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專家解讀我國為什么要開展空間科學(xué)研究?

時(shí)間:2016年02月15日 信息來源:不詳 點(diǎn)擊:2231 字體:

我國為什么要開展空間科學(xué)研究?

吳季:科學(xué)對于一個(gè)國家來說很重要,要想創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展就必須有知識。目前在空間科學(xué)領(lǐng)域,我國還只是有關(guān)知識的使用國,而非產(chǎn)出國,因此還沒有出現(xiàn)重大原創(chuàng)性的科學(xué)成果。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球總共有5000多項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,中國只占100項(xiàng)左右,中國的空間科學(xué)研究嚴(yán)重依賴他國衛(wèi)星數(shù)據(jù)的公開??臻g科學(xué)是自然科學(xué)突破的前沿,因此很重要。我國要想實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展,必須要有創(chuàng)新的能力??臻g科學(xué)創(chuàng)新靠什么呢?靠空間科學(xué)衛(wèi)星,因?yàn)榭臻g科學(xué)衛(wèi)星能夠擺脫地球大氣層的影響,對浩瀚的宇宙進(jìn)行全波段觀測。在高能譜上,必須通過空間科學(xué)衛(wèi)星才能獲得有效數(shù)據(jù)。所以,我國要想從航天大國發(fā)展成航天強(qiáng)國,必須發(fā)展空間科學(xué)衛(wèi)星,為人類知識的發(fā)展做出貢獻(xiàn),創(chuàng)造知識。

基礎(chǔ)科學(xué)是所有其他技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ),其突破對其他許多學(xué)科都有帶動(dòng)作用。雖然空間科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué),但是所需要的支撐體系特別多,例如需要衛(wèi)星技術(shù)、運(yùn)載火箭、發(fā)射場、測控和地面支撐等,所以投資比較大。我國是一個(gè)發(fā)展中國家,以前的投入主要關(guān)注應(yīng)用衛(wèi)星。近些年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技實(shí)力的增強(qiáng),國家拿出一部分資金來發(fā)展空間科學(xué)衛(wèi)星,啟動(dòng)了“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”,以期實(shí)現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破,帶動(dòng)相關(guān)高技術(shù)的跨越式發(fā)展,發(fā)揮空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。

目前,我國對空間科學(xué)的投入在航天總投入中所占的比重比歐美等都低很多,有人說不到10%。相比之下,美國航空航天局每年有180億~190億美元的民用航天投入,其中用于科學(xué)衛(wèi)星(不包含載人航天的科學(xué)實(shí)驗(yàn))的就占到50億美元,將近占30%。歐洲航天局也有將近30%的投入是用于科學(xué)衛(wèi)星。2014年日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)對世界空間科技力量進(jìn)行對比調(diào)查顯示,美國為95分,中國僅為48分(滿分為100分)。為什么其他國家這么重視?因?yàn)榭臻g科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)的前沿,前沿不投入就會(huì)落后于別人。重大的發(fā)現(xiàn)都是在科學(xué)前沿,在前沿每走一步都可能有突破。因此,這些發(fā)達(dá)國家對基礎(chǔ)研究的重視是持續(xù)性的??茖W(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)就是科學(xué),有了原理的突破才有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。所以我們國家要想做一些創(chuàng)新的東西,現(xiàn)在就應(yīng)該加大基礎(chǔ)科學(xué)方面的投入,而空間科學(xué)是其中一個(gè)重要的方面。

發(fā)射“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”的首批衛(wèi)星能否提升我國空間科學(xué)的國際地位?

吳季:作為空間科學(xué)領(lǐng)域的新興國家,我國空間科學(xué)進(jìn)入了跨越發(fā)展的新階段。“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”已獲得了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注,也吸引了眾多國際一流科學(xué)家的積極參與,專項(xiàng)的實(shí)施預(yù)計(jì)將在黑洞、暗物質(zhì)、量子力學(xué)完備性和空間環(huán)境下的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、生命活動(dòng)規(guī)律等方面取得重大科學(xué)突破,所以將會(huì)提升我國在國際空間科學(xué)界的地位和影響。

按照計(jì)劃,我國將在2016年4月左右發(fā)射實(shí)踐-10返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,該衛(wèi)星旨在推動(dòng)空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)發(fā)展。實(shí)踐-10上將開展19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),其中一半是生命科學(xué)實(shí)驗(yàn),另外一半是物理和材料科學(xué)實(shí)驗(yàn);2016年7月左右發(fā)射的“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”,將實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子保密通信試驗(yàn),把地面的部分成果拿到天上去做試驗(yàn),將在基礎(chǔ)物理方面有所突破;其后,還將發(fā)射“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”,研究黑洞的性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律。

“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”批準(zhǔn)的衛(wèi)星計(jì)劃只是針對“十二五”計(jì)劃,如今科學(xué)家再度面臨需要爭取國家經(jīng)費(fèi)支持的局面。2016年,將對所發(fā)射的科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行總結(jié),特別是對“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星所獲科學(xué)成果進(jìn)行評估。在此期間也將通過中國科學(xué)院申請“十三五”的經(jīng)費(fèi)。

國家應(yīng)該如何提供一個(gè)持續(xù)的支持?

