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中秋夜的天宮二號上天了,所以中國的空間科學水平如何?

題圖來源:Yestone.com 版權圖片庫

天宮二號肩負著中國空間科學的發展,所以目前(2016 年)中國的空間科學研究在國際上處於什麼地位?

知友|ZX Huo

首先,什麼是空間科學?

空間科學是交叉學科,內容涵蓋近地空間的科學、太陽系空間的科學以及空間天文學。

按照 NASA 的分類,空間科學的外延覆蓋太陽物理學、地球科學、行星科學和天體物理學。

研究手段包括理論研究、實驗探索和數據分析。其中數據分析更多與實驗聯繫。這裡只談實驗,也就是空間在軌實驗方面。

太陽系以內的通常又分成空間探測和空間利用。空間探測是啥?探測空間的,或者基於空間進行探測的,都可以算是空間探測。

所以,研究近地空間的輻射環境是空間科學,研究近地空間的空間氣象是空間科學,發衛星利用天基遙感來研究地球的重力場、地磁場,是空間科學與地學的交叉。

太陽系以內的,典型的就是系內行星科學、小天體(ACM:小行星、彗星、隕石)科學,這算是所謂深空探測的範疇。還有考慮小天體抓捕、小天體預警的,這算是深空探測與行星防禦的,仍然可以算空間科學。

空間天文學的儀器、實驗部分,也算是空間科學,算是利用空間環境開展的科學。

綜合上述內容,我們不難發現,空間科學的關鍵詞是科學。科學,要有原創性,具有原創性的標誌和判據,就是能發表高質量的期刊論文。

接下來,我們再來看我國的空間科學是什麼狀況。

中科院有空間科學中心,這家單位牽頭搞了個國際空間科學研究所北京分支機構,應該算是我們國家空間科學方面比較有話語權的單位。除此以外,再沒別的實體單位是掛牌干空間科學的了。

我國成系統成建制的空間科學計劃和工程有中國科學院先前發起的空間科學先導項目(一批)和國防科工局牽頭的載人航天工程、探月工程、火星計劃等。

這裡面到現在為止,任務本身足夠吸引眼球,且發表了高水平論文的,在我看來,有探月工程嫦娥二號的擴展任務,小行星 Toutatis 研究相關的工作、嫦娥三號(公眾喜聞樂見玉兔號月球車,且嫦娥三號取得的數據牽引了一批高水平文章)。

科學院先導成功發射了暗物質衛星、實踐十號返回式衛星和量子衛星,馬上還要上硬 X 射線調製望遠鏡衛星。科工局的工程,目前看來,仍然是側重空間技術的。

此外,中國空間技術研究院(五院)與中山大學聯合的引力波探測任務也是未來可能取得科學成果的項目。

綜合起來,我國空間科學的現狀就是剛剛起步,還有很大的發展空間。空間天文呈現出一個明顯的特色,就是高能以及粒子天體物理方面的工作很突出。

總體水平,跟全球 100 多個國家比是領先的,但考慮到能玩得起空間科學的國家其實沒多少,所以在正在玩空間科學的國家中,是新來的。

最後是私貨。既然前面有朋友提到我們單位了,那就藉機安利一下。錢學森空間技術實驗室是新成立的科研單位,目前掛靠在五院,倡導以明天的技術,解決未來的問題。

目前已經建立了幾個研究中心,包括信息獲取與處理、微納光電技術、能量轉換技術、材料與機械、量子技術等,也組建了和正在組建小而精的研究團隊。

歡迎有志投身空間技術研究前沿的朋友來人來函。

官方網站:錢學森空間技術實驗室

儘管後面安利了一發我們單位,但是本答案的內容僅代表個人立場,與任何單位無關,特聲明。

歡迎訂閱微信公眾號:
錢學森空間技術實驗室(qxslab)


知友|AESIR

我早說過科普這東西應該由專業領域的人來做,普通媒體就是個坑......

我發現 CAS 的這個系列科普文寫的還不錯(面向未成年一般的接地氣),關心天宮二號載荷的直接戳這裡好了,下面那大段都是廢話:

(1)超高精度空間冷原子鐘
(2)「液橋」是座什麼橋?居然要在太空搭!
(3)綜合材料實驗·材料篇
(4)綜合材料實驗·設備篇
(5)太空中測量海平面?交給微波高度計吧
(6)自拍神器 + 守護使者,這顆伴星不簡單!

