新視角下的空間探測意義淺談

劉文東 張雨琮 端木新亞 徐桂靈 韓婷葦 譚小易 張璐璐 魏 勇 王譽棋

（1.中國科學院大學 101408；2.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 100029；3.中國地震局地球物理研究所 100081；4.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院 100094）

1970 年，贊比亞修女Mary Jucanda 給Ernst Stuhlinger 博士寫了一封信，信中問道：目前地球上還有那么多小孩子連飯都吃不到，他怎么能舍得為遠在火星的項目花費數(shù)十億美元。Ernst Stuhlinger很快給Mary Jucanda回了一封信，并附上了一張題為“升起的地球的照片”。他這封信隨后由NASA以《為什么要探索宇宙》發(fā)表。為什么要探索宇宙？自人類誕生始，對宇宙的探索就從未中斷過。中國古代就有欽天監(jiān)專門掌管觀察天象，在古代西方，神也總是與星空聯(lián)系在一起，一直到近現(xiàn)代，擺脫了愚昧的“神學”束縛，科學技術(shù)不斷發(fā)展，我們才開始了真正的空間探測。空間探測指的是對地球高層大氣和外層空間所進行的探測，這是人類正在進行的一場空前的偉大事業(yè)，實現(xiàn)了人類探索自然的旅程從“仰望星空”到“觸摸星空”的歷史性轉(zhuǎn)變。

1.空間探測——刻在人類基因中的夢想

哲學上有三大問題：我是誰？我從哪里來？要到哪里去？空間探測的誕生與發(fā)展可能會帶給我們新的思考。

有人曾說，人類的歷史可能就起源于數(shù)萬年前某一生物仰望星空時思考的那一瞬間，之后便開啟了這一璀璨的紀元。自古以來，人類就在不停地思考宇宙。一部分對于宇宙的正確認識讓人類創(chuàng)造了歷法，另一部分無法理解的奧秘便以嫦娥奔月，女媧補天等神話故事的形式反映了出來。雖然受限于科學技術(shù)的發(fā)展古人無法完整地認識宇宙，但是他們也認真地思考了人與宇宙的關(guān)系，故此有莊子夢蝶逍遙九天之上，屈原仰望發(fā)出天問之聲。

近代以來，伴隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人類終于有能力去探索我們一直以來的疑問——天上到底有什么？隨著1957年第一顆人造衛(wèi)星上天，我們揭開了宇宙神秘的面紗，但只是以儀器作為我們的眼睛，我們不曾切身地去感受。直到1969年第一個人類登上月球，阿姆斯特朗邁出了他的一小步，也邁出了人類探索地外空間的一大步?？晌覀兊膲粝?yún)s不僅僅止于此，接下來我們將探測目標對準了火星、金星、木星等行星，這些都是刻在人類基因里的夢想。

空間探測不僅滿足了人類探索的欲望，也促進了各界的技術(shù)革新。其計劃每年孕育大約1000 多項技術(shù)革新，這些技術(shù)革新大幅度提高了人類的生活質(zhì)量，幫助人類研制出性能更卓越的廚房設(shè)備、農(nóng)場設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、通訊設(shè)備，等等。空間探測所孕育出來的很多新技術(shù)和新方法所能夠給人類帶來的益處將遠遠超過付出的成本。

空間探測對基礎(chǔ)科學的研究也有著重要的作用?？臻g是一個天然的實驗室，那些危險的真空、輻射、微重力環(huán)境對材料提純、金屬冶煉、制藥育種等方面的研究來說是不可多得的實驗條件。這些實驗顛覆人們的常規(guī)認知，加深了科學家對于基礎(chǔ)科學的理解。隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展，探測區(qū)域由近地空間向外擴展到月球、地外行星和行星際空間，并且依賴于物理學、天文學、生物學和醫(yī)學等領(lǐng)域的共同研究，它像是一個連鎖反應(yīng)，很大程度上促進了科學和技術(shù)的協(xié)同進步。

