双星计划:科学目标牵引卫星工程
2018-11-13 15:29

 
2011年年初,我国迄今为止最大的空间科学卫星计划——空间科学先导专项宣告启动,标志着我国空间科学卫星发展站在了新的历史起点上。
 
然而,在此之前,还有另外一项堪称鼻祖级的科学卫星计划。它仿佛是中国空间科学夜空里的一道闪光,用耀眼的光芒,照亮了中国空间科学的漫漫长夜。
 
它,便是中国首个以科学目标牵引立项的卫星工程项目——“地球空间双星探测计划”(简称“双星计划”)。
 
天作之合
 
继陆地、海洋和大气层之后,近几十年来,人类的活动范围已经快速延伸到了地球空间,这个区域已成为与人类活动息息相关的“第四区域”。
 
然而,对于这个区域的环境我们还知之甚少。表面看上去风平浪静的地球空间,实则潜伏着各种危机,比如突发的空间暴常常令空间飞行器猝不及防,同时也直接威胁到宇航员的生命安全。
 
1997年年初,中国科学院空间科学与应用中心(中国科学院国家空间科学中心前身)刘振兴院士牵头,提出了“双星计划”:一颗赤道区卫星,一颗极区卫星,形成一对姊妹星座,联手覆盖整个近地磁层区。
 
彼时,欧洲空间局对于刘振兴提出的“双星计划”十分重视,于是专门派出了以科学项目主任为首的代表团于1997年11月访问了北京,与当时的空间中心共同讨论关于“双星计划”的合作问题。
 
会上,欧空局一行人在听了中方关于“双星计划”的报告后,马上走出报告厅讨论起来。一会儿,他们又回到报告厅,并当场表示要和中国进行合作。
 
“就目前来说,单靠自己的水平我们还不能在短时间内解决高精度探测仪器问题,因而也就不能在很短的时间内把卫星送上太空。通过与欧空局的合作,其中50%的中国目前不能制造的精密仪器由欧空局提供,这在很大程度上提高了中国的空间技术水平。”刘振兴院士曾这样表示。
 
于是,中欧双方一拍即合,会议第二天便达成了初步合作意向。
 
2001年7月,中欧正式签署“地球空间双星探测计划”合作协议。2002年10月,“双星计划”通过国务院正式批准立项,成为中国第一个以科学为目标牵引立项的卫星计划,也成为中国第一个与航天先进国家和地区开展的重大国际合作项目。
 
开创先河
 
简单来说,“双星计划”就是要通过研究太阳活动、行星际扰动触发磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程,为空间活动安全以及维护人类生存环境提供科学数据和对策。
 
“双星计划”由两颗卫星组成,一颗为赤道卫星,即探测1号;另一颗为极轨卫星,即探测2号。探测1号的轨道在赤道面附近,近地点约700公里,远地点约83000公里,倾角约28度;探测2号的轨道近似垂直于赤道面,经过地球的南北两极上空,近地点约550公里,远地点约45000公里,倾角约90度。
 
这两颗卫星的轨道覆盖了当时人类还未探测的地球空间区域,两颗卫星之间的配合,可以同时探测与地球空间暴发生有关的重要区域,如地球的磁层顶边界层、磁尾以及两极上空。
 
“双星计划”的两颗卫星共搭载有16台科学探测仪器。其中,中方研制了8台,包括2台高能质子探测器(HEPD)、2台高能电子探测器(HEED)、2台重离子探测器(HID)、1台低频电磁波探测器(LFEW)和1台低能离子探测器(LEID);欧方研制了7台,包括2台磁通门磁强计(FGM)、2台电子与电流仪(PEACE)、1台热离子分析仪(HIA)、1台电位主动控制仪(ASPOC)和1台电磁场波动分析仪(STARF);中欧合作研制1台,即中性原子成像仪(NUADU)。
 
同时,“双星计划”还配套建设了3个数据(地面)接收站,分别为北京密云站、上海佘山站以及西班牙维纳弗拉卡站。
 
“当时,抗辐射防护、对卫星本身电磁场的控制、仪器运输过程中物理防护等方面都对中国空间技术提出了新挑战。”“双星计划”卫星总设计师、总指挥张永维介绍。但中方研制团队排除万难,最终保障了卫星任务的顺利完成。
 
