2017年11月，中國科學院A類戰略性先導科技專項“空間科學”（簡稱空間科學先導專項）結題總體驗收會在北京舉行，標志著中科院空間科學先導專項（一期）圓滿收官，我國空間科學衛星發展站在了新的歷史起點上。
自2011年啟動以來，空間科學先導專項部署的暗物質衛星“悟空”“實踐十號”衛星、量子衛星“墨子號”以及硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”四發四捷，已經或正在產出系列重大科學發現和原始創新成果，實現了多項國際領先或先進的空間技術突破，極大地提升了中國在空間科學上的國際聲譽。
而面向未來，由中國科學院國家空間科學中心牽頭組織實施的這一我國迄今為止最大規模的科學衛星計劃，正全面鋪開新的藍圖。
中國呼喚空間科學
有人說，一個不知道仰望星空的民族是沒有希望的民族；也有人說，21世紀決定霸業的關鍵領域將是太空。從古至今，人類在太空中馳騁了最夢幻的暢想和最堅定的探求。
1957年10月4日，蘇聯發射了世界上第一顆人造衛星“Sputnik 1”。這顆僅運行了92天的人造衛星讓全世界為之震驚，太空逐鹿就此開始。
近幾十年，在國際發射的6000個空間飛行器中，專門用作空間科學研究的衛星和深空探測器約有700顆。此外，人類還建造了空間實驗室、空間站等綜合研究設施，開展了數千項空間科學實驗。
由此換來的，則是革命性科學發現的爆發式增長。這些發現全面更新了人類對太陽系、天體、宇宙和地球的認知，也正深刻地改變著我們的宇宙觀和自然觀。
反觀中國，空間科學的成績似乎并不樂觀：航天事業發展不平衡、重應用輕科學、空間科學研究嚴重依賴對他國公開數據的二次分析……可以說，中國航天是“跛著腳”跳進了“黃金時代”。
此外，與美國等國家和地區不同的是，我國航天事業從起步開始，幾乎就是面向工程、面向應用的，空間科學一直是我國航天事業的短板。
比如，2000~2014年的15年里，美國國家航空航天局（NASA）平均每年向空間科學投入60.8億美元，歐洲空間局（ESA）每年投入22.7億美元；而中國，據粗略估計，空間科學年均投入低于1億美元。不僅如此，國際總計5000多項空間科學實驗項目中，中國僅占100項左右。
這樣的差距，也正是“航天大國”與“航天強國”的差距。
實際上，空間科學對航天技術具有牽引和帶動作用。一項空間科學任務的實施，能夠催生一批新的航天技術。“每一項非重復性的空間科學任務，都會在特殊軌道設計、探測器姿態穩定度、平臺與載荷一體化設計、遙科學等方面不斷對航天技術提出新的需求。”原空間中心主任、空間科學先導專項（一期）負責人吳季曾表示。
與此同時，空間科學對經濟社會發展的促進也顯而易見。例如，空間地球科學、太陽物理、空間天氣對人類社會發展、空間活動、地面設施安全有重要價值，空間生命科學則為創新生物材料、藥物和醫療技術提供無限可能。
因此，在倡導“和平發展”的黃金時代，中國航天似乎已不是僅憑國防應用的單一力量就可拉動的。要想沖破技術的“天花板”，走向更遠更深的宇宙，中國航天似乎需要走出一條“空間科學拉動空間技術”的新路。
最大空間科學計劃
轉機發生在2010年3月。春分過后，中科院迎來了一件大事：國務院審議通過“創新2020”規劃，明確要求通過組織實施戰略性先導科技專項，形成重大創新突破和集群優勢。
2009年10月，中科院院機關組織當時的空間科學與應用研究中心，開始策劃和醞釀空間科學先導專項的實施方案。之后，一輪輪匯報，一次次審批，空間科學先導專項方案一路晉級。
2011年1月11日，首批戰略性先導科技專項正式啟動，空間科學先導專項應運而生，成為我國迄今為止最大規模的空間科學衛星計劃。
2015年，空間科學與應用研究中心更名為“國家空間科學中心”，作為我國空間科學及其衛星工程項目的總體性研究機構，面向全國的空間科學創新平臺，負責組織開展國家空間科學發展規劃研究，以及空間科學先導專項的組織與實施。
