远航2050：欧洲空间科学的诗与远方

欧洲空间局（ESA）于2021年6月发布了最新版的空间科学中长期发展规划“远航2050”（Voyage 2050），引起各界关注。

本文对该规划进行了全面深入的科学解读，指出它瞄准2035-2050年发展周期，聚焦重大科学前沿，前瞻未来技术创新，确定了3个大型空间科学任务方向，梳理了14个中小型空间科学任务候选方向，提出了为实施这些任务或取得更长远的突破性科学回报而必须超前研发的有效载荷和关键共性空间技术领域，强调了面向未来培养下一代空间科学人才的重要性。

ESA公开发布的面向2035-2050年的新版空间科学中长期规划“远航2050”白皮书，尤其是明确了欧洲未来3个大型科学任务的方向，引发社会各界强烈关注。

作为一份空间科学中长期科学规划，“远航2050”的科学内容远非新闻报道能够涵盖和准确传播，非常有必要进行全面解读。

“远航2050”规划编制回顾

为着眼长远，ESA于2018年12月启动了“远航2050”规划工作，并耗时2年6个月完成。

ESA组建了两级专家委员会

“远航2050”规划高级专家委员会（以下简称高级专委会）、领域专题工作组（以下简称专题工作组）。

ESA科学部主任首先任命了高级专委会主席Linda Tacconi和共同主席Christopher Arridge，之后确定了其他11名成员，遴选过程充分考虑了组员在学科覆盖上的综合性和专业性、性别和地域/国别多样性。

2019年2月，第1次高级专委会决定，高级专委会成员不得领导或参与任何白皮书所建议的任务；专题工作组成员可以参与白皮书任务，但不能担任负责人，并应在讨论他们参与撰写的白皮书时回避。

2019年3月4日，ESA发布专题工作组征集通知，来自18个ESA成员国的218名科学家提交了申请。

2019年夏，成立了由50名专家组成的专题工作组，涵盖5个空间科学专题：太阳和空间等离子体物理；行星科学；星系、恒星和行星的形成和演化，天体化学与星际介质（ISM）；极端宇宙，包括引力波、黑洞和致密天体；宇宙学、天体粒子物理学和基础物理学。

专题工作组的主要职责是召集研讨会等，对规划征集到的科学任务概念白皮书进行初步评估，并向高级专委会提交白皮书的最终评估报告。

一些有意思的事实是，工作组成员中来自ESA较大成员国的专家比例下降；女性专家比例大于申请比例；处于职业中期的专家比例下降，处于职业初期的专家增加。

规划编制坚持了自下而上、同行评审原则

ESA在2019年3月4日同步发布了“远航2050”规划空间科学任务概念白皮书征集通知，共收到近百份白皮书。

“远航2050”规划中的科学任务概念所属领域分布

2019年10月，专题工作组召开研讨会，对该白皮书进行了初步评估。

2020年1月，ESA召开了高级专委会和专题工作组都参加的研讨会；2020年2月，专题工作组向高级专委会提交了95个项目白皮书的最终评估报告。

2021年3月，高级专委会完成了“远航2050”规划初稿。2021年5月中旬，规划建议提交至ESA科学部主任；2021年6月，通过了ESA科学计划委员会会议审议；2021年6月11日，ESA正式发布“远航2050”规划。

“远航2050”白皮书封面 来源：ESA

远航2050规划内容及实施

远航2050规划不拘泥于现有技术经济约束，突出重大科学目标牵引，体现了欧洲科学家未来几十年抢占世界空间科学前沿的梦想。

ESA官方宣布：“远航2050”已经启航。

规划内容解读

远航2050规划公布了ESA在2035-2050年将实施的3个大型空间科学任务的科学目标。

这些大型科学任务（L级）须由ESA主导，预算约为10亿~12亿欧元，任务周期大约7~8年（实际常常超过10年），并有望产生重要科学突破。

规划还初步明确了中小型任务候选范围，为将来遴选出6~7项中型（M级）任务和若干小型（S级）任务提供了项目储备。

其中M级任务预算约为5.5亿~6亿欧元，任务周期约为4~5年；S级任务预算则为0.5亿~1.5亿欧元，通常在4年内完成工程研制和发射。

需要指出的是，ESA将90%以上的空间科学计划预算投入到大型和中型科学任务。

此外，ESA还以M级、S级任务预算参与了多项国际合作任务，内容包括提供有效载荷、地面测控站网服务或支持科学任务运行等。

其中，以S级任务下限（0.5亿欧元）参与的国际合作项目，也被称为机遇型（MO）任务。

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规划选定3个L级科学任务的方向，反映了欧洲空间科学界对地外生命探寻、早期宇宙及银河系演化等重大前沿的高度关注。

“远航2050”规划选定了3个L级科学任务的方向（艺术渲染图）（a）太阳系巨行星的冰卫星，土卫二南极喷发的热羽流；（b）银河系中温润的系外行星；（c）通过引力波或高精度光谱学观测早期宇宙大爆炸后的残余辐射

