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夸父计划,夸父计划进入技术攻关将发射3颗测日

2019-11-01 13:57
“夸父”追日 梦圆何时
“夸父计划”启动10年仍“暂缓执行”

北京时间6月4日下午,中国科学院与欧洲空间局联合公布了新遴选出的中欧联合空间科学卫星计划——“太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划”,是继2003年双星计划之后,中欧又一大型联合空间科学探测项目,也是双方科学家开展深度国际合作新的里程碑。

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作为中国继“嫦娥计划”后又一重要的空间探测计划,“夸父计划”至今已启动10年。但这些年该计划一直命途多舛,目前仍处于“暂缓执行”阶段——

“1、2、3,茄子!”地球微微一笑,留下“倩影”。

这是近日北京大学地球与空间科学学院教授、“夸父计划”办公室主任、国际宇航科学院院士、中国空间科学学会前理事长肖佐透露的消息。目前“夸父计划”已顺利完成背景研究的任务,争取在论证评审通过后,转入下一阶段的技术攻关。

涂传诒院士

■本报见习记者 倪思洁

这不是梦话。北京时间6月4日下午,一项英文简称为“微笑”的卫星任务由中国科学院与欧洲空间局联合发布,其科学目标之一是为整个地球空间拍照。

“嫦娥给了我们很大信心”

bv1946伟德入口 3肖佐教授

今年是“夸父计划”实施的第10个年头。不过,作为中国继“嫦娥计划”后又一重要的空间探测计划,这些年“夸父”似乎略显低调。

SMILE计划的全称是“太阳风—磁层相互作用全景成像卫星计划”。这是中欧双方继2003年地球空间双星探测计划合作之后的又一大型联合空间科学探测项目。由于其科学的创新性和重大意义,在13个中欧联合征集的竞争项目中脱颖而出。

2007年10月24日,中国绕月探测卫星嫦娥一号卫星成功发射,举国欢庆,也让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。

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“今年5月,‘夸父计划’已被暂缓执行,主要是由于国际合作形势发生了变化。”“夸父计划”首席科学家、中科院空间科学中心研究员刘维宁日前告诉《中国科学报》记者。

此次项目的中方首席科学家、中科院国家空间科学中心(简称中科院空间中心)空间天气学国家重点实验室主任王赤在接受《中国科学报》采访时表示,本次卫星计划由中科院空间中心和欧空局双方科学家共同提出,是双方科学家开展深度国际合作的一个全新的高度,将树起人类探索地球空间新的丰碑。

“嫦娥的成功发射标志着我国深空探测向前迈进了一大步,对我国进一步建议中的几项深空探测很有意义,当然也为"夸父计划"再发射、测控等方面奠定了极好的基础。”作为“夸父计划”积极的推动者和参加者,肖佐对嫦娥一号成功发射感到由衷的高兴。

“夸父计划”示意图。

2003年1月,在国家自然科学基金委员会地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上, “夸父计划”的科学思想和基本概念被提出。2004年,国家自然科学基金委员会决定以重点项目形式支持“夸父计划”的预研。10年后的今天,命途多舛的“夸父计划”将何去何从?

bv1946伟德入口 ,记者了解到,欧空局拟支持5300万欧元,中方给予大致同等强度的支持。卫星发射时间预期在2021年,运行寿命为3年。

与“嫦娥计划”不同的是,“夸父计划”是锁定太阳的深空探测计划,又称为“空间风暴、极光和空间天气”探测计划。该计划将由一颗位于日地系统第一拉格朗日点(也称L1点,即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”、“夸父B2”组成综合观测系统,将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。

