編者按
大科學裝置是國家為突破重大科技前沿、實現國家戰略需求，發揮新型舉國體制優勢而投資建設的大型科技基礎設施。
一般分為三類：第一類是以實現科學目標為主要目的基礎科學類裝置，第二類是多學科應用的平臺類科學裝置，第三類是公益類科技基礎設施。
對於第一類和第二類裝置，其特點非常類似於空間科學專案，在論證和遴選時特別應該注意其科學目標的重大性，及其對學科發展的帶動性。這樣才能確保國家在基礎科學領域的投入獲得應有的、直接的科學回報，以及對學科和技術發展的帶動作用。
隨著我國創新驅動發展戰略的深入實施，以及建設世界科技強國的步伐加快，國家在重大科學裝置領域的投入必將有所增長。在這一形勢下，如何組織好重大科學裝置的規劃論證、遴選、建設、執行，直至評估，加強對其進行全生命週期的管理就顯得更加重要。
《中國科學院院刊》特邀中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（I期）首席科學家吳季研究員，以執行空間科學重大任務為例，對上述問題作一闡述。
吳季
1，2
1 中國科學院國家空間科學中心
2 中國科學院大學
空間科學衛星計劃，也稱為空間科學任務，是航天衛星發射任務中一類具有特殊性質的任務。首先，空間科學任務從提出到完成始終圍繞科學目標，常常使用與其他衛星任務不同的執行軌道、不同的有效載荷，甚至對衛星平臺也有特殊要求。此外，在執行中還會根據科學觀測和實驗的需求出現很多變化和新的要求。
因此，為確保其科學產出的最大化，需要對其全生命週期的每一個階段給予關注，確保其科學產出在每一個環節上不打折扣，不受損失。這種對全生命週期過程進行的管理模式可以稱為全價值鏈管理。
一個空間科學任務的生命週期開始於對科學前沿發展的判斷並進行戰略規劃，經過建議書的徵集及遴選、預研和背景型號研製、立項審批、設計、實驗驗證、生產、發射、交付和執行，最後是總結和評估、延壽執行、再總結評估、再延壽執行、再總結和評估
（圖 1）
。對生命週期中每個環節的管理都必須根據科學產出最大化的要求，制定合適的管理政策和採取必要的措施。
戰略規劃階段
空間科學任務生命週期的起點是戰略規劃階段。為了確保科學產出的最大化，需要透過戰略規劃確定最重要的科學前沿，並在科學界形成共識，再以此徵集任務建議。戰略規劃一般由政府委託的專業性總體管理機構負責組織。
國外空間科學任務戰略規劃特點
美國
的空間科學任務一般由美國國家航空與航天局
（NASA）
委託美國國家科學院
（NAS）
來組織戰略規劃，其具體責任部門是NAS的空間研究委員會
（SSB）
。
NAS/SSB每10年組織1次空間科學各分支學科領域的規劃研究，其研究成果以“十年規劃”
（Decadal Survey）
的形式出版。“十年規劃”對重大科學前沿進行討論，並提出優先支援領域的建議。NASA在實施科學任務時以“十年規劃”為參考，分為旗艦類大任務、科學家領導的探索類任務、大學可以承擔和執行的小型任務。
歐洲
的空間科學任務由歐洲航天局
（ESA）
委託其空間科學諮詢委員會
（SSAC）
組織論證，並出版中長期的發展規劃。在20世紀90年代出版的《地平線2000》
（Horizon 2000）
中，對歐洲1990—2010年的空間科學任務進行了規劃。該規劃中除了對各分支學科予以相對平衡的任務安排之外，最主要的就是考慮了重要學科前沿和歐洲研究力量的優勢。
2000年以後，ESA新一輪的空間科學規劃研究的產出形式是出版了《“宇宙願景”計劃》
（Cosmic Vision）
，將科學任務的研究主題規劃到了2025年。ESA的科學任務分為重大任務（L）、重要任務（M）和小型任務（S）3個級別，以及透過國際合作的搭載任務。