“十二五”期間，依托空間中心，空間科學先導專項共部署了以下幾個研究項目：
暗物質粒子探測衛星“悟空”，用于尋找暗物質湮滅的證據，探索宇宙線起源；
“實踐十號”返回式科學實驗衛星，利用返回式衛星技術，推動空間微重力科學和空間生命科學發展；
量子科學實驗衛星“墨子號”，實現衛星與地面之間量子保密通信試驗；
硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”，研究黑洞的性質及極端條件下的物理規律；
空間科學背景型號項目，根據戰略規劃和發展路線圖，遴選科學衛星項目進行背景型號研究，為“十三五”科學衛星的工程研制、發射和獲得科學成果做準備；
空間科學預先研究項目，通過部署項目集群的方式，對未來的空間科學衛星計劃和必需的關鍵技術進行先期研究。
“這是中國邁出的非常重要、非常偉大的一步。這一步對空間天文學的未來發展非常重要，難以想象如果沒有中國的參與，這個領域能否在未來發展得很好。” 諾獎得主Brian P.Schmidt這樣評價空間科學先導專項的意義。
空間科學先導專項實施七年來，部署的四顆衛星“四發四捷”，在具有重大科學意義的熱點領域，包括暗物質粒子空間探測、空間大尺度量子力學實驗、黑洞和天文觀測、微重力和生命科學等方面，取得了重大科學發現和技術創新突破，帶動了相關高技術的跨越式發展。背景型號和預先研究突破了主要關鍵技術，孵化培育了具有重大科學意義的新項目。
截至目前，空間科學先導專項（一期）已經圓滿收官，取得了一批具有國際影響力的重要成果，發揮了空間科學在國家發展中的重要戰略作用。
“悟空”：探秘宇宙暗物質
2015年12月17日，暗物質粒子探測衛星“悟空”成功發射升空，標志著我國空間科學探測研究邁出重要一步。
作為空間科學先導專項的“首發星”，也是第一顆由中科院承擔全部研制、生產工作的衛星，暗物質粒子探測衛星的順利完成、發射和運行，標志著中科院舉起我國空間科學事業的大旗，在面向世界科技前沿、面向國家重大戰略需求方面譜寫下新的篇章。
暗物質和暗能量，被科學家們稱為“籠罩在21世紀物理學上的兩朵烏云”。目前，我國和世界各國已著手籌建或實施多個暗物質探測實驗項目，其研究成果將可能帶來基礎科學領域的重大突破。
此次升空的暗物質粒子探測衛星身負三個主要科學目標——通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和伽瑪射線尋找和研究暗物質粒子，在暗物質研究這一前沿科學領域取得重大突破；通過觀測TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；通過觀測高能伽瑪射線，在伽瑪天文方面取得重要成果。
這顆由中科院承擔全部研制、生產工作的衛星采用了載荷平臺一體化的創新設計，有效載荷質量1410公斤，平臺質量440公斤，載荷平臺比達3.2：1。根據載荷特點，衛星借鑒哈勃望遠鏡的設計理念，于國內首次采用以載荷為中心的設計方案，使暗物質粒子探測器位于整星中心，電子學機箱及平臺各單機均布于探測器周圍的隔板上。
同時，暗物質粒子探測器還具有先進的科學探測指標，觀測能段范圍為5GeV~10TeV，能量分辨率優于1.5%，是世界上迄今為止觀測能段范圍最寬、空間和能量分辨率世界領先的高能粒子探測器，可以精確測量宇宙高能粒子（電子、伽瑪、宇宙射線核素等）的物理特征和空間分布。
2015年12月31日，習近平總書記發表2016年新年賀詞，在列舉2015年重大進展時，特別提到“我國科學家研制的暗物質探測衛星發射升空”，并將其作為“只要堅持，夢想總是可以實現的”例證之一。
發射成功后，“悟空”在軌運行的前530天共采集了約28億顆高能宇宙射線，其中包含約150萬顆25GeV以上的電子宇宙射線。基于這些數據，科研人員成功獲取了目前國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果。
