歐洲空間局科學計劃

歐空局科學計劃選擇的任務，從左上角順時針方向為「惠更斯號」著陸器、「羅塞塔號」軌道器、莉莎天文台和「赫歇爾號」望遠鏡。

歐洲空間局的科學計劃（Science Programme）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，通過制定各十年期航太計劃，資助歐洲航太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台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、雷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雷射干涉空間天線。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，還有與歐洲以外航太機構和組織的合作，如與美國宇航局的「卡西尼-惠更斯號」和中國國家航太局的微笑計劃項目。

## 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，如發射服務和太空飛行器運營，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，歐洲科學界可通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（SPC）—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，他們向高級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級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周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，並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，包括任務中所用太空飛行器的開發、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太空飛行器，並在 B 階段選擇獲選任務的承建商。

## 歷史

### 背景

美-歐「尤利西斯號」聯合任務（左）的受挫以及阿麗亞娜1號火箭（右）的成功促進了歐洲科學計劃自主化進程。

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太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（Ernst Trendelenburg）和新成立的決策機構—科學計劃委員會 (SPC) 決定選擇發射飛越哈雷彗星的「喬托號」偵測任務和「依巴谷」天體測量任務，加上1983年3月選定的國際紫外線探測天文台，成為三項首次用阿麗亞娜空間運載火箭發射的歐洲探索任務，自此使歐洲擁有了自主的發射服務。除此之外，缺乏長期科學任務計劃，以及美國宇航局在國際合作的太陽極地任務（後命名為「尤利西斯號」）預算挫折，刺激了長期科學計劃的發展。通過該計劃，歐空局可在更長時間內獨立於其他機構和組織持續地規劃任務。歐空局科學理事會的決策和諮詢結構在該計劃成立之前就立即發生了改革。20世紀70年代，歐空局科學諮詢委員會（SAC）接替了發射計劃管理諮詢委員會 (LPAC)，就所有科學問題向總幹事提供諮詢，天文工作組（AWG）和太陽系工作組（SSWG）也直接向總幹事報告。20世紀80年代初，歐空局科學諮詢委員會（SAC）被空間科學諮詢委員會 (SSAC) 取代，後者的任務是向科學部主任報告天文學工作組和太陽系工作組的發展情況。此外，前歐空局科學諮詢委員會主席羅傑-莫里斯·博內特（Roger-Maurice Bonnet）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

在過去25年來，太空科學從開拓和探索階段已發展成為基礎科學中牢不可破的成熟分支了。現在是確立未來數十年歐洲太空科學主要發展方向，以鞏固歐洲科學發展前沿地位的時候了。

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、歐洲南方天文台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。中型和小型類項目稍後將合併為一個中型類項目，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項目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。選定的奠基石項目是彗星採樣返回任務、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 計劃外機會的項目有太陽探測器、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大聖喬治島召開了最後一次會議，會上向時任歐空局總幹事埃里克·奎斯特加德（Erik Quistgaard）和歐洲科學界主要成員提交了「地平線2000」計劃。該計劃的廣義目標是擴大科學知識，將歐洲建立為空間科學的發展中心，為歐洲科學界提供機會，並促進太空技術產業的創新。會議通過了太陽系工作組提出的第四號奠基石項目—日地科學計劃（STSP），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

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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（XMM）被列為X射線光譜學奠基石任務，該任務是一台由12架低能望遠鏡和7架高能望遠鏡組成的空間天文台。但受客觀條件限制，到1987年，任務有效載荷整體削減至7台望遠鏡。雖然歐洲X射線天文台衛星（EXOSAT）的成功啟發了任務規劃者通過將太空飛行器發射到高偏心軌道來提高任務觀測效率，可使太空飛行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厘米2。到1986年，預計第四號奠基石項目—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項目，以便轉為在太陽和日光層天文台、星簇衛星和克卜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持。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台原計劃搭載在太空梭上發射升空。儘管如此，通過簡化太陽和日光層天文台，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項目的承諾。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太空飛行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台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台也參加了評選，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項目的支持。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，一台結合了格拉斯普與美國核天體物理探測器（NAE）功能的伽馬射線天文台。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，但美國宇航局支持這一提案，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來源，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項目，並由美國宇航局提供深空網絡服務和一台光譜儀。作為回應，美國宇航局不通過競選，直接將國際伽瑪射線天體物理實驗室項目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，歐空局和美國航太局以缺乏財政支持為由，決定終止美國航太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，後一任務最終被重命名為赫歇爾空間天文台。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（COBRAS/SAMBA）後改名為普朗克衛星，被選為第三次中型任務。截至2016年12月，地平線2000任務中尚有四項（包括三項奠基石任務和一個中型任務）仍在運行。

### 地平線 2000+

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「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，以測試未來雷射干涉空間天線（莉莎號）的技術演示衛星雷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年成功建造並發射了替代的星簇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：

- 行星形成和生命出現的條件為何？
- 太陽系如何運行？
- 宇宙基本物理定律為何？
- 宇宙如何起源以及由何組成？

2007年3月，正式發布了任務構想徵集，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（L級）飛行任務最初打算與其他合作夥伴聯合實施，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射線天文台「雅典娜號」以及 2037年發射的太空引力波觀測台「莉莎號」。

