NASA、欧洲航天局(以下简称ESA)或日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)一样的机构,中国各空间科学相关机构之间的行政协调往往是一个问题。[3]

笔者认为,应该建立一个类似NASA或ESA的独立机构,直接负责中国的空间科学发展。

这样一个组织将根据科学研究产出最大化的原则,选择和管理空间任务 [4],进而监督、评估和审查任务计划,其管理项目贯穿概念介绍、研发和发射的整个过程。此外,它还应协调运营,包括工业研发、发射、在轨运营和科学研究的所有方面。

这样一个机构还应拥有必要的资源和权限,以引导科学家成功实施他们的项目。它还应着眼于可持续发展,建设专业的人才团队,以最大限度地发挥空间科学专业的重要性。

尽管很多中国学者都曾提出了这样的建议,但由于我国现有的众多航空航天的管理系统与机构及长久形成的彼此间复杂的关系,目前来看尚不容易实现。

 

2、缺乏政策优先

与人类基因组、神经科学和地质学等高科技项目和基础科学领域相比,空间科学在中国科技体系中尚缺乏应有的优先地位。
大约2005年之前,ESA、俄罗斯航天国家集团(Roscosmos State Corporation)、NASA和JAXA都有国家层面制定或经统一协调的空间科学规划和稳定的资金。而中国直到2016年才有一个统一的空间科学计划。
图1《2016-2030空间科学规划研究报告》中英文版 | 图源:nssc.cas.cn
 

2016年3月17日,中科院国家空间科学中心牵头完成了《2016~2030年空间科学规划研究报告》[5],提出了此期间中国空间科学发展战略目标及路线图,详细列出了23个空间科学计划,预期2030年完成近20颗科学卫星的发射。

 

中国长期缺乏统一的空间科学计划的关键原因之一是相当依赖或受限于五年为周期的国家规划。
此种规划结构意味着提供的是相对短期的资金,试点项目通常也只获得五年的支持。然而,高级别项目,特别是涉及国际合作的项目通常需要更长的时间。ESA前副局长罗杰·莫里斯·博内(Roger Maurice Bonnet)曾指出,中国的管理方式迫使人们关注中小项目。[6]

 

3、亟需稳定资金支持

几十年来,空间科学并不被认为值得获得长期稳定的资金支持。相反,空间科学是作为空间技术项目的补充进行管理的,被看作是面向任务的研究。

此种基于项目的资助模式导致了不均衡的支持和不连续的发展。例如,虽然硬X射线卫星HXMT任务出现在2007年中国的 “十一五” 空间科学发展规划中,但由于几个相关部门之间的资金分歧,多年来没有获得资金支持。

此前,中国的空间科学预算不包括地面科学中心、运营和发射后科学研究的成本。此外,科研资助渠道分散,研究内容和支持基础仍缺乏前瞻性和长期的准备。目前这种情况正在改变,但仍不确定。
图2 天宫空间站于2022年7月底的构型模拟图,其中天和核心舱居中,左侧为问天实验舱,右侧为天舟货运飞船,下方为神舟十四号载人飞船 | 图源:shujianyang


中国也许可能借鉴国际上的管理经验,考虑更稳定的长期预算计划。许多国家的科学组织迫切要求采取此类行动,但中国的空间科学,在资金和连续性方面的问题仍较突出。

美国NASA 2022财年预算总额248.01亿美元,空间科学在其中所占预算为79.31亿美元,占NASA 2022年总投入的32%。中国对空间科学的经费投入,大致仅相当于ESA的1/5,美国NASA的1/50,在中国航天预算中所占比重不到10%。[7]

事实上,整个 “十二五” 规划期间,中国对空间科学卫星的投资是美国一年投资的十分之一。[8] 在总共5000多项国际空间科学实验中,中国进行了只有大约100项。

鉴于这一现实,ESA前副局长罗杰·莫里斯·博内曾建议,中国应制定一项为期10年或更长时间(而非5年)的长期空间科学计划,并定期评估和更新该计划。

 

4、原创科学理念的遭遇

空间科学的最终目标是探索未知,产生知识,加深对太空的理解。创新性的科学思想是空间科学发展的基础。

从1958年到2000年期间,曾接受国际培训的中国科学家提出了一些有趣的空间科学项目,但没有实现。如果中国人的原创想法与国外研究人员从事的科研活动相差太大,那么往往会不被国内所重视。有些中国科学家似乎对自己同行的工作缺乏信心。例如,中国科学院的李惕碚是1993年首次提出HXMT太空望远镜项目的关键人物之一,他曾敦促我国迅速行动,先于其他国家发射。不幸的是,李的工作被认为 “不同于欧洲和美国传统的工作方法”,项目因此一度长期停滞不前。[9] HXMT直到2011年才获得批准,到了2017年才正式启动。同样,2000年后,当中国科学家准备建造太阳望远镜时,无法获得官方批准。目前,中国仍然没有用于纯科学研究的太空天文台。

笔者认为,中国需要鼓励更多的 “自下而上” 的项目开发方法,并以广泛、开放的方式征求科学家对空间科学项目的想法。毕竟,科学家最了解科学界的紧迫问题。

 

5、有限的国际合作

制约中国空间科学发展的另一个因素是难以开展广泛而深入的国际合作。

改革开放后,中国科技界恢复了国际交流。20世纪80年代,ESA会员国每年通过联合国向发展中国家提供研究资金,用于资助来自发展中国家的科学家赴ESA相关机构,接受气象学、遥感学和电子信息工程等学科的在职培训,从而帮助中国培养了一批优秀的空间科学人才。[10]