“在涂传诒院士的主持下,‘夸父计划’已经顺利完成了预研究阶段的任务,正在积极筹备转入下一阶段的技术攻关,之后会在技术攻关的基础上争取国家的工程立项。”     这是近日北京大学地球与空间科学学院教授、“夸父计划”办公室主任、国际宇航科学院院士、中国空间科学学会前理事长肖佐向《科学时报》透露的消息。目前“夸父计划”已顺利完成背景研究的任务,争取在论证评审通过后,转入下一阶段的技术攻关。     “嫦娥给了我们很大信心”     2007年10月24日,中国绕月探测卫星嫦娥一号卫星成功发射,举国欢庆,也让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。     “嫦娥的成功发射标志着我国深空探测向前迈进了一大步,对我国进一步建议中的几项深空探测很有意义,当然也为‘夸父计划’再发射、测控等方面奠定了极好的基础。”作为“夸父计划”积极的推动者和参加者,肖佐对嫦娥一号成功发射感到由衷的高兴。     与“嫦娥计划”不同的是,“夸父计划”是锁定太阳的深空探测计划,又称为“空间风暴、极光和空间天气”探测计划。该计划将由一颗位于日地系统第一拉格朗日点(也称L1点,即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”、“夸父B2”组成综合观测系统,将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。     “虽然夸父卫星的对地距离比嫦娥一号卫星远了4倍,但是嫦娥一号在测控方面所使用的50米大天线,我们也会充分利用到。”肖佐告诉记者。     据记者了解,“夸父计划”的原创性科学思想和基本概念是在2003年1月24日在国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,首先由北京大学涂传诒院士在同肖佐、张永维总师和中国科学院魏奉思教授讨论的基础上提出的。随后,“夸父计划”预研成为由北京大学牵头、国家自然科学基金委支持的重点项目,并有国内外有关科技专家大力支持和参与。此后,国防科工委组织了相关评审。根据国防科工委建议,以“夸父计划”为基础,与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的“风暴计划”进行了整合,叫做“夸父—太阳风暴、极光和空间天气计划”。     肖佐告诉记者,“夸父计划”的科学目标是观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象,揭示控制日地空间系统的基本物理过程,提高空间天气灾害预报的准确度,服务航天通讯等高科技活动。     其科学意义表现在:“夸父计划”将对日地空间天气系统的两端——太阳大气和地球空间——进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测,完成从太阳大气到近地空间完整扰动因果链的探测,通过多方面的首创性监测,实现日地系统端到端的整体、连续成像观测。并预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制如太阳爆发先兆、太阳风的形成机制等方面取得具有重要原创意义的突破性进展。届时,“夸父计划”将与其他空间计划一起进入以探测日地空间整体行为为标志的空间探测新纪元。     据了解,由于2012年将是下一个太阳活动峰年,2012年至2014年太阳活动将会很强烈,因此“夸父计划”三颗卫星建议在这个时间内发射,主要是为观测到新的日地物理现象,进一步揭示日地空间风暴机理,监测行星际扰动传播,为灾害性空间环境预报提供观测数据。初期飞行时间将为2至3年。     “嫦娥一号的成功发射给了我们很大信心,我们相信‘夸父计划’也将不负众望。”肖佐说。     技术攻关是关键     肖佐介绍,在国家自然科学基金委重点项目和国防科工委背景研究项目的支持下,北京大学会同中国气象局、中国科技大学和中科院空间中心在科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求配置的有效载荷(主要是科学仪器)等方面开展了全面的预先研究,目前这一预研阶段已顺利完成。     