空间科学先导专项:探索中国空间科学发展之路

        2017年11月,中国科学院A类战略性先导科技专项“空间科学”(简称空间科学先导专项)结题总体验收会在北京举行,标志着中科院空间科学先导专项(一期)圆满收官,我国空间科学卫星发展站在了新的历史起点上。

        自2011年启动以来,空间科学先导专项部署的暗物质卫星“悟空”“实践十号”卫星、量子卫星“墨子号”以及硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”四发四捷,已经或正在产出系列重大科学发现和原始创新成果,实现了多项国际领先或先进的空间技术突破,极大地提升了中国在空间科学上的国际声誉。

         而面向未来,由中国科学院国家空间科学中心牵头组织实施的这一我国迄今为止最大规模的科学卫星计划,正全面铺开新的蓝图。

量子科学实验卫星发射

中国呼唤空间科学

        有人说,一个不知道仰望星空的民族是没有希望的民族;也有人说,21世纪决定霸业的关键领域将是太空。从古至今,人类在太空中驰骋了最梦幻的畅想和最坚定的探求。

        1957年10月4日,苏联发射了世界上第一颗人造卫星“Sputnik1”。这颗仅运行了92天的人造卫星让全世界为之震惊,太空逐鹿就此开始。

        近几十年,在国际发射的6000个空间飞行器中,专门用作空间科学研究的卫星和深空探测器约有700颗。此外,人类还建造了空间实验室、空间站等综合研究设施,开展了数千项空间科学实验。由此换来的,则是革命性科学发现的爆发式增长。这些发现全面更新了人类对太阳系、天体、宇宙和地球的认知,也正深刻地改变着我们的宇宙观和自然观。

        反观中国,空间科学的成绩似乎并不乐观:航天事业发展不平衡、重应用轻科学、空间科学研究严重依赖对他国公开数据的二次分析……可以说,中国航天是“跛着脚”跳进了“黄金时代”。

        此外,与美国等国家和地区不同的是,我国航天事业从起步开始,几乎就是面向工程、面向应用的,空间科学一直是我国航天事业的短板。

        比如,2000~2014年的15年里,美国国家航空航天局(NASA)平均每年向空间科学投入60.8亿美元,欧洲空间局(ESA)每年投入22.7亿美元;而中国,据粗略估计,空间科学年均投入低于1亿美元。不仅如此,国际总计5000多项空间科学实验项目中,中国仅占100项左右。

        这样的差距,也正是“航天大国”与“航天强国”的差距。

        实际上,空间科学对航天技术具有牵引和带动作用。一项空间科学任务的实施,能够催生一批新的航天技术。“每一项非重复性的空间科学任务,都会在特殊轨道设计、探测器姿态稳定度、平台与载荷一体化设计、遥科学等方面不断对航天技术提出新的需求。”原空间中心主任、空间科学先导专项(一期)负责人吴季曾表示。

        与此同时,空间科学对经济社会发展的促进也显而易见。例如,空间地球科学、太阳物理、空间天气对人类社会发展、空间活动、地面设施安全有重要价值,空间生命科学则为创新生物材料、药物和医疗技术提供无限可能。

        因此,在倡导“和平发展”的黄金时代,中国航天似乎已不是仅凭国防应用的单一力量就可拉动的。要想冲破技术的“天花板”,走向更远更深的宇宙,中国航天似乎需要走出一条“空间科学拉动空间技术”的新路。

空间科学任务大厅

最大空间科学计划

        转机发生在2010年3月。春分过后,中科院迎来了一件大事:国务院审议通过“创新2020”规划,明确要求通过组织实施战略性先导科技专项,形成重大创新突破和集群优势。

        2009年10月,中科院院机关组织当时的空间科学与应用研究中心,开始策划和酝酿空间科学先导专项的实施方案。之后,一轮轮汇报,一次次审批,空间科学先导专项方案一路晋级。

