空间科学战略性先导科技专项引领中国空间科学发展

中国科学院空间科学战略性先导科技专项研究团队

空间科学战略性先导科技专项（以下简称空间科学先导专项）旨在加深对宇宙和地球的理解，通过自主和国际合作科学卫星计划，寻找空间科学领域新发现，并取得新突破。在“十二五”期间，空间科学先导专项部署了以下项目：“硬X射线调制望远镜”（HXMT）、“量子科学实验卫星”（QUESS）、“暗物质粒子探测”（DAMPE）卫星、实践-10（SJ-10）返回式科学实验卫星、“夸父”（KUAFU）计划、空间科学背景型号项目和空间科学预先研究项目。

1 引言

古代中国是人类文明的发祥地之一，曾创造出灿烂的文化。早在公元前2000年，中国在《尚书•胤征》中就记录了大食分日食的发生情况；《春秋》中记录的发生于公元前613年和公元前467年的两次彗星来访事件，被认为是人类历史上关于哈雷彗星回归最早的两次观测；公元前28年，中国对太阳黑子的观测和记录比西方最早同类文献几乎早1000年；古代中国还是最早观测新星的记录保持者，早在约公元前1300年就留存了世界上最早的关于新星的记录。

1957年人类第一颗人造地球卫星的发射开辟了现代空间科学的纪元。经过50多年的发展，中国的空间科学经历了东方红-1、探空火箭、“实践”系列科学实验卫星、载人航天、“双星”计划和月球探测工程等重大任务，空间科学研究、探测、实验技术都获得了较大的发展。

2011年1月，空间科学先导专项作为首批启动的先导专项，经中国科学院院长办公会审议正式立项。在“十二五”期间，空间科学先导专项将重点针对黑洞的性质及极端条件下的物理规律、暗物质的性质、空间环境下的物质运动规律/生命活动规律、太阳活动对地球环境的影响和检验量子力学完备性方面开展研究。通过自主和国际合作实施的这些科学卫星计划，预计将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。此外，将遴选“十三五”拟发射的空间科学卫星项目，突破相关关键技术，使其具备工程立项条件；制定空间科学中长期发展规划，提出新的空间科学卫星任务概念，在影响空间科学可持续发展的关键核心技术方面取得突破。

2 “硬X射线调制望远镜”

“硬X射线调制望远镜”整星试验图

X射线起源于天体上的高能物理过程，与高温、高密度、强磁场、强引力场等极端物理条件相关，是研究黑洞、中子星等天体性质的主要手段。由于地球大气的吸收，所以对天体的X射线观测只能在地球大气之上进行。美国于1970年发射了第1颗X射线天文卫星—“自由”，实现了X射线巡天，开创了空间高能天文的新领域，打开了人类观测宇宙的新窗口。

1993年，中国科学院李惕碚院士提出了研制“硬X射线调制望远镜”的建议和方案，旨在实现对宽波段X射线（1～250keV）的巡天观测，研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律，探测大批超大质量黑洞和其他高能天体，研究宇宙X射线背景辐射的性质；将通过定点观测黑洞和中子星、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。

“硬X射线调制望远镜”的卫星平台总质量为2700kg，将由长征-4B运载火箭发射，运行在高度550km、倾角43°的近地圆轨道，设计寿命为4年，采用定点和巡天观测工作模式；有效载荷包括高能X射线望远镜（HE）、中能X射线望远镜（ME）、低能X射线望远镜（LE）及一台空间环境监测器（SEM）。其中，高能X射线望远镜的参数是NaI/CsI 5000cm2，20～250keV；中能X射线望远镜的参数是Si-PIN 952cm2，5～30keV；低能X射线望远镜的参数是SCD 384cm2，1～15keV。

“硬X射线调制望远镜”电性件联试

“硬X射线调制望远镜”工程于2013年底转入正样研制阶段。该卫星发射上天后，预期将实现高灵敏度和高空间分辨率的硬X射线成像巡天，发现新天体和天体高能辐射新现象，带动中国天文学研究整体发展；推动深空探测和空间天文其他领域发展。

3 “量子科学实验卫星”

量子力学理论自20世纪初创立至今，量子密钥分发、贝尔不等式检验和量子隐形传态已成为当前量子信息技术研究的前沿，国际上重要的发达国家和地区均已投入大量人力物力开展了广域量子通信理论和实验研究，准备进行空间与地面量子通信实验。

中国科学家潘建伟院士带领的团队近年来在自由空间量子纠缠分发和隐形传态实验方面不断取得国际领先的突破性成果，为基于卫星的广域量子通信和量子力学基础原理检验奠定了坚实基础。