2.空間探測技術(shù)改善人類生活

空間探測技術(shù)正應(yīng)用于生活的方方面面。每年約有一千余項來自太空項目的新技術(shù)被應(yīng)用于生活，我們早已受益于空間探測而并未察覺。其中，人造地球衛(wèi)星是發(fā)射數(shù)量最多，用途最廣，發(fā)展最快的航天器，主要用于地球資源監(jiān)測、通信、導航等各個領(lǐng)域。

地球資源衛(wèi)星是人造地球衛(wèi)星中應(yīng)用最廣泛的一類。地球資源衛(wèi)星能迅速、全面、持續(xù)地提供有關(guān)地球資源的情況，在地球資源開發(fā)與國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。以農(nóng)業(yè)為例，如今，利用衛(wèi)星傳感器記錄的多光譜、大范圍、長時序的地球遙感影像，結(jié)合各種模型，我們高效、準確地實現(xiàn)了對植被生產(chǎn)力的估算、對全國乃至全球耕地面積的提取、對作物產(chǎn)量的估算、對受災(zāi)后(旱澇災(zāi)害、病蟲害等)作物災(zāi)情的監(jiān)測等。星載傳感器以更高效、實惠的方式記錄下地表反射的可見光以外的波段，幫助我們更好地獲取人眼看不到的數(shù)據(jù)，從而掌握新的信息，這為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)活動的開展提供決策支持，有著巨大的經(jīng)濟價值。

隨著智能手機的普及，導航衛(wèi)星走進大家的視野。整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由導航衛(wèi)星、地面臺站和用戶終端三個部分組成。利用飛行的衛(wèi)星不斷向地面廣播發(fā)送特定頻率并加載某些特殊定位信息的無線電信號來實現(xiàn)定位、導航和測時。正是有了衛(wèi)星導航系統(tǒng)的出現(xiàn)，我們才能在攜帶終端設(shè)備的情況下知道自己身處何方。此外，導航衛(wèi)星在軍事、救援等多方面發(fā)揮著不可替代的作用。

通信衛(wèi)星是用作無線電通信中繼站的人造地球衛(wèi)星。通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無線電信號，實現(xiàn)衛(wèi)星通信地球站(含手機終端)之間或地球站與航天器之間的通信。一顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星大約能夠覆蓋40%的地球表面，使覆蓋區(qū)內(nèi)的任何地面、海上、空中的通信站能同時相互通信。在赤道上空等間隔分布的3顆地球靜止軌道通信衛(wèi)星可以實現(xiàn)除兩極部分地區(qū)外的全球通信。生活中，通信衛(wèi)星向公眾轉(zhuǎn)播電視、廣播節(jié)目，也填補了現(xiàn)有通信(有線通信、無線通信)終端無法覆蓋的區(qū)域，實現(xiàn)全球暢通。當發(fā)生災(zāi)害時，地面中繼站損壞，衛(wèi)星這個“永不受災(zāi)”的中繼站，成為救援工作的明燈。

智能手機搭載的圖像傳感器——互補金屬氧化物半導體，常被稱為CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，就是在空間探測項目的催化下誕生的。1990年，時任美國航天局局長的丹尼爾·戈爾丁(Daniel Goldin)對太空項目提出了“更快、更強、更低廉”的要求，在這一目標的促使下，物理學家和工程師Eric Fossum 帶領(lǐng)著他的團隊研發(fā)了具有像素內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移芯片攝像頭的有源像素傳感器，即CMOS。來自太空項目的CMOS已經(jīng)是當下各種微型相機、大多數(shù)單反、醫(yī)療內(nèi)窺鏡攝像頭等數(shù)碼相機中不可或缺的圖像傳感器。不斷改進的CMOS，以其小型化和低功耗的優(yōu)勢，正在逐步占領(lǐng)主流市場。

