顧逸東院士：中國空間站科學與應用任務布局、進展和展望

原文發表于《科技導報》2026 年第10 期 《中國空間站科學與應用任務布局、進展和展望 》

中國空間站自2022年底全面建成以來在軌穩定運行，為中國開展高水平空間科學與應用研究提供了重要的發展機遇。《科技導報》邀請中國科學院空間應用工程與技術中心顧逸東院士撰寫文章，回顧了空間站建造期以來的科學與應用任務規劃和主要考慮，概述了各領域方向研究重點和具有國際先進水平的天體一體化實驗支持能力。建議根據不同類型研究，進一步凝聚目標，突出重點，加強科學數據治理，創新研究范式，形成突破態勢，不斷產出前沿科學重大成果、應用研究的系統認知成果和轉化應用顯著效益，推動我國空間科學與應用高水平發展，為建設科技強國做出重要貢獻。

中國載人航天工程歷經30余年發展，圓滿達成“三步走”戰略目標。2022年中國空間站全面建成，開始了大規模的空間科學、應用與技術實驗。空間站應用是空間站核心目標之一，經歷了長期深入的戰略研究和滾動規劃，聚焦國際科技前沿和國家重大需求，凝聚各方共識，確定了空間生命科學、微重力物理、天文與地球科學、空間新技術與應用4大領域規劃和一批先進科學設施，為空間站持續產出科學和應用成果奠定了基礎。

空間生命和物理科學是國際空間研究的重點領域之一。至今利用空間站長時間微重力條件和其他環境已開展了系列化的生命與物理科學研究，取得了一批重要的科學發現。同時，中國空間站巡天空間望遠鏡（Chinese Space?station Survey Telescope，CSST）和高能宇宙輻射探測設施（High Energy cosmic?Radiation Detection facility，HERD）重大項目正在加緊研制，持續開展科學準備。未來，空間站將進一步吸引全國優勢力量參與，強化重點目標和任務導向，努力實現空間站應用目標。

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空間站應用的規劃

1.1 規劃歷程

中國載人航天“三步走”戰略明確提出：空間站將開展大規模、有人參與的空間科學與技術實驗。第一步是發展載人飛船，解決人進入太空及安全返回技術，第二步是研制空間實驗室、攻克交會對接和航天員出艙關鍵技術，這都是為建造空間站打基礎。中國空間站及空間站應用規劃經歷了長期的戰略研究、3個階段集中論證和不斷深入的過程。此處“空間站應用”指利用空間站開展的科學與應用研究和新技術驗證等全部活動。

2007—2008年，載人航天工程總體組織了空間實驗室和空間站及應用規劃，在組織多部門專家深入論證基礎上，首次明確了空間站應用規劃框架，根據需求確定了空間站三艙組合體規模和大系統基本方案。2009—2012年，開展了空間站立項應用規劃，應用系統組織了8個專家組和上千名專家，開展了60多次研討，編寫逾百份報告，征集項目約500個，經工程應用規劃委員會評審，形成較完整的空間應用規劃、密封艙內和艙外暴露平臺實驗設施安排、天地（信息）支持系統方案。2010年10月，中央批準載人空間站工程，后持續深化論證，完成空間站建造期應用實施方案。

2019—2021年，載人航天工程總體組織了空間站工程應用發展階段的規劃論證，應用領域組織超過300家單位、60名院士、800余名專家，征集了千余項目建議，經過4輪論證，規劃了空間站建成后的應用領域/主題和方向，形成幾十個項目群和初步科學計劃，提出一批新的科學設施/裝置。此后，載人航天工程決定在空間站組合體中增加一個擴展艙段，研制新載人飛船和商業化貨運飛船，空間站大系統及其應用能力將顯著升級。

空間站應用規劃歷時15年，開展了多輪戰略研究、部分重點項目預先研究，廣泛組織科學家深入研究國內外發展態勢和國家需求，以及領導層和專家反復交互，上下迭代。總體上看，應用規劃科學前瞻、重點突出、規模合理適中，能夠滿足各類應用需求，體現了中國特色和應用導向。當今科技迅猛發展，新思想新技術不斷涌現，空間站應用要滾動提升、不斷深化，并能及時響應新的空間研究需求。