肖佐说,目前,由18个评审委员(包括11位科学院院士和7位空间界资深专家)组成的专家组,已完成对“夸父计划”科学目标进行的评审。     2007年6月1日,《“夸父计划”科学目标及观测项目论证报告》评审会在京召开。北京大学校长许智宏院士和国防科工委副司长王克然分别在会上致词,北京大学涂传诒院士作了关于“夸父计划”科学目标和观测项目的论证报告。评审组通过讨论,一致通过“夸父—太阳风暴、极光及空间天气计划”科学目标及观测项目论证报告,并建议“夸父计划”尽快立项发射。     “夸父计划”工程论证由东方红卫星公司牵头,会同北京大学、中国气象局、中国科学技术大学(与山东大学威海分校合作)、中科院空间中心等共同完成。目前,已对有效载荷对工程的要求、轨道设计、运载与发射、地面测控和测定轨、地面数据接收、卫星设计等进行了全面论证并已顺利完成,主要结论是:在我国嫦娥一期的基础上,实现“地—月”之间的测控技术基础已具备;在我国嫦娥二期和深空站建设完成之后(2011年),“夸父计划”所需的基础技术条件将全部具备。     完成预研阶段的任务后,“夸父计划”将进入另一个重要环节,即技术攻关。目前,涂传诒、肖佐等科学家已对关键科学探测仪器(有效载荷)的研制、夸父A星的轨道设计与实现技术、夸父A星的深空自主运行技术、夸父B星的高精度姿轨联合控制实现技术等科学问题和技术难点进行了细致的分析。     例如,夸父A所要到达的L1点位于日地连线上,距地球150万公里,目前,只有NASA和ESA为数不多的航天器,如SOHO、ACE、ISEE等飞行器到达过L1点。     夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道才能到达距地球约150公里的L1点;选择何种方式保持卫星轨道在L1点上;夸父A卫星如何实施远距离测控和通信;L1点通信距离上属于深空范畴,如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信……这些都是夸父A卫星实现的关键环节之一,也是夸父A工程要解决的首要问题。     夸父B卫星飞行任务目标是实现一天24小时、一周7天连续观测北极光的分布,为了实现这个目标,夸父B有两颗同样的卫星组成:夸父B1和夸父B2。这两颗卫星的轨道要位于同一极轨上,呈共轭飞行状态, 远地点高度6个地球半径,近地点0.8个地球半径。选择什么运载工具和发射方式是夸父B卫星工程要解决的关键技术。     “卫星的发射、轨道设计、遥测、遥控都需要有详尽的设计,不过,在现在初步的方案设计中,我们认为我国是有这个能力的,关键是如何把它组织好。”肖佐说。     “除此之外,整个‘夸父计划’都采用成像技术,它所使用的一些特殊成像仪器都要作技术攻关,如中性原子成像仪、太阳白光日冕仪。”肖佐介绍说,由于地球的外层空间有一些中性的氧原子,需要用现在的成像技术把其速度分布形成为图形,以确定在太阳有扰动时,外层空间到底是如何响应的,但是由于中性原子本身通过交换原子以后可以成像,所以这里涉及一些新的成像技术方面的难点。     肖佐介绍,在有效载荷的研制方面,现在已有不少研制单位报名参加,它们已通过不同的渠道申请到了基金,在作积极的准备。“下一阶段我们会通过招标的方式最终确定选择哪些单位研制这些仪器。”     期待更深入的国际合作     2006年7月,两场高规格的国际会议——第36届世界空间科学大会和2006年西太平洋地球物理大会在北京举行,涂传诒在这两个大会上分别介绍了“夸父计划”的内容和进展情况,引起了各国科学家的高度关注。     2006年1月12日~13日,在德国Lindau召开了“夸父计划”国际研讨会,进一步明确了有效载荷的配置、技术指标以及国际合作的途径。2006年7月16日,在北京举行的COSPAR大会安排了“夸父计划”专题研讨会,进一步讨论和确定了科学目标。