中国应直面重大科学前沿开启星际探索新征程科技导报

　　《起源、世界和生命：20232032年行星科学和天体生物学》是美国科学院发布的第3份用于指导太阳系探索未来10年发展的战略规划文件（简称2023规划报告），涵盖科学探测任务、基础前沿研究和先进探测技术等。该报告首次包括了行星防御内容，并新增了对空间科学人文和社会价值的阐述。
　　本文解读了该报告的核心内容，并得出了两点启示：美国行星科学规划坚持科学牵引的诸多做法值得借鉴，中国应直面重大科学前沿开启星际探索新征程。
　　1958年10月，与美国国家航空航天局（NASA）成立几乎同步，美国国家科学院在其工程和物理学部下专门成立了空间研究委员会（SSB），根据NASA委托，组建由各领域领衔科学家构成的特设专家委员会，以10年为周期，持续发布十年调查发展战略规划报告，反映空间科学界取得共识的最重要科学问题以及应优先实施的科学探索任务清单。
　　十年调查报告是NASA制定未来空间科学卫星计划和遴选未来项目的重要依据，对美国保持世界空间科学领先地位起到了至关重要的作用。
　　2023规划报告编制情况
　　2019年初，NASA空间科学任务部（SMD）行星科学处（PSD）向SSB提出请求，请后者确定新版十年调查的相关行动和议题，2023规划报告编制启动。2019年底，明确了行星科学、天体生物学和行星防御的定义和研究的迫切性，目前亟需回答的科学问题、目标和挑战，以及未来10年的全方位研究战略等近10个重要事项。
　　实际上，为完成2023规划报告，SSB从建立专家组（两级）、征集项目建议，到开展集同论证、完成优先级排序，相关实践都很有特点。
　　2022年3月24日，2023规划报告由美国国家科学院批准发布，所涉及的空间科学任务项目主要在预算框架下实施。此外，也覆盖了由美国国家科学基金会（NSF）组织的重要科研活动。
　　2023规划报告的主要内容
　　01hr提出3大科学主题和相应科学问题
　　2023规划报告认为，行星科学、天体生物学和行星防御领域亟需重点关注的3个科学主题为行星起源、天体结构和演化以及生命和宜居性（图1）。
　　图12023规划报告提出了行星科学未来10年的3大科学主题和优先科学问题〔1〕
　　指导组根据3个科学主题，统筹载人航天和行星防御2个相关主题的需求，明确了12个应优先研究的科学问题（表1）。
　　02hr推荐一系列科学卫星任务
　　2023规划报告推荐了大、中、小型科学卫星（广义，包括各类深空探测的轨道器、着陆器、巡视器和返回器等）任务：大型即旗舰型任务；中型指新疆域计划（NF）；小型主要是指发现计划以及新增的小型创新型行星探索任务（SIMPLEx）。
　　1、新推荐2项大型任务
　　2023规划报告推荐了2项大型任务天王星轨道器和大气探测器（UOP）、土卫二环绕和着陆探测器。
　　UOP（图2）被列为20232032十年周期中最高优先级的大型任务，旨在开展环绕天王星的科学探测以及深入天王星大气层的就位探测，将改变我们对于冰巨星特别是天王星系统的认识。2023规划报告建议NASA于2024财年启动该任务。
　　图2天王星轨道器和大气探测器任务概念
　　（来源：NASA）
　　土卫二环绕和着陆探测器（图3）可作为第二优先级的大型任务，将在1。5年的环土卫二轨道以及2年的着陆期内，对土卫二的羽流成分进行探测和分析。其主要科学目标是寻找生命证据，并揭示生命探测实验所需的地球化学和地球物理学特性。2023规划报告建议NASA于2029财年启动该任务。
　　图3土卫二环绕和着陆探测器任务概念
　　（来源：NASA）
　　2、新遴选21项中型任务
　　1）新遴选NF6和NF7两项任务。
　　NF6任务可从以下8个科学探测主题中择优遴选，8进1：（1）半人马座轨道器和着陆器；（2）谷神星采样返回；（3）彗星表面采样返回（CSSR）；（4）土卫二多次飞掠探测；（5）月球地球物理台网（LGN）；（6）土星探测器；（7）土卫六轨道器；（8）金星原位探测卫星（VISE）。
　　NF7任务将面向以上8个科学探测主题中未被成功遴选的7个主题以及海卫一飞掠探测三叉戟任务（TRIDENT）进行遴选，8进1。
　　2）继续开展2013规划报告中NF5任务的遴选。
