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【中国航天】吴季主任专访:百尺竿头须进步 空间科学谱新章

【中国航天】吴季主任专访:百尺竿头须进步 空间科学谱新章

 来源:《中国航天》人物访谈 2015年第7期 记者:徐菁


    2015年年底,我国将发射空间科学先导专项系列卫星的首颗卫星——暗物质粒子探测(DAMPE)卫星。这颗卫星将肩负怎样的使命?我国发展科学卫星系列的重要意义是什么?后续还将发展哪些空间科学卫星?带着这些问题,《中国航天》记者采访了中科院国家空间科学中心主任、空间科学先导专项卫星工程常务副总指挥吴季。

  记者:我国为什么要启动和实施空间科学先导专项,研制和发射空间科学卫星?


  吴季:我国航天事业起步较早,第一颗人造地球卫星东方红一号发射已经有45周年,但是到目前为止,我国的空间科学卫星还未成系列。相比之下,美国从航天事业的起步阶段就开始研制空间科学卫星,美国国家航空航天局(NASA)并不研制军事卫星、应用卫星,而是从事空间探索工作,包括载人和非载人的空间探索;欧洲空间局(ESA)20世纪60年代成立,也是以科学探索为主要目标;俄罗斯航天在最初阶段也都有科学探索任务,对月球、火星、金星进行过探测,而且地球观测卫星和科学卫星也研制和发射了不少。日本是比较特殊的,因为它是战败国,在发展军工方面受到限制,因此日本以发展科学卫星为目的来发展航天,所以日本航天从科学卫星开始起步,到了20世纪90年代才开始研制应用卫星。日本的航天工业和航天活动基本上是靠科学卫星带动起来的。


  然而,我国作为一个航天国家,还没有自己的科学卫星系列,这当然有客观原因:我国是发展中国家,资金有限,应该优先发展包括通信、遥感、导航卫星在内的应用型卫星,把有限的经费用在应用型卫星上,也是不足为怪的。


  现在,中国已经成为航天大国,并要向航天强国转变,就不能没有空间科学卫星。科学对于一个国家来说是非常重要的,要想创新驱动发展,必须有知识。目前在空间科学领域,我国还只是知识的使用国。宇宙空间有什么变化?太空物质之间发生了什么?大气密度是如何变化的?对于这些知识,我们都是从国外学习的,目前还没有中国人的探索和贡献。我们一直在使用别人的知识,包括火箭、卫星的知识,我们都是在跟着国外走。再扩大一点,我们其实是整个现代科学知识的使用国,包括中学、大学的教科书里面的定理都是欧洲文艺复兴以来科学发展创造的知识。中国要想实现创新驱动发展,必须要有创新的能力。我们不能只是学习别人,这样只能是跟在别人后面走。现在我们在一些领域开始有创新了,比如互联网领域。那么,基础科学知识,包括空间科学知识也要有创新,没有创新就不可能引领,只有引领才能开创我们自己的方向和视野。空间科学领域的创新也是我国创新驱动发展不可或缺的一部分。


  空间科学创新靠什么呢?就是要在基础前沿领域有突破。由于受到大气层的阻隔,利用地面仪器设备已无法满足对浩瀚宇宙的观测。要想实现重大突破,必须将观测仪器送到太空中。对引力波、暗物质、宇宙大爆炸、黑洞的观测,地面望远镜能够发挥的作用越来越小。在高能谱上,如紫外、极紫外、X射线、软X射线、硬X射线、伽马射线等的观测必须在太空通过空间科学卫星才能获得有效数据,因为这些射线一进入大气层就衰减了。在微观方面,由于暗物质粒子能量非常高,只有到太空中才能发现它们。另外,生命的一些现象也要到太空中去做实验。空间科学实际上是自然科学突破的前沿,如果我们没有科学卫星的话,就会失去这个领域。在人类有了人造地球卫星之后,有十几个诺贝尔奖都是通过分析空间观测数据产生的。中国要想从航天大国发展成航天强国,必须把空间科学卫星这个缺项补上。而且,现在我国的经济实力已经居世界第二位,全人类都寄希望中国为人类知识的发展也做出贡献,创造知识,而这就必然需要有空间科学卫星。


  记者:以搭载的方式利用载人航天和月球探测工程,我们不是也可以进行空间科学研究吗?