        2011年1月11日,首批战略性先导科技专项正式启动,空间科学先导专项应运而生,成为我国迄今为止最大规模的空间科学卫星计划。2015年,空间科学与应用研究中心更名为“国家空间科学中心”,作为我国空间科学及其卫星工程项目的总体性研究机构,面向全国的空间科学创新平台,负责组织开展国家空间科学发展规划研究,以及空间科学先导专项的组织与实施。

         “十二五”期间,依托空间中心,空间科学先导专项共部署了以下几个研究项目:

        暗物质粒子探测卫星“悟空”,用于寻找暗物质湮灭的证据,探索宇宙线起源;

        “实践十号”返回式科学实验卫星,利用返回式卫星技术,推动空间微重力科学和空间生命科学发展;

        量子科学实验卫星“墨子号”,实现卫星与地面之间量子保密通信试验;

         硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”,研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律;

        空间科学背景型号项目,根据战略规划和发展路线图,遴选科学卫星项目进行背景型号研究,为“十三五”科学卫星的工程研制、发射和获得科学成果做准备;

        空间科学预先研究项目,通过部署项目集群的方式,对未来的空间科学卫星计划和必需的关键技术进行先期研究。

         “这是中国迈出的非常重要、非常伟大的一步。这一步对空间天文学的未来发展非常重要,难以想象如果没有中国的参与,这个领域能否在未来发展得很好。”诺奖得主BrianP.Schmidt这样评价空间科学先导专项的意义。

        空间科学先导专项实施七年来,部署的四颗卫星“四发四捷”,在具有重大科学意义的热点领域,包括暗物质粒子空间探测、空间大尺度量子力学实验、黑洞和天文观测、微重力和生命科学等方面,取得了重大科学发现和技术创新突破,带动了相关高技术的跨越式发展。背景型号和预先研究突破了主要关键技术,孵化培育了具有重大科学意义的新项目。

        截至目前,空间科学先导专项(一期)已经圆满收官,取得了一批具有国际影响力的重要成果,发挥了空间科学在国家发展中的重要战略作用。

“悟空”:探秘宇宙暗物质

        2015年12月17日,暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射升空,标志着我国空间科学探测研究迈出重要一步。

        作为空间科学先导专项的“首发星”,也是第一颗由中科院承担全部研制、生产工作的卫星,暗物质粒子探测卫星的顺利完成、发射和运行,标志着中科院举起我国空间科学事业的大旗,在面向世界科技前沿、面向国家重大战略需求方面谱写下新的篇章。

        暗物质和暗能量,被科学家们称为“笼罩在21世纪物理学上的两朵乌云”。目前,我国和世界各国已着手筹建或实施多个暗物质探测实验项目,其研究成果将可能带来基础科学领域的重大突破。

        此次升空的暗物质粒子探测卫星身负三个主要科学目标——通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和伽玛射线寻找和研究暗物质粒子,在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破;通过观测TeV以上的高能电子及重核,在宇宙射线起源方面取得突破;通过观测高能伽玛射线,在伽玛天文方面取得重要成果。

        这颗由中科院承担全部研制、生产工作的卫星采用了载荷平台一体化的创新设计,有效载荷质量1410公斤,平台质量440公斤,载荷平台比达3.2:1。根据载荷特点,卫星借鉴哈勃望远镜的设计理念,于国内首次采用以载荷为中心的设计方案,使暗物质粒子探测器位于整星中心,电子学机箱及平台各单机均布于探测器周围的隔板上。

        同时,暗物质粒子探测器还具有先进的科学探测指标,观测能段范围为5GeV~10TeV,能量分辨率优于1.5%,是世界上迄今为止观测能段范围最宽、空间和能量分辨率世界领先的高能粒子探测器,可以精确测量宇宙高能粒子(电子、伽玛、宇宙射线核素等)的物理特征和空间分布。

