第一章 学科总论
　　第一节 科学意义与战略价值
　　空间科学是当代自然科学的前沿领域及数、理、化、天、地、生六大基础学科的集合体，是一门集成度很高的基础科学。由于空间科学以航天器为主要平台，因此它的发展不仅取决于数、理、化、天、地、生的发展，还取决于空间技术的进步，是一个国家综合实力的体现（国际上从事空间科学研究的基本上都是欧美发达国家）。从历史经验来看，空间技术的进步能极大促进空间科学的发展，而空间科学目标任务的提出能牵引空间技术的进步。此外，空间科学的发展为空间应用提供了理论依据和指导建议（中国科学技术协会， 2016）。因此，空间科学、空间技术和空间应用这三者之间形成了一个有机联合体，它们互相促进、协同发展、相互成就（吴季，2016）。
　　2016年 5月 30日，习近平总书记在“科技三会”上指出：“空间技术深刻改变了人类对宇宙的认知，为人类社会进步提供了重要动力，同时浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索，必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展”a。空间科学的发展与社会和经济发展密切相关，将在国家创新驱动发展的进程中发挥越来越重要的作用。这主要体现在以下几个方面。
　　一、实现认知突破，助力文明发展
　　爱因斯坦曾预言，未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。空间科学开展大到宇宙天体、小到极端条件下原子与分子运动规律的探索，占据自然科学宏观和微观的前沿，是最有希望做出重大发现的领域（国家自然科学基金委员会和中国科学院， 2012）。当代科学发展历史已经充分证明大量的科学发现和进展是来自对宇宙和太空的探索。人类进入太空时代以后，大量的天文卫星和空间探测计划，加速了宏观前沿领域的进展。自哈勃空间望远镜和宇宙背景探测器卫星上天以来，大量未知的天体被发现，使人类的视界延伸到了 137亿光年的距离，并使宇宙学的研究进入到了精确研究的阶段。特别是 2003年以来威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射的精确测量以及斯隆数字化巡天大尺度结构和超新星的观测，更坚实有力地支持了以暗物质和暗能量为主导的暴胀宇宙模型。正是这些观测和研究成果，2002年和 2006年的诺贝尔物理学奖分别授予了成功探测到中微子、发现宇宙 X射线源和发现宇宙微波背景辐射的黑体形式与各向异性的五位空间科学领域科学家； 2008年的诺贝尔物理学奖颁给了发现自发对称性破缺机制和对称性破缺起源的三位科学家； 2011年和 2017年的诺贝尔物理学奖授予通过遥距超新星发现宇宙加速膨胀和引力波探测研究相关的科学家， 2019年和 2020年诺贝尔物理学奖则授予发现系外行星和银河系超大致密天体的空间物理学家，以表彰他们在增进人类对宇宙的了解和认识方面所做出的突出贡献。
　　人类对太阳系的探测，始于 20世纪 50年代末，从探测月球开始，逐渐发展到对地球临近的行星（火星与金星）、其他行星、各类小天体以及太阳和行星际空间太阳风的探测。目前的研究主题集中在两大科学问题上：太阳系是如何演变的？地外生命存在吗？人类的空间探测，由近至远，由易到难，实现了对太阳系各层次天体和太阳系空间的探测。特别是 2008年 7月，美国国家航空航天局的“凤凰号”火星探测器在火星发现有水的存在。“凤凰号”火星探测器取得重大科学发现，为探索地外生命现象开辟了道路。 2012年 8月，美国国家航空航天局“好奇号”火星车在火星成功着陆，开始了其寻找火星生命的旅程。“好奇号”找到了更多的早期火星曾存在水和大气逃逸的证据。 2007年 8月 30日，经过 30年的长途跋涉，“旅行者 2号”探测器在离地球 85个 AU（AU表示 1个天文单位，为地球与太阳之间的平均距离，即 1.5亿千米）处对日球层终止激波进行了原位探测，这是人类历史上第一次传回日球层边缘的信息。 