[航天史料]中国空间科学发展的现状与趋势

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(选自天文爱好者1996年第五期。作者李喜先)

空间科学是主要利用空间飞行器研究发生在宇宙空间的物理、化学和生命等现象,以及在空间飞行所获得的微重力等环境中研究物质变化的一门综合性科学。它是众多相关学科共同作用于空间而融合成的一门交叉科学。在短短数十年的历史中,它已经迅速地得到了发展,并已具有五十多门分支学科了。这主要包括空间天文学、空间物理学、空间化学、空间地质学、空间生命科学、空间医学、空间微重力科学、空间材料科学和空间地球科学(由地球行星研究而形成)等,及其分支下的分支子学科。

中国空间科学于20世纪50年代末开创了空间物理学和空间生命科学等分支学科研究,并形成相应的研究机构,在大学中设立了系和专业;近年来,又开拓了微重力科学研究。在各分支学科中,空间物理学,特别是日地空间物理学发展得比较充分,取得了很大的进展,在理论上有许多研究领域已跨入了国际研究水平的行列,少数理论研究已达到了国际先进学术水平。其他分支学科,如空间天文学、空间化学和空间生命科学等也得到了较好的发展。自从中国制定和实施了高新技术研究发展计划(863计划)后,中国空间科学的发展又面临着新的希望。在这一新形势下,中国空间科学将会进入一个新的发展时期。

一、发展现状

(1)空间物理学

中国空间物理学与其他分支学科相比,得到了较大的发展,取得了一批重要的研究成果,包括在国内外学术刊物上发表了一批论文,并有《高空大气物理学》、《日地空间物理学》和《空间物理学进展》等专著;研究了太阳辐射等热源对热层大气的影响、1000~3000公里大气结构、行星大气散逸与外层大气结构、行星大气的辐射吸收传递过程,以及地球与行星大气和表面热状态的演化等具有国际水平。此外,还有流星与高空大气相互作用的动力学和热力学研究、高空大气的潮汐理论和热层大气理论模式研究,以及中层大气的湍流过程和声重波传播特性研究等,都达到了较高的水平。电离层研究有较好的基础,既有理论研究,又有实验观测。全国共有十多个电离层观测台站,形成了观测网,长期地获得了科学数据,为理论研究奠定了基础,使在电离层赤道区异常和不均匀结构研究、电离层磁层电流体系研究,以及大气行星波和两年准震荡(Q·B·Q)对电离层结构的影响等方面取得了很大的进展;同时,还应用电离层研究成果和实测数据进行了电离层预报,为中国的通讯、导航等事业作出了重大的贡献。中国磁层物理学的成就,突出地表现在理论研究中,如提出了一种新的磁重联理论——涡旋诱发磁重联理论、与美国学者共同提出多重X射线重联理论,并在磁层等离子体稳定性和波的激发机制、磁层动力学和磁层亚暴过程、木星磁层磁盘模式、磁层等离子体混沌现象模拟、磁层-电离层耦合过程研究中取得了重大的进展。中国科学家建立了阿尔文起伏的波能串级理论,并与0.3天文单位到1天文单位以外的空间范围所观测到的结果一致。在日冕物质抛射事件的形态及形成机制、太阳引起的共转扰动、行星际激波的结构及其传播特性、行星波动向磁层的传播、不同行星际结构产生的磁暴类型、宇宙线传播过程等研究中也获得了重大的进展。二十世纪八十年代以来,在日地系统整体行为和日地系统能量传输两个重大领域的研究中,取得了很多成就,推动了空间物理学的发展。

(2)空间天文学

20世纪70年代,中国开创了空间天文学研究。当时,主要靠建立高空气球系统实现空间观测,并在河北省香河县发放和测控地面站,成功地发放了一系列体积为5~30万立方米的实验气球,进行了一批硬X射线天文和红外天文观测。80年代,中日合作进行了越洋飞行,飞行时间长达16小时;90年代,中俄合作在北半球飞行,飞行时间长达70~90小时。这些飞行观测为发展空间天文学奠定了基础。后来,成功地研制了有效面積约500平方厘米的高压充氙多丝正比室,用于气球硬X射线观测,并先后对武仙座X-1、天鹅座X-1、天鹅座X-2、天鹅座X-3以及太阳等天体进行了观测,取得了一批有价值的观测结果。同时,还发展了有效面积为150~300平方厘米的闪烁晶体硬X射线望远镜(HAP-1、HAP-3),并用HAPI系列望远镜观测了蟹状星云脉冲星、天鹅座X-1等天体。中国、俄罗斯、德国三国合作,研制成功有效面积为1600平方厘米的大型复合X射线望远镜HAPI-4,并用该望远镜对天鹅座天区进行扫描观测。这在世界上是首次成功地用准直调制探测器实现了高精度成像的空间观测,获得了天鹅座X-1的硬X射线成像。此外,还研制了15厘米口径牛顿式红外望远镜,对太阳、银心等天体进行了红外天文观测。