　　由于新冠疫情影响，NF5任务推迟至2024年或以后。NF5从以下科学探测主题中择优遴选，7进1：（1）彗星表面采样返回任务；（2）月球南极艾肯特盆地（SPA）采样返回；（3）地下海洋探索（仅土卫二）；（4）土星探测器；（5）金星原位探测卫星；（6）木卫一观测者；（7）月球地球物理台网。
　　3、新遴选5项小型任务
　　发现计划通过高频次实施低成本、高效益的小型行星探测任务，回答太阳系起源演化的关键科学问题，确保美国太阳系探索计划的连续性，提高公众对行星科学的关注和支持，已经取得了系列原创科学发现和前沿技术突破（表2）。
　　此外，在发现计划框架下，2023规划报告建议继续搭载实施系列小型创新型行星探索任务（SIMPLEx），其成本上限不超过0。8亿美元。
　　4、继续实施2013规划报告中的大型任务
　　木卫二快船任务（EuropaClipper）是2013规划报告推荐的天体生物学大型任务（图4）。
　　图4木卫二快船任务概念（来源：NASA）
　　木卫二快船计划于2024年10月发射，旨在开展多次飞掠，为木卫二（Europa）地下海洋的探索奠定关键基础。另外，尽管NASA曾宣布木卫二具备生命所需的全部条件，但该任务的主要科学目标还是确定木卫二表面之下是否存在支持生命的海洋环境和区域。
　　5、继续推进火星探索计划
　　NASA火星探索计划（MEP）始于1993年，是一个科学目标驱动、技术实现支持的、长期持续的行星科学探测项目。
　　1）实施大型任务火星采样返回任务第2步。
　　火星采样返回任务（MSR）是横跨两个10年调查报告周期的大型任务。MSR第2步是20262028年通过多次地球发射和火星发射，2031年将约600g的火星样本返回地球。任务预算非常大，拟由NASA和ESA联合实施。
　　十年调查专委会提出，MSR的任务成本不应严重影响行星科学其他任务。假如其预算超过2023规划报告建议的53亿美元，或超过该领域每年度预算的35，NASA应该与美国政府和国会商讨预算增加特别提案。
　　2）积极筹备中型任务火星生命探索着陆器。
　　火星生命探索着陆器（MLE）是MEP计划的下一个火星中型任务（图5），将寻找现存生命，并通过探测火星低纬水冰对其目前宜居性进行评估。
　　图5火星生命探索着陆器任务概念（来源：NASA）
　　6、积极推进月球探索计划的中型任务坚韧A月球车
　　图6坚韧A月球车任务概念（来源：NASA）
　　坚韧A（图6）属于月球探索计划（LDEP），旨在采集样本并将其运送至特定地点，等待宇航员将样本带回地球。该任务有望改变人类对月球和太阳系早期历史的理解。2023规划报告建议，在20232032周期的中期启动该任务。
　　7、全力支持行星防御近地天体勘测者空间望远镜研发
　　飞镖双小行星重定向测试卫星（DART）已于2021年11月24日发射升空，撞击编号为65803的双小行星迪蒂莫斯，开展人类首个主动行星防御任务技术试验，未搭载科学载荷。
　　2023规划报告建议，全力支持近地天体勘测者空间望远镜（NEOSurveyor）的研发、按时发射和运行。该任务旨在开展空间中红外巡天观测，评估相关干预技术以及表征新发现的危险天体。
　　此外，在DART任务和NEOSurveyor之后，具有最高优先级的行星防御验证任务应是一项新的NEOs表征任务。
　　03hr强调重视基础研究和先进探测技术创新
　　1、确保基础研究投入和队伍规模
　　打通行星科学的最后一公里，须对相关基础研究和数据分析进行强有力、稳定的经费支持，实现4重目标：（1）基于深空探测数据的科学产出最大化；（2）助力科学家深化科学认识，并提出可证实的新理论；（3）培育未来新的空间科学任务概念；（4）培养多元化的科学研究队伍。
　　2023规划报告建议，PSD应持续增加对基础研究的投入，其预算占比最少应达到PSD年度总预算的10。在这个10年周期的中期，NASA应与一个独立专家组联合评估是否达到推荐的预算水准。与此同时，NASA和NSF联合优化相关机制，促进基础研究计划获得更重大的产出。
　　关于人才队伍，2023规划报告建议：梳理行星科学界的人力组成；评估PSD基础研究支持的科学队伍规模；为行星科学家提供更多的机会，如加强工业界和学生之间的联系。
　　2、部署先进空间探测技术预研