資料來源:空間應用工程與技術中心

(下面是廢話原文)

說幾句題外話,全文無乾貨,最後有天宮二號載荷相關資料。

目前而言我國對航天實用為先的態度其實無可厚非。即便對嫦娥工程這類本該已科學目標為主的深空探測我國也優先保證工程目標的完成。

「人類已經進入太空時代。那一批批率先登上月球的宇航員們,大約也是這個時代最得意的佼佼者。可是,他們幾乎都是歐羅巴人。王贛駿博士是世界上第一位進入太空軌道的華人。他在太空梭上七分鐘就掠過了神州大地。於是,他成為炎黃子孫的驕傲。故土對他的迎接是何等隆重呵。」

這是 1988 年《河殤》的台詞,與今天這個問題下的許多認為一無所是又不提出建議的評論相仿。

當年還沒有 921 工程。

所以,當很多人質疑玉兔車最終沒能走多遠,未能產出期望中的科研數據時,我依舊會贊同嫦娥三號工程是成功的觀點。對第一次而言,落下去,走兩步,就足夠了。

美國目前我們比不了。但很多人會說,歐洲羅塞塔軌道如何風騷,印度也去了火星,我們登陸月球又算什麼?

我想說的是,06 年歐洲完成了月球撞擊器任務,印度和日本隨後也發射了月球軌道器,但 08 年之後,21 世紀剛剛掀起的那波探月熱,除了中國,基本沒了下文(當然日本第一顆月球探測器實際上已達到了嫦娥二號的水平,印度的差點)。

可以預見,歐洲羅塞塔短時間內也不會有新的類似的任務,羅塞塔提供的深空探測的技術積累對以後的任務相對我們成規模的探月而言是有限的。針對不同的小行星顯然很大程度上需要為新的任務量身定做探測器。

上述國家和機構,在同樣資金有限的情況下,或選擇十年磨一劍,或選擇金木水火土遍地開花(印度準備發射新的金星環繞器,而日本的也已進入金星軌道,就是軌道略浮誇)。 

你可以說,到處拍拍照片,帶幾個載荷,去別人沒去過的地方,採集點數據,確實能博人眼球搶到頭版。但接下來呢?

未來半個世紀我們的絕大部分航天活動空間是地月環境之內。

嫦娥一號第一次為中國探測了地月空間,完成了首次地外星球環繞。

嫦娥二號第一次取得了 100km 軌道高解析度的月全圖,得到月球十餘種元素的分布圖,並在 15km 軌道高度為嫦娥三號的著陸探路。

嫦娥三號順利完成懸停著陸並釋放月球車。

嫦娥五號 T1 飛行器為嫦娥五號驗證了從月球高速進入大氣層。

嫦娥五號將著陸風暴洋並採樣返回(現改為虹灣附近,與嫦娥三號承上啟下吧),採用複雜的環月對接的方式第一次為我國驗證環地外天地對接,從而取得更多的樣品(2kg 以上,甚至設計目標 10kg),為載人登月做了無人模式的演練。

嫦娥五號 T1 飛行器備份星將被改造並發射到地月拉格朗日 L2 點進行人類首次地月中繼,設計壽命 10 年或更長。

得益於地月中繼星,嫦娥四號(以及未來的月球探測器和載人艙)得以首次著陸月球背面,目前大方向暫定艾特肯盆地(也許靠近南極尋找水或者冰)。

如果成功,嫦娥六號也許將從月球背面取樣返回。

以上的經驗為 2021 年火星環繞及著陸巡視任務乃至 2028 可能的火星採樣返回 MSR 任務(採樣 1kg)奠定了基礎。

載人航天工程這邊亦是。

神舟一號至四號一次又一次的探路不再贅述。

神舟五號首次載人進入太空返回。

神舟六號上升到多人多天。神舟七號演練出艙。

天宮一號分別與神舟八號(無人),九號,十號對接,演練近地軌道對接。

題述的天宮二號將作為空間實驗室雛形開展長期駐留空間維修(機械臂),天舟一號演練在軌燃料注加。
2018 年將發射空間站試驗核心艙,試驗新一代 EVA 飛天服,開展一系列空間站建設驗證任務。

