空间科学与应用：持续产出重大科技成果

本文转自：中国科学报

■本报记者 高雅丽

中国空间站已于2022年底全面建成，工程随即转入应用与发展阶段，全面实现了载人航天工程“三步走”发展战略目标。目前，中国国家太空实验室已正式运行，并建立起独具中国特色的近地空间科学与应用体系，空间应用正有序展开、成果频现。

“造船为建站、建站为应用”，作为载人航天工程应用系统的牵头负责单位，中国科学院在中国航天事业发展的每一个关键阶段都提供了强有力的科技支撑。

中国科学院空间应用工程与技术中心副主任、载人航天工程空间应用系统副总指挥王强说：“空间站的建设运营为推进我国空间科学和应用发展提供了重大历史机遇，中国科学院充分发挥国家科研机构的建制化、体系化、综合化优势，着眼支撑国家长远发展的战略性科技问题，在重大空间科学问题突破和关键技术攻关方面，发挥了核心和攻坚作用，推动我国空间科学与应用跨越发展。”

建制化力量建立应用体系

空间科学与应用的核心就是探索未知，载人航天工程实施之初，国家就把这副重担交给了中国科学院，明确由中国科学院负责空间科学与应用任务的论证、立项与实施。

中国科学院在与空间科学各主要领域对应的基础科学方面有坚实的基础和很强的科技力量。面对这项我国迄今为止领域最广、规模最大、系统最复杂的空间应用任务，中国科学院作了重要的安排和部署，科研团队有力支撑了载人航天工程空间科学实验。

“我们瞄准国际空间科学领域前沿和战略高技术方向，统筹部署多学科空间科学应用。在载人航天工程第一步和第二步任务中，从无到有，建立了空间科学与应用研究研制体系。”王强说。

在对地观测、空间科学、应用新技术等领域，空间应用系统开展了60余项空间科学和应用任务、攻克了 500 余项关键技术、全新研制了600余台套有效载荷，相关成果在应用卫星型号上实现了推广应用，产生了突出的经济和社会效益，彰显了载人航天应用的前瞻引领作用。

例如在对地观测领域，空间应用系统攻关研制的中分辨率成像光谱仪、多模态微波遥感器、超光谱成像仪、多角度宽谱段成像仪、三维成像微波高度计等一系列对地观测及地球科学研究仪器，采用全新技术体制，技术指标先进，跨越了一个又一个里程碑，相关技术成果迅速在风云、气象、海洋等业务卫星上进行了转化应用，取得了突出效益。

在空间材料科学领域，空间应用系统开展了半导体光电子材料、金属合金、纳米及复合材料等数十种新型材料的空间制备实验研究，研究成果对于地面材料加工工艺的改进与发展具有重要指导意义，并已得到成功应用。

在应用新技术领域，空间应用系统首次在空间飞行器上在轨二次释放微小卫星并实现了对非合作目标的近距离成像观测、精确绕飞或飞越观测，为航天器编队飞行奠定了技术基础。

把实验室搬到太空

2023年6月，中国空间站第四批空间科学实验样品随神舟十五号载人飞船返回舱返回地面，交付由中国科学院牵头负责的载人航天工程空间应用系统。随后，这些从空间站“旅行归来”的样品被来自天南地北的科学家分别接回实验室，开展后续研究。

截至目前，空间站已开展了 60余项实验项目、上万次在轨实验，获得了近60TB原始实验数据，下行了300余个科学实验样品。其中，空间冷原子钟、伽马暴偏振探测仪等项目取得国际领先的科学研究成果，引领我国空间科学与应用快速发展。

建成后的中国空间站成为国家太空实验室，三舱部署的多个实验柜可在四大领域开展上千项科学实验。其中问天实验舱主要面向空间生命科学研究；梦天实验舱主要面向微重力科学研究，打造空间技术应用研究“梦工场”。

这些设施上配备了多种先进的精密检测、实验支持仪器，如材料实验X射线实时诊断、流体实验的数字全息、燃烧实验的弱光ICCD检测、超冷原子的两级交叉光阱冷却、生物实验的微通道 PCR 芯片扩增和人机协同高精度微操作器等。

国家太空实验室研究平台学科覆盖全面，空间站舱内有25个科学实验机柜与一系列舱外设施，能够支持空间生命科学与生物技术、空间天文与天体物理等诸多学科方向的研究与应用，每一个实验柜或舱外设施都可以说是一个综合实验室。

目前，多项科学实验和试验在空间站完成。中国科学院承担的“微重力条件下高等植物开花调控的分子机理”生命科学实验项目进展顺利，在国际上首次完成空间微重力条件下水稻从“种子到种子”的全生命周期培养实验，为进一步解析空间微重力对水稻生长发育的影响及分子基础、利用水稻进行空间粮食生产提供了重要理论指导。

在空间材料科学方面，空间站实现了硒化铟材料的空间制备，发现铋掺杂硒化铟材料性能优异，迁移率是超薄硅材料的15倍，且具有稳定的物理化学性质，其开发应用有望推动场效应管的升级换代，可获得显著的经济效益。

“这些科学实验研究多种空间环境要素下的基本科学规律、机理，探索人类长期太空生存面临的科学问题，将积极推进空间科学向应用转移，进一步提高我国空间科学整体水平。”王强说。

此外，为了实现天地高效协同，大幅提升在轨实验效率，空间应用系统还在地面建成了实物镜像系统、数字镜像系统及空-地“云”平台，创新发展了人机融合、数字伴飞的空间科学实验模式，形成了“端到端”低延时遥科学实验和海量科学数据共享服务能力；建成了全寿命周期载荷研制支持平台、电磁弹射微重力实验设施和太空实验室地面实验基地，为载荷设计、总装、集成测试等研制工作，以及科学项目遴选与培育、地基研究和匹配实验等，形成了实验载荷/样品全寿命周期研制试验支持能力。

王强指出，在整个过程中，中国科学院构建了“天地协同、开放灵活”的复杂大系统解决方案，实现了多领域、多任务、多载荷高效协同工作及资源的高效利用，创新了空间科学实验范式，极大降低了空间科学实验门槛。

推进我国空间科学迈上新台阶

当前，载人航天工程进入到一个新的历史起点，即应用与发展阶段。今年6月，中国载人航天工程办公室面向全国发布了《空间站应用与发展工程空间科学与应用项目征集公告》。

据中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、应用发展中心主任张伟介绍，太空实验室未来10年可支持在轨开展空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学以及空间新技术与应用4个研究领域的近1000个研究项目。

中国空间站是未来十几年我国最重要的近地太空实验室，将引领新一代空间应用和技术发展，涉及重大科学前沿、重要应用基础、关键核心技术以及向产业界转移知识和技术。

“未来10年将是中国空间科学发展的重要机遇期，我们可以研究宇宙的过去到现在以至未来，探索从宏观天体到极端条件下原子与分子的基本规律，开启中国空间科学研究与应用的新时代。”张伟表示。

“空间站是我国最重要的综合性近地空间研究基地，我们将始终牢记‘四个率先’和‘两加快一努力’目标要求，按照国家太空实验室的总体目标，努力争取让基础研究进入国际前沿，在应用基础和新技术方面解决国家重大需求，为经济社会发展提供高质量科技供给，为加快建设科技强国、实现高水平科技自立自强作出更大贡献。”王强说。