2007年1月7日,在中国航天局代表的主持下,欧洲空间局(ESA)、加拿大空间局(CSA)和英、法、德、意、比、奥等10个国家的空间探测部门的代表在三亚召开了“夸父计划”国际协调会议,各方表达了合作意向,确定了需要进一步会谈的问题。     肖佐说:“现在,欧盟、加拿大等国家和地区的科学家纷纷表示要参加这一计划,开展相关合作,经夸父工作队和夸父科学委员会目前确定的科学仪器配置方案中,共20多项必需的仪器,我国科学家主导研制的占多数,同时所有仪器都有国际合作,法国、加拿大、英国、爱尔兰、瑞士、德国等国的科学家积极参与合作研制。欧空局、加拿大航天局都表示出积极支持和合作意愿。”此外,日本、印度也表示了对“夸父计划”的兴趣。     “国防科工委也非常重视国际合作,多次指出希望通过国际合作推动‘夸父计划’的顺利开展,要探索多种合作途径而不只是限于仪器研制,例如在卫星平台、卫星研制和发射方面更深入合作的可能性,都在积极探讨中。”     不过让肖佐担心的是,欧空局正好在2014年有一个太阳轨道器的空间观测计划,虽然该计划的一些监测项目与中国的“夸父计划”能形成很好的配合,但是由于时间上有交叉,欧空局的科学家和有关单位如何两头兼顾,“这些目前都在商谈中”。     在国际合作中,关键的问题是保证我们的自主知识产权。这是肖佐最强调的一点。肖佐说,“夸父计划”是中国人的原创思想,而且国家给予了大力的支持,中国一定会在“夸父计划”中起主导作用。     深远的影响     2006年8月4日,美国《科学》杂志的《新闻焦点》栏目迅速报道了中国“夸父计划”的相关情况,文中指出,夸父卫星将在很高的精度上追踪太阳爆发和地磁暴活动;如果“夸父计划”顺利实施,它将有许多项首创技术,并将使中国在深空探测方面跨入国际领先行列。     日本名古屋大学的太阳物理学家Kazuo Shiokawa认为,中国的“夸父计划”与美国军方计划于2008年发射C/NOFS(通讯/导航中断预报系统Communication/Navigation Outage Forecasting System) 卫星计划一样,对于空间天气预报都非常重要。 “夸父计划”合作者Schwenn说:“凭借‘夸父计划’,中国将跻身国际空间科学界前沿。”     涂传诒则指出,夸父3颗卫星将第一次监测从太阳风到磁层的整个能量传输过程。它将可能解决地球空间对太阳风暴响应的过程中的一个重大问题,即大尺度的能量和质量是如何从太阳通过日地空间传输到磁层的。     “美国的SOHO于1992年发射一直工作到现在,即将退役,因此国际社会也很希望中国的‘夸父计划’卫星能够上去,这样人类对太阳的探测就不会断裂。”肖佐说。     而事实上,肖佐在谈到“夸父计划”的科学意义时说,到现在为止,只有美国在L1点上发射了太阳监测卫星(SOHO飞船)。但不同的是,中国的“夸父计划”是连续的日地系统的监测计划。夸父卫星的轨道设计成“L1 极轨”,这是一种全新的协同轨道设计。夸父B1和B2可通过成像获得磁尾磁重联所造成的磁层全局响应的信息,其成像可以使我们更精确地度量亚暴和磁暴期间能量的注入。     对于中国来说,“夸父计划”必将大大提高自主的空间天气预报能力。肖佐介绍,目前,在空间天气预防方面,我们除使用部分国内资料外,绝大部分还是要依靠国外的资料。当前随着我国航天活动的增多,必须加强对磁暴、高能粒子等危害的预报能力。     “‘夸父计划’将成为我国航天技术发展历程中新的里程碑。”肖佐说,“夸父计划”的实施将使我国自主深空探测距离从“嫦娥计划”的38万公里推进到L1点的150万公里,将使我国成为世界上第二个独立完成L1点飞行卫星研制、发射和远距离测控通讯任务的国家;同时,该计划将提升我国航天技术基础能力,培养和造就具备国际水准的科技与工程人才。     无疑,“夸父计划”也将显著提高中国在国际航天领域的地位和形象。“夸父计划”是我国主导的大型国际空间探测计划,将充分展示中国“和平利用太空、为人类作贡献”的意愿。肖佐说,“夸父计划”的实施将从根本上改变我国空间天气业务主要依赖国外数据的现状,

