歐洲航天局科學計劃

歐洲空間局的科學計劃是一項長期的空間科學和太空探索任務規劃，由該機構科學理事會管理，透過制定各十年期航天計劃，資助歐洲航天機構和其它組織所開發、發射和運營的任務。首期“地平線 2000”計劃在1985年至1995年間推動了包括四項“奠基石任務”—太陽和太陽圈探測器及星簇2號衛星、X射線多鏡面牛頓衛星、羅塞塔號和赫歇爾空間天文臺等在內的八項任務的開發；第二期“地平線 2000+”計劃，在1995年至2005年期間促進了“蓋亞任務、鐳射干涉空間天線開路者號和貝皮可倫坡號的開發；當前的第三期“宇宙願景”計劃，自2005 年來，已資助了十項任務的開發，其中包括三項旗艦任務：木星冰月探測器、先進高能天體物理學望遠鏡和鐳射干涉空間天線。目前正在規劃即將推出的第四期“遠航 2050”計劃。另外 ，在科學計劃中，還有與歐洲以外航天機構和組織的合作，如與美國宇航局的“卡西尼-惠更斯號”和中國國家航天局的微笑計劃專案。管理.科學計劃由歐洲空間局 (ESA) 科學理事會管理，其目標包括提升歐洲在太空科學領域的地位、促進技術創新以及維護歐洲太空基礎設施，如發射服務和航天器運營，為歐空局強制性計劃之一，所有歐空局成員國都必須參與，並按照國民生產淨值的比例繳納一定的會費，以確保該計劃及其任務的長期財務安全。該計劃的制訂過程採用“自下而上”的結構，歐洲科學界可透過諮詢機構引導計劃的方向。這些機構向總幹事和科學部主任提出有關該計劃的建議，並可將建議獨立報告給歐空局的科學計劃委員會—整個計劃的管理機構。該計劃目前的諮詢結構由天文學工作組 (AWG) 和太陽系與探索工作組 (SSEWG) 組成，他們向高階空間科學諮詢委員會 (SSAC) 報告，該委員會則向該機構的董事會報告。諮詢機構的成員資格為期三年，天文學工作組和太陽系與探索工作組的主席也是高階空間科學諮詢委員會的成員。另外，還可設立特設諮詢小組，就某些任務提案或規劃週期的制定提供諮詢意見。該計劃中的任務是從歐洲科學界成員向歐空局提交的提案中競選評出，在每次競選中，歐空局都會概述提案需要滿足的各類任務評審標準，它們分別是“L”級大型任務、“M”級中型任務、“S”級小型任務和“F”級快速任務，每類任務都有不同的預算上限和實施時間表。參選提案隨後由天文學工作組、太陽系與探索工作組、歐空局工程師和所有相關的特設工作組進行審查，作為“第 0 階段”可行性研究的一部分。對需要開發新技術的任務，會在研發期間由歐洲空間研究與技術中心的並行測試部門進行審查。研究結束後，在“A 階段”最多選出三項入圍提案，併為每項候選任務制定初步設計。然後，科學計劃委員會就哪項提案進入“B”到“F”階段作出最終決定，包括任務中所用航天器的開發、建造、發射和處置。在 A 階段，每項候選任務會分配兩個相互競爭的承建商來建造航天器，並在 B 階段選擇獲選任務的承建商。歷史.背景.歐洲空間局成立於1975年5月，由歐洲空間研究組織(ESRO)和歐洲發射裝置發展組織(ELDO)合併而成。1970年，歐洲空間研究組織的發射計劃管理諮詢委員會 (LPAC) 決定不執行當時認為超出該組織預算和能力的天文學或行星探測任務，這意味著所有大型科學任務必須要與其他政府航天機構和組織進行合作。1980年，這一政策得到有效改變，時任歐空局科學部主任恩斯特·特倫德倫伯格於1983年5月接替特倫德倫伯格擔任科學部主任。地平線 2000.闡述.1983年11月和12月，歐空局根據博內特於1983年底向科學計劃委員會提交的社會驅動計劃的構想，首次向歐洲科學界公開徵集任務提案。這次徵集共產生了68項提案，其中30項屬於天文學領域，34項為太陽物理學領域，還有4項其它領域的概念。並從空間科學諮詢委員會、歐洲核子研究中心、歐洲科學基金會、歐洲南方天文臺和國際天文學聯合會等機構召集相關成員，組建了一個由時任荷蘭空間研究所主管約翰·布雷克(Johan-Bulek)領導的臨時“調查委員會”，專門審查提交的提案。在整個1984年初，調查委員會為一系列任務制定了計劃，這些任務劃分為三類—實施時間較長，需要兩年預算的“奠基石”級任務；需一個年度預算的中型任務和只花費半年度預算的小型任務。1984年，科學計劃的預算為每年1.3億歐洲貨幣單位，並建議在1991年之前每年增加7%，屆時預算將固定為每年2億歐洲貨幣單位。中型和小型類專案稍後將合併為一箇中型類專案，代表花費一半預算的任務。