2013年 9月美国国家航空航天局公布“旅行者 1号”探测器已经在 2012年 8月飞出日球层边界，进入了星际空间，这被认为是人类科学史上最伟大的成就之一。 2014年，欧洲航天局的“罗塞塔号”探测器搭载的“菲莱”着陆器在彗星“丘留莫夫 -格拉西缅科”成功登陆，实现了人类探测器首次彗星登陆。 2018年“帕克”太阳探测器发射，预计飞行 7年后进入太阳日冕，它将是首个飞掠太阳外层大气的人类航天器，可抵达太阳表面上方 8.86个太阳半径处（约 620万千米），这一距离将是先前德、美联合研制的“太阳神 2号”所到达的*近距日距离（ 4300万千米）的 1/7。2021年 12月哈勃空间望远镜的代替者、被称为“下一代空间望远镜”的韦布空间望远镜成功发射，将为调查作为大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射）提供新的观测手段。通过这些行星与太阳系探测活动所得到的关于行星与太阳系的认识大大超过了人类数千年来所获有关知识的总和。同时，空间科学不断扩展了人类的知识领域，新概念不断涌现。通过这些探测，人类已建立起了比较详细的太阳系和行星科学体系，并期待着在地球以外直接发现生命的存在。
　　人类进入空间的一个初衷，就是可以利用空间平台居高临下地观测地球，获取全球整体观测数据，分析和研究地球系统。这一平台的优势是在地面上无法获得的。利用这一优势，人类可以系统研究大气、水、岩石、冰雪和生物圈系统。例如，气象卫星上天后，监测到了全部热带气旋 /台风和飓风，为减灾防灾提供了重要的预警预报信息。再如，臭氧层卫星传感器获取了臭氧洞和臭氧层演变的图像，极大地提高了人类对臭氧洞形成和臭氧层损耗机制的认识。这一科学认识不仅使研究者获得了 1995年诺贝尔化学奖，还为制定国际臭氧层保护协议打下了坚实的科学基础。伴随着载人航天技术的进步和人类在太空长期驻留的国际空间站的建立，空间所具有的特殊的微重力、高真空、高能辐射、极高极低温度等环境也为流体物理、燃烧学、材料科学、生命科学等学科的研究提供了新的机遇，新的技术突破和科学发现不断涌现。
　　21世纪，人类对宇宙的起源和物质的认识正处在重大突破的关键阶段。暗物质性质和暗能量本质问题被形容为笼罩在物理学上的“两朵乌云”，空间研究将为破解难题做出*特贡献。生命起源及地外生命之谜最可能在空间研究中得到解答。宇宙中的极端物理条件使空间研究将宇观和微观结合，成为探究物质本源的前沿。太阳、空间物理、地球、月球和行星研究将深入理解太阳系和行星演化，并通过比较加深对地球变化趋势的认识。地球环境变化涉及经济社会发展和人类命运，空间研究是理解这一复杂大系统问题的有效途径。
　　空间科学对重大基础前沿科学问题的研究将取得重大突破，可能催生新一轮科学革命，是基础研究的战略必争领域。在过去的几个世纪中，我国已经屡次失去了在科技革命中有所作为的机遇，今后不可再错失机会。空间科学是我国实现基础科学研究重点突破、建设科技强国的重大领域之一（国家自然科学基金委员会和中国科学院， 2019）。因此，中国应该在这一领域充分发挥中国科学家的聪明才智，并在国家迅速增长的经济实力基础上，提升中国的国家地位、占领知识经济制高点、提升国家科学文化实力、为人类文明做出贡献。
　　二、牵动技术跨越，实现科技领先
　　空间科学有望在各科学领域中较快取得突破、实现跨越式发展，并带动相关高技术领域跨越式发展、提升国家整体科技实力、实现科技领先。空间科学研究的进行离不开空间高新技术的支撑，它博采了现代科学技术众多领域的*新成果以及关键技术的集成创新，同时又对现代科学技术的多个领域提出了新的发展要求。每一项空间科学任务都是非重复性、非生产性的，包含大量的新思路、新设计。空间探测计划直接牵引和带动航天技术的全面发展，同时也推动了相关领域高新技术的进一步发展，推动我国科学技术的整体水平迈上一个新台阶。
　　空间科技的创新和高新技术的成果绝大部分可以转移到地面应用。例如，美国阿波罗计划的许多技术已经成功转移至其他领域。如今，我们常用的计算机断层扫描术就是源自于阿波罗计划，笔记本电脑也是当初在阿波罗飞船上提出的计算机小型化设计的产物。目前已经深入人类日常生活的全球定位系统，也是源自天文研究的成果。