命途多舛

给地球空间拍个“全身照”

“虽然夸父卫星的对地距离比嫦娥一号卫星远了4倍,但是嫦娥一号在测控方面所使用的50米大天线,我们也会充分利用到。”肖佐说。

 

“夸父计划”的“流年不利”,始自2011年。根据最初规划,“夸父计划”由3颗卫星组成。夸父A设置在距地球150万公里的日地连线L1点上,它能每天24小时面对太阳,观测太阳扰动。此外,在地球轨道上放置夸父B1和夸父B2两颗卫星,对北极进行24小时连续成像观测。

长期以来,科学家们都在研究太阳风的能量和物质是如何传递到地球空间的,怎样规避或减轻太阳风对人类活动的影响。最近美国国家航空航天局发布的2014—2033年发展路线图,还将其列为重点方向之一。

据了解,“夸父计划”的原创性科学思想和基本概念是在2003年1月24日在国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,首先由北京大学涂传诒院士在同肖佐、张永维总师和中国科学院魏奉思教授讨论的基础上提出的。随后,“夸父计划”预研成为由北京大学牵头、国家自然科学基金委支持的重点项目,并有国内外有关科技专家大力支持和参与。此后,国防科工委组织了相关评审。根据国防科工委建议,以“夸父计划”为基础,与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的“风暴计划”进行了整合,叫做“夸父—太阳风暴、极光和空间天气计划”。

刘维宁介绍说,“夸父计划”得以成为“先导专项”的一个重要原因在于它是一个重大国际合作项目。当时的计划是:夸父A星由中国研制,夸父B双星由加拿大航天局通过他们的PCW计划(极区通信与气象卫星计划)完成,并在卫星上搭载有效载荷。

“地球磁层就像保护罩一样,保护着空间基础设施,如卫星等。”王赤说。

肖佐说,“夸父计划”的科学目标是观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象,揭示控制日地空间系统的基本物理过程,提高空间天气灾害预报的准确度,服务航天通讯等高科技活动。

“但这条路很快就被堵死了。”刘维宁告诉记者,2011年加拿大新一届政府采取了系列财政紧缩政策,PCW卫星研制未获批准。

每一次太阳风吹来,磁层就会被压缩,如果太阳风动压较强,磁层顶被压得过低,本处于保护罩内的卫星很可能会直接暴露于太阳风之中。

其科学意义表现在:“夸父计划”将对日地空间天气系统的两端——太阳大气和地球空间——进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测,完成从太阳大气到近地空间完整扰动因果链的探测,通过多方面的首创性监测,实现日地系统端到端的整体、连续成像观测。并预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制如太阳爆发先兆、太阳风的形成机制等方面取得具有重要原创意义的突破性进展。届时,“夸父计划”将与其他空间计划一起进入以探测日地空间整体行为为标志的空间探测新纪元。

2012年,“夸父计划”与欧空局的合作也出现问题。“当时正处于欧洲财政危机时期,欧空局原有的5000万欧元不足以完成双星的研制,而额外的7000万欧元经费申请也未获批准。”刘维宁说。

自1957年世界第一颗人造卫星上天,人类就开始对地球空间辐射带进行探索。

据了解,由于2012年将是下一个太阳活动峰年,2012年至2014年太阳活动将会很强烈,因此“夸父计划”三颗卫星建议在这个时间内发射,主要是为观测到新的日地物理现象,进一步揭示日地空间风暴机理,监测行星际扰动传播,为灾害性空间环境预报提供观测数据。初期飞行时间将为2至3年。

2013年9月,“夸父计划”再度成为中俄间合作协议的候选者。“尽管当时俄方比较积极,双方都有合作兴趣,但因为同时进行的火星探测计划合作框架谈判方面出了问题,所以最终‘夸父计划’也没能写入合作大纲。”刘维宁说。

“SMILE计划超越了以前和现在的地球空间探测卫星计划。”英国莱斯特大学教授Steve Sembay表示,以往的卫星计划只提供日侧磁层物理现象的点观测,不能提供描述全球太阳风—磁层相互作用的日侧动力过程的多尺度三维图像。

“嫦娥一号的成功发射给了我们很大信心,我们相信"夸父计划"也将不负众望。”肖佐说。

未通过的“L5点”

“这就好比给人照相的时候,只探测了耳朵、肩膀的部分特征,却没能拍一张全身像。”王赤说。

技术攻关是关键

2012年7月,刘维宁回国,接手“夸父计划”,并被委任为首席科学家。在国际合作出现“变故”的情况下,他想到了改变科学目标——取消夸父B双星,将夸父A星从原先的L1点转向L5点。

