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专家解读:我国为什么要开展空间科学研究?

2016年01月28日17:28来源:国际太空

中科院国家空间科学中心主任 吴季研究员

  我国为什么要开展空间科学研究?

  吴季:科学对于一个国家来说很重要,要想创新驱动发展就必须有知识。目前在空间科学领域,我国还只是有关知识的使用国,而非产出国,因此还没有出现重大原创性的科学成果。据统计,全球总共有5000多项空间科学实验项目,中国只占100项左右,中国的空间科学研究严重依赖他国卫星数据的公开。空间科学是自然科学突破的前沿,因此很重要。我国要想实现创新驱动发展,必须要有创新的能力。空间科学创新靠什么呢?靠空间科学卫星,因为空间科学卫星能够摆脱地球大气层的影响,对浩瀚的宇宙进行全波段观测。在高能谱上,必须通过空间科学卫星才能获得有效数据。所以,我国要想从航天大国发展成航天强国,必须发展空间科学卫星,为人类知识的发展做出贡献,创造知识。

  基础科学是所有其他技术科学的基础,其突破对其他许多学科都有带动作用。虽然空间科学是基础科学,但是所需要的支撑体系特别多,例如需要卫星技术、运载火箭、发射场、测控和地面支撑等,所以投资比较大。我国是一个发展中国家,以前的投入主要关注应用卫星。近些年来,随着我国经济和科技实力的增强,国家拿出一部分资金来发展空间科学卫星,启动了“空间科学先导专项”,以期实现科学上的重大创新突破,带动相关高技术的跨越式发展,发挥空间科学在国家发展中的重要战略作用。

  目前,我国对空间科学的投入在航天总投入中所占的比重比欧美等都低很多,有人说不到10%。相比之下,美国航空航天局每年有180亿~190亿美元的民用航天投入,其中用于科学卫星(不包含载人航天的科学实验)的就占到50亿美元,将近占30%。欧洲航天局也有将近30%的投入是用于科学卫星。2014年日本科学技术振兴机构对世界空间科技力量进行对比调查显示,美国为95分,中国仅为48分(满分为100分)。为什么其他国家这么重视?因为空间科学是基础科学的前沿,前沿不投入就会落后于别人。重大的发现都是在科学前沿,在前沿每走一步都可能有突破。因此,这些发达国家对基础研究的重视是持续性的。科学技术的基础就是科学,有了原理的突破才有技术的实现。所以我们国家要想做一些创新的东西,现在就应该加大基础科学方面的投入,而空间科学是其中一个重要的方面。

  发射“空间科学先导专项”的首批卫星能否提升我国空间科学的国际地位?

  吴季:作为空间科学领域的新兴国家,我国空间科学进入了跨越发展的新阶段。“空间科学先导专项”已获得了国际科学界的广泛关注,也吸引了众多国际一流科学家的积极参与,专项的实施预计将在黑洞、暗物质、量子力学完备性和空间环境下的物质运动规律、生命活动规律等方面取得重大科学突破,所以将会提升我国在国际空间科学界的地位和影响。

  按照计划,我国将在2016年4月左右发射实践-10返回式科学实验卫星,该卫星旨在推动空间微重力科学和空间生命科学发展。实践-10上将开展19项科学实验,其中一半是生命科学实验,另外一半是物理和材料科学实验;2016年7月左右发射的“量子科学实验卫星”,将实现卫星与地面之间量子保密通信试验,把地面的部分成果拿到天上去做试验,将在基础物理方面有所突破;其后,还将发射“硬X射线调制望远镜卫星”,研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律。

  “空间科学先导专项”批准的卫星计划只是针对“十二五”计划,如今科学家再度面临需要争取国家经费支持的局面。2016年,将对所发射的科学卫星进行总结,特别是对“暗物质粒子探测”卫星所获科学成果进行评估。在此期间也将通过中国科学院申请“十三五”的经费。

  国家应该如何提供一个持续的支持?

