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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

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《逐梦星空》是网易科技记录航天逐梦人和航天里程碑事件的新栏目,“逐梦星空,向上探索”,让我们向着星辰大海不断挺进。

文 | 崔玉贤

出品 | 网易科技《逐梦星空》栏目组

精彩观点:

1、地球就像是飘在宇宙中的一叶小舟,人类需要了解地球家园的深空环境。

2、虽然中国的空间科学已取得了长足进步,但有关数据仍需引起关注:我们国家对空间科学经费的投入,只相当于欧空局的1/5,美国NASA的1/50,也就是说,我国的空间科学还处于起步阶段。

3、太空资源的利用是未来发展的必然趋势,但目前最大的问题就是成本与效益间的问题:起步阶段高投入不一定有高回报。

4、目前国际上航天大国普遍重视制定太空相关政策,进行太空治理,中国应该更多地参与到国际太空治理体系当中,拥有自己的话语权。

5、如果想要赶超欧美,我们需要在空间科学领域得到国家持续地、高强度的支持。

6、若要实现中国空间科学与欧美比肩,第一阶段目标,是在2035年实现与欧洲水平的接近,第二阶段目标,是在2049年与美国水平靠近。

他是谁?

他是中科院空间科学(二期)先导专项负责人,“太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划”(SMILE)中方首席科学家,嫦娥四号工程副总师,嫦娥五号和火星探测有效载荷负责人;他还曾是暗物质粒子探测卫星工程副总指挥和“子午工程”总工程师。2019年,当选为中国科学院院士,他就是中国科学院国家空间科学中心主任王赤


正文:

“如果没有自己的空间科学卫星计划,我们所使用的数据都是二手数据,使用二手数据做出一流的科学成果是很困难的”王赤说道。

谈到空间科学研究,王赤认为,中国在该领域虽然在近几年取得了长足的进步,但仍处于起步阶段,与航天强国相比还有巨大差距。

王赤拿出了一组对比数据:整体而言,中国空间科学的原创性成果较少,对人类知识的贡献度与大国地位不相称,一个重要的原因是投入有限,中国对空间科学经费的投入,大致只相当于欧空局(ESA)的1/5,美国航空航天航局(NASA)的1/50。

据了解,美国国家航空航天局(NASA)2022财年预算总额248.01亿美元,其中空间科学预算79.31亿美元,占NASA 2022年总投入的32%,用于支持基础研究、在轨运行和未来科学任务研发。

而中国空间科学预算只占到中国航天预算的不到10%。“我们希望到2035年,整个国家在空间科学的投入能够到达15%,2049年能够达到20%。”王赤提到。

虽然空间科学投入高、风险大、见效慢,但王赤认为空间科学对建设科技强国有着重要的作用,空间科学不仅可以扩充人类知识体系,还可以带动空间技术的进步,而空间技术的进步又与人类日常生活息息相关,空间科学可以推动基础科学实现突破,助力我国科技强国、航天强国战略实施。

虽然我国的空间科学起步比较晚,但随着空间科学先导专项一二期的实施,如先导专项一期的暗物质粒子探测卫星(悟空号)、量子科学实验卫星(墨子号),王赤认为中国已经取得了非常大的突破。

据悉,中国科学院正在推动先导专项二期的项目,为期5年,主要围绕宇宙和生命起源与演化、太阳系与人类的关系两大科学前沿,在时域天文学、太阳磁场与爆发的关系、太阳风-磁层相互作用规律、引力波电磁对应体等方向开展科学卫星研制。

王赤透露,2022年中国将发射先进天基太阳天文台(ASO-S),主要研究太阳的爆发活动,与磁场之间的关系;2023年将发射爱因斯坦探针,用软x射线波段来捕捉黑洞及其爆发、引力波源电磁对应体、超新星等天文现象。

后续还将发射太阳风—磁层相互作用全景成像卫星,对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像等。

“虽然我国空间科学已取得了长足进步,但要想赶超欧美,还需要国家持续、高强度地支持。”王赤表示。

一方面是经费投入的支持,另一方面就是人才队伍的培养。“非常高兴行星科学已经被列为国家一级学科,这对行星科学的发展非常有意义。”

正如前文提到的,如果中国空间科学经费投入能够在2035年达到15%,2049年达到20%,那么,王赤认为,中国空间科学比肩欧美也将在这个时间范围内实现。

以下为网易科技在2021未来科学大奖周期间,采访中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤的部分内容:

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

问题:在今年召开的中国航天大会上您透露,中国已经启动太阳系边际探测工程论证工作,两艘中国探测,将分别向着相反方向前进,探索太阳系的边际空间。目前工作进展如何?探索太阳系边际空间的意义何在?