  吴季:在空间科学先导专项之前,我国除了“双星”计划,还没有一个空间科学的计划。载人航天和月球探测是以工程驱动为主,科学仪器以搭载的方式上天,也做了一些实验,但是目前这些实验是非常有限的。特别是载人空间站还在建设中,目前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和月球探测是远远不够的,还需要有专门的科学卫星,而先导专项填补了我国在这个领域的空白。


  记者:根据目前的规划,我国将研制和发射哪些科学卫星?


  吴季:除了年底将发射的暗物质粒子探测卫星之外,中科院空间科学先导专项系列卫星工程还将陆续发射量子科学实验卫星、实践十号返回式科学试验卫星和硬X射线调制望远镜卫星。其中,实践十号卫星将在太空进行19项科学实验,能得到第一手数据,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。对于硬X射线调制望远镜卫星,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。


  另外,在空间科学先导专项的“十二五”规划中,我们遴选支持了8个背景型号,其中3个项目已先期启动可行性研究,分别涉及天文、地球科学、空间物理,等“十三五”规划的经费到位,我们就会进入型号研制阶段,所以在“十三五”阶段,先导专项会延续下去,让科学卫星系列逐步建立起来,实现稳定可持续发展。


  中国科学院还将与欧洲空间局共同主持和实施“微笑”(SMILE)项目。该计划全称是“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划”。科技部也在支持一个全球二氧化碳监测科学实验卫星项目(碳卫星),以后还将研制业务星,实现对碳排放的监测。同时,中法正在合作研制一颗天文卫星。


  可以预见,中国的科学卫星会成为一个系列发展,我们现在正处在起步阶段,4颗卫星都已在正样阶段,年底将发射第一颗,明年上半年将发射2颗卫星,下半年将发射1颗。预研的3颗卫星也将在明年进入工程阶段。


  记者:空间科学先导专项是如何选择科学项目的?


  吴季:空间科学卫星的研究方向是什么,选择目标非常重要。不像应用型卫星,目标由用户来定,空间科学卫星的目标由科学家来定,通常我们采取自下而上提建议的方式,由科学家自己来评选。当然,我们还需要工程师来参与,以确定方案和想法可行不可行,是否在技术上能实现。


  国家给了这笔钱,我们该做什么呢?这是科学家们需要考虑的问题。我们可以有很多选择。空间科学领域包括几个方面:一个是空间天文,包括暗物质的探测。宇宙的组成包括明物质、暗物质、暗能量;暗物质和暗能量是天文学的两朵“乌云”,目前谁也不知道到底是什么物质,所以用“暗”字来形容,如果以后我们发现了它的成分,有可能会进一步细分。第二个是空间物理学,就是观测空间粒子和空间磁场是怎么分布的,有什么变化。最近中欧合作的项目“微笑”就属于空间物理领域,这个项目的科学任务是在太空观测磁场和太阳风。第三个就是空间地球科学,这与单纯的遥感还不一样。遥感卫星主要是提供各种服务,比如灾害监测、天气预报等,虽然有科学问题,但主要是业务应用;而地球科学卫星不是为了应用,而是用于科学研究,比如美国国家航空航天局发射的所有地球科学卫星,虽然也是遥感卫星,但并不提供服务,像臭氧洞的发现就是通过分析美国国家航空航天局的科学卫星数据获得的,并获得了诺贝尔奖。此外,还有空间微重力科学,空间生命科学。


    对于这么多的科学问题,我们如何优先选择呢?目前采取两条原则。第一条原则是问题必须重大。在基础物理实验方面,像潘建伟院士设计的量子科学实验卫星,是在太空中进行非常重大的实验,有可能实现重大突破,比如把爱因斯坦的相对论推翻,或者把量子力学的某个不等式验证了,这是在地面上实现不了的,必须在太空中进行。基础科学的前沿就需要这样的重大突破来带动。为什么我们要研制暗物质粒子探测卫星,也就是因为这个问题的重大性。第二条原则是项目具有带动性,即项目是否能带动学科的发展。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。


  记者:为什么空间科学卫星的研制能带动航天技术的发展?