  吴季:在我国“十三五”规划中将继续支持“空间科学先导专项”,让这个计划延续下去。但我们更希望国家有一个专门的部门承担这个职责,在这个部门的常规预算里面包括一个固定的百分比,专门用于空间科学。这个百分比应随着我们国家的GDP增长,每5年计划都会滚动增长。但目前我们国家还没有这样的部门和经费。所以,现在每颗空间科学卫星都是以项目的形式来申请,项目结束了还得再申请,并不是一个持续的国家计划。

  那么美国是怎么做的?在美国航空航天局的预算中有一定百分比的经费是专门用于空间探测的,逐年积累起来就是一笔很大的经费。这样就可以很好地制定长期探测规划,比如先去探测土星,再去探测天王星、冥王星,等等。美国的探测器现在已经飞掠了冥王星。我国对月球进行了几次探测,其实要是有一笔行星探测的经费,持续支持5年或者10年,科学家就会布局得更好。例如,可以从现在开始布局更远的行星探测。

  虽说实现起来不容易,但空间科学对空间技术的带动非常大,而且能为人类带来很多新的知识。这需要一个长期的可持续规划,各个探测项目之间一定要有联系,而不是做成一个一个单独的政绩工程。这是科学问题,不是政治问题。在国家的持续支持之下,我们可以更好地做未来规划,更好地论述我们中国人应该去哪儿,应该做什么,先做什么,后做什么。

  在技术方面,我们和国外的差距有多大?

  吴季:在探测技术方面,我们和发达国家之间的差距是在逐渐缩小的。特别是我国有了自己科学卫星系列计划以后,差距正进一步缩小。比如,我国在实施自己的“双星计划”之前,我国科学团队参加了欧洲航天局的“星簇计划”,科学研究工作做得还是不错的。但是,如果我国有自己的计划,就能按照自己的思想来设计,把最好的成果拿到自己的手里,而不是用别人的数据。

  在今后的“十三五”项目中,空间科学卫星上的很多有效载荷都将以我国为主研制,而且有所创新。虽然我国在技术能力上与国外还有一定差距,但是从总体来说有一个从跟踪到并行甚至到领先这么几个阶段。现在我们有很多技术都在并行发展,个别还处在领先位置,绝大部分至少跟踪是没问题的。所以从技术水平来讲差距不是太大。

  我国嫦娥-3的落月技术是世界上最先进的,可以悬停避障。相比之下,欧洲航天局从20世纪90年代开始设计“菲莱”在彗星表面着陆时没有悬停避障功能。所以说,别人能够做到的,我们基本上也可以做到了,甚至能做到比别人好。

  “空间科学先导专项”的首批空间科学卫星是怎么选定的?主要考虑哪些因素?

  吴季:选择空间科学卫星的研究目标非常重要,因为其成果只有世界第一,没有中国第一。空间科学卫星的目标由科学家来定,而不像应用型卫星,目标由用户来定。对于空间科学项目,我们现在采取的方式是公开征集,也就是从科学家团队里面征集建议。建议征集到了以后,有一个公开的评审、遴选过程,由科学家自己来评选,工程师也参与,以确定方案和想法是否可行,是否在技术上能实现。

  遴选项目时重点考虑两个方面:一是科学产出的重大性,即是不是重大前沿?能否实现重大突破?二是考虑它的带动意义,即是不是能广泛地带动学科的发展,带动更多的科学家参与数据分析?比如,在太阳物理、空间物理方面,有几百位研究人员等着利用新的数据,通过这些数据能发表上千篇文章,这个学科和领域能突破很多理论,获得很多新发现。然后还有科学可行性、技术可行性、经费可行性分析。从“十三五”开始,科学卫星计划从征集到科学产出的管理都会逐步采用上述国际通用的管理程序。

  原则上,我们希望我们的计划能覆盖空间科学领域的各个学科,例如空间天文、空间物理/环境、太阳物理、空间地球科学、空间微重力科学、空间生命科学等方面。其中的地球科学卫星不是为了应用,而是用于科学研究。但是我们不可能一下支持那么多,所以要有重点地进行选择。我们选择的项目一定是世界首创的,代表着我国的科学水平。

  这些科学卫星有哪些重大的技术突破?