他表示,SMILE将首次实现对地球磁层的整体成像观测,揭示磁层大尺度结构及其对太阳风扰动的响应;实现对极光日侧和夜侧的同时成像,了解空间天气变化的宏观驱动控制因素;揭示太阳风—磁层—电离层的整体联系和因果关系。

肖佐介绍,在国家自然科学基金委重点项目和国防科工委背景研究项目的支持下,北京大学会同中国气象局、中国科技大学和中科院空间中心在科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求配置的有效载荷等方面开展了全面的预先研究,目前这一预研阶段已顺利完成。

L5点是以地球和太阳为顶点构成的等边三角形的第三个点,距离地球的距离与日地距离相等。也就是说,L5点与地球的距离是L1点的100倍。这是一个人类尚未造访过的点。

“该计划将对我们了解太阳活动对地球等离子体环境和空间天气的影响具有重要的科学意义和应用价值。”王赤说。

肖佐说,目前,由18个评审委员(包括11位科学院院士和7位空间界资深专家)组成的专家组,已完成对“夸父计划”科学目标进行的评审。

“把卫星发射到L5点有技术挑战,但也有优势。在国际上,这个想法其实从上世纪90年代末就有了。”刘维宁说。

2007年6月1日,《“夸父计划”科学目标及观测项目论证报告》评审会在京召开。北京大学校长许智宏院士和国防科工委副司长王克然分别在会上致词,北京大学涂传诒院士作了关于“夸父计划”科学目标和观测项目的论证报告。评审组通过讨论,一致通过“夸父—太阳风暴、极光及空间天气计划”科学目标及观测项目论证报告,并建议“夸父计划”尽快立项发射。

他告诉记者,由于距离遥远,轨道操作面临技术难点,要想从那里获取足够的数据量也存在挑战。但如果卫星可以在L5点稳定运行,人们将有可能从侧面观测到从太阳到地球整个连线上的物理过程及运动过程中产生的各种物理效应。同时,可以提前一周左右观测到太阳黑子等太阳表面运动以及太阳风等太阳结构运动的情况,提前预报空间天气隐患。

“夸父计划”工程论证由东方红卫星公司牵头,会同北京大学、中国气象局、中国科学技术大学(与山东大学威海分校合作)、中科院空间中心等共同完成。目前,已对有效载荷对工程的要求、轨道设计、运载与发射、地面测控和测定轨、地面数据接收、卫星设计等进行了全面论证并已顺利完成,主要结论是:在我国嫦娥一期的基础上,实现“地—月”之间的测控技术基础已具备;在我国嫦娥二期和深空站建设完成之后,“夸父计划”所需的基础技术条件将全部具备。

然而,让刘维宁遗憾的是,该想法尽管得到国际同行认可,但并没能通过。“因为它和原来申请的‘夸父计划’相比改动太大。”

完成预研阶段的任务后,“夸父计划”将进入另一个重要环节,即技术攻关。目前,涂传诒、肖佐等科学家已对关键科学探测仪器的研制、夸父A星的轨道设计与实现技术、夸父A星的深空自主运行技术、夸父B星的高精度姿轨联合控制实现技术等科学问题和技术难点进行了细致的分析。

让他更为遗憾的是,欧空局已经开始了L5卫星的相关研究计划,而中国只能作为参与方。“因为经费限制,他们做的卫星比我们计划做的卫星要小,只能起到简单的空间天气监测作用。”刘维宁说。

例如,夸父A所要到达的L1点位于日地连线上,距地球150万公里,目前,只有NASA和ESA为数不多的航天器,如SOHO、ACE、ISEE等飞行器到达过L1点。

能否继续“追日”

夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道才能到达距地球约150公里的L1点;选择何种方式保持卫星轨道在L1点上;夸父A卫星如何实施远距离测控和通信;L1点通信距离上属于深空范畴,如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信……这些都是夸父A卫星实现的关键环节之一,也是夸父A工程要解决的首要问题。