現(xiàn)代醫(yī)學離不開的核磁共振和CT誕生的技術(shù)基礎(chǔ)正是當年NASA 為了獲得更清晰的月球照片而讓噴氣推進實驗室開發(fā)的名為數(shù)字影像處理的技術(shù)。除此之外還有很多其他的發(fā)明，比如最早由NASA 為宇航員進行太空旅行而設(shè)計的保護墊后續(xù)發(fā)展成為的記憶海綿，嬰兒的尿不濕，還有方便面的脫水蔬菜包等最開始都是為了方便宇航員的太空之旅而設(shè)計的。

航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展能極大刺激科技的進步，計算機革命以及一些科技巨頭如比爾蓋茨、喬布斯等人的出現(xiàn)都少不了NASA的激勵，由此可見在航天產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展進步的中國市場未來也會涌現(xiàn)出大量的科技成果。喬布斯曾說過，人們不知道自己需要什么，直到你把它拿到人們的面前。而空間探測作為高精尖技術(shù)的集合，提供了一個需求，讓人們知道自己需要什么，進而發(fā)展相關(guān)技術(shù)，最終運用到人類的社會生活中。根據(jù)2016年的數(shù)據(jù)，中國每向航空航天事業(yè)投入1 元錢，就能在廣大的市場中獲得相當于12元的產(chǎn)出。

3.空間探測孕育空間學科

作為知識體系的學科是隨著知識發(fā)展的水平而不斷演進的。學科體系也是一個“生命體”，它不是一成不變的，而是隨著時代而發(fā)展、滿足時代需要的“活”的東西。學科建設(shè)的根本任務(wù)是解決問題。從知識生產(chǎn)的視角看，解決問題的過程就是創(chuàng)造新知識的過程。為了解決問題，學科的研究不再局限于某一個狹小的“鴿籠式”空間，而需要不分你我的多學科匯聚。在解決問題的過程中，一些學科進化了發(fā)展了，甚至又產(chǎn)生了新的學科。

隨著人類觀測手段的不斷進步，隨之而來的就是各種新問題，這就急需建設(shè)空間方面的相關(guān)學科來解決這些問題。空間探測技術(shù)的發(fā)展對于學科的影響體現(xiàn)在空間學科的發(fā)展時間、學科內(nèi)容以及學科的未來發(fā)展三個方面。

首先在發(fā)展時間上，空間科學的發(fā)展可以分為三個階段，裸眼時代、望遠鏡時代以及空間時代，階段的變化都是由關(guān)鍵性的空間探測技術(shù)的進步導致的。

天文學的歷史非常久遠，可以說是人類歷史上最古老的一門科學，而且是人類歷史上最早出現(xiàn)的精密科學。在人類還處于裸眼觀察的階段時，人們通過仰望星空來觀察星體的位置以及運行規(guī)律，天文學就萌生和發(fā)展了起來。一是源于先民漁獵和農(nóng)耕社會關(guān)于判斷方向、觀象授時、制定歷法等等的需要，二是源于先人信崇關(guān)于星象與人事神秘關(guān)系的占星術(shù)。

1608 年，荷蘭的一位眼鏡商漢斯·利伯希偶然發(fā)現(xiàn)用兩塊鏡片可以看清遠處的景物，受此啟發(fā)，他制造了人類歷史上的第一架望遠鏡。1609 年意大利佛羅倫薩人伽利略·伽利雷發(fā)明了40倍雙鏡望遠鏡，這是第一部投入科學應(yīng)用的實用望遠鏡。由此人類進入了望遠鏡時代，在此期間人們不僅能觀察星體的運行，還能觀測星體的表面特征。

1957年人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，人類首次克服了大氣層的障礙，對廣袤的宇宙空間進行直接觀測，空間科學的發(fā)展從而進入了空間時代。隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展，探測區(qū)域由近地空間向外擴展到月球、地外行星和行星際空間，空間研究的范圍也從近地環(huán)境拓展到行星科學、材料科學和生命科學等方面，從此空間學科開始正式地建立并快速地發(fā)展起來。現(xiàn)在的空間科學是指利用航天器研究發(fā)生在日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間的物理、天文、化學及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的科學?？臻g科學以航天技術(shù)為基礎(chǔ)，包括空間飛行、空間探測和空間開發(fā)等幾個方面。自第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射上天以來，不斷發(fā)射的探測器在對宇宙空間的探測中取得了豐碩成果，所獲得的地外知識超過了人類數(shù)千年所獲得知識總和的數(shù)倍。