  吴季:研制和发射空间科学卫星对航天技术具有带动性。科学卫星与通信、遥感、导航等应用型卫星不同,后者的生产是成批次的,制造了第一颗卫星,还会做第二颗,01星、02星、03星……以便提供连续的服务。对工业界来讲,这些卫星是生产型的,除了第一颗卫星是研制星以外,后续的卫星基本上都是生产星。而科学卫星永远是研制星,因为没有一颗科学卫星是需要重复制造的,重复的科学数据没有用,每一颗科学卫星都必须获得第一手新的科学数据,因此卫星的科学载荷、运行轨道、观测目的地都是新的,所以科学卫星对航天技术的拉动性很大。每颗科学卫星都必须有其创新性,对技术都有新的要求,即使不体现在载荷上,也会体现在平台上。为什么国外的科学卫星形状各异,也就是在于它的创新性。天文卫星需要一个大望远镜,地球科学卫星需要一个大天线,有的卫星需要高精准指向,有的需要很高的时间精度,需要进行干涉测量,有的望远镜本身就是卫星的主体,卫星服务舱都贴在望远镜周边,有的卫星需要编队飞行。总之,科学卫星的研制对航天技术提出了各种各样的不同需求。


  拿我国的暗物质粒子探测卫星来说,整个卫星质量1.8吨,其中1.4吨都是科学载荷,卫星平台是围绕科学载荷设计的,对技术的要求更高。当然,把科学载荷简单地放在一个大平台上,也是可以实现的,但绝不是最佳的,所以为了节省经费,使效率达到最高,必须实现最优化设计。而且,这颗卫星是独一无二的,下一颗科学卫星不可能与它相同,因此,没有必要发展一个科学卫星平台系列。


  现在我们的企业经常说,没有动力,没有新的需求了,思想枯竭了,只有生产了。那么就需要不断有新的输入来激励它,而科学卫星就能做到。为什么美国、欧洲、日本都这么重视发展科学卫星,也就是因为它能带动工业的发展。欧洲在欧洲空间局建立之初,各国没有能力建造自己的国防卫星,或者应用卫星,于是在欧洲空间局的统筹规划下,提供支持和组织,把建造卫星和火箭的任务分配到欧洲各个国家,从而刺激各国航天和卫星制造的发展,比如阿里安火箭的制造,就是欧洲空间局带动起来的,发展得很好,并打入了国际市场。中国台湾地区通过发射3颗科学卫星,就把卫星生产机制建立起来。所以说,空间科学对空间技术有很大的带动和牵引作用,也是高技术和能力的一种体现。


  记者:为什么探测暗物质很困难?暗物质粒子探测卫星是如何在太空中工作的?


  吴季:暗物质本身不和已知的任何明物质发生关系,唯一发生关系的就是引力的变化。因为它是物质,所以有引力,虽然我们看不见它,但是它会使引力场发生改变,如果没有引力的变化,我们根本无法捕捉到它。引力的变化要达到一定程度才能被我们观测到引力场的弯曲,从近处看粒子是观测不到的,必须从远处来看。但是我们又想看到暗物质是什么粒子组成的,目前在地面上观测的办法都只是间接观测,只能在太空中进行直接观测。


  由首席科学家常进研究员设计的这颗卫星,从太空观测,是基于另外一个模型。暗物质相互碰撞并湮灭时,会产生明物质,其能量很高。暗物质粒子探测卫星就是要观测这个明物质。如果没有暗物质,通常宇宙中高能粒子的分布是逐渐下降的,因此,如果在太空中确定某一个方向观测,从那个方向过来的高能粒子会随着能量谱段的升高越来越少。但如果这个下降的能谱发生变化,那一定是有新的事件发生。此前,常进研究员研制了一个小探测器,搭载在美国的一个长期停留大气层上空的气球上,做了两个月的实验。在这次实验中,探测器观测到在高能谱段有一些奇怪的现象发生,我们推测有可能就是暗物质碰撞产生了明物质,分布在非常高的谱段。所以,要想观测到高能谱段,就必须发射卫星,探测器要更大,才能看得更加清楚;而且在太空中,受到的干扰最小,卫星飞行两到三年,能够累计很多数据,就能看到能量谱是不是按照通常理解的方式分布的。如果不是,我们就需要解释为什么会这样。假如探测器什么都没有看到,至少也可以证明这种关于暗物质的理论不成立。