1.2 規劃的基本原則

在空間站應用規劃過程中，提出一些重要問題，包括空間站應用的性質、規模、領域，在國家發展中的地位和導向等，通過討論甚至爭論最終取得共識。

1） 空間站應用定位。空間站應用以開展大規模空間實驗為主，包括重要的科學實驗、前沿技術試驗，明確了建成國家級太空實驗室的定位。空間站不作為業務應用（如對地觀測）平臺、服務型平臺和太空工廠（個例除外）。

2） 空間站應用方向。載人航天開拓并重點開展了空間生命科學和微重力物理科學研究，也是中國空間站布局重點，同時要重視天文、地球科學和新技術中的前沿方向。旨在綜合利用空間站，使空間站應用效益最大化。

3） 空間站應用導向。面向科學前沿和國家需求，為中國科技整體發展做出重大貢獻。緊盯國際動態，部署重大基礎前沿科學項目和應用基礎研究，爭取突破；面向應用需求，搞清機理規律、發展特色技術、推進成果轉化、支撐國家發展。項目遴選要突出創新性、前瞻性，關注工程可行性，不斷產生原創科技成果。

4） 科學研究設施。采用盡可能先進的技術裝備助力高水平科學成果產出；充分利用密封艙、暴露平臺和同軌飛行器開展研究；重大研究設施應具備國際競爭力，利用信息技術最新成果支持多學科空間實驗研究。

空間站規劃確定了空間生命科學與人體研究、微重力物理科學（含微重力流體物理與熱物理、燃燒科學、空間材料科學和微重力基礎物理）、空間天文和地球科學、空間（應用）新技術4個領域，積極開放國際合作，加強科學普及和教育。

02

空間生命和物理科學研究與進展

空間生命和物理科學（biological & physical sciences，BPS）主要是利用空間站的長時間微重力條件和其他環境開展研究。微重力存在于做自由落體（如拋物線飛行）等慣性運動的物體參考系中，近地軌道飛行實際是無限延長的拋物線運動。微重力下，流體（氣體、液體、熔體等）中由重力引起的沉降分層、流體靜壓和熱對流基本消失，液體表面/界面張力梯度（Marangoni對流）、溶質濃度梯度等分子力驅動的微流動顯現，造成界面形態、流動狀態、熱質傳輸顯著變化，進而影響物質的凝聚、相變、結晶等過程。重力場的跨尺度效應，影響生物體從分子、細胞、組織、器官到系統和整體各層次，以及物理體系的固體、流體、多相體系和原子分子。

空間生命和物理科學關聯生命科學、醫學、流體力學、熱力學、材料科學、燃燒學、基礎物理等重要學科（母學科），成為諸學科解決重要科學問題獨特的有效途徑，是發展特種技術和應用的重要途徑，也為地面泛在的熱質輸運、能源轉化、材料制備、動力工程、生物工程、醫藥健康等提供知識和技術，為長期載人探索提供科技支撐。

空間站長時間微重力條件和航天員參與、定期上下行運輸等支持能力使其成為生命和物理科學系統開展系統研究的首選平臺，中國未來10余年的空間生命和物理科學研究將主要依賴于中國空間站，目前項目整體實驗進展順利，效益顯著。

2.1 空間生命科學和生物技術

生命是最復雜的物質存在形式，地球各類生物和生態系統是在地球環境下長期進化形成的。空間站生命科學研究地球生物（微生物、植物、動物和人）在微重力以及宇宙輻射、亞磁、封閉環境、節律變化等條件下，生命體各層次的感知和傳導、應激和適應、損傷和修復、生理和病理、生存和繁衍、遺傳和變異等重要科學問題。具體研究內容包括生物物理（重力、輻射、亞磁生物學和生物力學等）、空間生理病理和繁育研究及相關細胞分子生物學機制，空間生態生物學應用基礎，以及生命起源分子機制等交叉前沿問題。空間生物技術利用空間環境創制新藥、生物資源和醫療技術，開展轉化應用。