  吴季:在遴选立项的时候特别要保证技术可行性,也就是说认为基本可行的才会立项。立项以后又经过方案设计,在方案设计中就要重点关注关键技术的突破。例如,在“暗物质粒子探测”卫星技术上,一个挑战是它的结构设计比较复杂。科学载荷1.4t,中心探测器的密度跟铁一样,非常重。所以当时我们就选择了一个卫星方案,也就是围绕科学载荷进行卫星平台的一体化设计。

  目前国际上有没有和我国类似的暗物质探测卫星?

  吴季:现在,国际上用来开展暗物质研究的空间计划主要有“国际空间站”上的α磁谱仪和“费米”卫星。前者测量能量谱段的上限为600GeV左右,后者所覆盖的能量谱段还不如前者。我国暗物质探测卫星可以探测能量极高的粒子,设计指标为10TeV,在空间分辨率方面超过现有其他计划,而且探测面积很大,使得其捕获稀少的高能粒子的能力很强。其中最重的设备是能量接收器——锗酸铋(BGO)晶体,采用多根晶体棒横竖分层排列,当粒子打上后,根据那些发光的晶体颗粒判断粒子到达的方向。为什么只有我国能做出这样的卫星?因为我国有最好的晶体生产能力,即有60cm长的BGO晶体,这样就能把探测器面积做得很大,而这么长的BGO晶体,只有中科院上海硅酸盐所能做出来。2015年12月17日,“空间科学先导专项”首发星——“悟空”暗物质粒子探测卫星成功升空,该卫星的平台、有效载荷现均工作正常,进入了在轨测试阶段,为我国空间科学卫星系列的发展吹响了冲锋号。

  今年发射的实践-10卫星将开展什么样的研究?

  吴季:实践-10是我国科学卫星系列中唯一的返回式卫星,是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台。

  返回式卫星的技术现已比较成熟,且比较便宜。虽然目前对地观测卫星都采用传输型,不需要带回胶片了,但是进行微重力科学、生命科学研究等还需要回收实验材料。比如一株植物,在微重力的情况下它会怎么生长?在太空中开展这样的实验,除了照相以外,科学家还希望把标本收回来。再如半导体晶体的生长,在有重力的情况下,其三维不是均匀的,但是到了太空以后会长得很均匀,可以长得很长,科学家也希望把在太空中生长出来的晶体带回来。实践-10返回式卫星将开展19项科学实验,其中有11项要收回,能得到第一手数据。卫星的返回舱升空7天后就返回了,留轨舱继续工作。卫星的工作时间与其电池的电量有关。这颗卫星不能有太阳电池翼,否则就会产生振动,对科学实验有影响。这是我国第一次做这么大规模的微重力和空间生命科学实验。

  这些实验在空间站是不是也可以做?

  吴季:我国空间站正在建设准备阶段,计划2018年发射第1个舱,所以在2020年之前,大部分载荷资源都会用于空间站建设,能给科学家做实验的资源较少。因此,空间科学的发展仅靠载人航天器是远远不够的,还需要有专门的科学卫星。而且从空间站带回的样品比较有限,周期也较长,这对空间生命科学等一些短周期科学实验有较大限制。返回式卫星的科学载荷有600多千克,卫星运行周期短,适合开展短周期的空间科学实验。另外。我们在立项的时候已和载人航天项目做过协调,返回式卫星的任务和载人航天的任务是不重复的。

  我国今年将发射的“量子通信实验卫星”的主要特点是什么?