“悟空”的電子宇宙射線的能量測量范圍比國外的空間探測設備有顯著提高，拓展了觀察宇宙的窗口；測量到的TeV電子的“純凈”程度最高，能譜準確性高；首次直接測量到了電子宇宙射線能譜在~1TeV處的拐折，反映了宇宙中高能電子輻射源的典型加速能力，其精確的下降行為對于判定能量低于1TeV的部分電子宇宙射線是否來自于暗物質起著關鍵性作用。此外，“悟空”的數據初步顯示在~1.4TeV處存在能譜精細結構。
目前“悟空”運行狀態良好，正持續收集數據，一旦該精細結構得以確證，將是粒子物理或天體物理領域的開創性發現。
“實踐十號”：微重力實驗“中國首星”
2016年4月6日，我國首顆微重力科學實驗衛星——“實踐十號”返回式科學實驗衛星按照預定窗口時間，在酒泉衛星發射中心發射升空。
“實踐十號”于2012年12月31日正式立項，是空間科學先導專項首批科學實驗衛星中唯一的返回式衛星。其中，空間中心負責工程大總體、地面支撐系統及有效載荷總體工作，衛星系統及平臺由中國空間技術研究院抓總研制，科學應用系統由中科院力學研究所負責。
對科學家來說，宇宙空間是一個很好的實驗室。地球上的物理現象都受到地球重力的制約，比如浮力、沉降等。但在極端物理條件下，物質的運動規律、物理化學過程、生命過程等都可能發生變化，這就意味著重大科學突破的可能。
“實踐十號”的主要科學目標正是利用太空中微重力等特殊環境，開展科學實驗，以研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下，物質運動及生命活動的規律。
此次“實踐十號”共搭載19個實驗項目，這也是迄今為止單次空間微重力和生命科學實驗項目及種類最多的衛星任務。這些項目是從200多項申請中脫穎而出的，按照創新性、可行性、必要性等科學標準，經過嚴格遴選、反復論證，涵蓋了微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射效應、微重力生物效應、空間生物技術六大領域。可以說，這些實驗項目均具有創新性和很強的科學研究價值，有望獲取具有國際先進水平的、具有自主知識產權的重大科技成果。
比如，微重力下煤燃燒實驗等項目針對能源、農業和健康等國家戰略目標，為解決地球上的現實問題提供幫助；導線絕緣層著火實驗等項目結合航天器防火等關鍵技術需求，為我國航天工程后續發展提供支撐；哺乳動物早期胚胎發育、造血與神經干細胞三維培養等項目瞄準空間生命科學的前沿課題，對人類未來走向太空有重要意義。
此外，作為我國新一代返回式衛星，“實踐十號”在衛星技術方面也得到了較大改進，實現了三大飛躍。
一是姿態控制采用小發動機作為推進系統的推力器，可以保證較好的衛星微重力水平；二是以與國際接軌的數據管理系統替代原先的程序控制器，使得遙控指令和遙測數據的安排以及改變飛行程序的數據注入都更加靈活；三是增設流體回路的熱控分系統，使衛星回收艙內部的熱能有效排到星外，以確保生物樣品的溫度環境。
2016年4月18日，在順利完成12天的太空飛行后，“實踐十號”回收艙準確降落在內蒙古四子王旗預定著陸區域。回收艙著陸狀態正常、外觀良好，搜索回收任務順利完成，進一步驗證了我國返回式衛星控制回收技術，標志著我國在空間科學研究與應用領域邁出堅實步伐。
“墨子號”：領跑量子科學
2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射升空。隨著發射任務的圓滿成功，人類將首次完成衛星和地面之間的量子通信，標志著我國空間科學研究又邁出重要一步。
當前，量子通信的實用化和產業化已經成為各個大國爭相追逐的目標。2011年，中科院正式啟動全球首顆量子科學實驗衛星的研制，這既意味著中國科學家率先向星地量子通信發起挑戰，更意味著中國或將領先歐美獲得量子通信覆蓋全球的能力。