2003年,提出“夸父计划”最初构想的科学家分别有北大教授、中科院院士涂传诒,北京大学教授肖佐和中科院院士魏奉思。

夸父B卫星飞行任务目标是实现一天24小时、一周7天连续观测北极光的分布,为了实现这个目标,夸父B有两颗同样的卫星组成:夸父B1和夸父B2。这两颗卫星的轨道要位于同一极轨上,呈共轭飞行状态,远地点高度6个地球半径,近地点0.8个地球半径。选择什么运载工具和发射方式是夸父B卫星工程要解决的关键技术。

作为三位“元老”之一,肖佐仍期待着“夸父”能继续“追日”。

“卫星的发射、轨道设计、遥测、遥控都需要有详尽的设计,不过,在现在初步的方案设计中,我们认为我国是有这个能力的,关键是如何把它组织好。”肖佐说。

“在2011年前,对于‘夸父计划’我一直很乐观。到现在,我个人认为,‘夸父计划’还是要坚持下去,最好能不改变最初的科学目标,否则太遗憾了。”肖佐告诉记者。

“除此之外,整个"夸父计划"都采用成像技术,它所使用的一些特殊成像仪器都要作技术攻关,如中性原子成像仪、太阳白光日冕仪。”肖佐介绍说,由于地球的外层空间有一些中性的氧原子,需要用现在的成像技术把其速度分布形成为图形,以确定在太阳有扰动时,外层空间到底是如何响应的,但是由于中性原子本身通过交换原子以后可以成像,所以这里涉及一些新的成像技术方面的难点。

作为“夸父计划”的参与者之一,山东大学威海分校空间科学与物理应用系教授夏利东也曾在接受《中国科学报》记者采访时表示,“夸父计划”将从根本上改变我国空间天气业务依赖国外数据的现状,使我国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。

肖佐介绍,在有效载荷的研制方面,现在已有不少研制单位报名参加,它们已通过不同的渠道申请到了基金,在作积极的准备。“下一阶段我们会通过招标的方式最终确定选择哪些单位研制这些仪器。”

“即使十年已过,‘夸父计划’从科学性上、观测手段上、对空间天气系统整体全局的观测研究方面,仍具有领先性。”刘维宁说。

期待更深入的国际合作

中科院空间科学中心副主任王赤告诉记者,我国的地面观测有了“子午工程”之后,已进入国际地基探测的第一方阵。“目前,卫星计划是我们与国际先进水平存在的最大差距。自‘双星计划’提出到现在已过去十年,我们还没有新的日地空间探测卫星计划。”

2006年7月,两场高规格的国际会议——第36届世界空间科学大会和2006年西太平洋地球物理大会在北京举行,涂传诒在这两个大会上分别介绍了“夸父计划”的内容和进展情况,引起了各国科学家的高度关注。

其实,从国际科学界来看,“暂缓执行”并不少见,但“暂缓执行”大多意味着“死刑”。

2006年1月12日~13日,在德国Lindau召开了“夸父计划”国际研讨会,进一步明确了有效载荷的配置、技术指标以及国际合作的途径。2006年7月16日,在北京举行的COSPAR大会安排了“夸父计划”专题研讨会,进一步讨论和确定了科学目标。2007年1月7日,在中国航天局代表的主持下,欧洲空间局、加拿大空间局和英、法、德、意、比、奥等10个国家的空间探测部门的代表在三亚召开了“夸父计划”国际协调会议,各方表达了合作意向,确定了需要进一步会谈的问题。

“航天局如果考虑取消一个项目,通常不说把这个项目‘取消’,而是说‘暂缓执行’。如果未来有机会,还会把这个项目翻出来。但往往一旦‘被暂缓’,除非有特别的政治原因,否则很难再活过来。”说出这些话时,刘维宁的语气中带着些许沉重。

肖佐说:“现在,欧盟、加拿大等国家和地区的科学家纷纷表示要参加这一计划,开展相关合作,经夸父工作队和夸父科学委员会目前确定的科学仪器配置方案中,共20多项必需的仪器,我国科学家主导研制的占多数,同时所有仪器都有国际合作,法国、加拿大、英国、爱尔兰、瑞士、德国等国的科学家积极参与合作研制。欧空局、加拿大航天局都表示出积极支持和合作意愿。”此外,日本、印度也表示了对“夸父计划”的兴趣。