  吴季:该卫星在轨期间要完成三大任务:卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证太空贝尔不等式和实现地面与卫星之间量子的隐形传态。这些实验将通过我国自主研发的星地量子通信设备完成,它能够产生经过编码的、甚至是纠缠的光子并发射到地面上,与之对接的地面系统则负责“接收光子”,这种被称为“针尖对麦芒”的光子的发射和接收需要超高精度的瞄准、捕获和跟踪。

  该卫星的科学目标非常前沿,国际上很多国家都想做这方面的研究。日本现在准备做一个单方向的量子密钥传输,加拿大也计划做一个单方向的量子传输试验,欧洲在地面上已经将量子纠缠分发做到了接近100km。但是在太空进行量子科学实验,我国将是第一个。

  量子通信实验在地面上也做过很多次,为什么还要拿到太空去做?

  吴季:在地面上的实验,传递的距离比较受限制。在地面上验证贝尔不等式的实验已经做了,但是由于距离近,所以还有一些争议。到太空做实验就是要把一对纠缠的光子拉得特别远,超过1000km。这个实验如果能做成功,对基础科学会有很大的影响,所以非常值得做。

  “量子科学实验卫星”技术很复杂,在飞行的过程中,它携带的2个激光器要分别瞄准2个地面站,向2个方向同时传输纠缠量子对。为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上地面接收站的“麦芒”,在飞行过程中要始终保证精确对准,跟踪要达到相当高的精度,这也是国际上从来没有人做过的。激光器一站对一站的有人做过,但是1颗卫星对准2个地面站的从来没有人做过,而且还要保证对得准确。在这方面,我们的研制团队已经在地面上做过模拟仿真实验,但还是要到真正上天以后才能知道最终成功与否。这是很大的技术挑战,如果能够做到的话,在国际上也是第一次做这么高精度的跟踪和地面站配合。

  “硬X射线调制望远镜卫星”有什么特点和用途?

  吴季:它用于宽波段X射线(1~250keV)巡天,发现被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知类型天体,研究宇宙硬X射线背景辐射的性质;通过观测黑洞、中子星、活动星系等高能天体,分析其光变和能谱性质,研究致密天体和黑洞强引力中物质的动力学和高能辐射过程;探索利用X射线脉冲星实现航天器自主导航的技术和原理。该望远镜首席科学家李惕碚院士有一个算法,能把一般望远镜的分辨率提高,用比较便宜的办法提高空间分辨率来研究黑洞,这是一个巧妙的切入。

  如何充分利用4颗空间科学卫星的资源?

  吴季:我们的原则是尽早开放数据,用的人越多越好。我们一般要求1年后开放共享。不过根据项目的不同,也有特例,比如“量子科学实验卫星”进行的是专项实验,这个项目的设计就是要验证贝尔不等式,验证完了项目目标就达到了,重点是要把任务完成。还有一个特例就是“暗物质粒子探测”卫星,因为谁最先把数据整理出来,谁最先发现了在高能量谱段有新的物理现象,谁就最先实现了突破。不过,这颗卫星除了这个科学目标之外还有其他的科学目标,可以作为天文台研究宇宙射线的起源。因此用于宇宙射线研究的数据将会在一段时间后向全球公布。我们有一个数据专有和处理期。由首席科学家领导的核心科研团队首先要对数据的质量作保证,并对数据进行第一轮分析,然后由他们决定发布数据的质量。这个专有和处理期是1年,1年之后全世界的科学家都能够拿到数据。

  研制空间科学卫星能带动航天技术发展吗?

  吴季:研制空间科学卫星对航天技术发展具有明显的带动性作用。因为科学卫星与应用卫星不同,一般不重复制造。每颗科学卫星的科学载荷和用途都是新的,以获得新的科学数据,重复的科学数据是没有用的。所以每颗科学卫星都必须有其创新性,对技术都有新的要求。这些新技术对航天技术的拉动性很大。

  未来的国际合作中,中国科学家将起到什么样的作用?

