地球空间双星探测计划使我国空间科学研究跃上新台阶

日期 2004-10-08　来源：简报　作者：　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　本文提要：地球空间双星探测计划（简称双星计划）包括一颗赤道区卫星和一颗极区卫星。这两颗卫星运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要磁层活动区，形成了具有创新特色的独立探测系统。双星与欧洲空间局的星簇卫星计划（Cluster）的四颗卫星相配合，首次形成了地球空间的“六点探测”。赤道区卫星（探测一号）于2003年12月30日在西昌发射中心成功发射，现已取得大量科学数据和一些初步成果。极区卫星（探测二号）于2004年7月25日在太原发射中心发射成功，运行正常。双星发射成功引起了国际空间物理界的高度重视。　　空间物理和空间环境探测，对空间科学知识的创新，推动空间物理和空间天气研究及空间技术发展起着重要作用。我国空间运载技术已进入国际先进行列，但我国的空间科学探测与国际上先进国家相比，还有较大的差距，这是限制我国空间科学和技术发展的很重要因素之一。空间物理是在空间探测的基础上发展起来的一门新兴学科，由于过去我国没有自己的第一手空间探测数据，限制了我国空间物理和空间天气研究的发展。我国空间物理界一直盼望提出具有创新特色并在国际上有一定地位和影响的自己的空间探测计划。　　1997年1月以中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士为首的专家组，根据国家的需求和国际上前沿领域的发展趋势，提出了旨在探索磁层空间暴的物理机制、理论模型和预报方法以及为保证我国航天活动安全服务的“地球空间双星探测计划”（简称“双星计划”）。刘振兴院士是我国荣获国际空间研究奖（2000年Vikram Sarabhai奖）的资深科学家。国家自然科学基金委员会一成立，刘振兴院士就主持了“太阳风穿入磁层的机制和磁层亚暴过程”、“涡流诱发重联及其应用”、“磁层等离子体分界层的结构和动力学”等国家自然科学基金面上项目及“地球磁层环境的全球变化过程及其效应”的重点项目的研究。以这些基金项目的研究为基础，经过刘振兴院士等科学家的努力，我国加入了欧洲空间局组织的“探索近地空间以及日地相互作用的星簇卫星计划（Cluster）”系统并与之建立了合作关系。1996年6月4日阿丽亚娜5型火箭发生爆炸，使Cluster-I计划失败。我国于1997年提出了双星计划后，立即引起了国际空间物理界的关注，欧洲空间局主动提出与中国双星计划进行合作，并在美国《科学》杂志上作了报道。　　双星计划是我国第一次以自己提出的探测计划开展国际合作的重大空间科学探测项目。双星计划包括一颗赤道区卫星和一颗极区卫星，这两颗卫星运行于目前国际日地物理计划（ISTP）在地球空间的探测卫星尚未覆盖的重要磁层活动区，这两颗卫星密切配合，形成了具有创新特色和独立体系的探测计划。同时，双星与欧洲空间局Cluster-II的四颗卫星相配合，在人类历史上首次形成了地球空间的“六点探测”，成为21世纪初期国际上重要的地球空间探测计划。　　双星计划的科学目标是：探测近地磁层重要活动区场和粒子的时空变化规律，揭示新的现象和物理过程；研究磁层空间暴（包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴）多空间层次和多时空尺度的驱动和触发机理；建立符合实际的磁层空间暴物理模型和空间天气数值预报模型；推动空间物理和空间天气研究的突破性进展。　　双星计划的应用目标是：提高空间天气的预报精度，为保障航天活动、空间军事活动的安全，提高通信、导航定位精度提供科学数据、科学依据和防护对策；提高空间探测推动技术和有效载荷研制技术水平，推动我国空间探测技术跨越式的发展，缩小与国际上先进国家的差距。　　为了实现上述目标，双星上共载有16台探测仪器，每颗卫星上各8台。其中8台仪器由欧洲空间局有关成员国研制，包括磁通门磁强计2台，电子和电流仪2台，热离子谱仪1台，卫星电位主动控制仪1台，低频波探测仪1台，中性原子成像仪1台（中欧联合研制）。这些仪器都是当前国际上最先进的。其余8台由中国科学院空间科学与应用研究中心研制。　　双星计划的卫星系统是航天科技集团五院东方红卫星公司与中国科学院空间科学与应用研究中心联合研制。根据科学目标要求，在卫星的研制中提出了几项新技术，包括卫星磁洁净技术、卫星表面等电位技术和防辐射技术等。双星发射的火箭是用航天科技集团一院和六院研制的长二丙火箭，火箭的上面级是新研制的，性能很好。探测一号卫星是我国首次发射到近8万公里椭圆轨道的卫星。　　探测一号卫星于2003年12月30日在西昌卫星发射中心成功发射，半年多来，卫星运行状态良好，各个探测仪器工作良好，地面系统数据接收量超过了预计值，数据流和指令流畅通，已收到大量高水平的科学数据，并取得了一些初步的新结果。　　探测二号卫星于2004年7月25日在太原卫星发射中心圆满发射成功，现卫星运行正常，在轨测试结果表明：已加电的7台仪器工作良好。　　双星与Cluster卫星配合，已取得了多空间层次和多时空尺度的大量宝贵科学数据，为开展空间物理研究提供了有利的机遇和条件，为取得高水平的科研成果奠定了基础。　　国家自然科学基金委员会在双星计划科学目标的提出、与欧空局的合作和双星计划的酝酿、实施及其相关科学研究等方面都起了非常重要的作用，始终给予积极的支持。一系列相关的面上基金项目如“电离层离子在磁层中分布与加速的理论研究”，“空间离子回旋各向异性环流不稳定性数值模拟”， “上游太阳风动压脉动诱发重联与向阳面磁层顶瞬时事件”， “磁鞘剪切流对向阳面磁层顶空间结构的影响”， “磁层亚暴多重爆发特性的研究”， “电离层离子对磁层环电流的作用”， “磁尾多元等离子体片振荡与磁脉动的模拟研究”等得到了支持；2003年又支持了以双星计划和欧空局星簇卫星探测数据为基础的重大基金项目“地球空间暴多时空尺度物理过程”，该重大项目主要是分析地球空间场和等离子体环境的三维结构和时空变化，发现新的现象；深入研究地球空间暴(包括磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴和热层暴)的多空间层次、多时空尺度的基本物理过程；揭示地球空间暴的驱动和触发机理及演化规律；建立符合实际的理论和预报模型。这些项目的执行有力地支持了双星计划科学问题的研究和解决。　　中国双星计划科学研究工作，除得到国家自然科学基金面上及重大项目资助外，还获得了中国科学院创新工程方向性项目的资助。现已组成与数据分析密切配合的三个研究团队，提出了研究计划，明确了三大研究战役，提出了研究的数据保障措施，有信心和决心取得原始创新性的重要成果。　　双星计划的实施目前已取得重要成果：使我国的空间科学探测迈上了一个新的台阶；提高了卫星和火箭的某些技术和探测仪器研制技术；培养了一批高水平的科学和技术队伍；取得了大量多卫星的探测数据。双星的成功发射，显示出我国在国际空间物理界地位的提高，国际学术界主动邀请我国参加21世纪前20年空前规模的“国际联合与日共存计划”（International Living With a Star, ILWS），并将中国的双星计划和新提出的空间风暴探测计划（SWISE）列为ILWS中的核心项目。