“从目前来看,要在‘十二五’期间完成‘夸父’卫星发射的可能性不大。不过,它或许会作为‘十二五’的遗留项目进入‘十三五’计划。”刘维宁说。

“国防科工委也非常重视国际合作,多次指出希望通过国际合作推动"夸父计划"的顺利开展,要探索多种合作途径而不只是限于仪器研制,例如在卫星平台、卫星研制和发射方面更深入合作的可能性,都在积极探讨中。”

《中国科学报》 (2014-10-23 第1版 要闻)

不过让肖佐担心的是,欧空局正好在2014年有一个太阳轨道器的空间观测计划,虽然该计划的一些监测项目与中国的“夸父计划”能形成很好的配合,但是由于时间上有交叉,欧空局的科学家和有关单位如何两头兼顾,“这些目前都在商谈中”。

在国际合作中,关键的问题是保证我们的自主知识产权。这是肖佐最强调的一点。肖佐说,“夸父计划”是中国人的原创思想,而且国家给予了大力的支持,中国一定会在“夸父计划”中起主导作用。

深远的影响

2006年8月4日,美国《科学》杂志的《新闻焦点》栏目迅速报道了中国“夸父计划”的相关情况,文中指出,夸父卫星将在很高的精度上追踪太阳爆发和地磁暴活动;如果“夸父计划”顺利实施,它将有许多项首创技术,并将使中国在深空探测方面跨入国际领先行列。

日本名古屋大学的太阳物理学家KazuoShiokawa认为,中国的“夸父计划”与美国军方计划于2008年发射C/NOFS(通讯/导航中断预报系统Communication/NavigationOutageForecasting System) 卫星计划一样,对于空间天气预报都非常重要。

“夸父计划”合作者Schwenn说:“凭借"夸父计划",中国将跻身国际空间科学界前沿。”

涂传诒则指出,夸父3颗卫星将第一次监测从太阳风到磁层的整个能量传输过程。它将可能解决地球空间对太阳风暴响应的过程中的一个重大问题,即大尺度的能量和质量是如何从太阳通过日地空间传输到磁层的。

“美国的SOHO于1992年发射一直工作到现在,即将退役,因此国际社会也很希望中国的"夸父计划"卫星能够上去,这样人类对太阳的探测就不会断裂。”肖佐说。

而事实上,肖佐在谈到“夸父计划”的科学意义时说,到现在为止,只有美国在L1点上发射了太阳监测卫星。但不同的是,中国的“夸父计划”是连续的日地系统的监测计划。夸父卫星的轨道设计成“L1 极轨”,这是一种全新的协同轨道设计。夸父B1和B2可通过成像获得磁尾磁重联所造成的磁层全局响应的信息,其成像可以使我们更精确地度量亚暴和磁暴期间能量的注入。

对于中国来说,“夸父计划”必将大大提高自主的空间天气预报能力。肖佐介绍,目前,在空间天气预防方面,我们除使用部分国内资料外,绝大部分还是要依靠国外的资料。当前随着我国航天活动的增多,必须加强对磁暴、高能粒子等危害的预报能力。

“"夸父计划"将成为我国航天技术发展历程中新的里程碑。”肖佐说,“夸父计划”的实施将使我国自主深空探测距离从“嫦娥计划”的38万公里推进到L1点的150万公里,将使我国成为世界上第二个独立完成L1点飞行卫星研制、发射和远距离测控通讯任务的国家;同时,该计划将提升我国航天技术基础能力,培养和造就具备国际水准的科技与工程人才。

无疑,“夸父计划”也将显著提高中国在国际航天领域的地位和形象。“夸父计划”是我国主导的大型国际空间探测计划,将充分展示中国“和平利用太空、为人类作贡献”的意愿。肖佐说,“夸父计划”的实施将从根本上改变我国空间天气业务主要依赖国外数据的现状,使我国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。

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