空間科學戰略性先導科技專項引領中國空間科學發展

中國科學院空間科學戰略性先導科技專項研究團隊

空間科學戰略性先導科技專項（以下簡稱空間科學先導專項）旨在加深對宇宙和地球的理解，通過自主和國際合作科學衛星計劃，尋找空間科學領域新發現，并取得新突破。在“十二五”期間，空間科學先導專項部署了以下項目：“硬X射線調制望遠鏡”（HXMT）、“量子科學實驗衛星”（QUESS）、“暗物質粒子探測”（DAMPE）衛星、實踐-10（SJ-10）返回式科學實驗衛星、“夸父”（KUAFU）計劃、空間科學背景型號項目和空間科學預先研究項目。

1 引言

古代中國是人類文明的發祥地之一，曾創造出燦爛的文化。早在公元前2000年，中國在《尚書?胤征》中就記錄了大食分日食的發生情況；《春秋》中記錄的發生于公元前613年和公元前467年的兩次彗星來訪事件，被認為是人類歷史上關于哈雷彗星回歸最早的兩次觀測；公元前28年，中國對太陽黑子的觀測和記錄比西方最早同類文獻幾乎早1000年；古代中國還是最早觀測新星的記錄保持者，早在約公元前1300年就留存了世界上最早的關于新星的記錄。

1957年人類第一顆人造地球衛星的發射開辟了現代空間科學的紀元。經過50多年的發展，中國的空間科學經歷了東方紅-1、探空火箭、“實踐”系列科學實驗衛星、載人航天、“雙星”計劃和月球探測工程等重大任務，空間科學研究、探測、實驗技術都獲得了較大的發展。

2011年1月，空間科學先導專項作為首批啟動的先導專項，經中國科學院院長辦公會審議正式立項。在“十二五”期間，空間科學先導專項將重點針對黑洞的性質及極端條件下的物理規律、暗物質的性質、空間環境下的物質運動規律/生命活動規律、太陽活動對地球環境的影響和檢驗量子力學完備性方面開展研究。通過自主和國際合作實施的這些科學衛星計劃，預計將實現科學上的重大創新突破，帶動相關高技術的跨越式發展，發揮空間科學在國家發展中的重要戰略作用。此外，將遴選“十三五”擬發射的空間科學衛星項目，突破相關關鍵技術，使其具備工程立項條件；制定空間科學中長期發展規劃，提出新的空間科學衛星任務概念，在影響空間科學可持續發展的關鍵核心技術方面取得突破。

2 “硬X射線調制望遠鏡”

“硬X射線調制望遠鏡”整星試驗圖

X射線起源于天體上的高能物理過程，與高溫、高密度、強磁場、強引力場等極端物理條件相關，是研究黑洞、中子星等天體性質的主要手段。由于地球大氣的吸收，所以對天體的X射線觀測只能在地球大氣之上進行。美國于1970年發射了第1顆X射線天文衛星—“自由”，實現了X射線巡天，開創了空間高能天文的新領域，打開了人類觀測宇宙的新窗口。

1993年，中國科學院李惕碚院士提出了研制“硬X射線調制望遠鏡”的建議和方案，旨在實現對寬波段X射線（1～250keV）的巡天觀測，研究黑洞的性質及極端條件下的物理規律，探測大批超大質量黑洞和其他高能天體，研究宇宙X射線背景輻射的性質；將通過定點觀測黑洞和中子星、活動星系等高能天體，分析其光變和能譜性質，研究致密天體和黑洞強引力中物質的動力學和高能輻射過程。

“硬X射線調制望遠鏡”的衛星平臺總質量為2700kg，將由長征-4B運載火箭發射，運行在高度550km、傾角43°的近地圓軌道，設計壽命為4年，采用定點和巡天觀測工作模式；有效載荷包括高能X射線望遠鏡（HE）、中能X射線望遠鏡（ME）、低能X射線望遠鏡（LE）及一臺空間環境監測器（SEM）。其中，高能X射線望遠鏡的參數是NaI/CsI 5000cm2，20～250keV；中能X射線望遠鏡的參數是Si-PIN 952cm2，5～30keV；低能X射線望遠鏡的參數是SCD 384cm2，1～15keV。