空間生命科學和生物技術研究的目的是促進對生命現象本質的理解，獲得生命科學和醫學重大科學問題的突破，為人類健康服務，為長期載人太空探索打下堅實基礎。

2.2 微重力物理科學

1） 微重力流體物理和熱物理。主要研究微重力條件下連續介質流體、界面過程和空間熱質輸運規律，驗證相關理論模型。研究內容包括微重力流體動力學及應用、多相流與相變傳熱以及近年十分受關注的復雜流體（軟凝聚態物質）等，該方向聚焦微重力下膠體、高分子、生物流體、活性物質、顆粒流等的聚集、自組織、結晶、相變和非平衡動力學等研究。

微重力流體物理和熱物理研究目的是揭示被重力掩蓋的微（低）重力流體和空間熱質輸運特殊規律，為空間和地面應用提供知識、方法和技術。

2） 微重力燃燒學科學。微重力環境下，燃燒中強烈的浮力對流消失，而擴散、輻射和熱泳等弱效應主導燃燒過程，為揭示燃燒過程中的物理本征過程和化學動力學提供了難得條件。研究內容包括近可燃極限和基礎燃燒規律，液滴和液滴群、固體動力燃料等重要應用燃燒機理，以及微重力下材料著火特性和防護研究。

微重力燃燒研究目的是發展燃燒模型和理論，實現技術轉化，為地面高效低碳燃燒、動力推進效能提升做出貢獻，消除空間飛行器火災發生風險。

3） 空間材料科學。材料是所有制造業和高技術的基礎。空間站適合開展長期微重力、無容器和外空暴露等條件下的材料研究，研究內容包括微重力環境材料制備過程機理、熔體熱物理性質測量、重要應用新材料制備技術、利用外太空暴露環境開展空間應用材料使役行為研究。

空間材料科學研究目的是揭示材料物理和化學過程規律，豐富和完善材料科學理論，研究制備地面難以獲得的高性能材料，指導和推動地面材料加工工藝的提升，為中國材料科技和產業發展做出顯著貢獻。

4） 微重力基礎物理。基礎物理對科技和社會發展具有革命性和奠基性作用。空間微重力下的基礎物理研究可獲得更接近絕對零度的超冷原子體系、更高精度的量子頻標和測量技術、更大尺度的實驗檢驗，以及創造三維各向同性體系等。研究內容包括空間超冷原子物理和相關精密測量技術、高精度時頻與引力物理研究，以及復雜等離子體物理研究等。

空間站開展基礎物理研究的主要目的是檢驗現有物理理論，發現新的物理現象，推動新的物理理論發展。

2.3 生命和物理科學的空間實驗支持

中國空間站規劃并建成了具有國際先進水平的空間站生命和物理科學實驗設施群。密封艙內的裝置采用主結構、熱管理和信息管理統一設計，內部嵌入不同科學實驗裝置的科學實驗柜，成為功能高度集成的小型科學實驗室，其模塊化架構便于在軌維護升級更新。科學實驗柜和艙外暴露裝置可分類滿足不同領域方向大部分共性需求，實現集約支持和高效運行，部分實驗柜可供領域共用，并可靈活支持個性化實驗需求，部分實驗柜如圖1所示。

圖1 空間站科學實驗柜

中國空間站的超冷原子實驗柜、高精度時頻系統、高微重力實驗柜和兩相系統實驗柜作為專業共用裝置均為國際首創；變重力實驗柜具有國際上在軌最大尺寸的離心機（直徑0.9 m轉子）；實驗柜內部采用數字全息診斷，雙波長激光加熱、X射線成像模塊、主動電磁/冷氣推進組合減振等技術應用均為國際首次。實驗診斷采用了相當數量的視頻/圖像和解譯技術（表1）。

表1 中國空間站主要科學實驗設施

空間站高速大容量信息管理和熱管理系統可支持上百臺科學裝置，適應配置變化。在云架構上運行的地面有效載荷運行管理中心（圖2）、科學數據中心與在軌信息系統組成天地一體強大支持能力。同時，地面還建設了物理鏡像系統、部分虛擬科學實驗鏡像等設施，共同有效支持空間站的生命和物理科學實驗。