此次科學家在“墨子號”上搭載了自主研發的“四種武器”：量子密鑰通信機、量子糾纏發射機、量子糾纏源和量子試驗控制與處理機。同時在地面建設了科學應用系統，包括1個中心——合肥量子科學實驗中心；4個站——南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站；1個平臺——阿里量子隱形傳態實驗平臺。
衛星與地面站共同構成天地一體化量子科學實驗系統，在兩年的設計壽命期間，“墨子號”將進行四大實驗任務——星地高速量子密鑰分發實驗、廣域量子通信網絡實驗、星地量子糾纏分發實驗以及地星量子隱形傳態實驗。
由于天地量子科學實驗非常復雜，因此對天地實驗設備的要求也異乎尋常的高。比如，量子衛星飛行中攜帶的兩個激光器要分別瞄準兩個相距上千公里的地面站，向左向右同時傳輸量子密鑰，且衛星上的光軸和地面望遠鏡的光軸要始終精確對準，就好比衛星上的“針尖”對地面上的“麥芒”。
對此，科研團隊進行了各種實驗，考驗超遠距離“移動瞄靶”能力，最終突破了星地光路對準等關鍵技術，通過平臺和載荷兩級控制的方式，使得對準精度達到普通衛星的10倍。
2017年6月，“墨子號”在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發，并在此基礎上首次實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。
兩個月后，“墨子號”又一次在國際上首次成功實現從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態，兩項成果同時在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。至此，“墨子號”提前圓滿實現全部三大既定科學目標，為我國在未來繼續引領世界量子通信技術發展奠定了堅實的科學與技術基礎。
在為項目本身畫上圓滿句號的同時，“墨子號”也開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為我國在國際上搶占了量子科技創新制高點，成為了國際同行的標桿，實現了“領跑者”的轉變。
“慧眼”：刷新人類認知極限
2017年6月15日，硬X射線調制望遠鏡衛星“慧眼”成功發射。它的出現，填補了我國空間X射線探測衛星的空白，將顯著提升我國大型科學衛星研制水平，實現我國在空間高能天體物理領域由地面觀測向天地聯合觀測的跨越。
“慧眼”于2011年3月正式立項實施，是空間科學先導專項發射的第4顆衛星。其中，中科院作為用戶部門，負責衛星地面應用系統的建設和運行，同時負責有效載荷研制。空間中心、遙感地球所和高能物理所分別負責地面應用系統建設及衛星數據接收、處理、分發和科學應用。
X射線是外太空的“常客”，脈沖星、伽馬射線暴、超新星遺跡、黑洞等都會發出X射線，包括硬X射線。但是，由于X射線穿越地球大氣層時會嚴重衰減，通過望遠鏡衛星在空間軌道捕捉X射線，特別是硬X射線，就成為各國科學家競相追逐的目標。
“慧眼”設計壽命4年，呈立方體構型，總質量約為2500千克，裝載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環境監測器等4個探測有效載荷，可觀測一定能量范圍的X射線和伽馬射線。衛星采用直接解調成像方法，通過掃描觀測可以完成寬波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線成像，具有復雜的熱控保障、對地測控與數傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力。
“慧眼”主要工作模式包括巡天觀測、定點觀測和小天區掃描模式。衛星發射入軌后，將開展4個方面的空間探測活動。
一是對銀道面進行巡天觀測，發現新的高能變源和已知高能天體的新活動；二是通過觀測和分析黑洞、中子星等高能天體的光變和能譜性質，加深對致密天體和黑洞強引力場中動力學和高能輻射過程的認識；三是在硬X射線/軟伽馬射線能區獲得伽馬射線暴及其它爆發現象的能譜和時變觀測數據，研究宇宙深處大質量恒星死亡以及中子星并合等導致的黑洞的形成過程；四是探索利用X射線脈沖星進行航天器自主導航的技術和原理并開展在軌實驗。