(3)空间化学与空间地质学

中国空间化学与地质学已步入了逐渐成熟的发展时期,并开拓一系列新领域的研究。在太阳星云凝聚的物理化学过程研究中,根据各类陨石的化学、矿物成分及其形成条件,提出了太阳星云中元素分布模式与元素分馏过程的新认识,计算机模拟星云中元素凝聚过程,为太阳星云的平衡凝聚模型提供了新论证。此外,对地球和类地行星化学演化,小天体的化学演化,宇宙尘的收集、化学组成与判别标志等研究取得了可喜的成果,并提出了地外天体撞击地球而引起地表气候、环境灾变和全球生物灭绝的理论模式,对陨石研究也有显著的进展。关于地球原始不均一性对全球成矿与构造演化的控制,中国科学家提出了新的地球演化观。

(4)空间生命科学

空间生命科学主要包括空间生物学(空间环境生物学和空间重力生物学)、空间生理学、空间微生物学、空间遗传学、空间神经科学、空间生态学和地外生物学等分支学科。中国在主要分支学科上有较大进展,但地外生物学、空间生态学等分支学科几乎处于空白状态。中国曾利用探空火箭进行过生物学实验,取得了一些初步知识。近年来,利用了中国卫星和地面模拟实验,研究宇宙辐射、重力因素等对生命过程的影响。同时,在理论上对空间脑科学、微生物学、生理学等进行了研究,取得了很大的进展。

(5)空间医学

空间医学主要包括空间毒理学、空间药理学、空间免疫学、空间心理学等分支学科。中国空间医学始于20世纪50年代,后为拟定的载人航天计划所推动,含航天员的选拔标准、方法和最佳训练方案以及生命保障系统的研究等。同时,开展了在空间环境中出现的保护性免疫反应及其损伤的标准、预防,重力变化对生理机能的影响等方面的研究。中国空间医学又同空间工程技术结合,形成了一门新兴的综合性的空间医学工程学,又称航天医学工程学。近几年来,在863-2计划和载人航天工程任务的推动下,得到了迅速的发展。

(6)空间微重力科学

空间微重力科学主要包括空间流体科学、空间材料科学和空间生命科学等相关部分。近几年来,中国在863-2计划、载人航天工程实施和基础研究的推动下有了迅速的发展。主要进行了空间飞行实验、地面模拟实验,并开展了理论研究。浮区对流是典型的热毛细对流过程,中国进行了系统的研究,提出了液体体积自由面形状及重力水平对转换过程的影响,发展了非接触诊断法,并在国际上首次测量出表面波的特征。空间材料科学的重点是以半导体晶体生长和金属合金制备为主,并利用了回地卫星进行多次实验,在熔体法生长砷化镓、溶液法生长α碘酸锂等方面取得了可喜的成果。空间生命科学与技术是以蛋白质晶体生长和细胞培养为主,并利用回地卫星进行了蛋白质晶体生长实验,生晶率达50%,其中有的单晶达1.2到1.4毫米,X射线衍射分析的结构比地面生长的要好。此外,还进行三次细胞培养实验、小动物生长实验。

二、发展趋势

从国内空间科学的形势中可以判断,在1995到2020年里,中国空间科学必须要确立起在现实条件下求发展的战略思想,迎难而上,抓住机遇,以求得更大的发展。

今后,首先要依靠863-2计划和载人航天工程发展空间科学,特别是开创微重力科学。在面临新的形势下,必须正确地选择战略重点。根据多种因素的考虑,在一个相当长的时期内,中国将选择日地空间物理学、微重力科学、地球系统科学、空间天文学和空间生命科学作为发展的五个战略重点。

(1)日地空间物理学

日地系统是由太阳、行星际介质、磁层、电离层和大气层组成的有机整体,各个部分发生着强烈的非线性相互作用,其整体行为绝不等于各个部分简单的线性和。日地系统整体行为研究的科学目的,是要从太阳内部一直到地球表面,把各个部分有地的联系起来,完整地了解这一物质系统的耦合过程,即要研究太阳各种形式的能量、太阳粒子流和磁场在日地系统各部分中产生的物理和化学过程。