圖2 載人航天工程有效載荷運行管理中心

2.4 空間站生命和物理科學進展

空間站建造以來，共實施了120余項生命和物理科學實驗，回收空間科學實驗樣品近百種，下行科學數據超過450 TB，已發表700多篇高水平科學引文索引（science citation index，SCI）論文，授權專利近200項，部分成果已實現轉移轉化。2024年和2025年，中國載人航天工程辦公室遴選出若干代表性研究進展，向全社會發布《空間站空間科學與應用進展報告》。由于實驗周期等，大部分實驗研究還在進行中，總體上看空間站建成以來取得的科學與應用研究進展令人鼓舞，體現了自主創新和較高水平，為后續任務奠定了堅實基礎。

空間生命科學與生物技術領域成功開展了多種植物、微生物、動物（線蟲、渦蟲、斑馬魚、果蠅、小鼠）以及批量細胞和組織、蛋白質、微流控類器官、生物力學等實驗。突破了小鼠空間密閉飼養關鍵技術，成功實現了中國首次小鼠空間實驗并安全返回（圖3），地面已成功繁育了3胎小鼠，目前正在開展小鼠空間應激響應的分子與整合生物學研究；首次解析了微重力抑制骨髓間充質干細胞成骨分化的調控機制，為骨折修復和骨流失防護提供了新技術手段；發現微重力顯著促進肝細胞內的脂滴累積和抑制機制，為理解空間代謝相關脂肪性肝病的機理提供新思路；首次在空間完成水稻“從種子到種子”的全生命周期培育，獲得空間發育的水稻和再生稻新的種質資源，用于指導空間和地面植物育種實踐。

圖3 空間站小鼠在飼養裝置內活動

微重力物理科學領域，材料科學方面精確測定了難熔合金液態性質，實現了合金表面形核控制和表面結構調控，共晶合金的“解耦”生長，有助于開發出更加精密的材料設計和制造技術，研究了微重力環境下枝晶與共晶生長動力學局域效應，發現獲得的共晶組織具有更優異的力學性能，為高性能鈮合金和鋯合金制備工藝優化提供了實驗和理論依據；首次在空間微重力條件下制備出銦砷銻（InAsSb）三元半導體單晶，其晶體質量和組分均勻性明顯優于地基樣品，在室溫紅外探測領域有廣泛的應用前景。流體物理方面，首次揭示了在長時微重力條件下，柱狀微結構表面耦合流動與射流的復合沸騰傳熱特性，實現沸騰換熱最大熱通量相較傳統光滑表面顯著提升，為完善極端條件下的沸騰換熱理論體系提供了關鍵實驗依據。燃燒科學方面，揭示微重力下甲烷多射流火焰耦合機制及其對碳煙生成的影響，闡明射流相互作用調控火焰輻射與污染物生成的規律，建立碳煙排放預測模型，為空間與地面清潔燃燒提供理論支撐。基礎物理方面，國際首次實現空間微重力下的冷原子干涉陀螺和基于原子干涉的量子慣性傳感測量。

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空間天文重大項目及進展

天文學關聯宇宙和天體形成演化、宇宙極端條件下物理規律等重大科學問題，還面對暗物質、暗能量對物理學基礎的嚴峻挑戰，使當代天文學成為最活躍的研究領域之一。空間天文以其全電磁譜段觀測能力和不受大氣干擾的高精度觀測優勢，成為天文學和物理學前沿探索和科學突破的先鋒。空間站的天文任務主要是發揮空間站有人參與和大系統支持能力，為中國天文學躋身國際前列做出貢獻。經過反復論證，確定CSST和HERD 2個重大科學設施，同時論證了一批中小型創新項目。

3.1 空間站巡天空間望遠鏡

CSST是國際第4代天文光學巡天的核心裝備之一，是中國迄今規模最大、指標最先進的旗艦級空間光學天文望遠鏡，具有自身特色和優勢。CSST與空間站組合體同軌飛行，必要時與空間站對接進行維修或升級，保證其可靠性和長期科學生命力。