        2015年12月31日,习近平总书记发表2016年新年贺词,在列举2015年重大进展时,特别提到“我国科学家研制的暗物质探测卫星发射升空”,并将其作为“只要坚持,梦想总是可以实现的”例证之一。

        发射成功后,“悟空”在轨运行的前530天共采集了约28亿颗高能宇宙射线,其中包含约150万颗25GeV以上的电子宇宙射线。基于这些数据,科研人员成功获取了目前国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果。

         “悟空”的电子宇宙射线的能量测量范围比国外的空间探测设备有显著提高,拓展了观察宇宙的窗口;测量到的TeV电子的“纯净”程度最高,能谱准确性高;首次直接测量到了电子宇宙射线能谱在~1TeV处的拐折,反映了宇宙中高能电子辐射源的典型加速能力,其精确的下降行为对于判定能量低于1TeV的部分电子宇宙射线是否来自于暗物质起着关键性作用。此外,“悟空”的数据初步显示在~1.4TeV处存在能谱精细结构。

        目前“悟空”运行状态良好,正持续收集数据,一旦该精细结构得以确证,将是粒子物理或天体物理领域的开创性发现。

暗物质探测卫星示意图

“实践十号”:微重力实验“中国首星”

        2016年4月6日,我国首颗微重力科学实验卫星——“实践十号”返回式科学实验卫星按照预定窗口时间,在酒泉卫星发射中心发射升空。

        “实践十号”于2012年12月31日正式立项,是空间科学先导专项首批科学实验卫星中唯一的返回式卫星。其中,空间中心负责工程大总体、地面支撑系统及有效载荷总体工作,卫星系统及平台由中国空间技术研究院抓总研制,科学应用系统由中科院力学研究所负责。

        对科学家来说,宇宙空间是一个很好的实验室。地球上的物理现象都受到地球重力的制约,比如浮力、沉降等。但在极端物理条件下,物质的运动规律、物理化学过程、生命过程等都可能发生变化,这就意味着重大科学突破的可能。

        “实践十号”的主要科学目标正是利用太空中微重力等特殊环境,开展科学实验,以研究、揭示微重力条件和空间辐射条件下,物质运动及生命活动的规律。

        此次“实践十号”共搭载19个实验项目,这也是迄今为止单次空间微重力和生命科学实验项目及种类最多的卫星任务。这些项目是从200多项申请中脱颖而出的,按照创新性、可行性、必要性等科学标准,经过严格遴选、反复论证,涵盖了微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射效应、微重力生物效应、空间生物技术六大领域。可以说,这些实验项目均具有创新性和很强的科学研究价值,有望获取具有国际先进水平的、具有自主知识产权的重大科技成果。

        比如,微重力下煤燃烧实验等项目针对能源、农业和健康等国家战略目标,为解决地球上的现实问题提供帮助;导线绝缘层着火实验等项目结合航天器防火等关键技术需求,为我国航天工程后续发展提供支撑;哺乳动物早期胚胎发育、造血与神经干细胞三维培养等项目瞄准空间生命科学的前沿课题,对人类未来走向太空有重要意义。

        此外,作为我国新一代返回式卫星,“实践十号”在卫星技术方面也得到了较大改进,实现了三大飞跃。

        一是姿态控制采用小发动机作为推进系统的推力器,可以保证较好的卫星微重力水平;二是以与国际接轨的数据管理系统替代原先的程序控制器,使得遥控指令和遥测数据的安排以及改变飞行程序的数据注入都更加灵活;三是增设流体回路的热控分系统,使卫星回收舱内部的热能有效排到星外,以确保生物样品的温度环境。

        2016年4月18日,在顺利完成12天的太空飞行后,“实践十号”回收舱准确降落在内蒙古四子王旗预定着陆区域。回收舱着陆状态正常、外观良好,搜索回收任务顺利完成,进一步验证了我国返回式卫星控制回收技术,标志着我国在空间科学研究与应用领域迈出坚实步伐。