王赤:我国的太阳系边际探测正在论证当中,其实太阳系边际探测对中国空间的技术还是有极大挑战的。

第一个原因,就是太阳系边界太远,甚至比到火星的距离多了100倍,这就需要克服极远距离的挑战。

如果这么远,在光速每秒钟30万公里情况下,来回一次就需要十几个小时甚至20个小时,这就需要飞船完全自主可控,我们不可能在地面遥控它。

同时航天器发射也需要有极大的运载能力,但中国现在最大的运载能力还是比较有限的。

距离遥远给我们带来的另外一个挑战是,由于光线衰减随着距离的平方成反比,因此太阳系边际是非常暗的。

我们知道,卫星上都要升一个太阳帆板(太阳能电池),而太阳能电池在太阳系边际就起不到作用了,光线会非常弱,能量从哪里来? 可能的解决途径包括利用同位素热源或者核反应堆,后者的技术还不是很成熟。

另外,能源有限的情况下,距离又是很遥远,数据传输也成了问题。因此,从技术上还是要解决能源问题。

既然存在诸多技术挑战,我们为什么还要到太阳系边际去呢?

我认为有三方面的意义:

首先是可以推动空间技术的发展,解决极远、极暗、极冷的技术挑战;

在科学方面,地球就像飘在宇宙中的一叶小舟,人类需要了解地球家园的深空环境;在太阳系边际探测的沿途飞行过程中,我们还有可能遇到很多太阳系的典型天体,包括巨行星、小行星、行星际尘埃等,通过对这些天体的了解,可以勾画出太阳系是怎么形成和演化的。

可能还有一个疑惑,为什么一个向前一个向后?

因为这两个区域目前为止没有任何人类航天器去过,这两个方向都是无人区。从两个方向前进,就会更方便地了解整个太阳系的分布特征。

如果只是一个方向,就不知道日球层到底是圆的还是椭圆的,两个方向就可以大致知道是否对称。

问题:王老师您长期从事太阳风相关研究,您是何时与这个领域结缘的?其中,您走过了一个怎样的研究历程?

王赤:应该说从小就结缘了。小时候我比较喜欢看星星,特别是有时候能看到流星飞过去,就觉得特别好奇,非常想了解其中的科学原理,想要探究自然的奥秘是什么。

后来,我进入了中国科技大学地球与空间科学系,那时候我还分不清楚天文跟空间有什么区别。

再后来,我进入到美国麻省理工学院(MIT)的“旅行者2号”等离子体团组。我的博士生导师就是美国“旅行者2号”等离子体的团队的首席科学家,我的博士论文就是关于“旅行者2号”等离子体的数据分析。

2000年左右,中国科学院推出了“百人计划”,我认为这个舞台很不错,而且也是聚焦在空间科学领域,就决定回国了。

我觉得,对我科研经历影响最大的有两个关键因素:

第一就是中科大的人才教育培养机制,“红专并进、理实交融”。

第二个是美国MIT,能够让我接触到美国“旅行者2号”——这是NASA有史以来最伟大的航天项目。

问题:您研究方向的每一次拓展背后的原因和动力是什么?

王赤:我觉得是好奇心和毅力,尤其是好奇心。我在科研的每一个进步,都觉得自己像个孩子一样发现了小宝藏,特别欣喜。

当然,做科研也非常枯燥(更需要毅力,需要坚持),但是如果你在每一步中都能取得一些成果,并且收获很多欣喜,就可以鼓励自己坚持下来。

问题:我们发现中国已经有企业开始对太空资源进行有步骤有规划的进行研究和开采,对此您怎么看待?月球的探索,美国方面探测到了水,您认为未来会发生太空资源的争夺吗?