日地系统是唯一的能成为我们直接地、比较详细地研究的典型天体系统,也是我们能够进行就地测量的天然宇宙等离子体系统。加强对它的研究,能使我们深刻地理解许多遥远天体系统的物理过程,从而直接地开拓了一条了解宇宙及人类在宇宙中的地位的道路。

日地系统是与人类关系最为密切的天体系统。加强对它的研究,能够增进我们对空间环境的认识,使我们对空间环境的监测和预报能力达到一个高级阶段。这包括在空间活动、通讯、电力、能源、地球物理勘探、航行等方面所产生的效益。如以往在涉及空间系统的过程中,已吸取了日地系统研究的智力资源,并利用了数据库。日地系统发生的变化将影响生态系统,因此,也必须把日地系统与生物圈看作一个紧密的匹配系统,才有利于解决人类现在生活和未来生存这一重大问题。

现在,人类的生活环境和生活范围在不断扩大,空间活动也日益频繁,未来空间工业化的前景已经展现出来,人类正在加快进入空间开发的时代。这一切,迫切需要我们加强与人类自身的生存和未来的命运紧密联系的日地系统的研究,而日地系统整体行为研究就是实现这一远大目标的重要步骤。

为了达到这个目的,宜在第九个五年计划期间攀登计划中列入继续深入的重大课题——日地空间扰动及其对人类影响的研究。为此,必须着手制定一个可实施的日地空间物理研究计划。在此计划中,应包括设计在2000年左右发射一颗科学思想先进、轨道合理的日地空间物理卫星,并与地面协同进行多种观测 ,含通过中国地面台站、沿东经120度地磁长链和在南极地区进行观测等。

(2)微重力科学

在空间微重力极端环境中,开创物理、化学、生物现象研究,为研究许多基本理论和规律,诸如验证广义相对论、重整化群理论和燃烧规律等,提供了有利条件。这还为发展空间材料科学等奠定了基础,为未来可能实现的空间产业迈开第一步。

中国今后十年的微重力科学将会有较好的发展,国家微重力科学与应用重点实验室已经成立,它在学术上侧重于交叉学科的研究,同时对微重力科学研究提供公用服务系统。微重力科学实验将成为中国微重力科学研究的核心。中国空间利用计划中,微重力科学研究将继承目前的研究基础,使中国微重力科学研究更加深入和全面地开展。中国空间实验的机会将会增加,硬件研制的定量化水平将会提高,同时,地基研究将会更加深入地开展。此外,在基础研究方面,预计也会有所安排。一般而言,中国的微重力科学研究将侧重于应用背景的方向,开展应用基础研究。微重力科学基础性研究估计在今后一段时间内还难以较好地发展。

(3)地球系统科学

今天,人类已将地球作为一个独具特色的行星来认识,以从中寻求实际效益,并迎接人类面临的全球变化的挑战。为此,必须运用系统思维方式,把地球视为一个系统来研究,从而联结成一门崭新的地球系统科学——全球性多学科创新的前沿科学。中国必须开展这门科学研究,并参与全球合作研究计划,才最有利于科学地理解全球变化的性质和原因,为解决全球性和中国区域性的重大问题做出贡献。

(4)空间天文学

中国应主要发展天体物理学,实现空间观测。可以说,现代天文学的大部分突破性成就来自空间天文学研究。因此,中国要调整力量部署,发挥优势。为此,将来要发射:

(1)高能X射线调制望远镜(HXMT)

采用中国科技工作者建立的直接解调对象重建方法,实现对硬X射线的高灵敏度、高分辨率成像,灵敏面积5100平方厘米,比预定于2001年发射的欧、美、俄合作的高能天文卫星(INTE-GRAL)的硬X射线成像望远镜面积大一倍,角分辨率10角分(INTE-GRAL为17角分),宜于2000年左右发射,它将成为世界上最灵敏和分辨力最高的硬X射线成像系统。

(2)空间太阳望远镜

中国经过二十多年的研究,已成功研制出在世界上占据了领先地位的地基太阳望远镜。为了充分发挥这一优势,正在计划和设计在空间运行的空间太阳望远镜,若能于21世纪初发射,将继续保持在世界上的领先地位!

为了中国空间科学能持续稳定地发展,必须采取强有力的战略措施。这主要包括建成一个起到核心作用的空间科学和应用研究中心、一个空间物理学开放实验室、一个地球系统科学示范实验室,和一个以空间天文学为主的天文台。

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