在學科內(nèi)容的建設(shè)上，天文學作為空間科學最早發(fā)展起來的學科，在空間時代的背景下，又衍生出了空間天文學。傳統(tǒng)的天文學是在地面進行觀測，由于地球存在著稠密的大氣，在地面上，只能通過可見光以及射電兩個大氣窗口進行觀測，天文學從而產(chǎn)生了光學以及射電天文學兩個分支。但是空間技術(shù)的發(fā)展使得望遠鏡可以隨探測器進入太空，沒有了大氣的影響，空間天文學開拓出了紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學和γ射線天文學等嶄新的領(lǐng)域。

依托于天文學和地球物理學，伴隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間物理逐漸形成。隨著探測技術(shù)的發(fā)展，人類利用氣球、火箭等運載工具到達越來越高的空間，探測高層大氣的密度和成分、高空磁場、高能粒子、等離子體等，逐漸形成了研究高層大氣結(jié)構(gòu)、成分和動力學過程的高層大氣物理學，并使之逐漸演化成研究高空的物理和化學過程的高空學。1957年后，人造衛(wèi)星及大量探測器進入了宇宙空間，人們對空間的研究領(lǐng)域擴展到離地球十幾億公里的行星和整個行星際空間，高空學也進一步演化成空間物理學，并從地球物理學中分離出來成為一門獨立的學科。

空間化學的研究伊始于人們對于天外來物——隕石的研究。1833 年瑞典化學家貝采利烏斯(Berzelius,J.J)從隕星分析中第一次測定出宇宙物質(zhì)的化學成分，19世紀中葉誕生的光譜分析法使人們可以獲得恒星的化學組成的信息?，F(xiàn)在的空間探測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以登陸月球并采樣返回，對于更遙遠星體的采樣返回還未能實現(xiàn)，但也能通過探測器飛掠或繞行探測的方式進行研究。這些都拓展了空間化學的研究，現(xiàn)在的空間化學已經(jīng)可以分為：隕石化學、行星系化學、恒星化學、星際化學、同位素宇宙化學、宇宙線核化學等。

空間生命科學是研究宇宙空間環(huán)境中的生命現(xiàn)象及其規(guī)律的學科，屬空間科學和生命科學的邊緣學科。20世紀40～50年代，人類進入高空氣球和生物火箭試驗階段，即利用氣球和火箭進行空間生物學試驗，研究在地球高層大氣中的宇宙輻射、失重、加速度、噪聲和振動等條件下的生物效應(yīng)。60年代是生物衛(wèi)星和載人飛船的試驗、研究階段，載人航天的實現(xiàn)，使研究從理論性探討進入實踐階段，保障人在空間環(huán)境中的生命安全，促進了空間醫(yī)學、空間生理學、空間心理學和空間醫(yī)學工程的發(fā)展，積累了人在宇宙空間活動的必要知識。70年代開始，進入了建立空間站和對行星進行實測的階段，人類能長期在宇宙空間環(huán)境中正?；顒?。在空間時代，人類和生物在宇宙空間中的活動成為現(xiàn)實，從而產(chǎn)生了相應(yīng)的研究領(lǐng)域——空間生命科學，目前空間生命科學的研究內(nèi)容是利用空間飛行器來探索研究地外生命和探尋地外文明。

人們進入空間時代也只有短短幾十年的時間，空間科學的各個學科還處于初級的發(fā)展階段，各個國家的空間探測技術(shù)也存在一定的差距，空間科學的發(fā)展還是參差不齊的。以行星科學的發(fā)展為例，行星科學是一門新興交叉學科，形成于20世紀60～70 年代的第一次國際深空探測熱潮。它是研究太陽系內(nèi)與系外行星、衛(wèi)星、彗星等天體和行星系的基本特征，以及它們形成和演化過程的科學。行星科學以深空探測為主要研究手段，由地球科學、空間科學、天文學等學科交叉產(chǎn)生，其研究范圍覆蓋了行星物理、行星化學、行星地質(zhì)、行星探測等多個方面。