“硬X射线调制望远镜”主载荷结构示意图

“量子科学实验卫星”旨在建立卫星与地面的远距离量子科学实验平台，在国际上首次在空间大尺度下实现星地自由空间量子密钥生成和分发、量子力学基本问题及非局域性检验等具有重要科学和实用意义的实验，以期取得量子力学基础物理研究的重大突破和一系列具有国际显示度的科学成果。本项目借助卫星平台，寻求量子理论在宏观大尺度上的应用，使量子信息技术的应用突破距离的限制，促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现。同时，本项目能够在更深层次上为认识量子物理的基础科学问题，拓宽量子力学的研究方向，促进量子理论乃至整个物理学的发展有着至关重要的意义。

青海湖基于浮空或运动平台量子密钥分发示意图

“量子科学实验卫星”的有效载荷

该卫星总质量不大于620kg，拟由长征-2D运载火箭发射，将运行在高600km的太阳同步轨道，轨道倾角为97.79°，设计在轨运行寿命2年；有效载荷包括量子密钥通信机、纠缠发射机、纠缠源及实验控制与处理机。

“量子科学实验卫星”工程于2012年底转入初样研制阶段，并于2014年完成关键部件的研制与交付。该卫星发射后，将在国际上首次实现空间大尺度的量子纠缠分发和量子隐形传态实验，推进人类对大尺度范围量子力学规律的认识，并带动我国量子物理整体水平大幅提升。

4 “暗物质粒子探测”卫星

暗物质是由万有引力效应明确证实其存在，但却没有通过电磁波被直接观测到的物质，这是长久以来粒子物理和宇宙学研究的核心问题之一，其研究成果很可能带来基础科学上的重大突破。

中国科学院常进研究员带领的团队近年在高能宇宙线探测、γ射线探测取得了国际领先的突破性成果，为暗物质粒子的探测奠定了坚实基础。

“暗物质粒子探测”卫星将是我国第一颗天文卫星，致力于通过在空间高分辨、宽波段观测高能电子和γ射线寻找和研究暗物质粒子，有望在暗物质研究这一前沿科学领域取得重大突破；通过观测能谱范围在1012TeV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γ射线，在γ天文学方面取得重要成果。

“暗物质粒子探测”卫星总质量小于1900kg，拟由长征-2D运载火箭发射，运行于太阳同步轨道，轨道高度为500km，轨道倾角为97.4°，设计在轨运行寿命3年。其有效载荷包括硅阵列探测器、塑闪阵列探测器、BGO量能器、中子探测器及载荷数据管理器。

“暗物质粒子探测”卫星在轨示意图

“暗物质粒子探测”卫星平台载荷一体化构型设计方案

“暗物质粒子探测”卫星初样整星热真空试验

“暗物质粒子探测”卫星有效载荷初样鉴定件在欧洲核子研究中心（CERN）开展束流标定试验

“暗物质粒子探测”卫星工程于2014年9月完成初样研制，通过了环境试验，同年10月以后进入正样研制阶段。该卫星可望在暗物质探测和宇宙线物理两大前沿领域取得重大突破，并可望在γ天文学方面取得重要成果，一旦取得突破，将很可能会带来物理学新的革命。

5 实践-10返回式科学实验卫星

实践-10返回式科学实验卫星是中国科学院胡文瑞院士提出的、专门用于微重力科学和空间生命科学空间实验研究的返回式卫星。其主要任务是充分利用卫星留轨舱和回收舱，开展多项空间科学实验。

实践-10卫星旨在利用返回式卫星技术，开展微重力科学、空间生命科学实验，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，取得创新科技成果，推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展。该卫星总质量约3600kg，拟由长征-2D运载火箭发射，轨道倾角63°，近地点轨道高度220km，远地点轨道高度482km，卫星在轨工作寿命15天。实践-10卫星共搭载19项科学实验项目，分为微重力流体物理、微重力燃烧、空间材料科学、空间辐射生物学效应、重力生物学效应、空间生物技术6个领域，其中微重力科学实验项目10项，空间生命科学实验项目9项。

实践-10卫星工程于2014年年底进入正样研制阶段。卫星发射上天后，预期将揭示微重力条件和空间辐射条件下的物质运动及生命活动规律；探索地面上无法模拟的空间复杂辐射环境对生物体的作用机理；在复杂流体界面、质与热耦合理论研究上获得突破；推动引力理论、生命科学等基础研究取得突破。