  吴季:国际合作有几种形式,一种形式是由一个国家来主导,其他国家参与,比如说“双星计划”是中国提出的计划,但是欧洲航天局大规模参与。“双星计划”作为一个独立计划,又和欧洲航天局的“星簇计划”开展了2个计划间的合作,多点探测地球空间。

  在未来的科学项目当中,我们准备立项的几个计划全部是开放的。谁愿意投入一个或多个载荷我们都欢迎。当然还有一种情况,就是我们和其他国家的空间机构联合立项,共同推动,例如我们和欧洲航天局已联合遴选出的“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划”(SMILE),这个计划由于其独特的探测方式和蕴涵的全新科学突破,入选了“中欧联合空间科学卫星任务”,成为继“双星计划”之后又一个与欧洲航天局深度合作的科学卫星项目。

  由谁来主导,关键是要看由哪个国家的政府来立项。如果是由我国政府立项,又秉持开放的态度,那就是由我们主导,其他国家来参与。如果政府没有那么多钱来支持立项,比如只支持一个载荷,我们只能去搭载别人的卫星,那就是别人主导,我们参与。具体到一个项目来说,谁主导谁不主导并不代表国家的强弱,代表国家强弱的是国家独立立项的项目有多少。只要是国家立项的项目,一定是别人没做过的课题。科学卫星就是这个特点,一定要做第一次的事情。如果是第一次做,国家又投入了钱,我们肯定能主导。

  我国科学家对至2030年我国空间科学发展有哪些建议?

  吴季:至2030年,中国的空间科学研究应关注以下两大主题:一是宇宙和生命是如何起源和演化的;二是太阳系与人类的关系是怎样的。

  中国空间科学至2030年的总体战略目标是:发展空间科学事业,在宇宙的形成和演化、系外行星和地外生命的探索、太阳系的形成与演化、太阳活动及其对地球空间环境的影响、地球系统的发展演化、超越现有基本物理理论的新物理规律、空间环境下的物质运动规律和生命活动规律等热点科学领域,通过系列空间科学计划与任务,取得重大科学发现与创新突破,推动航天和相关高技术的跨越式发展,为人类认识宇宙、探索太空做出中华民族应有的重大贡献。为此,中国空间科学家提出了至2030 年我国空间科学的一些计划和任务建议。

  “黑洞探针”计划。它用于回答几个重要的关于宇宙组成和演化的前沿科学问题。例如,黑洞等极端和致密天体的性质是什么?黑洞等极端和致密天体是如何与它们周围的环境相互作用的?该计划包括的项目建议为:“硬X射线调制望远镜”、“空间变源监视器”和将搭载在天宫-2空间实验室上的“伽玛暴偏振探测项目”,其中“硬X射线调制望远镜”和“伽玛暴偏振探测项目”计划于今年升空。

  “天体号脉”计划。它旨在对天体各种波段的电磁波和非电磁波辐射进行高测光精度和高定时精度的探测,理解各种天体的内部结构和各种剧烈活动过程。该计划包括的项目建议为:“X射线时变与偏振卫星”、“爱因斯坦探针卫星”、“中国引力波计划”和拟在我国空间站上实施的“中子星极端天体物理和新技术探索任务”。

  “天体肖像”计划。它用于获得太阳系外的恒星、行星、白矮星、中子星、黑洞等天体的直接照片,星系中心、恒星形成区、超新星遗迹、喷流等结构的高清晰度照片,开展各个波段的深度成像巡天,以及绘制各个波段宇宙背景辐射的高精度天图,对理解宇宙的构成等科学问题起重要关键作用。该计划包括的项目建议为“空间毫米波甚长基线干涉测量阵”和“空间甚低频射电天文台”。

  此外,还有“天体光谱”计划、“系外行星探测”计划、“太阳显微”计划、“太阳全景”计划、“链锁”计划、“微星”计划、“探天”计划、“火星探测”计划、“小行星探测”计划、“木星系统探测”计划、“水循环探测”计划、“能量循环探测”计划、“生物化学循环探测”计划、“轻盈”计划、“轻飏”计划、“空间基础物理”计划、“腾云”计划、“载人航天工程”科学计划等。

  中国的空间科学将以回答事关人类发展的基本问题为己任,为我国经济社会发展甚至人类文明的进步做出应有的贡献,树立起中国人探索太空的新丰碑!

编辑:帆帆