2022 年空間站基本型將建設完畢。

得益於美蘇老路,我國載人航天從一開始目標就定位為空間站,空間站從一開始就定位為太空實驗室和軌道維修補註服務站。我國月球探測從一開始目標就定位為取樣返回。

而非印度一拖再拖直到取消的載人航天計劃(不知道上去幹嘛,除了提升國際名聲和民族自豪感),也非歐洲和日本毫無目標的為國際空間站服務的貨運飛船 / 載人航天 / 空間實驗項目。

也非印度漫無目的的深空探測(因為爭不到亞洲第一,印度金星探測器可能取消),也非歐洲十年磨一劍後無來者的小行星任務。

總的來說,歐洲日本的航天,其實沒有太多自主性,更多的是對美國的補充,所以純科研項目居多,項目零散相互關聯程度弱,甚至優先的科研也是美國自己做,邊角部分才輪到歐洲。而印度的目標更多在於爭取話語權,或者吸引眼球。

具體而言,他們的任務從設計之初就只針對單次任務本身,甚至歐洲是做出衛星後,哪家便宜選哪家的火箭,而非像我們一樣自頂向下的設計。

承上啟下,合二為一。

總有一天,載人航天工程會和深空探測走在一起,一切現今工程的大目標終究只是背後更為宏大的目標的一部分。

為嫦娥工程和空間站工程而研製的長征 5 號運載火箭,為貨運飛船和大中型研製的長征 7 號運載火箭,乃至更遙遠的長征九號。

新一代多用途飛船,新一代飛天服,月球探測著陸器,在軌燃料補註技術,未來空間站上的每一個電推,乃至天和艙和嫦娥五號上或大或小的每一根機械臂,都將為同一個目標而服務。

而這個目標,印度不可能,空間科學發達的歐洲日本也不可能,甚至賣聯盟為生的俄羅斯也不可能。

這不是什麼腹黑下棋星辰大海,這是一個自主大國也許甚至整個人類航天發展的必然規律。

回到最初的問題上,我說這麼多,卻沒正面回答天宮二號上為數不多的諸如冷原子鐘之類的科研載荷,或者那四顆科學先導星,或者未來空間站上那僅有的十三個機櫃,以上的長篇大段對空間科學這個目標也隻字未提,粗略瀏覽,會覺得似乎一切都只是為了插旗子,踩腳印。

面子工程,好大喜功,勞民傷財,毫無作為……

我想說,第一,沒有系統探測的細枝末節管中窺豹其實對科研本身而言沒什麼意義。
第二,最初去新大陸的人,絕大多數不是為了去撿新大陸的石頭。

那些對宇宙科學極致追求的科研人員,往往大多數都有自己的利益,取決於誰能提供條件滿足自己的求知慾(歐洲載荷合作的例子已經不少了,天宮二號也有)。

嗯。

我們只要好好造船就行了,到時候那些癖好獨特的對石頭泥巴感興趣的異類們就會自己找上門來,或者請求我們順便給他們帶坨泥巴,或者請求和我們一起同行。

相關鏈接:

空間站的下一步是什麼 中國瞄準地月空間——專訪全國人大代表、軍委裝備發展部副部長張育林

Exploiting Earth-Moon Space: China"s Ambition After Space Station---Chinese Academy of Sciences

中國載人航天工程總設計師獨家「解密」中國空間站和天宮二號

《2016—2030 空間科學規劃研究報告》

中科院發布《2016—2030 空間科學規劃研究報告》

《2016-2030 空間科學規劃研究報告》2016 年 3 月 15 日正式出版、公開發行。

2016-2030 年中國空間科學發展規劃建議 --《中國科學院院刊》2015 年 06 期

天宮二號的科學載荷一覽:

我國空間站的空間科學與應用任務

還有一個問題,順帶這裡提下:

應該加快推進航天法出台啊,把經費落實到法律上,而非重大專項引導,一來有利於長遠規劃,二來有利於從院校開始的人才培養,不然航天人總擔心沒有下頓,招生都放不開,一會低潮一會高潮的......
.
扯幾句與航天宣傳以及(私人主導的)商業航天有關的題外話:

為什麼中國的航天事業發展如此迅速,而航天文化宣傳卻十分落後,與 NASA 不能同日而語?

最後預祝載人航天工程二期空間實驗室系列任務圓滿成功!


由於文章鏈接較多,後台回復「中國空間技術」
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