2002年10月,刘振兴任首席科学家的 “双星计划”(Double Star mission)立项,中国国家航天局与ESA正式合作。该项目是首个由中国科学家提出并牵头的以科学目标牵引的卫星计划,也是中国在航天领域的第一次重大国际合作项目 [11]。

图3 2001年7月9日,中国航天局局长栾恩杰和ESA局长A.Rodata正式签署了地球空间双星探测计划的合作协议 | 图源:web.archive.org


可以肯定的是,特别是在2000年之后,中国在气球领域以及与ESA之间出现了一些有效的合作。然而,一方面,西方发达国家长期以来对中国进行限制;另一方面,中国国内也一直强调科技自立自强。写作《中国航天——伟大的跨越式发展》一书的爱尔兰太空作家 Brian Harvey 评论,“他们意识到,尽管美国的封锁程度不同,但他们几乎完全依靠自己的力量开发了自己的项目”。[13] 因此,中国科学家已经将国际合作视为增强中国国际影响力的一种方式,而不仅仅是从外国学习技术、科学或先进管理理念和方法的手段。

但这种合作观也限制了中国作为空间科学中心的知名度。比如,近几十年来,我国的空间科学探索活动产生了大量的数据,但通过与国际科技界的合作,将数据转化为新的科学知识则较少。

20世纪80年代中期至90年代末,中美航天商业发射合作曾出现一个短暂的 “蜜月期”。出于对合作可能导致的技术转移的防备,1999年,《考克斯报告》声称,在20世纪90年代,中国在以长征火箭发射美国卫星中,非法获取了利益 [14],此后航天商业发射合作戛然而止。
因担心空间站相关的太空技术可能用于军事技术,对于中国提出的加入国际空间站的请求,美国曾采取措施多次阻挠,还于2011年颁布了著名的沃尔夫条款,以法律的名义禁止中国参与。2011年,美国国会禁止NASA与中国合作。

NASA和中国国家航天局的代表仍然定期互访,但由于缺乏官方合作,许多项目不可避免地走向失败。

2013年,NASA以国家安全为由,禁止中国籍科研人员赴美参加学术研讨会,许多NASA科学家公开批评该做法,并反对科学技术的政治化。与此同时,中国和欧洲机构,如ESA正探索更紧密的联系。

笔者认为,如果放松一些政策将更能鼓励国际合作与协作。中国科学界对空间科学取得重大突破寄予厚望,政府也呼吁在大型国际科学项目中发挥带头作用。要实现这一目标,需要开发先进的、探索性的和概念性的项目,来吸引国际同行。同时,中国也需要积极参与其他国家或ESA等组织发起的大型科学项目,以积累组织管理经验。

在过去的十年里,中国的空间科学发展取得了长足的进步。不过,目前来说,中国高级别的空间科学任务的数量仍然较少。这表明,未来在空间科学领域仍有许多工作要做。如果开展与空间科学相关的政策和组织调整,将更利于中国在空间科学方面取得领先地位。中国要打造韦伯望远镜级别的空间科学项目,还有很长的路要走。

 

注释:

中华人民共和国国务院新闻办公室. 2001 年中国的航天. 北京:人民出版社,2001.

[1]顾逸东. 空间科学—探索与发现之源. 物理,2014,43(9):570.

[2]Aliberti Marco, When China Goes to the Moon..., Springer, Cham, 2015

[3]J. Wu, R. Bonnet, Maximize the impacts of space science, Nature 551 (2017)

435e436, https://doi.org/10.1038/d41586-017-05995-6.

[4]吴季. 2016—2030 年空间科学规划研究报告. 北京:科学出版社,2016.

[5]Editorial department, The status of China's space science in world space research– exclusive interview with Roger Maurice bonnet, former deputy director of ESA. (Zhong Guo Kong Jian Ke Xue Zai Shi Jie Kong Jian Yan Jiu

Zhong De Di Wei), Bull. Chin. Acad. Sci. 30 (6) (2015) 751e759.

[6]崔玉贤.中国科学院院士王赤:中国空间科学投入仅NASA的五十分之一,目标是2049年接近. (网易科技《逐梦星空》栏目组出品).(2021-11-30)[2022-8-9].https://www.163.com/tech/article/GQ1SIBC200099BBC.html

[7]National Aeronautics and Space Administration, FY 2018 Budget Estimates, 15 August 2017. See: https://www.nasa.gov/sites/defau. (Accessed 2 May 2021).

[8]National Center for space science, Chinese Academy of Sciences, HXMT "wisdom" - on X-Ray Astronomy (Hui Yan Zhi “Hui”dQian Tan X She Xian Tian Wen), 16 June 2017. https://www.sohu.com/a/149458504_610722.

(Accessed 9 May 2021).

[9]Bergquist K,Hood V. ESA around the world-relations with developing countries and emerging space powers. https://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet91/b91berg.htm[2019-11-11].

[10]唐琳. 双星计划:科学目标牵引卫星工程. 科学新闻,2018,(9):28-31.

[11] Andrew S. Erickson, China's space development history: a comparison of the rocket and satellite sectors, Acta Astronaut. 103 (2014) 142e167.

[12]Brian Harvey, China in Space, The Great Leap Forward Chichester, 2019, 2013,p372.

[13]Zhihui Zhang, Seely Bruce, A Historical review of China-U.S. cooperation in space: launching commercial satellites and technology transfer, 1978-2019, Space Pol. 50 (2019), https://doi.org/10.1016/j.spacepol.2019.08.003.

(Accessed 20 December 2020).

 



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