美國和歐洲這兩種規劃形式的共同點有2個：
廣泛發動科學界開展討論，參與度高，科學發展態勢的判斷思路來源於自下而上的建議和討論，並達成共識。
瞄準空間科學各分支領域的重大科學前沿，如空間天文領域瞄準宇宙起源、黑洞、暗物質與暗能量、引力波、系外行星；空間物理
（空間等離子體物理）
領域瞄準太陽爆發、行星際CME傳播、地球空間動態特徵等空間天氣核心要素；空間地球科學領域瞄準全球變化等。
但是美國與歐洲在戰略規劃階段的管理也有所不同，各有特點。比如
美國的“十年規劃”週期比較短，較難制定長遠的規劃。但其優勢在於調整容易，比較適合安排短、平、快的專案，瞄準學科發展的熱點儘快佈局。
為了避免10年內出現變化無法調整，近年來NASA又在10年中增加了中期評估，用來做出必要的調整。
ESA戰略規劃的特點是週期長，一般安排15年甚至更長，同時需要平衡各分支學科和成員國的意見。
因此也帶來了一些不可避免的弱點，比如緊跟學科變化和發展的新任務很難進入規劃，相對投入較少的成員國的意見往往被忽視等。
實際情況是，美國的空間科學任務往往顯得貼近科學前沿，而歐洲的空間科學任務往往更重視重大基礎和輕易不能突破的重大科學問題。
由於
重視了學科平衡以及多數科學家
（往往來自成員國中投資較大的國家）
的意見，
ESA科學任務產出的質量往往平平，但是其產出的數量往往較高。
國內空間科學任務戰略規劃特點
中國科學院自2006年起，開始牽頭開展我國的空間科學規劃研究，先後出版了《中國至2050年空間科技發展路線圖》
（英文版）
《2016—2030空間科學規劃研究報告》等。對利用空間飛行器可以開展的科學前沿進行了深入分析和探討，分學科領域制定了23項科學計劃。中國科學院實施的“空間科學”戰略性先導科技專項的空間科學任務，就是從規劃當中的部分專案中遴選出來的。
空間科學任務戰略規劃的經驗及規律
從國外航天發達國家和我國在空間科學規劃過程中的經驗，可以得出3條重要的規律和結論。
1。 科學規劃必須瞄準重大科學前沿，力求引導科學家在後續提出的科學任務中，將科學目標凝聚在有重大產出的科學前沿上，確保未來實施的科學任務產出的質量高、影響力大。
2。 在規劃中需要達成廣泛共識，這樣就可以確保未來提出的科學任務有更多科學家參與，以及更多人參與到任務科學資料分析中來，從而帶來更大量的科學產出。
3。 科學規劃要有一定的靈活性，可以根據科學前沿的變化進行必要調整，不至於錯過帶有一定機會性的、突破科學前沿的重大機遇。這3點是空間科學任務生命週期戰略規劃階段中的管理要點，以最大限度地確保科學產出的最大化。
任務建議書的徵集和遴選
任務建議書的徵集
空間科學任務生命週期的
第一個節點是任務建議書的徵集和遴選。
這個節點對任務的全價值鏈管理至關重要。在戰略規劃的基礎上，專業化的管理機構釋出任務申請指南，或者直接在戰略規劃的基礎上進行任務建議書的徵集。任務建議書的徵集一般採取“自下而上”的方式，這種方式是空間科學任務管理的核心要素之一。
如果由管理機關“自上而下”安排任務，往往會出現2個弊病：①確定任務的領導並不是最終的資料使用者；②當最終的資料使用者，也就是科學研究群體僅僅是被動的參與任務時，產出的質量和數量都會大打折扣。因此，為了確保科學產出的最大化，任務的建議書應該充分發揮研究群體的積極性，採取“自下而上”的徵集方式，而不是“自上而下”的命令方式。
無論是在航天發達國家或地區
（如美國、歐洲）