2003年12月30日,探测1号发射成功;2004年7月25日,探测2号发射成功。2004年4月,探测1号交付;2005年4月,探测2号交付。
 
“这两颗星的设计寿命一个是1年,一个是1年半,但是实际运行都各超了1倍。”张永维告诉记者。
 
如今,“双星计划”探测到的数据仍在发挥作用。“我们仍有研究人员在挖掘这些数据。”原空间中心主任吴季介绍。不仅如此,“双星计划”与欧空局“星簇计划”的数据比照研究也仍在继续。
 
据不完全统计,2004年3月至2009年2月期间,与“双星计划”相关的SCI收录论文数量达104篇,被引用107次;围绕该计划产生国际会议特邀报告10篇,大会报告46篇;申请发明专利 15 项,其中 12 项已获授权;申请实用新型专利 8 项,已全部授权;计算机软件著作权登记 46 项。
 
成就典范
 
对于中国空间科学来说,“双星计划”不仅是里程碑,更是一份辉煌荣耀。
 
“双星计划”的两颗卫星共获取了520GB以上的探测数据,足足为原计划探测数据量的3倍;科学数据中心为科学用户提供4秒高分辨率和1分钟分辨率的两种科学数据产品,可满足用户的不同需求;用户遍布中国、美国、俄罗斯、日本、加拿大及欧洲等40多个国家和地区,10年来中国数据中心访问总数达1000多万次;此外,“双星计划”的科学数据中心还向空间环境应用用户提供了科学数据支持,在空间环境预报模型以及预报方面发挥了重要作用。
 
不仅获得了大量的探测数据,“双星计划”还通过与“星簇计划”的协调探测,首次完成了人类历史上的地球空间“六点协调探测”,在实现其科学目标方面取得了重要的探测研究结果。特别是提出了亚暴触发的新理论——“锋面理论”,在国际空间科学研究领域产生了重要影响,其中诸多名词被国际学者在研究工作中所采用。
 
不得不提的是,“六点协调探测”以及取得的多空间层次和多时空尺度的大量高分辨率科学数据,也引发了国际磁层研究的新热点。
 
2004~2009年间,多个国际重要学术会议上都有“双星—星簇”多点探测的专题研讨会或特邀学术报告;欧洲、美国和日本等国家和地区也都纷纷提出了新的多点探测计划,如THEMIS、MMS、Scope等等。
 
正是凭借着“六点协调探测”这一开先河之举,“双星计划”与“星簇计划”共同摘得了国际宇航科学院(IAA)颁发的“2010年杰出团队成就奖”。而这也是中国第一次获得这一国际航天领域的至高荣誉。
 
而对于中国空间科学发展而言,“双星计划”更为重要的意义在于填补了我国空间探测领域几十年的空白,开辟了空间科学卫星的先河,让中国的空间科学研究在国际上有了一席之地,充分展示了我国的实力和水平,提高了我国在国际空间物理界的地位和作用。
 
同时,“双星计划”也为我国后续空间科学卫星系列的发展提供了有益的经验:其所建立的以科学目标为牵引的科学卫星立项程序、首席科学家模式、科学运行和数据中心以及国际合作等方面的经验,已经被我国政府主管部门和后续的空间科学探测计划所采纳。
 
此外,“双星计划”就仿佛是一把钥匙,打开了我国空间科学国际交流的大门。在此之后,我国科学家陆续提出了一系列空间科学探测计划,如磁层—电离层—热层耦合小卫星星座探测计划(MIT)、太阳极轨望远镜计划(SPORT)和太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划(SMILE)等等,空间科学国际合作风生水起。
 
鉴于“双星计划”取得的卓越科学和技术成果推动了我国空间科学和技术的发展,2010年,“双星计划”获得国家科学技术进步奖一等奖。
 
刘振兴院士曾作过一个比喻:“这就像下棋,位置非常关键,就空着两个地方,你下了这个棋子,这盘棋就活了。”正是怀着这种“天作棋盘星作子”的气概,空间中心以“双星”与欧空局的“星簇”相配合,弈出了精彩的一局。■
 
《科学新闻》 (科学新闻2018年9月刊 硕果)

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