CSST由巡天光學設施和巡天平臺兩部分組成，采用離軸三反光學系統，示意如圖4所示。主鏡為2 m口徑，視場1.5°，覆蓋近紫外、可見和近紅外波段，采用兩級姿態控制加導星儀/快擺鏡實現三級姿態控制和穩像，動態角分辨率0.15″。CSST終端觀測的主要儀器是巡天相機（survey camera，SC），具有約30億像素拼接科學級電荷耦合器件（charge?coupled device，CCD）探測器大焦面，開展大天區多色測光和無縫光譜巡天以及局部深場和超深場觀測，其他后端儀器包括多通道成像儀（multi?channel imager，MCI）、積分視場光譜儀（integral field spectrograph，IFS）、成像星冕儀（cool planet imaging coronagraph，CPI?C）和太赫茲譜儀（THz spectrometer，TS）。

圖4 CSST示意

CSST的核心科學目標是宇宙學的基本問題（包括宇宙結構形成和演化，暗能量本質、暗物質性質）和星系與活動星核基本問題（包括星系的形態和演化，黑洞與星系和恒星系協同演化），其他主要科學研究方向包括銀河系和近鄰星系、恒星形成與演化、天體測量，太陽系外行星、太陽系天體、暫現源/變源等，研究內容極為豐富，目標是深化對宇宙的認知，推動天文學、物理學的發展。

目前CSST已經完成初樣研制，測試和試驗結果表明其功能和性能指標滿足任務要求和科學需求，正在加緊開展正樣研制。科學準備工作全面深入開展，成立了CSST科學工作委員會，以及北京大學、國家天文臺、長三角、粵港澳大灣區4個CSST科學中心和1個聯合科學中心，集聚了全國600位天文學家，開展了多項天文研究課題。CSST將產生幾十PB的觀測和中間數據，采用云架構的地面科學數據中心和科學數據處理系統已基本建成，正在開展具備大算力和AI模型的數據科學中心，以及功能復雜的CSST運控管理中心的研制建設。

3.2 高能宇宙輻射探測

HERD是探索極端宇宙的重大科學設施，通過直接測量高能宇宙射線，包括高能電子、高能質子、各種高能原子核以及高能伽馬射線，重點研究“極端起源”“極端能量”和“極端天體”重大科學問題。HERD利用空間站大承載、高效數據處理能力以及可維護條件，確保設施實現科學目標。

HERD的中心探測器采用創新的三維設計，加上周邊的電荷與方向探測器，形成2π立體角探測能力，在質量有限條件下大幅度提升了接收度和能量測量范圍：電子和伽馬射線探測能區和接收度比現有所有設備高1個量級，質子探測能區和接收度比現有設備高30倍，有很高的電子/質子區分能力和方向測量精度，使HERD能以更強大的能力對暗物質性質做出嚴格的限制，尋找暗物質粒子；研究銀河宇宙線成分、首次精確測量“膝”區（PeV）宇宙線能譜和成分，破解宇宙線起源、加速之謎；開展高能伽馬射線巡天觀測，發現和研究極端天體，在前人未能涉足的“無人區”進行探索，爭取取得世界領先的成果。

經過多年研究，HERD已經完成關鍵技術攻關，細致的物理仿真和多次加速器束流實驗驗證了創新設計方案的科學優勢和技術可行性，整體上完成了方案階段工作，即將進入初樣。同時，圍繞HERD的科學準備也開展了深入工作，成立了科學工作委員會，凝聚了30多家單位和數百名科學家參加設施研制和科學研究。

04

展望

中國空間站的科學和應用研究已形成較為完整的體系，吸引凝聚了全國優勢高校和科研院所科學團隊積極參與，正在不斷產出科學成果、發揮應用效益。對照空間站應用的目標和初心，要實現基礎前沿重大突破、取得重大應用效益仍面臨嚴峻挑戰，需要在以下3方面加強工作。