　　2023规划报告对先进空间探测技术的发展方向和体制机制提出了前瞻判断和政策建议。
　　1）提出面向未来10年及以远的先进空间探测技术。
　　行星科学和天体生物学领域需要研发的有效载荷技术要覆盖4类：（1）就位探测仪器；（2）遥感探测仪器；（3）搜寻生命证据的仪器；（4）就位采样、预处理和分析技术。
　　亟需研发的空间探测共性技术包括但不限于：行星自主探测技术、冷低温采样返回技术、行星保护和污染控制技术、放射性同位素热电发动机放射性同位素供电系统、次表面介入探测技术等。
　　2）增加经费投入，加强总体建设。
　　（1）应努力将行星科学探索相关技术投资占到PSD预算的68；NASA空间技术任务部应确保其对空间科学任务部的投入约占其总预算的30，在PSD的投入不少于其总预算的10；
　　（2）大力加强总体性机构建设，提升行星探索科学技术办公室（PESTO）的总体管理权限和能力，使其全面了解所有行星科学、天体生物学和行星防御技术研发工作，总体负责所有技术的研发。
　　04hr以行星科学为主兼顾学科交叉和人文特色
　　2023规划报告与之前版本的十年调查报告相比，突出了学科交叉特色，更加强调了新兴交叉领域天体生物学，并加入了行星防御的内容。
　　NASA要求SSB研究行星科学的学界现状（SoP），包括多样性、公平性、包容性和可及性（DEIA）议题。这是学界现状评估首次进入行星科学领域十年调查报告。
　　十年规划实施成效显著
　　进入21世纪，美国已发布了3份行星科学十年调查报告（图7），分别是《太阳系探索新前沿（2003）》，《愿景和远航：20132022年行星科学》和《起源、世界和生命：20232032年行星科学和天体生物学》。3份行星科学十年调查报告极大指引了NASA太阳系探索任务的遴选和实施，业已取得多项原创科学突破。行星科学大中小各型任务也已经产出了丰硕的科学成果，更新了人们对太阳系行星起源和演化历史的认知。
　　图7行星科学3份十年调查报告封面
　　思考和启示
　　美国行星科学规划坚持科学牵引的诸多做法值得借鉴
　　2023规划报告既延续了美国国家科学院系列十年调查的风格，也凸显了行星科学自身特点。为回答12个重大科学问题而推荐的大中小型深空探测任务，2023规划报告编制过程充分考虑了投资等资源约束，按理想发展态势和均衡发展态势两种发展前景配置项目、推荐任务实施窗口。
　　与此同时，2023规划报告也呼吁重视基础科学研究，超前部署先进技术。而欧洲远航2050规划也有类似的安排。
　　中国应直面重大科学前沿开启星际探索新征程
　　中国行星科学起步较晚，但是依托探月工程和行星探测工程建立的地外天体绕落巡返能力，迎来了加速发展的新时代。2021年11月，国务院学位委员会批准中国科学院大学自主设置行星科学一级交叉学科，对中国继续实施行星探测工程和行星科学研究影响深远。
　　中国正在加快建设空间科学强国，《2021中国的航天》白皮书指出中国将实施探月工程四期，开展小行星探测、火星采样返回等天问系列任务，力争在2049年实现太阳系边际探测。
　　图8金星火山和气候探测（VOICE）科学卫星任务概念图
　　希望未来国家能在科学目标牵引下，不以大小论英雄，布局实施一批中小型或机遇任务，加大基础研究支持力度、倾斜支持先进有效载荷研发，为科学家提供更多的太阳系空间探索机会（图8）。
　　参考文献：
　　〔1〕NationalAcademiesofSciences，Engineering，andMedicine。Origins，worlds，andlife：Adecadalstrategyforplanetaryscienceandastrobiology20232032（2022）〔R〕。Washington，DC：TheNationalAcademiesPress，2022。
　　论文作者：王赤、白青江、时蓬、宋婷婷、李明、范全林作者简介：王赤，中国科学院国家空间科学中心，研究员，中国科学院院士，研究方向为空间物理和空间天气学；范全林（通信作者），中国科学院国家空间科学中心空间科学与深空探测规划论证中心，正高级工程师，研究方向为空间科学发展战略、政策和规划论证。
　　论文全文发表于《科技导报》2022年第15期，原标题为《美国行星科学20232032年规划及启示》，本文有删减，欢迎订阅查看