“硬X射線調制望遠鏡”電性件聯試

“硬X射線調制望遠鏡”工程于2013年底轉入正樣研制階段。該衛星發射上天后，預期將實現高靈敏度和高空間分辨率的硬X射線成像巡天，發現新天體和天體高能輻射新現象，帶動中國天文學研究整體發展；推動深空探測和空間天文其他領域發展。

3 “量子科學實驗衛星”

量子力學理論自20世紀初創立至今，量子密鑰分發、貝爾不等式檢驗和量子隱形傳態已成為當前量子信息技術研究的前沿，國際上重要的發達國家和地區均已投入大量人力物力開展了廣域量子通信理論和實驗研究，準備進行空間與地面量子通信實驗。

中國科學家潘建偉院士帶領的團隊近年來在自由空間量子糾纏分發和隱形傳態實驗方面不斷取得國際領先的突破性成果，為基于衛星的廣域量子通信和量子力學基礎原理檢驗奠定了堅實基礎。

“硬X射線調制望遠鏡”主載荷結構示意圖

“量子科學實驗衛星”旨在建立衛星與地面的遠距離量子科學實驗平臺，在國際上首次在空間大尺度下實現星地自由空間量子密鑰生成和分發、量子力學基本問題及非局域性檢驗等具有重要科學和實用意義的實驗，以期取得量子力學基礎物理研究的重大突破和一系列具有國際顯示度的科學成果。本項目借助衛星平臺，尋求量子理論在宏觀大尺度上的應用，使量子信息技術的應用突破距離的限制，促進廣域乃至全球范圍量子通信的最終實現。同時，本項目能夠在更深層次上為認識量子物理的基礎科學問題，拓寬量子力學的研究方向，促進量子理論乃至整個物理學的發展有著至關重要的意義。

青海湖基于浮空或運動平臺量子密鑰分發示意圖

“量子科學實驗衛星”的有效載荷

該衛星總質量不大于620kg，擬由長征-2D運載火箭發射，將運行在高600km的太陽同步軌道，軌道傾角為97.79°，設計在軌運行壽命2年；有效載荷包括量子密鑰通信機、糾纏發射機、糾纏源及實驗控制與處理機。

“量子科學實驗衛星”工程于2012年底轉入初樣研制階段，并于2014年完成關鍵部件的研制與交付。該衛星發射后，將在國際上首次實現空間大尺度的量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗，推進人類對大尺度范圍量子力學規律的認識，并帶動我國量子物理整體水平大幅提升。

4 “暗物質粒子探測”衛星

暗物質是由萬有引力效應明確證實其存在，但卻沒有通過電磁波被直接觀測到的物質，這是長久以來粒子物理和宇宙學研究的核心問題之一，其研究成果很可能帶來基礎科學上的重大突破。

中國科學院常進研究員帶領的團隊近年在高能宇宙線探測、γ射線探測取得了國際領先的突破性成果，為暗物質粒子的探測奠定了堅實基礎。

“暗物質粒子探測”衛星將是我國第一顆天文衛星，致力于通過在空間高分辨、寬波段觀測高能電子和γ射線尋找和研究暗物質粒子，有望在暗物質研究這一前沿科學領域取得重大突破；通過觀測能譜范圍在1012TeV以上的高能電子及重核，在宇宙射線起源方面取得突破；通過觀測高能γ射線，在γ天文學方面取得重要成果。

“暗物質粒子探測”衛星總質量小于1900kg，擬由長征-2D運載火箭發射，運行于太陽同步軌道，軌道高度為500km，軌道傾角為97.4°，設計在軌運行壽命3年。其有效載荷包括硅陣列探測器、塑閃陣列探測器、BGO量能器、中子探測器及載荷數據管理器。

“暗物質粒子探測”衛星在軌示意圖

“暗物質粒子探測”衛星平臺載荷一體化構型設計方案

“暗物質粒子探測”衛星初樣整星熱真空試驗

“暗物質粒子探測”衛星有效載荷初樣鑒定件在歐洲核子研究中心（CERN）開展束流標定試驗

“暗物質粒子探測”衛星工程于2014年9月完成初樣研制，通過了環境試驗，同年10月以后進入正樣研制階段。該衛星可望在暗物質探測和宇宙線物理兩大前沿領域取得重大突破，并可望在γ天文學方面取得重要成果，一旦取得突破，將很可能會帶來物理學新的革命。