4.1 根據研究性質，突出重點強化目標導向

空間站科學與應用研究的類型有所區別。第1類是基礎前沿科學，即面向自然科學規律，取得重大發現、拓展或顛覆原有認知的研究，包括CSST、HERD和基礎物理項目的重大科學問題和生命本質與起源演化等方向。第2類是應用基礎及轉化研究，涉及生命和物理科學的絕大部分研究內容，其目的不僅是發現新現象，更重要的是搞清楚基礎性規律，形成系統性機理認知和/或解決方案，能應用相關知識和技術指導空間和地面實際應用。第3類是技術試驗，這里暫不展開。

對于基礎前沿研究，要重視實驗和觀測發現、物理解釋和理論創造，尤其在后2點上要下更大的功夫，相關高水平隊伍建設要進一步加強；在應用基礎和轉化研究方面，需要組織更多應用單位和用戶參與，加強從應用需求端歸納提煉問題，以破解重要機理為導向，規劃系列性、不斷深入的實驗安排。應用轉化尚處于初期階段，需要解決空間到地面轉化的模式、機理和橋梁問題。2類研究都要在不斷挖掘創新科學思想的同時，組織重要方向的科學計劃，建立穩定支持機制，并根據不同特點，持續深入研究獲得系統性認識或重大模型、理論突破。

4.2 加強數據生態建設，推進AI for Space Science發揮重要作用

空間站科學數據呈爆炸式增長態勢，不同研究領域中的實驗樣品、實驗條件、觀測模態不同，而實際可能蘊含同一機理的重要信息。為取得系統性認知，必須深入挖掘和用好數據。在生命科學研究領域，該特點和需求更為明顯，實際上不同類生物、生物不同層次的信息（包括各類組學分析數據）中都可能蘊含同一或同類作用機制，有效數據治理和充分利用成為破解生物科技、生態、醫學重大問題的重要途徑。物理科學不同物質（物理）體系呈現各異的現象也受基本規律和機制的影響，同樣需要開展數據共享和交叉研究。空間天文中傳統的數據有序開放和共享機制是天文學發展進步的重要動力。為此要在空間站科學與應用研究中加強數據政策制定、數據系統建設，落實好數據匯交、共享和開放管理工作，并加大投入。

當前AI技術快速發展，AI與科學研究的深度融合是大勢所趨。要加強AI在空間站科學數據處理、新現象搜尋、交叉關聯、啟發式科學發現等中的應用，推動在軌感知—分析—決策—控制全鏈路智能化，突破空間科學與應用多源異構數據融合、高維智能預測、領域知識發現等關鍵技術，不斷探索新的科學研究范式，為深入重大科學規律研究開辟新通道。

4.3 加強戰略研究、匯聚優勢團隊，各方協力支持

滾動開展戰略研究，加強科學發展態勢的及時研判，加強新興學科交叉方向布局，不斷采用新技術，推出必要新裝置，是確保空間站研究先進性、前瞻性以及國家發展需求銜接的常態化工作。

空間站應用要加大各方面優秀力量的參與，充分發揮國家實驗室、全國重點實驗室、科研院所、研究型大學、行業和領軍企業的優勢和特色；要廣泛吸引高水平人才，通過廣泛交流、科學研討、專題報告、學術會議等，進一步引導科學家參與，積極鼓勵前沿探索，促進學科交叉，持續匯聚和擴大隊伍規模。要加強國際學術交流與合作，采用有效辦法吸引國際科研團組和科學家參加合作研究。此外，還要積極聯系國家相關部門，爭取在科技創新體系建設、項目布局安排方面對空間站科學與應用給予更大支持，厚植空間科學與應用基礎，支持空間站取得重大效益。

空間站應用將為推動中國空間科學與應用創新發展，為中國進入創新型國家前列和建設科技強國做出顯著貢獻。

本文作者：顧逸東

作者簡介：顧逸東，中國科學院空間應用工程與技術中心，研究員，中國科學院院士，研究方向為空間科學與應用技術。

文章來 源 ： 顧逸東. 中國空間站科學與應用任務布局、進展和展望[J]. 科技導報, 2026, 44(10): 23?30.

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