　　国外的空间科学规划也把高技术的发展作为其主要目标之一。例如，美国在 2004年提出了新的空间探索远景规划，其主要目的之一就是通过空间探索促进美国的高技术发展，保持美国在世界上的科技领先地位。随后，美国又先后出台了《全球探索路线图》《战略空间技术投资规划》，并分别于 2011年和 2014年发布了其战略规划及科学规划。美国国家研究理事会发布了《天文学和天体物理学的新世界和新视野》《太阳与空间物理：服务于技术社会的科学》《 2013—2022年美国行星科学的发展愿景》《空间地球科学及应用——未来十年及以后的国家需求》《面向空间探索的未来—新时代的生命和物理科学研究 2016—2030》等多个领域的规划报告，并列出了多个领域未来空间科学任务建议，对今后长时期进行了规划。近年来，欧洲航天局先后发布了
　　《宇宙憧憬（ 2015—2025）》《远航 2050》等空间科学计划，涵盖 2015～2025年和 2035～2050年主要空间科学任务。欧洲航天局认为太空科学从开拓和探索阶段已发展成为基础科学中牢不可破的成熟分支，这些空间计划主要的目的是确立未来数十年欧洲空间科学主要发展方向，以巩固欧洲科学发展前沿地位。俄罗斯联邦航天局向政府提交《 2030年前航天活动发展战略》草案，公布了《2013—2020年俄罗斯航天活动》国家规划，提出 2020年前俄罗斯航天投入的优先方向为保障俄罗斯进入空间的通道、研制航天设备满足科学需求、载人航天。 2010年后，日本调整了空间政策，修改法律为发展军事航天系统铺平了道路。具体而言，日本在内阁府设立空间战略办公室，总揽国家航天项目、加强商业航天活动、参与商业航天竞赛；并在月球探测、小行星探测、水星探测、技术验证、试验小卫星、导航卫星等空间项目及空间运输系统研发等方面都取得了重要进展，发布了长期空间开发利用计划。
　　空间科学活动体现了国家目标和国家意志，也是人类求知欲和探索创新
　　力的生动体现，全球瞩目、公众关注，具有世界性影响，是国家科技进步和综合实力的重要标志；空间科学的广泛国际合作是开展对外交往的重要方式，对提高公众科学素养有不可估量的作用。空间科学活动具有显著的政治、科技、经济、外交和文化等意义，对提高我国综合国力具有重要作用。我国正在建设创新型国家，跟踪国外先进技术已经不能满足我国可持续发展的要求，也与我国世界经济大国的地位不符。因此，通过发展空间探测计划，牵引和带动我国航天技术，并延伸至高技术各个领域，是我国新时期建设创新型国家发展战略的重大需求，也是促进国家整体科技实力的提升、实现科技领先的战略需求。
　　三、保护人类生存，应对发展问题
　　我国人口众多、国土面积较大，未来难以改变以化石能源为主的能源发展模式，这将不可避免地承受应对和缓解全球变化的双重压力，并承担国际责任。美国、英国、法国、德国、日本等国在工业化、现代化建设时期，经济增长与环境质量普遍存在环境库兹涅茨*线现象。环境库兹涅茨*线理论指出，环境问题与经济发展存在倒“ U”形关系。即在经济体发展过程中，存在环境恶化的阶段是不可避免的。中国虽然已基本实现工业化，但中国未来经济发展还改变不了以化石燃料作为主要能源的状况，这不但关系到资源总量减少的问题，还会引起环境污染。中国在经济发展过程中，应采取积极应对和缓解环境问题的措施，协调环境问题和经济增长的关系，使环境库兹涅茨*线相对平缓。因此迫切需要空间科技在保护人类生存环境方面提供重要的支撑。
　　从 20世纪 90年代开始，美国、欧盟和日本先后启动了针对全球变化的大型综合卫星观测计划和后续补充计划。这些计划针对地球系统自然变化过程与人类活动影响因素进行探测与分析，通过新型遥感设备获取数十种环境参量，经过组合开展多平台多传感器的协同反演、模型同化与耦合、影像融合、时空尺度变化，同时以地理信息系统或数字地球科学平台为载体，

目录
总序 / i
前言 / vii
摘要 / xi