5 實踐-10返回式科學實驗衛星

實踐-10返回式科學實驗衛星是中國科學院胡文瑞院士提出的、專門用于微重力科學和空間生命科學空間實驗研究的返回式衛星。其主要任務是充分利用衛星留軌艙和回收艙，開展多項空間科學實驗。

實踐-10衛星旨在利用返回式衛星技術，開展微重力科學、空間生命科學實驗，研究、揭示微重力條件和空間輻射條件下物質運動及生命活動的規律，取得創新科技成果，推動我國空間微重力科學和空間生命科學發展。該衛星總質量約3600kg，擬由長征-2D運載火箭發射，軌道傾角63°，近地點軌道高度220km，遠地點軌道高度482km，衛星在軌工作壽命15天。實踐-10衛星共搭載19項科學實驗項目，分為微重力流體物理、微重力燃燒、空間材料科學、空間輻射生物學效應、重力生物學效應、空間生物技術6個領域，其中微重力科學實驗項目10項，空間生命科學實驗項目9項。

實踐-10衛星工程于2014年年底進入正樣研制階段。衛星發射上天后，預期將揭示微重力條件和空間輻射條件下的物質運動及生命活動規律；探索地面上無法模擬的空間復雜輻射環境對生物體的作用機理；在復雜流體界面、質與熱耦合理論研究上獲得突破；推動引力理論、生命科學等基礎研究取得突破。

6 “夸父”計劃

實踐-10衛星運行及軌道示意圖

實踐-10整星構型示意圖（左）和回收艙布局圖（右）

實踐-10衛星目前處于初樣研制階段

作為太陽系的主導天體，太陽對各大行星和行星際空間起著舉足輕重的作用。目前，人類在日地空間部署了10余顆衛星，其重點是對空間天氣因果鏈的某一段物理過程進行研究。以“太陽與日球層觀測臺”（SOHO）衛星、“星簇”計劃/“雙星”計劃（Cluster/Double Star）為代表的實驗衛星在這類研究中取得了突破性進展。以“夸父”計劃為代表的對整個空間天氣同時開展監控的衛星項目尚屬首次。

“夸父”計劃將著重觀測日地空間暴的整體連續變化現象；探索日地空間系統物質和能量的傳輸與耦合過程；促進日地關系物理學的發展，提高空間災害預報的水平。

“夸父”計劃是一個國際合作計劃。中國負責位于拉格朗日點L1的夸父-A衛星，國際合作伙伴負責夸父-B1和B2衛星。由于國際金融形勢變化等無法預見的非技術因素，國際合作伙伴尚未落實，該計劃目前處于暫緩狀態。

7 空間科學背景型號項目

空間科學背景型號項目的主要目標是從已完成概念研究的空間科學衛星任務中遴選出科學意義重大、創新性強且初步具備下一個五年計劃發射技術可行性的衛星任務，并在本五年計劃期間開展科學目標凝練、探測方案優化和關鍵技術攻關及試驗驗證等工作，為下一個五年計劃工程立項和研制做準備。

“夸父”計劃運行示意圖

空間科學背景型號項目于2011年遴選出的第一批項目有：“磁層-電離層-熱層耦合”（MIT）小衛星星座探測計劃、“X射線時變與偏振探測”（XTP）衛星、“空間毫米波VLBI陣列”（SVLBI）和“太陽極軌成像望遠鏡”（SPORT）計劃。空間科學背景型號項目于2013年遴選出的第二批項目有：“系外類地行星探測計劃”（STEP）、“先進天基太陽天文臺”（ASO-S）、“愛因斯坦探針”（EP）和“全球水循環觀測任務”（WCOM）衛星。

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛星星座探測計劃

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛星星座探測計劃是利用小衛星星座系統，對近地磁層高度以下的磁層-電離層-熱層耦合關鍵區域進行探測，揭示電離層向磁層的上行粒子流的起源、加速機制與傳輸規律，認識來自電離層和熱層的物質外流在磁層空間暴觸發與演化過程中的重要作用，了解磁層空間暴引起的電離層和熱層全球性多尺度擾動特征，揭示磁層-電離層-熱層系統相互作用的關鍵途徑和變化規律。