吳季:在我國“十三五”規(guī)劃中將繼續(xù)支持“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”,讓這個(gè)計(jì)劃延續(xù)下去。但我們更希望國家有一個(gè)專門的部門承擔(dān)這個(gè)職責(zé),在這個(gè)部門的常規(guī)預(yù)算里面包括一個(gè)固定的百分比,專門用于空間科學(xué)。這個(gè)百分比應(yīng)隨著我們國家的GDP增長,每5年計(jì)劃都會(huì)滾動(dòng)增長。但目前我們國家還沒有這樣的部門和經(jīng)費(fèi)。所以,現(xiàn)在每顆空間科學(xué)衛(wèi)星都是以項(xiàng)目的形式來申請,項(xiàng)目結(jié)束了還得再申請,并不是一個(gè)持續(xù)的國家計(jì)劃。

那么美國是怎么做的?在美國航空航天局的預(yù)算中有一定百分比的經(jīng)費(fèi)是專門用于空間探測的,逐年積累起來就是一筆很大的經(jīng)費(fèi)。這樣就可以很好地制定長期探測規(guī)劃,比如先去探測土星,再去探測天王星、冥王星,等等。美國的探測器現(xiàn)在已經(jīng)飛掠了冥王星。我國對月球進(jìn)行了幾次探測,其實(shí)要是有一筆行星探測的經(jīng)費(fèi),持續(xù)支持5年或者10年,科學(xué)家就會(huì)布局得更好。例如,可以從現(xiàn)在開始布局更遠(yuǎn)的行星探測。

雖說實(shí)現(xiàn)起來不容易,但空間科學(xué)對空間技術(shù)的帶動(dòng)非常大,而且能為人類帶來很多新的知識。這需要一個(gè)長期的可持續(xù)規(guī)劃,各個(gè)探測項(xiàng)目之間一定要有聯(lián)系,而不是做成一個(gè)一個(gè)單獨(dú)的政績工程。這是科學(xué)問題,不是政治問題。在國家的持續(xù)支持之下,我們可以更好地做未來規(guī)劃,更好地論述我們中國人應(yīng)該去哪兒,應(yīng)該做什么,先做什么,后做什么。

在技術(shù)方面,我們和國外的差距有多大?

吳季:在探測技術(shù)方面,我們和發(fā)達(dá)國家之間的差距是在逐漸縮小的。特別是我國有了自己科學(xué)衛(wèi)星系列計(jì)劃以后,差距正進(jìn)一步縮小。比如,我國在實(shí)施自己的“雙星計(jì)劃”之前,我國科學(xué)團(tuán)隊(duì)參加了歐洲航天局的“星簇計(jì)劃”,科學(xué)研究工作做得還是不錯(cuò)的。但是,如果我國有自己的計(jì)劃,就能按照自己的思想來設(shè)計(jì),把最好的成果拿到自己的手里,而不是用別人的數(shù)據(jù)。

在今后的“十三五”項(xiàng)目中,空間科學(xué)衛(wèi)星上的很多有效載荷都將以我國為主研制,而且有所創(chuàng)新。雖然我國在技術(shù)能力上與國外還有一定差距,但是從總體來說有一個(gè)從跟蹤到并行甚至到領(lǐng)先這么幾個(gè)階段?,F(xiàn)在我們有很多技術(shù)都在并行發(fā)展,個(gè)別還處在領(lǐng)先位置,絕大部分至少跟蹤是沒問題的。所以從技術(shù)水平來講差距不是太大。

我國嫦娥-3的落月技術(shù)是世界上最先進(jìn)的,可以懸停避障。相比之下,歐洲航天局從20世紀(jì)90年代開始設(shè)計(jì)“菲萊”在彗星表面著陸時(shí)沒有懸停避障功能。所以說,別人能夠做到的,我們基本上也可以做到了,甚至能做到比別人好。

“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”的首批空間科學(xué)衛(wèi)星是怎么選定的?主要考慮哪些因素?