Abstract / xix
第一章　学科总论 1
第一节科学意义与战略价值 1
一、实现认知突破，助力文明发展 2
二、牵动技术跨越，实现科技领先 4
三、保护人类生存，应对发展问题 6
四、提高人类生活质量，推动经济社会发展 7
五、保障国家太空安全，促进和平利用空间 8
第二节发展规律与研究特点 9
一、技术驱动性 9
二、学科交叉性 11
三、重大前沿性 11
四、合作开放性 12
五、投入长期性 13
第三节发展现状与发展态势 14
第四节整体思路与发展方向 21
一、问题与挑战 21
二、思路与布局 26
三、国际合作 28
四、学科交叉 30
第五节资助机制和政策建议 37
一、政策需求 37
二、措施建议 41
本章参考文献 45
第二章　空间天文学 46
第一节战略地位 46
第二节发展规律 50
一、发展阶段 50
二、发展规律 53
三、研究特点 55
第三节发展现状 57
一、国际主要项目 57
二、国外战略规划 64
三、中国发展现状 67
第四节发展布局 81
一、发展目标和科学问题 81
二、计划布局和优先领域 82
二、空间任务建议 85
三、预先的空间项目 87
第五节保障措施 91
一、先导专项 91
二、空间站 92
本章参考文献 93
第三章　太阳和空间物理学 96
第一节战略地位 96
一、前沿领域 97
二、迫切需求 99
第二节发展规律 100
一、太阳物理发展历程 101
二、空间物理发展历程 103
第三节发展现状 105
一、国际战略 105
二、探测计划 107
三、发展趋势 115
四、发展现状 117
第四节发展布局 123
一、发展目标和科学问题 123
二、计划布局和优先领域 126
第五节保障措施 133
一、完善协同创新机制 134
二、增加整体经费投入 134
三、建设自主保障能力 135
四、提高自主创新水平 135
本章参考文献 135
第四章　行星空间环境学 137
第一节战略地位 137
一、影响星球宜居性和生命演化 137
二、提供天然的等离子体实验室 138
第二节发展规律 140
一、月球 141
二、类地行星 142
三、巨行星 144
四、小天体 146
五、行星际 148
第三节发展现状 149
一、月球探测 149
二、类地行星探测 151
三、巨行星及其卫星探测 154
四、小天体探测 156
五、行星际探测 157
第四节发展布局 159
一、发展目标和科学问题 159
二、计划布局与优先领域 169
第五节保障措施 180
一、搭建学科发展平台 180
二、完善教育培养体系 180
三、提升学科交流平台 181
四、推动硬件平台建设 182
五、部署重大研究专项 182
六、加强专业人才培养 183
七、深化公众科普宣传 185
八、扩大国际交流合作 186
本章参考文献 188
第五章　空间地球科学 189
第一节战略地位 189
第二节发展规律 192
第三节发展现状 197
一、国际现状 197
二、国内现状 198
第四节发展布局 205
一、发展目标和科学问题 205
二、计划布局与优先领域 206
第五节保障措施 220
本章参考文献 221
第六章　微重力科学 223
第一节战略地位 223
一、微重力流体物理 224
二、微重力燃烧 224
三、空间材料科学 225
四、空间基础物理 226
五、空间生物技术 227
第二节发展规律 228
一、实验平台 228
二、流体物理 231
三、燃烧科学 234
四、材料科学 236
五、基础物理 239
六、生物技术 247
第三节发展现状 253
一、实验任务 254
二、流体物理 259
三、燃烧科学 261
四、材料科学 262
五、基础物理 266
六、生命科学 275
第四节发展布局 280
一、发展目标和科学问题 280
二、计划布局和优先领域 282
第五节保障措施 289
一、结合理论模拟与实验 289
二、加强设施建设和利用 290
三、利用好空间实验机会 290
本章参考文献 293
关键词索引 295