該計劃一共有4顆衛星，包括電離層/熱層星（ITA、ITB）和磁層星（MA、MB）。其中，電離層/熱層星將運行在近地點為500km、遠地點為1500km、傾角為90°的低軌橢圓軌道，質量約500kg，設計壽命為5年；磁層星將運行于近地點為1Re，遠地點7Re，傾角為90°的高軌大橢圓軌道，質量約650kg，設計壽命為5年。

“X射線時變與偏振探測”衛星

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛星星座及軌道方案示意圖

“X射線時變與偏振探測”衛星將運行在高550 k m的圓軌道，傾角為28°，整星質量小于3200kg，壽命為5年。它將采用國際上探測面積最大的聚焦成像望遠鏡陣列和高能量分辨率、高時間分辨率探測器，并結合高靈敏度偏振探測能力，研究“一奇”（黑洞，測量上百個黑洞的自轉參數）、“二星”（中子星和夸克星，研究極高密度下的物質狀態方程）、“三極端”（極端引力、極端密度、極端磁場下的物理過程），實現對黑洞和中子星系統的大樣本、高精度X射線能譜和時變觀測，開拓高靈敏度X射線偏振探測新窗口，測量黑洞和中子星的基本物理參數，揭示極端條件下的基本物理規律。

“空間毫米波VLBI陣列”衛星

“空間毫米波VLBI陣列”包括兩顆衛星，其遠地點為60000km，近地點為1200km，傾角28.5°。衛星質量約1800kg，壽命為3年。我國將自主研發大型空間可展開射電望遠鏡，同時與地面VLBI陣聯網，建成世界上首個具有超高分辨率的空間長毫米波VLBI陣列，開展黑洞等致密天體的超高精細結構成像觀測等研究，探究黑洞的物理本質，精確估算中央黑洞質量，增加人類對黑洞的認識，揭示活動星系核中央能源機制。

“太陽極軌成像望遠鏡”衛星

“X射線時變與偏振探測”衛星示意圖

“空間毫米波VLBI陣列”衛星軌道方案示意圖

“太陽極軌成像望遠鏡”將通過木星借力，運行在傾角大于60°的太陽極軌，周期約3年，總質量約1050kg，壽命為10年。該望遠鏡將利用攜帶的遙感成像儀器，首次以太陽極軌的視角，居高臨下對太陽和行星際空間展開連續成像，描繪行星際空間天氣“云圖”；進行高時間分辨率、高空間分辨率、高光譜分辨率的內日球層高緯的等離子體、電磁場、波動等的就地探測，在射電波段進行成像探測；研究日冕物質拋射在內日球層的傳播和演化；日冕和日球層中能量粒子的加速、傳輸和分布；太陽高緯磁活動與太陽爆發、太陽活動周的關系；太陽風高速流的起源和特性。它將揭示太陽風加速和加熱、太陽高緯的磁活動過程；深化理解無碰撞等離子體的波粒相互作用及其電磁輻射機制等。

“系外類地行星探測計劃”衛星示意圖

“系外類地行星探測計劃”衛星

“系外類地行星探測計劃”將運行于拉格朗日L2點的Halo軌道，傾角為28.5°，衛星質量約1450kg，壽命為5年。它將搜尋太陽系附近的類地行星，開展太陽系附近行星系統的精確探測研究，進行宇宙距離尺度定標，在國際上首次探測到太陽系附近（66光年以內）的可居住類地行星。該衛星的觀測對理解多行星系統的起源、演化和這些系統中的行星可居住性有著非常重要的影響，將成為發展行星系統動力演化理論的必要基礎。

“先進天基太陽天文臺”衛星

“先進天基太陽天文臺”將運行于太陽同步軌道，初定軌道高度為700～750km，傾角為97°。其有效載荷質量為220kg，壽命不少于4年。該衛星能同時觀測對地球空間環境具有重要影響的太陽上兩類最劇烈的爆發現象—耀斑和日冕物質拋射（CME）；研究耀斑和日冕物質拋射的相互關系和形成規律；觀測全日面太陽矢量磁場，研究太陽耀斑爆發和日冕物質拋射與太陽磁場之間的因果關系；觀測太陽大氣不同層次對太陽爆發的響應，研究太陽爆發能量的傳輸機制及動力學特征；探測太陽爆發，預報空間天氣，為我國空間環境的安全提供保障。