這一類別在內部被稱為“藍色任務”，以它們在公開計劃圖表中被藍框表示而命名。該計劃最初三項奠基石專案都各自針對某一特定的科學領域，參選提案需致力於填補這一領域，而中型任務的目標則有待於與任務提案一起進行競選。選定的奠基石專案是彗星取樣返回任務、X射線光譜學任務和亞毫米天文學任務。因財務和技術不足而未選定的基礎目標，但調查委員會稱具有地平線 2000 計劃外機會的專案有太陽探測器、火星探測車和二維干涉測量任務。1984年6月，調查委員會在威尼斯聖喬治·馬焦雷島召開了最後一次會議，會上向時任歐空局總幹事埃裡克·奎斯特加德，該計劃由太陽和日光層觀測站和星團衛星提案組成，成為地平線2000計劃下首批選中發射的任務。1985年,奎斯特加德在羅馬舉行的部長理事會上提出了地平線2000計劃並獲得批准。到1989年，預算每年只增加5%，而不是要求到1991年達到的7%，這隻夠為地平線2000目標提供約一半的資金。但1990年海牙部長理事會批准將5%的年增長率延長至1994年，這使得所有地平線2000任務都能獲得全額資金。實施.1985年6月，歐空局在靈比舉辦的一次研究會上，X射線多鏡面任務的成功啟發了任務規劃者透過將航天器發射到高偏心軌道來提高任務觀測效率，可使航天器的有效載荷減少到最終設計的三架大型望遠鏡—每架望遠鏡的反射面積為1500釐米2。到1986年，預計第四號奠基石專案—日地科學計劃的成本將超出所分配的4億歐洲貨幣單位預算。在1986年2月的一次會議上，科學計劃委員會被告知有可能取消該奠基石專案，以便轉為在太陽和日光層天文臺、星簇衛星和開普勒火星軌道器提案中選擇一項中型任務，這在空間科學諮詢委員會成員中得到了普遍的支援。而一個月前發生的挑戰者號太空梭災難對該計劃產生了極大的負面影響，因為太陽和日光層天文臺原計劃搭載在太空梭上發射升空。儘管如此，透過簡化太陽和日光層天文臺，以及將星團衛星減少為三顆，太陽系工作組、空間科學諮詢委員會和科學計劃委員會還是堅持了對日地科學計劃專案的承諾。1986年10月與美國宇航局達成的一項合作協議，進一步降低了任務的成本—美國宇航局將提供測試、發射服務和衛星操作，並提供各類科學儀器，同時取消自已的赤道任務，轉而使用搭載了美國探測儀器的第四顆星簇衛星。第一次中級飛行任務是1982年歐空局在地平線2000計劃前，從提交的提案中選出的，一艘由一組美國和歐洲科學家提出的搭載在美國卡西尼號航天器上的土衛六探測器，並與美國-歐洲聯合的萊曼紫外線天文學衛星和魁煞甚長基線干涉天文臺一起成為最終入圍者。歐洲-蘇聯聯合的維斯塔小行星多次飛越任務和格拉斯普伽馬射線天文臺也參加了評選，但被天文學工作組和太陽系工作組拒絕。挑戰者號失事導致的預算削減迫使美國宇航局撤消了對萊曼和魁煞專案的支援。1988年11月，科學計劃委員會選擇了土衛六探測器，根據會上瑞士天文學家的建議，該探測器更名為惠更斯號，以紀念在1655年發現了土衛六的克里斯蒂安·惠更斯。在1989年6月的第二次中級任務競選中，美國和歐洲機構聯合提出了國際伽瑪射線天體物理實驗室，一臺結合了格拉斯普與美國核天體物理探測器功能的伽馬射線天文臺。美國核天體物理探測器在當年美國宇航局探索者計劃評選中落敗，但美國宇航局支援這一提案，俄羅斯科學院後來曾提出用質子運載火箭發射它，以換取對該探測器的觀測時間。儘管很擔心美國宇航局對該任務的承諾及資金但在1993年6月，科學計劃委員會還是選擇了國際伽瑪射線天體物理實驗室專案，並由美國宇航局提供深空網路服務和一臺光譜儀。作為回應，美國宇航局不透過競選，直接將國際伽瑪射線天體物理實驗室專案列為探索者計劃任務。對於這一點，加上對為此次任務所設計光譜儀靈敏度的擔憂，在美國宇航局的諮詢機構中引起了爭議。1994年9月，歐空局和美國航天局以缺乏財政支援為由，決定終止美國航天局在光譜儀方面的合作，法國國家太空研究中心迅速承擔了財政負擔，並主導了新光譜儀的設計和製造。1993年11月，羅塞塔號和“福斯特號”入選為第三和第四次奠基石任務，後一任務最終被重新命名為赫歇爾空間天文臺。1996年7月，宇宙背景輻射各向異性衛星和背景各向異性測量仍在執行。地平線 2000+.“地平線2000+”是地平線2000計劃的延續，為上世紀90年代中期制定的1995年至2015年期間執行的任務計劃。