吳季:選擇空間科學(xué)衛(wèi)星的研究目標(biāo)非常重要,因?yàn)槠涑晒挥惺澜绲谝唬瑳]有中國第一。空間科學(xué)衛(wèi)星的目標(biāo)由科學(xué)家來定,而不像應(yīng)用型衛(wèi)星,目標(biāo)由用戶來定。對于空間科學(xué)項(xiàng)目,我們現(xiàn)在采取的方式是公開征集,也就是從科學(xué)家團(tuán)隊(duì)里面征集建議。建議征集到了以后,有一個(gè)公開的評審、遴選過程,由科學(xué)家自己來評選,工程師也參與,以確定方案和想法是否可行,是否在技術(shù)上能實(shí)現(xiàn)。

遴選項(xiàng)目時(shí)重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面:一是科學(xué)產(chǎn)出的重大性,即是不是重大前沿?能否實(shí)現(xiàn)重大突破?二是考慮它的帶動(dòng)意義,即是不是能廣泛地帶動(dòng)學(xué)科的發(fā)展,帶動(dòng)更多的科學(xué)家參與數(shù)據(jù)分析?比如,在太陽物理、空間物理方面,有幾百位研究人員等著利用新的數(shù)據(jù),通過這些數(shù)據(jù)能發(fā)表上千篇文章,這個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域能突破很多理論,獲得很多新發(fā)現(xiàn)。然后還有科學(xué)可行性、技術(shù)可行性、經(jīng)費(fèi)可行性分析。從“十三五”開始,科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃從征集到科學(xué)產(chǎn)出的管理都會(huì)逐步采用上述國際通用的管理程序。

原則上,我們希望我們的計(jì)劃能覆蓋空間科學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科,例如空間天文、空間物理/環(huán)境、太陽物理、空間地球科學(xué)、空間微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)等方面。其中的地球科學(xué)衛(wèi)星不是為了應(yīng)用,而是用于科學(xué)研究。但是我們不可能一下支持那么多,所以要有重點(diǎn)地進(jìn)行選擇。我們選擇的項(xiàng)目一定是世界首創(chuàng)的,代表著我國的科學(xué)水平。

這些科學(xué)衛(wèi)星有哪些重大的技術(shù)突破?

吳季:在遴選立項(xiàng)的時(shí)候特別要保證技術(shù)可行性,也就是說認(rèn)為基本可行的才會(huì)立項(xiàng)。立項(xiàng)以后又經(jīng)過方案設(shè)計(jì),在方案設(shè)計(jì)中就要重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的突破。例如,在“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星技術(shù)上,一個(gè)挑戰(zhàn)是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。科學(xué)載荷1.4t,中心探測器的密度跟鐵一樣,非常重。所以當(dāng)時(shí)我們就選擇了一個(gè)衛(wèi)星方案,也就是圍繞科學(xué)載荷進(jìn)行衛(wèi)星平臺的一體化設(shè)計(jì)。

目前國際上有沒有和我國類似的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星?

吳季:現(xiàn)在,國際上用來開展暗物質(zhì)研究的空間計(jì)劃主要有“國際空間站”上的α磁譜儀和“費(fèi)米”衛(wèi)星。前者測量能量譜段的上限為600GeV左右,后者所覆蓋的能量譜段還不如前者。我國暗物質(zhì)探測衛(wèi)星可以探測能量極高的粒子,設(shè)計(jì)指標(biāo)為10TeV,在空間分辨率方面超過現(xiàn)有其他計(jì)劃,而且探測面積很大,使得其捕獲稀少的高能粒子的能力很強(qiáng)。其中最重的設(shè)備是能量接收器——鍺酸鉍(BGO)晶體,采用多根晶體棒橫豎分層排列,當(dāng)粒子打上后,根據(jù)那些發(fā)光的晶體顆粒判斷粒子到達(dá)的方向。為什么只有我國能做出這樣的衛(wèi)星?因?yàn)槲覈凶詈玫木w生產(chǎn)能力,即有60cm長的BGO晶體,這樣就能把探測器面積做得很大,而這么長的BGO晶體,只有中科院上海硅酸鹽所能做出來。2015年12月17日,“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”首發(fā)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星成功升空,該衛(wèi)星的平臺、有效載荷現(xiàn)均工作正常,進(jìn)入了在軌測試階段,為我國空間科學(xué)衛(wèi)星系列的發(fā)展吹響了沖鋒號。

今年發(fā)射的實(shí)踐-10衛(wèi)星將開展什么樣的研究?

吳季:實(shí)踐-10是我國科學(xué)衛(wèi)星系列中唯一的返回式衛(wèi)星,是開展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的高效、短期、綜合空間實(shí)驗(yàn)平臺。