，還是在中國，徵集到的建議書數量總是遠遠大於能夠資助的任務數量。這就為從中遴選出優秀的、具有重大科學突破影響力和帶動性的任務奠定了基礎。如果最終提交的建議書中所需經費少於國家擬投入空間科學的預算，無法再次遴選，政府不得不照單全收，其結果將會大大降低空間科學預期的產出，影響公眾對空間科學的支援力度，使其無法可持續發展。
任務建議書的遴選
在釋出了任務申請指南之後，專業化管理機構需要對提交的建議書進行遴選。這將是整個生命週期中最重要的，具有指揮棒作用的管理環節。在遴選之前，遴選標準應公開發布，以便讓所有參加遴選的建議團隊瞭解其導向。
參照國際上通常的慣例，我國在遴選空間科學任務時採用2條基本的標準：
注重其科學目標的重大性，看是否針對重大科學前沿問題，一旦取得突破，能否從根本上改變人類對自然規律的認識，帶來新的知識。
注重其科學目標的帶動性，是否能夠有儘可能多的人參與資料分析，長期使用這個科學觀測或試驗平臺，產出數量較大的科學成果。
這2個標準只要滿足其一即可，如果兩者都滿足將是非常值得優選的重要科學任務，在NASA可能會成為旗艦類任務，而在ESA大部分L級別的任務都能同時滿足這2個條件。
在以上2個遴選標準之外，
專業性的管理機構往往還需要考慮空間科學領域各個分支學科的平衡發展問題。
即當某個分支學科需要特別給予支援時，可以考慮適當降低以上2條標準的要求，進行綜合考慮。
總之，在這個節點，空間科學任務的專業管理機構在管理上需要特別關注的2點：①確保任務建議書是“自下而上”提出的；②按照上述2個標準遴選，擇優進入下一個資助階段。需要避免的是不經過遴選，由領導決定任務的優先權，這樣做將會抵消遴選的權威性。
命令式的遴選雖然加強了領導的權威性，但其效果會使得科學任務的建議團隊跳過管理機構直接找領導，不僅領導無法面對這種形式的“公關”干擾，還會導致遴選結果的公平性、公正性受到很大影響。因此，建立公平、公正和公開的遴選程式，事先公佈遴選標準是必要的管理程式。
預研及背景型號階段
透過遴選進入預研、背景型號階段的空間科學任務，最主要的研究目標就是凝練科學目標，進行科學有效載荷的配置並對載荷的關鍵技術進行攻關。在預研階段，研究工作的重點更偏重於觀測、探測、實驗方案，以及科學目標的凝練，而在背景型號階段則更偏重於關鍵技術。
在預研及背景型號階段中，管理工作的要點主要包括：跟蹤和檢查科學目標的凝練，使其更加向上文提及的2個遴選標準靠攏或提升；協助和鼓勵國際合作以及組織國際化的研討與論證，使方案成為國際唯一，使載荷的技術指標達到國際最優。
任務立項審批
經過1次或數次
（預研、背景型號等）
遴選出的科學任務，應該說都具備了瞄準重大基礎前沿科學問題或有相當帶動性的科學目標。但是其技術可行性和經濟可行性究竟如何，還需再進行更深入的論證並給出明確的結論。
為避免進入工程研製階段科學目標出現變化引起工程設計的重大更改，在立項審批階段需要由管理機構組織對科學目標進行進一步的論證和凝練，並對方案和有效載荷的技術可行性進行進一步的深化論證。
然後，還需要對實現該任務的工程總體方案進行技術和經濟可行性的論證，這2個過程雖然和其他衛星任務的要求一致，但是需要特別關注科學目標的可實現性。在論證中，科學任務的首席科學家尤其要發揮其關鍵和決定性的作用。
任務若通過了技術和經濟可行性論證，將進入立項前的最後程式。
對工程總指揮、工程總師和首席科學家的任命是必須完成的首要任務。
雖然首席科學家在整個研製任務中擁有一票否決權，但其在研製階段中的職責主要是監督，而不是領導。這一點必須予以明確，必要時可在任命前對首席科學家進行培訓，以保證其能夠充分、合理地行使權力和發揮職能。
工程設計、試驗與生產階段