它包括了另外兩項奠基石級任務，即2013年發射的星際測繪任務蓋亞號和2018年發射的貝皮可倫坡號水星探測任務，以及將於2015年發射，以測試未來鐳射干涉空間天線的技術演示衛星鐳射干涉空間天線開路者號，“地平線2000”和“地平線2000+”計劃下的所有任務都取得了成功，只有1996年發射的星簇衛星因火箭爆炸而被毀，但在2000年成功建造併發射了替代的星簇2號衛星。宇宙願景.宇宙願景2015-2025是歐空局空間科學任務規劃的當前長期計劃，最初的構想和概念徵集發起於2004年，隨後在巴黎舉辦了一次研討會，探討在天文學和天體物理學、太陽系探索和基礎物理學等更廣泛領域內更全面地定義宇宙願景的主題。到2006年初，圍繞以下4項關鍵問題制定了10年計劃：2007年3月，正式釋出了任務構想徵集，共收到19項天體物理學、12項基礎物理學和19項太陽系任務建議。大型.大型飛行任務最初打算與其他合作伙伴聯合實施，歐空局設定的費用不超過9億歐元。然而，在2011年4月，很明顯，美國的預算壓力意味著在第一項大型任務上不太可能與美國宇航局取得合作。因此，接下來的選擇被迫推遲，任務範圍重新確定為由歐空局主導，國際參與有限。宇宙願景計劃共選擇了三項大型任務，分別為：計劃於2023年發射的木星和木衛三軌道飛行器“果汁號”；2034年發射X射線天文臺“雅典娜號”以及 2037年發射的太空引力波觀測臺“莉莎號”。中型.中級任務是相對獨立的專案，成本上限約為5億歐元。前兩項中級任務：近距離太陽觀測的太陽物理學軌道飛行器任務和旨在研究暗能量及暗物質的“歐幾里德”可見光-近紅外太空望遠鏡任務於2011年10月選出。2014年2月19日，尋找系外行星並測量恆星振盪的“柏拉圖號”一舉擊敗回聲號(EChO)、閣樓號(LOFT)、馬可波羅-R(MarcoPolo-R)和時空探索者與量子等效原理空間測試(STE-QUEST)等空間探測計劃，成為第三項中級任務。2015年3月，在對第四次中級飛行任務提案作初步篩選後，6月4日公佈了三項入選進一步研究的候選任務名單：雷神號等離子體天文臺、西佩號X射線天文臺和系外行星大氣紅外遙感大調查衛星愛麗兒號。最終，透過觀測附近系外行星凌日來確定其化學成分和物理條件的愛麗兒號空間天文臺，在2018年3月20日被宣佈中選第四項中級任務。第五項中級任務角逐於2021年6月結束，獲勝的展望號金星軌道器將在2031發射升空。斯皮卡號遠紅外天文臺和忒修斯號伽馬射線望遠鏡是此次參選中的另外兩項提案。小型.歐空局的小型飛行任務預算不超過5000萬歐元，2012年3月釋出了第一次任務提案徵集公告，獲選的提案需要在2017年前完成發射準備，此次徵告收到約70份意向書。基奧普斯號是一項透過光度測量搜尋系外行星的任務，2012年10月被選為第一項S級任務，將於2019年秋季發射；2015年6月，歐空局與中國科學院聯合開展的地球磁層圈和太陽風互動作用研究專案—微笑任務，從13項競選提案中脫穎而出，成為第二項S級任務，截至2021年4月，微笑計劃將定於2024年11月發射。快速型.在2018年5月16日的歐空局科學計劃委員會 (SPC) 研討會上，提出了建立一系列特殊機會的快速級任務。 從第四號中級任務開始，這些快速級任務將與每次的中級任務一起聯合發射，並將側重於“創新實施”，以擴大任務涵蓋的科學主題範圍。但將快速級任務納入宇宙願景計劃需要增加科學預算。快速級任務從選擇到發射必須在十年時間之內，且重量不超過1000公斤。2019年6月，選出了首個快速級任務-彗星攔截器。機會任務.有時，歐空局會資助其它航天機構主持的太空任務。機會任務能讓歐空局科學界以相對較低的成本參與合作伙伴主導的任務，設定的成本上限為5000萬歐元。歐空局的機會任務包括對日出號、虹膜號、顯微鏡號、普羅巴3號、X射線成像和光譜學任務任務的資助雖被評估為宇宙願景中的機會任務，但它不再在該框架內考慮，現已被列為第五號中級任務提案之一。遠航2050.歐空局科學計劃的下一個十年期規劃是“遠航2050”，它將涵蓋2035年至2050年的空間科學任務。該計劃起始於2018年12月任命的高階委員會和2019年3月發表的白皮書公告。。該計劃目前預計有三項大型任務和六到七項中型任務，以及小型和機遇任務。2021年6月11日，高階委員會發布了遠航2050計劃，併為接下來的三大任務推薦了以下科學主題：任務.地平線2000地平線 2000 +宇宙願景註釋資料文