“愛因斯坦探針”衛星

“太陽極軌成像望遠鏡”衛星示意圖（左）和衛星軌道示意圖（右）

“先進天基太陽天文臺”衛星示意圖

“愛因斯坦探針”將運行于高600km的近地圓軌道，傾角為30°，衛星平臺質量小于300kg，有效載荷不大于200kg，其壽命為5年。該衛星可發現和探測幾乎所有尺度上的沉寂的黑洞，特別是發現和研究星系中心黑洞潮汐摧毀并吞噬恒星產生的X射線暫現爆發；探測引力波爆發源的電磁波對應體并對其精確定位；開展高深靈敏度、高監測頻度的大視場時域X射線監測，實現對暗弱和遙遠的高能暫現源的全天普查，開展大樣本X射線源的時變的巡天監測。

“全球水循環觀測任務”衛星

“全球水循環觀測任務”衛星將運行于高600km的晨昏軌道，傾角為97°。其衛星平臺質量約1050kg，有效載荷質量約450kg，設計壽命為3年。該衛星首次開展全球水循環關鍵多要素、高精度、同時相的綜合觀測，實現對地球系統中水的分布、傳輸與相變過程的機理及水循環系統的時空分布特征認識上的突破；利用衛星的觀測數據，實現對歷史觀測數據和水循環模型的改進，揭示全球變化背景下水循環變化特征，深化理解水循環對全球變化的響應與反饋作用的科學規律。

8 空間科學預先研究項目

“愛因斯坦探針”衛星示意圖

“全球水循環觀測任務”衛星示意圖

空間科學預先研究項目將通過部署空間科學預先研究課題集群，對我國未來5～15年擬開展的空間科學衛星計劃和必需的關鍵技術進行先期研究，全面推動空間科學領域的創新概念研究、前瞻技術預研和關鍵技術攻關，為我國空間科學的長期可持續發展奠定基礎。

該項目擬分批在空間科學的16個研究計劃方向上部署遴選空間科學預先研究課題群。這16個研究計劃設置為：空間科學發展戰略與總體規劃、天體號脈計劃、天體肖像計劃、暗物質探測計劃、太陽顯微計劃、太陽全景計劃、日地聯系計劃、太陽系探測計劃、空間地球科學/全球變化計劃、空間基礎物理實驗計劃、微重力流體/輕盈計劃、微重力燃燒/輕焰計劃、空間材料/輕飏計劃、微重力實驗技術計劃、空間生命科學計劃、空間科學探測綜合技術。課題研究周期為1～2年。

9 結語

空間科學是蘊含重大科學突破并與人類生存發展密切相關的前沿交叉科學領域。它不但是自然科學的重要前沿領域，同樣對航天技術的發展具有重要的驅動作用，被譽為空間科技皇冠上的“明珠”。世界各大航天強國都非常重視發展空間科學對推動知識進步、促進技術創新、服務國家安全與社會經濟發展的重要作用，空間科學也將為我國的創新發展提供重要的驅動力。

當前，我國空間科學正面臨良好的發展機遇。空間科學先導專項的啟動實施標志著我國的空間科學進入了跨越發展的新階段。該專項自2011年啟動實施以來，取得了顯著的階段性成果，并獲得了國際科學界的廣泛關注；同時，也吸引了眾多國際一流科學家的積極參與，擴大了我國空間科學計劃的國際影響，并為提高相關技術研究水平奠定了重要基礎。空間科學先導專項的實施預計將在黑洞、暗物質、量子力學完備性和空間環境下的物質運動規律/生命活動規律等方面取得重大科學突破，不僅將推動我國空間科學事業跨越式發展、提升我國在國際空間科學界的地位和影響，而且將為我國經濟社會發展甚至人類的文明進步做出應有的貢獻，樹立起中國人探索太空的新豐碑！