实践十号返回式科学实验卫星示意图
子科学实验卫星示意图

“墨子号”:领跑量子科学

        2016年8月16日,世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。随着发射任务的圆满成功,人类将首次完成卫星和地面之间的量子通信,标志着我国空间科学研究又迈出重要一步。

        当前,量子通信的实用化和产业化已经成为各个大国争相追逐的目标。2011年,中科院正式启动全球首颗量子科学实验卫星的研制,这既意味着中国科学家率先向星地量子通信发起挑战,更意味着中国或将领先欧美获得量子通信覆盖全球的能力。

        此次科学家在“墨子号”上搭载了自主研发的“四种武器”:量子密钥通信机、量子纠缠发射机、量子纠缠源和量子试验控制与处理机。同时在地面建设了科学应用系统,包括1个中心——合肥量子科学实验中心;4个站——南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站;1个平台——阿里量子隐形传态实验平台。

        卫星与地面站共同构成天地一体化量子科学实验系统,在两年的设计寿命期间,“墨子号”将进行四大实验任务——星地高速量子密钥分发实验、广域量子通信网络实验、星地量子纠缠分发实验以及地星量子隐形传态实验。

        由于天地量子科学实验非常复杂,因此对天地实验设备的要求也异乎寻常的高。比如,量子卫星飞行中携带的两个激光器要分别瞄准两个相距上千公里的地面站,向左向右同时传输量子密钥,且卫星上的光轴和地面望远镜的光轴要始终精确对准,就好比卫星上的“针尖”对地面上的“麦芒”。

        对此,科研团队进行了各种实验,考验超远距离“移动瞄靶”能力,最终突破了星地光路对准等关键技术,通过平台和载荷两级控制的方式,使得对准精度达到普通卫星的10倍。

        2017年6月,“墨子号”在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发,并在此基础上首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

        两个月后,“墨子号”又一次在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态,两项成果同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。至此,“墨子号”提前圆满实现全部三大既定科学目标,为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展奠定了坚实的科学与技术基础。

        在为项目本身画上圆满句号的同时,“墨子号”也开启了全球化量子通信、空间量子物理学和量子引力实验检验的大门,为我国在国际上抢占了量子科技创新制高点,成为了国际同行的标杆,实现了“领跑者”的转变。

“慧眼”:刷新人类认知极限

硬 X 射线调制望远镜卫星示意图

        2017年6月15日,硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”成功发射。它的出现,填补了我国空间X射线探测卫星的空白,将显著提升我国大型科学卫星研制水平,实现我国在空间高能天体物理领域由地面观测向天地联合观测的跨越。

        “慧眼”于2011年3月正式立项实施,是空间科学先导专项发射的第4颗卫星。其中,中科院作为用户部门,负责卫星地面应用系统的建设和运行,同时负责有效载荷研制。空间中心、遥感地球所和高能物理所分别负责地面应用系统建设及卫星数据接收、处理、分发和科学应用。

        X射线是外太空的“常客”,脉冲星、伽马射线暴、超新星遗迹、黑洞等都会发出X射线,包括硬X射线。但是,由于X射线穿越地球大气层时会严重衰减,通过望远镜卫星在空间轨道捕捉X射线,特别是硬X射线,就成为各国科学家竞相追逐的目标。

        “慧眼”设计寿命4年,呈立方体构型,总质量约为2500千克,装载高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器等4个探测有效载荷,可观测一定能量范围的X射线和伽马射线。卫星采用直接解调成像方法,通过扫描观测可以完成宽波段、高灵敏度、高分辨率的空间X射线成像,具有复杂的热控保障、对地测控与数传保障以及载荷长期工作下的能源保障能力。

        “慧眼”主要工作模式包括巡天观测、定点观测和小天区扫描模式。卫星发射入轨后,将开展4个方面的空间探测活动。

        一是对银道面进行巡天观测,发现新的高能变源和已知高能天体的新活动;二是通过观测和分析黑洞、中子星等高能天体的光变和能谱性质,加深对致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程的认识;三是在硬X射线/软伽马射线能区获得伽马射线暴及其它爆发现象的能谱和时变观测数据,研究宇宙深处大质量恒星死亡以及中子星并合等导致的黑洞的形成过程;四是探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理并开展在轨实验。