當今世界美國成為獨一無二的行星科學強國，源于其率先建立了行星科學學科和人才培養(yǎng)體系，以及科學引領(lǐng)深空探測的發(fā)展思路。而我國的行星科學在2019 年1 月6 日上午，中國科學院大學第四屆學位評定委員會第11 次會議評審通過了行星科學一級學科建設(shè)的培育工作的申請，此后，行星科學的學科建設(shè)，正式開始。如今正處于深空探測的第二次熱潮，我國已經(jīng)完成了月球探測的采樣返回工作?？臻g探測的發(fā)展會帶來越來越多并且越來越復雜的問題，不管是新學科的建設(shè)還是舊學科的發(fā)展，都需要通過多學科的融合來更好地解決問題。由此可見，行星科學的建立與我國的深空探測計劃相輔相成，脈脈相通。

4.空間探測增強文化自信

現(xiàn)代航天探索之父康斯坦丁有過這么一段著名的話：“地球是人類的搖籃，人類絕不會永遠躺在這個搖籃里，而會不斷探索新的天體和空間。人類首先將小心翼翼地穿過大氣層，然后再去征服太陽空間?！边@段話鼓舞了一大批數(shù)學家和物理學家投身于研究火箭和衛(wèi)星，造就了二十世紀后半葉航天時代的偉大繁榮。

中國要崛起，一個崛起的大國不能沒有自己的火箭和衛(wèi)星。1958年5月17日，在武昌召開的中共八大第二次會議上，毛澤東主席提出“我們也要搞人造衛(wèi)星”。十一年后的1970 年，成功發(fā)射了我國的第一顆人造地球衛(wèi)星。即使面對的是殘酷的現(xiàn)實，總有一些人愿意激流勇進、砥礪前行，他們?yōu)榱诵闹械睦硐胄拍钜е缊猿种?，十年如一日，做著單調(diào)而繁瑣的研究。他們的一生默默無聞，但他們的成就熠熠生輝，他們撐起了中國的脊梁，并且將這種國士無雙的精神傳承了下來。中國國務(wù)院批復同意自2016 年起，將每年4 月24 日設(shè)立為“中國航天日”，旨在宣傳中國和平利用外層空間的一貫宗旨，大力弘揚航天精神，科學普及航天知識，激發(fā)全民族探索創(chuàng)新熱情，唱響“發(fā)展航天事業(yè)、建設(shè)航天強國”的主旋律，凝聚實現(xiàn)中國夢航天夢的強大力量。

20世紀以來，人類在空間探測上取得的諸多偉大成就，增強了人類的信心和進取精神，讓人類相信自己有能力解決面臨的各種嚴峻考驗和挑戰(zhàn)。對于中國而言，空間探測大大提高了中國在世界上的威望，增強了中華民族的自信心。

5.走出地球搖籃，走向星辰大海

“探索浩瀚宇宙是全人類的共同夢想，要推動實施好探月工程四期，一步一個腳印開啟行星際探測新征程”。習近平總書記在北京人民大會見探月人員時這樣講道。截至2020年6月，人類已執(zhí)行深空探測任務(wù)約260 次，探測對象包括月球、太陽、大行星及其衛(wèi)星、矮行星、小天體(小行星和彗星)，乃至太陽系以外的天體。其中，美國在深空探測活動中處于領(lǐng)先位置。我國起步雖晚，但起點高、跨越大。