其中，L4着眼于太阳系内的地外生命探寻，目标直指木星、土星这些巨行星的卫星。

L4也是对“宇宙憧憬”规划的L1任务——将于2022年发射的外太阳系探索任务“果汁”号木星冰卫星探测计划的强化和升级。

L5则明确致力于探索早期宇宙的新物理学，通过宇宙微波背景辐射或空间探测引力波来研究宇宙的初始结构及其起源。

L5或将作为普朗克卫星精确测量宇宙微波背景的延伸，或作为“宇宙憧憬”规划的L3任务，即将于2030年后发射的“丽莎”号引力波探测激光干涉空间天线星座的后续。

L6反映了ESA对系外行星这一空间科学前沿热点的更长远布局。这其中的关键是“温润”，既说明它指的是系外行星表面对生命有益的温度，也强调科学任务重在对温润系外类地行星的表征。

ESA在“宇宙憧憬”规划中已经部署了多个用于系外行星研究的科学任务，L6任务有望通过近红外波段直接观测系外行星大气。不过，作为对ESA宇宙观测和太阳系探索2个主题之间的平衡，L6亦可能转向银河系演化的近红外观测。

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规划发布的是3个L级任务的科学方向，相当于选定了空间科学任务的科学领域，而不是已遴选出具体的科学任务。

未来，ESA将发布任务的具体要求，落实高级专委会对每个L级任务科学方向的建议，继续凝练科学目标、配置有效载荷、选择卫星平台等，及适时选定任务并启动研发工作。

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规划还提出了ESA未来遴选中型、小型以及机遇型和国际合作任务的科学方向。

虽然ESA表示这18个方向既非全面详尽，亦非一锤定音，但具有重要的指导意义。

M级任务原则上由ESA主导，ESA也通过国际合作参加其他国家的大型空间科学任务，但预算投入控制在M级任务量级。

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规划对先进有效载荷和创新空间技术进行了前瞻。

当前，冷原子干涉测量、高分辨率X射线干涉测量、外太阳系探索所需能源及彗星样本低温收集和储存、太阳帆等技术成熟度（TRL）较低，鉴于它们皆为能带来巨大科学回报的前沿技术、亟需前瞻部署，以便21世纪下半叶规划新波段引力波探测、恒星冕和系外行星成像、解析X射线双星轨道尺度、太阳极区观测等科学任务时可兹利用。

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规划强调了对新一代空间科学人才的发掘和培养。

鉴于“远航2050”规划的实施周期已超越了大多数高级专委会和专题工作组成员的职业生涯，在未来20~30年，下一代青年才俊有望站在当代人的肩膀上继续推动欧洲空间科学的繁荣。

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规划征集到的任务概念白皮书中的大部分已提交《Experimental Astronomy》发表。

它们被编辑为两辑，包括：邻近和遥远的宇宙，太阳系、地球及其他行星探索，形成了约70余篇学术论文。

规划的管理和实施

“远航2050”规划由ESA空间科学部聘任的高级专委会组织提案征集和具体编制完成，但其具体对接工作由ESA空间科学部战略计划协调办公室承担。

“远航2050”从规划到具体空间科学任务还有多个环节有待落实。

对于L级任务，接下来可谓“自上而下”，相关机构将按已选定的科学方向凝练科学目标、开展前瞻预研和关键技术攻关；对于中小型任务，将择机公开发布任务建议书征集，自下而上通过同行评议、竞争性遴选确定。

ESA所有新任务，是由空间科学部下设的未来任务办公室完成，遴选后中型和大型任务将交由项目部管理，直至在轨测试完成后再由运行部负责在轨运行；对于小型任务和机遇任务，则由未来任务办公室继续负责直至发射，后转由运行部负责在轨运行。

欧洲空间科学中长期规划的成效

ESA于1975年成立后就实施了若干空间科学任务，但ESA引领世界空间科学探索的多个领域，更多得益于其接续开展并实施的空间科学中长期规划实践。

迄今，ESA已开展了4轮空间科学中长期规划，每一轮都基于百余个科学任务概念开展战略研究，进而科学确定了远至2050年的欧洲空间科学发展重大任务。

其中，“远航2050”是最新的第4轮空间科学长期规划。

欧洲是世界航天发展版图中的重要组成部分，ESA更是在其空间科学中长期规划的指导下，开展了50余项重要的空间科学与探索，取得了大量原创发现，发表了数以万计的科学论文。

相关重大发现和科学突破推动着人们对太阳系起源、地球生命孕育和暗物质暗能量等的科学认知，为人类文明进步做出了重要贡献。

思考与启示

空间地球科学虽未列入“远航2050”规划但并未缺失

ESA将空间天文、日球层物理和行星科学等空间科学任务列为强制性计划进行部署，将空间地球科学列为选择性计划予以实施。

前者由ESA空间科学部负责，以宇宙观测和太阳系探索为主题，后者由ESA对地观测中心负责，纳入欧洲对地观测计划中，作为其重要组成部分之一得以科学规划、接续健康发展。