王赤:太空资源的利用是未来发展的必然趋势,但目前最大的问题就是成本与效益间的问题:起步阶段高投入不一定有高回报。

目前,太空资源的利用还处于萌芽阶段。

对于未来太空资源的争夺,个人认为首先要有实力,才有话语权,这是硬实力决定的。

另外,当然也需要软实力的助力。目前国际上航天大国都重视制定太空相关政策,进行太空治理,中国应该更多地参与到国际太空治理体系当中,拥有自己的话语权。

问题:我们知道您一直对空间科学有研究,并且担任着中国科学院国家空间科学中心主任,想请问一下您认为目前中国的空间科学研究相比10年前有了哪些进步?呈现了怎样的特点?

王赤:总体而言,我国的空间科学还处于起步阶段。

中国的航天首先发展的是空间技术;第二考虑的是空间应用,比如气象、海洋卫星、北斗卫星等;第三才是空间科学。这也是由发展阶段决定的,有其合理性。而现在,我们都是世界第二大经济体了,该为人类文明和进步做出更大贡献了。

空间科学是做什么的?它是以科学发现为目标,其目的是产生新的知识,了解未知。(这方面)我们国家以往支持的比较少,我国第一个真正以科学发现为目标驱动的卫星计划是2003年、2004年发射的“双星计划”,是与欧空局合作的空间科学卫星,主要目的是要了解地球空间的动力学过程。

2003年-2004年之后,中国几乎就没有空间科学卫星计划;直到2011年,中科院设立了空间科学先导专项,部署了系列科学卫星的任务:比如悟空号,墨子号,硬x射线(调制望远镜)也就是慧眼号,以及实践10号。

中国科学院空间科学先导专项一期4颗卫星取得了不少成果,影响力也很大。

当前,我们正在实施中国科学院空间科学先导专项二期。

首先是太极一号,是空间引力波探测的技术试验卫星,但是离探测到空间引力波还有很大一段距离,但我们迈出的第一步。

第二,我们发射了引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星,也就是“怀柔一号”,将会全天监测引力波伽马暴、快速射电暴高能辐射等高能天体爆发现象,推动破解黑洞、中子星等致密天体的形成、演化奥秘。

第三,我们刚刚发射了可持续发展科学卫星1号,对地球进行观测,用微光等观测手段来刻画人类活动与自然之间的关系。

2022年,计划发射对太阳的观测卫星,也就是先进天基太阳天文台(ASO-S),主要研究太阳的爆发活动,与磁场之间的关系。

2023年,计划发射爱因斯坦探针,用软x射线波段来捕捉到黑洞及其爆发、引力波源电磁对应体、超新星等天文现象。

最后,还有一个太阳风—磁层相互作用全景成像卫星,对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像,这也是中国与欧空局联合的空间科学卫星计划。

虽然中国的空间科学已取得了长足进步,但有关数据仍需引起关注:我们对空间科学经费的投入,只相当于欧空局的1/5,美国NASA的1/50,我国的空间科学还处于起步阶段。

问题:中国的空间科学研究相比国外来说目前处于怎样的水平?是否还有一定差距?还有哪些领域有望追赶甚至赶超?

王赤:空间科学是实验观测科学,如果没有足够的自主空间科学卫星任务,我们所使用的数据就都是二手数据,使用二手数据做出一流的科学成果是很困难的。

因此,如果想要赶超欧美,我们需要在空间科学卫星任务方面得到国家持续地、高强度的支持。

第二,关于人才队伍,空间科学领域的队伍还是有限的,比如说目前真正的行星科学的科学家相对较少,大多是从其他领域转行过来的。

但非常高兴是,行星科学目前已列为国家一级学科,这对学科的发展具有非常重要的意义。

美国几乎每一所著名的综合性大学都有地球和行星科学系,但在我国大学很少有这样的情况,所以从学科发展的视角来看,人才的培养体系方面还有很大的差距。

要实现赶超,人才的培养非常重要。

实际上,在某些方面我国也有很多亮点,比如空间科学先导专项一期的暗物质粒子探测,量子科学实验卫星,但要从点的突破到大面积的超越,再到整体的领先,还是很有挑战性的。

问题:如果国家给予持续的支持,那么还需要多久,中国的空间科学才能赶上欧美?

王赤:我国空间科学占航天活动经费估计还不到10%,而美国NASA是30%多。

我们期待到2035年,我国在空间科学的投入能达到15%;到2049年投入达到20%。

若要实现我国空间科学与欧美比肩,第一阶段目标,是在2035年实现与欧洲水平的接近,第二阶段目标,是在2049年实现与美国水平靠近。

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