空間科學任務一旦進入工程設計、試驗與生產階段，其主要目標就是按照科學目標提出的要求，設計、研製和生產出能夠實現其目標的產品，並在發射後確保成功。
除了一般航天任務需要注意的各種管理要素之外，對於空間科學任務來說，該階段中科學有效載荷的設計和研製是關鍵。但在大多情況下，科學載荷的設計師往往缺乏航天工程的經驗，因此需要組織科學載荷設計團隊與衛星平臺的工程設計團隊密切溝通，反覆迭代，找到最佳實現方案。
此外，
進入該階段的科學任務，在工程的每一個重要環節都要將首席科學家的參與放在重要位置上。只有得到了首席科學家認可的設計，才能最大程度地確保其進入下一階段工作的輸入是正確的。
因此，進入該階段的空間科學任務需要保證首席科學家始終處在監督、稽核、認可和見證的崗位上。
雖然首席科學家擁有叫停和否決任務的權利，但是一個組織管理良好的空間科學衛星任務基本上不會發生這種情況，因為首席科學家在研製的各階段都發揮了其應有的作用。
發射和交付
發射是整個科學任務的關鍵節點。在發射前，任何科學、技術、質量問題都還有解決的可能；而一旦發射上天，就不會再有機會進行設計的更改。因此在發射前，需要由首席科學家對風險進行判斷，管理機構與首席科學家團隊一同認真分析，確定最低發射條件。
確定最低發射條件，是在充分考慮研製成本、人員成本及各方面成本的情況下，對發射過程中一旦出現異常問題的緊急預案，比如：何種情況是可以接受的，仍然可以繼續發射程式，而不影響科學目標的實現；何種情況必須終止發射，如某臺載荷或某個指標出現問題等。從另一個角度講，確定最低發射條件的過程，也是在一旦出現異常問題之後，如何確保科學產出最大化的風險管理過程。
科學衛星入軌後，需要進行2個階段的在軌測試才能交付科學使用者執行。第一階段是衛星平臺的內部測試，確定能源、熱控、姿態、數管和測控等各個服務系統都能正常工作。第二階段是由科學團隊對有效載荷進行測試，檢查載荷的工程引數是否正常，設定各觀測、試驗模式中的引數，驗證載荷各項科學技術指標是否達到要求等。
任務的交付通常以簽署交付檔案的形式完成，需要衛星系統、地面公共支撐系統和科學應用系統的共同參與。
科學執行階段
科學資料是空間科學任務實現科學目標的載體。因此，在科學執行階段，如何使科學資料發揮最大效用，是使科學產出最大化的關鍵。這需要透過制定合理的資料政策予以保證。
通常有2種科學資料政策：①確保首席科學家領導的團隊具有使用資料的優先權和一定時間段內的專有權；②向全體科學界開放，任何感興趣的研究者都可以獲得科學資料。這2種科學資料政策對科學產出激勵的側重方向也不相同。
第一種資料政策：
注重對任務團隊的激勵
資料的優先使用權和專有權是對任務團隊從任務建議到執行數年中作出貢獻的獎勵，也是對他們提出任務科學目標的回報。
一般來說，只有提出科學目標的研究人員，其使用資料積極性最高、目的性最強，也最有可能做出重大科學發現。相比之下，當資料質量不是太好，使用起來不太方便時，團隊以外的人使用資料的主動性和積極性會受到影響，資料的利用率和科學產出會大幅降低。
因此，設定一定時間段的資料專有權，不僅有利於保護和發揮任務團隊的積極性，使他們有時間提升資料質量和使用便利性，並且對於任務的科學產出最大化也有好處。
第二種全面開放的資料政策：
注重讓更多的人能夠獲得資料，以促進科學產出
這類政策比較適用於資料簡單明瞭、穩定好用的觀測類任務所產出的資料。特別是對那些目標不斷變化，可以源源不斷產出科學成果甚至是應用成果的任務，如對地觀測類、對太陽觀測類的任務。
由於觀測目標不斷變化，科學衛星每天都會產生大量的新資料，單憑任務科學團隊無法完全消化。如果讓資料全面開放，就可以最大程度上發揮資料的效益，產生大量科學成果。