  暗物质粒子探测卫星的另一个科学任务是观测宇宙射线在不同方向的分布情况,比如在银河系中心,宇宙射线多一些,而边缘就少一些。要想观测这么高的能量粒子,探测器设计难度比较大。


  记者:与国外研究暗物质的卫星相比,我国的暗物质粒子探测卫星有什么特点和先进性?


  吴季:首先,我国的暗物质粒子探测卫星测量的能量谱段是最高的。丁肇中先生在国际空间站上放置的探测器“阿尔法磁谱仪”2(AMS-02)已经有了观测结果,能探测磁场,并区分正负电子,但是其成本很高。我国的这颗卫星是个低成本项目,虽然无法区分正负极,但是我们测量的能谱很高。“阿尔法磁谱仪”2和“费米”望远镜能测量600×109eV,我们的暗物质卫星可以测量10TeV,所以可以观测到以前在很高能量谱段没有发现的现象。第二,暗物质粒子探测卫星的探测面积很大。由中科院上海硅酸盐研究所研制的BGO量能器的晶体有60厘米长,这样就能把探测器面积做得很大。第三,空间分辨率也远远超过在轨的其他探测器。第四,从工程上来讲,我们的研制周期较短,2011年底立项,经过不到4年的设计和研制时间,卫星即将发射。


  暗物质粒子探测卫星将进行巡天观测。经过一两年的巡天后,如果对某一方向的粒子特别感兴趣,发现新的物理现象,我们会调整探测器,让它集中观测这个方向。假如存在暗物质,我们可以进行连续的观测。总的说来,这颗卫星的性能很强,肯定会有一些新的天文发现,我们都很期待。


  记者:这么重要的一颗卫星,如何来保证它的研制质量?


  吴季:参与这颗卫星研制的有中科院的好几家单位。紫金山天文台是科学探测有效载荷的总体单位,还负责研制中子探测器;BGO量能器用的晶体由上海硅酸盐研究所研制,其他部件由中国科大负责;硅阵列探测器是高能物理所与瑞士和意大利合作研制的;塑料闪烁阵列探测器由近代物理所研制;有效载荷的数据管理部分由空间中心负责;上海微小卫星工程中心提供卫星专用平台。


  为了保证卫星的质量,我们有一套比较成熟的管理制度。在有效载荷的质量管理上,由于在载人航天、“双星”计划、嫦娥系列卫星项目中,空间中心就是科学有效载荷的总体单位,所以积累了很多经验,现在我们把经验传授给参与研制的单位,以抓好研制质量。出现问题如何找到原因,如何归零,如何加强研制队伍的质量管理,参研单位必须建立质量体系。作为平台研制单位的上海微小卫星工程中心在中国航天科技集团公司,特别是上海航天技术研究院的指导下,已成功建立起了一套管理体系。


  记者:暗物质粒子探测卫星获得的观测数据会向全球公布吗?


  吴季:暗物质粒子探测卫星获得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一年,一年之后全世界的科学家都能够拿到数据。国外科学家还可以提出预定申请,比如想让卫星指向某个方向进行一段时间的定向观测。该卫星在轨两年后,将作为空间天文台,用来研究宇宙射线,对全世界开放。


  在卫星达到最后寿命期的时候,我们将进行成果统计,看利用这颗卫星的数据产生了多少篇论文。目前,美国产出论文数量最高的卫星是“雨燕”(Swift)卫星,共发表了6000多篇论文;利用哈勃太空望远镜的数据产生了4000多篇论文。我们会尽量挖掘数据,让这颗卫星能够更多地产生科学成果,发挥更大的作用。


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