6 “夸父”计划

实践-10卫星运行及轨道示意图

实践-10整星构型示意图（左）和回收舱布局图（右）

实践-10卫星目前处于初样研制阶段

作为太阳系的主导天体，太阳对各大行星和行星际空间起着举足轻重的作用。目前，人类在日地空间部署了10余颗卫星，其重点是对空间天气因果链的某一段物理过程进行研究。以“太阳与日球层观测台”（SOHO）卫星、“星簇”计划/“双星”计划（Cluster/Double Star）为代表的实验卫星在这类研究中取得了突破性进展。以“夸父”计划为代表的对整个空间天气同时开展监控的卫星项目尚属首次。

“夸父”计划将着重观测日地空间暴的整体连续变化现象；探索日地空间系统物质和能量的传输与耦合过程；促进日地关系物理学的发展，提高空间灾害预报的水平。

“夸父”计划是一个国际合作计划。中国负责位于拉格朗日点L1的夸父-A卫星，国际合作伙伴负责夸父-B1和B2卫星。由于国际金融形势变化等无法预见的非技术因素，国际合作伙伴尚未落实，该计划目前处于暂缓状态。

7 空间科学背景型号项目

空间科学背景型号项目的主要目标是从已完成概念研究的空间科学卫星任务中遴选出科学意义重大、创新性强且初步具备下一个五年计划发射技术可行性的卫星任务，并在本五年计划期间开展科学目标凝练、探测方案优化和关键技术攻关及试验验证等工作，为下一个五年计划工程立项和研制做准备。

“夸父”计划运行示意图

空间科学背景型号项目于2011年遴选出的第一批项目有：“磁层-电离层-热层耦合”（MIT）小卫星星座探测计划、“X射线时变与偏振探测”（XTP）卫星、“空间毫米波VLBI阵列”（SVLBI）和“太阳极轨成像望远镜”（SPORT）计划。空间科学背景型号项目于2013年遴选出的第二批项目有：“系外类地行星探测计划”（STEP）、“先进天基太阳天文台”（ASO-S）、“爱因斯坦探针”（EP）和“全球水循环观测任务”（WCOM）卫星。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划是利用小卫星星座系统，对近地磁层高度以下的磁层-电离层-热层耦合关键区域进行探测，揭示电离层向磁层的上行粒子流的起源、加速机制与传输规律，认识来自电离层和热层的物质外流在磁层空间暴触发与演化过程中的重要作用，了解磁层空间暴引起的电离层和热层全球性多尺度扰动特征，揭示磁层-电离层-热层系统相互作用的关键途径和变化规律。

该计划一共有4颗卫星，包括电离层/热层星（ITA、ITB）和磁层星（MA、MB）。其中，电离层/热层星将运行在近地点为500km、远地点为1500km、倾角为90°的低轨椭圆轨道，质量约500kg，设计寿命为5年；磁层星将运行于近地点为1Re，远地点7Re，倾角为90°的高轨大椭圆轨道，质量约650kg，设计寿命为5年。

“X射线时变与偏振探测”卫星

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座及轨道方案示意图

“X射线时变与偏振探测”卫星将运行在高550 k m的圆轨道，倾角为28°，整星质量小于3200kg，寿命为5年。它将采用国际上探测面积最大的聚焦成像望远镜阵列和高能量分辨率、高时间分辨率探测器，并结合高灵敏度偏振探测能力，研究“一奇”（黑洞，测量上百个黑洞的自转参数）、“二星”（中子星和夸克星，研究极高密度下的物质状态方程）、“三极端”（极端引力、极端密度、极端磁场下的物理过程），实现对黑洞和中子星系统的大样本、高精度X射线能谱和时变观测，开拓高灵敏度X射线偏振探测新窗口，测量黑洞和中子星的基本物理参数，揭示极端条件下的基本物理规律。

“空间毫米波VLBI阵列”卫星

“空间毫米波VLBI阵列”包括两颗卫星，其远地点为60000km，近地点为1200km，倾角28.5°。卫星质量约1800kg，寿命为3年。我国将自主研发大型空间可展开射电望远镜，同时与地面VLBI阵联网，建成世界上首个具有超高分辨率的空间长毫米波VLBI阵列，开展黑洞等致密天体的超高精细结构成像观测等研究，探究黑洞的物理本质，精确估算中央黑洞质量，增加人类对黑洞的认识，揭示活动星系核中央能源机制。