一般情況下，科學任務的資料政策都是針對具體任務而量身制定的。通常情況下先實行第一種資料政策一段時間，如半年到1年，再視具體情況決定是否實行第二種全面開放獲取資料的政策。資料封閉的專有期到底多長，要根據科學產出最大化的要求，視具體任務和資料的具體性質來確定。
產出評估
產出評估是全價值鏈管理的最後一個環節，是科學產出最大化的抓手，也是最關鍵的環節。因為產出評估體現了政府財政在空間科學領域投入的反饋。只有得到反饋，整個空間科學任務的價值鏈才算完整地連線起來。只有出現正面反饋，也就是產出的效果和影響被公眾接受，認為政府財政的投入具有正面的社會效應，空間科學這項事業才能得到可持續發展。
當空間科學任務執行至設計壽命截止時間時，通常會遇到2種情況：衛星工作狀態仍然良好，衛星任務沒有達到預期。
衛星工作狀態仍然良好
這是大多數任務所遇到的情況。此時需要對產出進行一次評估。如果科學目標如期完成甚至超出預期，科學使用者方往往會提出延長執行時間的請求，即延壽申請。
延長執行時間將意味著需要增加原來預算的執行經費，因此延壽申請時需要提出延長執行時間和增加的經費概算的請求，更重要的是需要在延壽申請中對已經取得的科學產出和其他方面的產出進行評估。產出評估一般可分為3個方面。
科學產出
這也是最重要的方面。發表於具有獨立評審程式的學術期刊上的論文是最主要的科學產出形式。論文質量可根據其發表期刊的影響力，以及論文引用率和引用語來評價，整個科學界對其產出成果的公開評價也值得關注。論文數量則是統計該任務在科學執行期間利用獲得的資料發表論文的數量。一個高產出的空間科學任務往往每年可發表上百篇論文。例如，美國的Swift（伽馬射線爆發）天文衛星，在執行穩定後的數年中每年產出論文超過200篇；又如哈勃空間望遠鏡
（HST）
，自1990年發射升空以來，已有超過1萬篇相關論文發表，取得了大量的科學發現。
我國的空間科學事業剛剛起步，可以考慮在任務進入穩定的科學執行期之後，將一個成功任務的論文年產量制定在100篇左右比較合適。這裡需要注意的是，
以論文為評價標準並不是急功近利的表現，因為這裡評價的是任務產出，而不是個別科學家的個人產出。
此時的
產出評價實際上是在對參與任務的整個科學團隊進行考量，甚至是對承擔空間科學任務全面管理工作的專業化管理機構在整個任務生命週期中各個階段和節點的工作效果進行評價。
高新技術的轉移和轉化成果
空間科學任務往往會採用大量新技術。因此，
一個國家在空間科學領域投入的目的除發展基礎研究、突破科學前沿以外，還包括激勵高新技術的發展。
然而，對空間科學任務採用的高新技術進行轉移轉化，往往不是科學團隊關注的主要方向。因此，專業化的管理機構有義務將此項工作作為自己的重要工作內容予以重視，並在每一項空間科學任務從進入研製階段開始，就應對其產生的專利和高新技術的潛在應用給予關注。當任務結束時，管理機構應對高新技術的轉移轉化進行評估和總結。
需要注意的是，
不能為此而忽略科學產出，只去評估技術推動。如果只有技術推動，就不能稱為空間科學任務。不能打著空間科學的旗號，即基礎科學研究的旗號，只考慮高新技術的發展，誤導或錯誤使用國家在基礎科學領域的投入。
空間科學任務在社會公眾中產的影響
國家在空間科學領域投入的經費主要來源於國家財政經費，也即納稅人的錢。因此，必須將空間科學任務所取得的成果反饋至社會和公眾。在評估科學發現和突破及可能的技術推動產出以外，還要對一般科學知識的傳播和對公眾的激勵效果進行評估。