#### 中型

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中級（M級）任務是相對獨立的項目，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日公布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台、西佩號X射線天文台和系外行星大氣紅外遙感大調查衛星愛麗兒號。最終，通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台，在2018年3月20日被宣布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台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（S級）預算不超過5000萬歐元，2012年3月發布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，此次征告收到約70份意向書。基奧普斯號是一項通過光度測量搜索系外行星的任務，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交互作用研究項目—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，提出了創建一系列特殊機會的快速級（F 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太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夥伴主導的任務，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（XRISM）、火星太空生物、愛因斯坦探針衛星和火星衛星探測器的資助。對日本宇宙航空研究開發機構的斯皮卡號（宇宙和天體物理學太空紅外望遠鏡）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

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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月任命的高級委員會和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，高級委員會發布了遠航2050計劃，並為接下來的三大任務推薦了以下科學主題：

- 巨行星的衛星—探測擁有海洋的氣體巨行星衛星的任務。
- 從溫和的系外行星到銀河系—描述系外行星特徵或調查銀河系形成歷史的任務。
- 早期宇宙的新物理探測器—通過宇宙微波背景、引力波或其他基本天體物理現象來研究早期宇宙的任務。

2024年3月25日，歐洲航太局宣布，遠航2050的首個大型任務（L4號探測器）將以「巨行星的衛星」為主題，聚焦土衛二。

目前正在研究遠航2050的首個中型任務（M7）的3個候選型號，預計在2026年選定，2028年採納：

- M-Matisse：火星磁層、大氣層、電離層和空間天氣科學
- 等離子體觀測站：地球等離子體環境
- 忒修斯號：瞬態高能天空和早期宇宙巡天探測器，用於研究高能宇宙事件

## 任務

地平線2000

- 奠基石 1 – 太陽和日光層觀測站，1995年12月發射，運行中 – 歐空局-美國宇航局為空間天氣預報提供實時數據的聯合太陽觀測任務。
- 奠基石 1 – 星簇衛星，1996年6月發射，失敗 – 使用四顆相同衛星研究行星磁層的地球觀測任務，發射失敗。
- 重新發射– 星簇2號衛星，2000年7月和8月發射，運行中 – 成功完成任務接替。
- 奠基石 2 – X射線多鏡面任務，1999年12月發射，運行中 –一架研究宇宙中所有範圍X射線源的X射線空間望遠鏡。
- 奠基石 3 – 羅塞塔號，2004年3月發射，已完成 – 丘留莫夫－格拉西緬科彗星軌道器任務，研究彗星及其演化。
- 奠基石 4 – 赫歇爾空間天文台，2009年5月發射，已完成 –通用天文學紅外太空觀測任務。
- 中1號 – 惠更斯號，1997年10月發射，已完成 – 「卡西尼-惠更斯號」任務的土衛六著陸器組件，首次登陸外太陽系星球。
- 中2號 – 國際伽瑪射線天體物理實驗室，2002年10月發射，運行中 – 伽馬射線空間天文台，也可觀測X射線和可見光波長。
- 中3號 – 普朗克衛星，2009年5月發射，已完成 – 繪製宇宙微波背景及其各向異性的宇宙學任務。

地平線 2000 +

- 第1次任務– 蓋亞號，2013年12月發射，運行中 – 天體測量任務，測量銀河系中超過十億個天體的位置及距離。
- 第2次任務– 雷射干涉空間天線開路者號，2015年12月發射，已完成 –演示宇宙願景莉莎號引力波觀測站技術的任務。
- 第3次任務– 貝皮可倫坡號，2018年10月發射，運行中 – 歐空局-日本宇宙航空研究開發機構聯合水星偵測任務，使用兩艘分別運行的獨特探測器。

宇宙願景

- 大1號 – 果汁號，2023年8月發射，2031年進入軌道。未來 – 木星軌道飛行器任務，重點研究四顆伽利略衛星木衛二、木衛三和木衛四。
- 大2號 – 雅典娜號，2034年發射，未來 – X射線空間觀測任務，用於接替「X射線多鏡面任務」望遠鏡。
- 大3號 – 莉莎號，2037年發射，未來 – 第一次專門的引力波太空觀測任務。
- 中1號 – 太陽軌道器，2020年發射，運行中 –太陽觀測任務，旨在在0.28天文單位的近日點對太陽進行遙感和原位研究。
- 中2號 – 歐幾里得衛星，2023年初發射，未來 – 重點聚焦暗物質和暗能量的可見光和近紅外太空觀測任務。
- 中3號 – 柏拉圖號，2026年發射，未來 – 類似太空觀測任務的凌日系外行星巡天衛星，旨在發現和觀測系外行星。
- 中4號 – 愛麗兒號，2029年發射，未來 – 研究已知系外行星大氣層的紅外太空天文台任務。
- 中5號 – 展望號，2031年發射，未來 – 金星測繪軌道飛行器任務。
- 小1號 – 太陽和日光層觀測站，2019年12月發射，運行中 –重點研究已知系外行星的空間望遠鏡任務。
- 小2號 – 微笑計劃，2024年11月發射，未來 –歐空局與中國科學院聯合執行的地球觀測任務，研究地球磁層與太陽風之間的交互作用。
- 快1號 – 彗星攔截器，2029年發射，未來。

## 另請查看

- 歐空局計劃和任務列表
- 太陽系探測器列表
- 空間望遠鏡列表