月球是離地球最近的一個天然衛(wèi)星，又蘊含著豐富的資源和能源以及特殊環(huán)境。所以探月可以作為深空探測的“中轉(zhuǎn)站”和空間技術(shù)的試驗點。探月不僅是各個國家深空探測的起步點，也是首選目標。半個世紀前，阿姆斯特朗首次登陸月球，邁出了“人類的一大步”，也使美國成為到目前為止唯一完成了載人登月的國家。2019 年美國公布了阿爾忒彌斯計劃，提出在2024 年前將重返月球，并最終建立月球基地的設(shè)想，作為前往火星或進行其他星際探索的中轉(zhuǎn)站?；仡櫸覈奶皆鹿こ?，具體分為三個階段，第一個階段是已經(jīng)圓滿完成的“繞、落、回”三步走計劃，證明我們國家具備了探測月球的技術(shù)能力；第二個階段是2030年前實現(xiàn)月球科研站基本型的“勘、研、建”，中國將與俄羅斯合作共建國際月球科研站，這將提升我們對月球科學與資源應(yīng)用的能力；第三個階段是對完成月球科研站的擴展與運營。在步入航天時代之初，人類就已經(jīng)實現(xiàn)了登月夢想，但我們距離真正地認識、開發(fā)和利用月球，還有很長的一段路要走。

火星作為距地球最近的類地行星之一，是目前行星探測的最大熱點，也是繼月球后最有希望載人登陸的地外天體。探測火星對研究宇宙演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源等問題有重大價值。從人類未來星際移民前景來看，火星也是太陽系中最值得研究的一顆行星。然而，與探測38 萬公里以外的月球相比，探測火星的難度要大得多。在2021年2月18日著陸的美國毅力號火星車完成了“受控飛行”和“制造氧氣”兩項創(chuàng)新技術(shù)試驗任務(wù)，為未來火星載人探測或駐留、生產(chǎn)火箭燃料提供了支撐。在火星探索上，中國雖起步晚，但也站在高起點上穩(wěn)步前行。我國于去年7月啟程的火星探測任務(wù)“天問一號”，已于今年2月被火星捕獲，5月火星車“祝融號”著陸，使我國成為首個通過一次發(fā)射實現(xiàn)“環(huán)繞、著陸、巡視探測”三大任務(wù)的國家。阿聯(lián)酋希望號也于2021 年2 月9 日進入火星軌道，將致力于研究火星氣候演化。這些探索將進一步為我們揭開火星的面紗，對火星的演化、是否存在過生命等問題給出更全面的解答。今后，火星探測仍是全球深空探索的重點目標，我國下一步計劃完成火星采樣返回探測任務(wù)，為2030年以后的載人登火做好準備。

除探月工程和天問計劃外，我國未來深空探測任務(wù)將重點開展月球永久陰影區(qū)探測、小行星采樣返回探測、火星采樣返回探測、木星系及行星際穿越探測、太陽系邊際探測等一系列深空探測活動。上述任務(wù)的實施，將會開拓我國深空探測的深度和廣度，獲取重大原創(chuàng)性科學發(fā)現(xiàn)，促進我國航天技術(shù)跨越式提升，有力推動行星科學全面發(fā)展。

縱觀各國的深空探測歷程，月球探測是開展深空探測的首選目標；火星是目前行星探測的最大熱點；小天體探測未來會成為深空探索領(lǐng)域的重點發(fā)展目標之一。探測方式日趨多樣，逐步由技術(shù)推動轉(zhuǎn)向科學帶動，各國之間的科學交流，大型探測任務(wù)的國際合作模式成為重要發(fā)展途徑。

探索宇宙，是刻在人類基因里的夢想，只要人類還存在就不會停止探索宇宙的步伐。但是近些年來，總有人提出空間探測無用論，認為人類現(xiàn)在進行空間探測只是秀肌肉的一種表現(xiàn)并沒有實際的經(jīng)濟價值，這是一種鼠目寸光的表現(xiàn)。2000 年前，我國的古人認為科學技術(shù)是奇技淫巧，只要實用就可以了，所以我們錯過了工業(yè)革命；200 年前，國人認為海洋不重要，我們生活在陸地上就夠了，所以我們經(jīng)歷了鴉片戰(zhàn)爭；不久的將來，我們不希望后人因為我們錯過了空間探測而落于人后。地球的資源終將會枯竭，人類的征途終將是星辰大海，空間探測也必將穩(wěn)步前行。