2017年10月16日，美國國家科學基金會宣布，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座引力波天文臺（Virgo）于2017年8月17日首次發現雙中子星并合引力波事件，國際引力波電磁對應體觀測聯盟發現了該引力波事件的電磁對應體。而這其中，正有“慧眼”的功勞。
盡管沒有直接探測到該引力波事件的伽馬射線爆發，但鑒于“慧眼”觀測限制的重要性，“慧眼”不僅以合作組形式加入了報告本次歷史性發現的論文，在論文的正文部分報告了觀測結果；而且，“慧眼”的詳細分析結果還以獨立論文的形式同步發表在《中國科學：物理學力學天文學》雜志英文版。
2017年11月，“慧眼”完成了在軌測試，現在衛星已經處于常規科學觀測模式，并開始執行用戶提出的觀測計劃。
背景型號與預先研究：鋪就可持續藍圖
作為我國迄今為止最大規模的科學衛星計劃，空間科學先導專項除了設置空間科學衛星工程項目外，還面向“十四五”及更長遠的未來，設置了空間科學背景型號項目和空間科學預先研究項目。二者成為整個空間科學衛星任務發展鏈條上的重要一環，直接關系到空間科學的長期可持續發展。
此外，空間科學先導專項（二期）還新增了任務概念研究，聚焦原創科學思想，面向全國廣泛征集，致力于為空間科學先導專項的發展提供源動力；科學衛星任務規劃與數據分析項目則支持首席科學家領導的核心科學團隊開展任務設計及數據深入研究。
空間科學預先研究項目則是通過部署空間科學預先研究課題集群，對我國未來5~15年擬開展的空間科學衛星計劃和必需的關鍵技術進行先期研究，全面推動空間科學領域的創新概念研究、前瞻技術預研和關鍵技術攻關，為我國空間科學的長期可持續發展奠定基礎。
隨著空間科學先導專項（一期）的圓滿收官，我國空間科學衛星發展也站在了新的歷史起點上。聚焦最具優勢和最具重大科學發現潛力的熱點領域，空間科學先導專項（二期）將瞄準宇宙和生命起源與演化、太陽系與人類的關系兩大科學前沿，在時域天文學、太陽磁場與爆發的關系、太陽風—磁層相互作用規律、引力波電磁對應體等方向開展衛星研制。
在衛星工程中，愛因斯坦探針（EP）將在軟X射線波段對宇宙天體開展高靈敏度實時動態巡天監測，有望在發現和探索宇宙中沉寂黑洞的耀發、探尋來自引力波源的X射線信號、發現宇宙中X射線劇變天體等方面取得科學突破；先進天基太陽天文臺（ASO-S）是我國首顆空間太陽專用觀測衛星，將揭示太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射（“一磁兩暴”）的形成及相互關系；太陽風—磁層相互作用全景成像衛星（SMILE）由中歐科學家聯合提出和研制，將對向陽側磁層頂、極尖區和地球極光進行全景成像，同時對地磁場和等離子體進行原位測量，以提高人類對太陽活動與地球磁場變化相互關系的認知；引力波暴高能電磁對應體全天監測器（GECAM）是在引力波研究方向上提出的“機遇性”項目，衛星與地面引力波探測器聯合觀測，可更加全面地發現引力波伽瑪暴及新的輻射現象。
在空間科學先導專項（二期）背景型號項目中，增強型X射線時變與偏振空間天文臺（eXTP），以“一奇（黑洞）、二星（中子星、夸克星）、三極端（引力、磁場、密度）”為科學目標，是由中國領導、20多個國家參與的重大國際合作項目。此外，背景型號項目還將圍繞空間引力波探測、宇宙起源與演化規律、太陽系的誕生和系外宜居行星探測等，開展系列關鍵技術攻關和技術驗證。
空間科學先導專項（二期）將聚集國內優秀科學家和工程團隊，持續探索浩翰宇宙未知的奧秘，通過自主創新和國際合作實現科學上的重大突破，帶動相關技術領域的跨越式發展，為我國空間科學領域早日躋身世界先進行列作出不可替代的歷史性貢獻。■