ESA的空间地球科学任务主要指地球探索者（Earth Explorers）卫星计划，其主要目的是通过深入研究地球环境、气候等现象，加强对地球系统各过程的理解。

目前，已成功发射重力场和海洋环流探测卫星（GOCE）等5项任务，分别进行地球重力和地磁场、土壤湿度、海洋盐度冰冻圈、风场等的测量，为人类理解地球系统提供了新的视角；此外还规划确定支持“生物量”卫星（Biomass）等5项任务，正从4个建议中遴选“地球探索者-11”任务。

空间地球科学任务虽未列入“远航2050”规划，但作为空间科学的重要领域，欧洲在对地观测计划中长期稳定支持了科学目标明确的卫星任务，并通过加强卫星与模型的有机结合，理解全球变化背景下地球系统及其变化规律，已取得了重要科学突破。

中国加紧制定面向未来的空间科学发展战略规划

堪与欧洲空间科学实践比肩，中国科技界把握空间科学任务周期长、创新强、体量大的特点，亦非常重视空间科学中长期发展战略和规划研究。

进入21世纪以来，中国科学院、国家自然科学基金委员会和中国工程院先后组织开展了多轮空间科学发展战略及相关研究，形成了《中国至2050年空间科技发展路线图》《2016-2030空间科学规划研究报告》《航天强国发展若干重大问题研究》《中国学科发展战略·空间科学》等成果，就中国空间科学发展的两大主题取得重要共识——“宇宙和生命是如何起源和演化的”及“太阳系与人类的关系是怎样的”，并为载人航天、月球与深空探测、空间科学战略性先导科技专项等国家重大航天任务科学目标的确定提供了重要输入。

作为接续开展战略研究的新成果，面向世界空间科学前沿和国家重大需求，已将前述两大主题深化为极端宇宙、时空涟漪、日地全景、宜居行星4个前沿探索方向，并凝练出了10项未来空间科学任务目标，坚持科学目标牵引和重大产出导向，并与国家中长期科技发展规划、航天强国发展纲要等国家发展规划有效衔接。

中国科学院国家空间科学中心在成功实施“悟空”“墨子号”“慧眼”“怀柔一号”和“微笑计划”等空间科学先导专项科学卫星任务的基础上，加强对空间科学重大科学问题的前瞻部署，启动了面向“十四五”的空间科学卫星工程项目征集工作，已征集到逾20余个科学卫星工程项目初步建议，较全面涵盖了空间天文、太阳与空间物理、行星科学和空间地球科学领域。

中欧空间科学发展既存在竞争也蕴含着合作机遇

科学突破和发现贵在首创，中国空间科学发展必须有时不我待、力拔头筹的勇气和作为。

以引力波为例，美国科学家依托地面激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次直接探测到双黑洞并合产生的高频引力波，而对于星系尺度上星系中心超大质量黑洞并合产生的中低频引力波，唯有更长基线的空间探测方可实现。

当前中欧都在未来任务规划中部署了类似的任务——欧洲在“宇宙憧憬”规划中部署了“丽莎计划”，中国“太极计划”和“天琴计划”分别开展了前期空间技术试验。

在空间引力波探测这个国际最前沿、最基本的科学目标上，谁能第一个率先完成，其科学突破的意义不言而喻。

对中国而言，对于认准的潜在空间科学突破，必须乘势而为，加快实施。同时，中欧空间引力波探测任务若能协同观测，互相补充和检验测量结果，亦将把人类带入用更广泛的引力波谱研究所有时空尺度新物理及宇宙奥秘的新时代。

放眼世界航天舞台，鉴于中美航天合作仍有巨大障碍，而中欧空间科学合作彼此信任、沟通顺畅。

双方既有任务间的合作，如中国双星计划与欧方星簇计划任务层面的成功合作，形成人类首次对地球空间完成六点立体探测，也有联合顶层策划、共同征集、遴选，并合作实施的“微笑计划”。

中国空间科学卫星任务已成功开展了全面、广泛、全方位、多层次的国际合作。可以预期，中欧空间科学未来合作的机遇依然甚多，必将为拓展认知宇宙的新边界，开辟人类永续发展的新疆域，携手打造人类命运共同体贡献力量。

“远航2050”规划对加快中国空间科学发展的启示

“远航2050”对于中国的空间科学发展具有重要的启示作用。

一是空间科学发展要加强顶层设计，给予稳定支持；二是要发挥广大科研人员积极性，集思广益，凝练重大科学前沿；三是要瞄准未来科学突破，超前部署关键核心技术攻关；四是要加强人才队伍培养，实现空间科学事业的可持续发展；五是要开展多种形式的国际合作，协作共赢，共同为人类文明进步做出重大贡献。

ESA宇宙探测

ESA太阳系探测

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本文作者：王赤，时蓬，宋婷婷，魏海燕，王琴，范全林作者简介：王赤，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，中国科学院院士，研究员，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4期，原标题为《远航2050：欧洲空间科学规划及启示》，本文有删减，欢迎订阅查看。

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