這就需要空間科學任務從立項開始，始終透過公共媒體讓公眾知曉其科學目標、研製進度等，並透過這些資訊將普及性質的科學知識傳播給公眾。關於宇宙、空間方面的基礎科學知識，往往是社會公眾特別是青少年非常關注和感興趣的熱點。在這些領域的任何科學和技術進步都是激勵社會公眾和青少年學習科學、技術、工程和數學的非常有效的手段。因此，充分利用空間科學任務非保密和公開的特性，加強科學普及和知識傳播，這是非常必要的。
追求良好的社會效益也是空間科學任務管理機構，以及承擔任務的單位和團隊所必須承擔的公眾義務。在任務執行中和任務結束時，對社會效益和公眾影響方面的工作進行評估，也是全價值鏈管理的重要方面。
如果經過上述評估，判斷任務有繼續提供產出的可能，就應該考慮批准其延壽執行。在延壽執行期內，可進一步促進其擴大產出。在延壽期結束時，再次進行延壽期的產出的評估，直至任務完全結束，再對工程進行全面總結。
衛星任務未達到預期
如果在評估時遇到另一種情況，也即任務遠遠沒有達到預期，不值得延壽執行，甚至中途失敗了，就應該果斷中止其執行。對於有一些科學產出，但是產出小於預期的任務，就應該評估其產出和繼續執行的經費投入比，視情況決定是否需要中止執行。
結語
對空間科學任務實施全價值鏈的管理，是實現科學產出最大化的根本保證，是空間科學事業可持續發展的有力保障。
空間科學任務經費的主要來源為政府在基礎科學研究領域的投入，而這些投入的來源則是向政府納稅的自然人和企業及單位法人，也即來自公眾。公眾對空間科學任務之所以支援，看重的就是其是否對社會發展有回報。
因此，從長遠來看，要想使空間科學這項事業具有可持續性，著力抓好空間科學任務的產出至關重要。
要使空間科學任務的產出最大化，我們需要做到：在戰略規劃階段，注重準確判斷和識別重大科學前沿；在任務建議和遴選階段，確保“自下而上”的任務建議徵集原則和公開、公平和公正的遴選程式，遴選標準需要確保科學目標的重大性和帶動性；在預研和背景型號階段，最佳化方案和突破載荷關鍵技術，並組織國際同行參與其中；在立項論證階段，確保科學任務透過技術和經濟可行性的論證，併為首席科學家確定應有的監督職責；在設計、試驗和生產階段，提高有效載荷和科學目標實現性的設計權重，使整個衛星平臺和工程都緊緊圍繞科學目標和有效載荷，同時確保首席科學家的參與及其監督權得到落實，而不是名不符其實的擺設；在科學執行階段，需要考慮2種特點不一樣的資料政策，根據任務的特點予以平衡。
空間科學任務在我國剛剛起步，認真學習先進航天國家在實施空間科學任務過程中的經驗和教訓，總結我們自己在實施空間科學系列衛星過程中的經驗和教訓，認真思考如何使科學產出最大化，思考什麼是影響科學產出最大化的關鍵核心因素，有助於進一步提升我國在空間科學任務上的管理能力，保證未來的空間科學任務能夠得到社會公眾更大的支援，實現健康可持續發展。
文章改編自：
吳季。 空間科學任務的全價值鏈管理和產出評估。 中國科學院院刊， 2019， 34（2）： 206-213。
吳季
中國科學院國家空間科學中心研究員。全國政協委員， 空間科學與探測技術領域專家； 任中國空間科學學會理事長， 國際宇航科學院院士， IEEE Fellow； 曾任我國第一個空間科學計劃——地球空間雙星探測計劃應用系統總設計師， 嫦娥1號、3號探測器有效載荷總指揮， 東半球空間環境監測子午鏈工程建設總經理， 中國科學院“空間科學（一期）”戰略性先導科技專項負責人。獲國際宇航科學院傑出團隊獎， 歐洲空間天氣與空間氣候獎， 國家科技進步獎一等獎1項， 省部級科技進步獎3項。2016年被Nature評為“中國十大科學之星”， 2018年獲中國航天基金會特別獎。在空間科學與探測領域以及空間政策領域發表了80餘篇論文， 並擁有10餘項發明專利。