        2017年10月16日,美国国家科学基金会宣布,激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。而这其中,正有“慧眼”的功劳。

        尽管没有直接探测到该引力波事件的伽马射线爆发,但鉴于“慧眼”观测限制的重要性,“慧眼”不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文,在论文的正文部分报告了观测结果;而且,“慧眼”的详细分析结果还以独立论文的形式同步发表在《中国科学:物理学力学天文学》杂志英文版。

        2017年11月,“慧眼”完成了在轨测试,现在卫星已经处于常规科学观测模式,并开始执行用户提出的观测计划。

背景型号与预先研究:铺就可持续蓝图

        为我国迄今为止最大规模的科学卫星计划,空间科学先导专项除了设置空间科学卫星工程项目外,还面向“十四五”及更长远的未来,设置了空间科学背景型号项目和空间科学预先研究项目。二者成为整个空间科学卫星任务发展链条上的重要一环,直接关系到空间科学的长期可持续发展。

        此外,空间科学先导专项(二期)还新增了任务概念研究,聚焦原创科学思想,面向全国广泛征集,致力于为空间科学先导专项的发展提供源动力;科学卫星任务规划与数据分析项目则支持首席科学家领导的核心科学团队开展任务设计及数据深入研究。

        空间科学预先研究项目则是通过部署空间科学预先研究课题集群,对我国未来5~15年拟开展的空间科学卫星计划和必需的关键技术进行先期研究,全面推动空间科学领域的创新概念研究、前瞻技术预研和关键技术攻关,为我国空间科学的长期可持续发展奠定基础。

        随着空间科学先导专项(一期)的圆满收官,我国空间科学卫星发展也站在了新的历史起点上。聚焦最具优势和最具重大科学发现潜力的热点领域,空间科学先导专项(二期)将瞄准宇宙和生命起源与演化、太阳系与人类的关系两大科学前沿,在时域天文学、太阳磁场与爆发的关系、太阳风—磁层相互作用规律、引力波电磁对应体等方向开展卫星研制。

        在卫星工程中,爱因斯坦探针(EP)将在软X射线波段对宇宙天体开展高灵敏度实时动态巡天监测,有望在发现和探索宇宙中沉寂黑洞的耀发、探寻来自引力波源的X射线信号、发现宇宙中X射线剧变天体等方面取得科学突破;先进天基太阳天文台(ASO-S)是我国首颗空间太阳专用观测卫星,将揭示太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射(“一磁两暴”)的形成及相互关系;太阳风—磁层相互作用全景成像卫星(SMILE)由中欧科学家联合提出和研制,将对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像,同时对地磁场和等离子体进行原位测量,以提高人类对太阳活动与地球磁场变化相互关系的认知;引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)是在引力波研究方向上提出的“机遇性”项目,卫星与地面引力波探测器联合观测,可更加全面地发现引力波伽玛暴及新的辐射现象。

        在空间科学先导专项(二期)背景型号项目中,增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP),以“一奇(黑洞)、二星(中子星、夸克星)、三极端(引力、磁场、密度)”为科学目标,是由中国领导、20多个国家参与的重大国际合作项目。此外,背景型号项目还将围绕空间引力波探测、宇宙起源与演化规律、太阳系的诞生和系外宜居行星探测等,开展系列关键技术攻关和技术验证。

        空间科学先导专项(二期)将聚集国内优秀科学家和工程团队,持续探索浩翰宇宙未知的奥秘,通过自主创新和国际合作实现科学上的重大突破,带动相关技术领域的跨越式发展,为我国空间科学领域早日跻身世界先进行列作出不可替代的历史性贡献。

文章来源:《科学新闻》杂志