返回式衛(wèi)星的技術(shù)現(xiàn)已比較成熟,且比較便宜。雖然目前對地觀測衛(wèi)星都采用傳輸型,不需要帶回膠片了,但是進(jìn)行微重力科學(xué)、生命科學(xué)研究等還需要回收實(shí)驗(yàn)材料。比如一株植物,在微重力的情況下它會(huì)怎么生長?在太空中開展這樣的實(shí)驗(yàn),除了照相以外,科學(xué)家還希望把標(biāo)本收回來。再如半導(dǎo)體晶體的生長,在有重力的情況下,其三維不是均勻的,但是到了太空以后會(huì)長得很均勻,可以長得很長,科學(xué)家也希望把在太空中生長出來的晶體帶回來。實(shí)踐-10返回式衛(wèi)星將開展19項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),其中有11項(xiàng)要收回,能得到第一手?jǐn)?shù)據(jù)。衛(wèi)星的返回艙升空7天后就返回了,留軌艙繼續(xù)工作。衛(wèi)星的工作時(shí)間與其電池的電量有關(guān)。這顆衛(wèi)星不能有太陽電池翼,否則就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),對科學(xué)實(shí)驗(yàn)有影響。這是我國第一次做這么大規(guī)模的微重力和空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

這些實(shí)驗(yàn)在空間站是不是也可以做?

吳季:我國空間站正在建設(shè)準(zhǔn)備階段,計(jì)劃2018年發(fā)射第1個(gè)艙,所以在2020年之前,大部分載荷資源都會(huì)用于空間站建設(shè),能給科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)的資源較少。因此,空間科學(xué)的發(fā)展僅靠載人航天器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還需要有專門的科學(xué)衛(wèi)星。而且從空間站帶回的樣品比較有限,周期也較長,這對空間生命科學(xué)等一些短周期科學(xué)實(shí)驗(yàn)有較大限制。返回式衛(wèi)星的科學(xué)載荷有600多千克,衛(wèi)星運(yùn)行周期短,適合開展短周期的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外。我們在立項(xiàng)的時(shí)候已和載人航天項(xiàng)目做過協(xié)調(diào),返回式衛(wèi)星的任務(wù)和載人航天的任務(wù)是不重復(fù)的。

我國今年將發(fā)射的“量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”的主要特點(diǎn)是什么?

吳季:該衛(wèi)星在軌期間要完成三大任務(wù):衛(wèi)星和地面絕對安全量子密鑰分發(fā)、驗(yàn)證太空貝爾不等式和實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間量子的隱形傳態(tài)。這些實(shí)驗(yàn)將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成,它能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上,與之對接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”,這種被稱為“針尖對麥芒”的光子的發(fā)射和接收需要超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。

該衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)非常前沿,國際上很多國家都想做這方面的研究。日本現(xiàn)在準(zhǔn)備做一個(gè)單方向的量子密鑰傳輸,加拿大也計(jì)劃做一個(gè)單方向的量子傳輸試驗(yàn),歐洲在地面上已經(jīng)將量子糾纏分發(fā)做到了接近100km。但是在太空進(jìn)行量子科學(xué)實(shí)驗(yàn),我國將是第一個(gè)。

量子通信實(shí)驗(yàn)在地面上也做過很多次,為什么還要拿到太空去做?

吳季:在地面上的實(shí)驗(yàn),傳遞的距離比較受限制。在地面上驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了,但是由于距離近,所以還有一些爭議。到太空做實(shí)驗(yàn)就是要把一對糾纏的光子拉得特別遠(yuǎn),超過1000km。這個(gè)實(shí)驗(yàn)如果能做成功,對基礎(chǔ)科學(xué)會(huì)有很大的影響,所以非常值得做。

“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”技術(shù)很復(fù)雜,在飛行的過程中,它攜帶的2個(gè)激光器要分別瞄準(zhǔn)2個(gè)地面站,向2個(gè)方向同時(shí)傳輸糾纏量子對。為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上地面接收站的“麥芒”,在飛行過程中要始終保證精確對準(zhǔn),跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度,這也是國際上從來沒有人做過的。激光器一站對一站的有人做過,但是1顆衛(wèi)星對準(zhǔn)2個(gè)地面站的從來沒有人做過,而且還要保證對得準(zhǔn)確。在這方面,我們的研制團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在地面上做過模擬仿真實(shí)驗(yàn),但還是要到真正上天以后才能知道最終成功與否。這是很大的技術(shù)挑戰(zhàn),如果能夠做到的話,在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。

“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”有什么特點(diǎn)和用途?

吳季:它用于寬波段X射線(1~250keV)巡天,發(fā)現(xiàn)被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和未知類型天體,研究宇宙硬X射線背景輻射的性質(zhì);通過觀測黑洞、中子星、活動(dòng)星系等高能天體,分析其光變和能譜性質(zhì),研究致密天體和黑洞強(qiáng)引力中物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)和高能輻射過程;探索利用X射線脈沖星實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理。該望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家李惕碚院士有一個(gè)算法,能把一般望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高,用比較便宜的辦法提高空間分辨率來研究黑洞,這是一個(gè)巧妙的切入。

如何充分利用4顆空間科學(xué)衛(wèi)星的資源?

吳季:我們的原則是盡早開放數(shù)據(jù),用的人越多越好。我們一般要求1年后開放共享



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