“太阳极轨成像望远镜”卫星

“X射线时变与偏振探测”卫星示意图

“空间毫米波VLBI阵列”卫星轨道方案示意图

“太阳极轨成像望远镜”将通过木星借力，运行在倾角大于60°的太阳极轨，周期约3年，总质量约1050kg，寿命为10年。该望远镜将利用携带的遥感成像仪器，首次以太阳极轨的视角，居高临下对太阳和行星际空间展开连续成像，描绘行星际空间天气“云图”；进行高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的内日球层高纬的等离子体、电磁场、波动等的就地探测，在射电波段进行成像探测；研究日冕物质抛射在内日球层的传播和演化；日冕和日球层中能量粒子的加速、传输和分布；太阳高纬磁活动与太阳爆发、太阳活动周的关系；太阳风高速流的起源和特性。它将揭示太阳风加速和加热、太阳高纬的磁活动过程；深化理解无碰撞等离子体的波粒相互作用及其电磁辐射机制等。

“系外类地行星探测计划”卫星示意图

“系外类地行星探测计划”卫星

“系外类地行星探测计划”将运行于拉格朗日L2点的Halo轨道，倾角为28.5°，卫星质量约1450kg，寿命为5年。它将搜寻太阳系附近的类地行星，开展太阳系附近行星系统的精确探测研究，进行宇宙距离尺度定标，在国际上首次探测到太阳系附近（66光年以内）的可居住类地行星。该卫星的观测对理解多行星系统的起源、演化和这些系统中的行星可居住性有着非常重要的影响，将成为发展行星系统动力演化理论的必要基础。

“先进天基太阳天文台”卫星

“先进天基太阳天文台”将运行于太阳同步轨道，初定轨道高度为700～750km，倾角为97°。其有效载荷质量为220kg，寿命不少于4年。该卫星能同时观测对地球空间环境具有重要影响的太阳上两类最剧烈的爆发现象—耀斑和日冕物质抛射（CME）；研究耀斑和日冕物质抛射的相互关系和形成规律；观测全日面太阳矢量磁场，研究太阳耀斑爆发和日冕物质抛射与太阳磁场之间的因果关系；观测太阳大气不同层次对太阳爆发的响应，研究太阳爆发能量的传输机制及动力学特征；探测太阳爆发，预报空间天气，为我国空间环境的安全提供保障。

“爱因斯坦探针”卫星

“太阳极轨成像望远镜”卫星示意图（左）和卫星轨道示意图（右）

“先进天基太阳天文台”卫星示意图

“爱因斯坦探针”将运行于高600km的近地圆轨道，倾角为30°，卫星平台质量小于300kg，有效载荷不大于200kg，其寿命为5年。该卫星可发现和探测几乎所有尺度上的沉寂的黑洞，特别是发现和研究星系中心黑洞潮汐摧毁并吞噬恒星产生的X射线暂现爆发；探测引力波爆发源的电磁波对应体并对其精确定位；开展高深灵敏度、高监测频度的大视场时域X射线监测，实现对暗弱和遥远的高能暂现源的全天普查，开展大样本X射线源的时变的巡天监测。

“全球水循环观测任务”卫星

“全球水循环观测任务”卫星将运行于高600km的晨昏轨道，倾角为97°。其卫星平台质量约1050kg，有效载荷质量约450kg，设计寿命为3年。该卫星首次开展全球水循环关键多要素、高精度、同时相的综合观测，实现对地球系统中水的分布、传输与相变过程的机理及水循环系统的时空分布特征认识上的突破；利用卫星的观测数据，实现对历史观测数据和水循环模型的改进，揭示全球变化背景下水循环变化特征，深化理解水循环对全球变化的响应与反馈作用的科学规律。

8 空间科学预先研究项目

“爱因斯坦探针”卫星示意图

“全球水循环观测任务”卫星示意图

空间科学预先研究项目将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。

该项目拟分批在空间科学的16个研究计划方向上部署遴选空间科学预先研究课题群。这16个研究计划设置为：空间科学发展战略与总体规划、天体号脉计划、天体肖像计划、暗物质探测计划、太阳显微计划、太阳全景计划、日地联系计划、太阳系探测计划、空间地球科学/全球变化计划、空间基础物理实验计划、微重力流体/轻盈计划、微重力燃烧/轻焰计划、空间材料/轻飏计划、微重力实验技术计划、空间生命科学计划、空间科学探测综合技术。课题研究周期为1～2年。

9 结语

空间科学是蕴含重大科学突破并与人类生存发展密切相关的前沿交叉科学领域。它不但是自然科学的重要前沿领域，同样对航天技术的发展具有重要的驱动作用，被誉为空间科技皇冠上的“明珠”。世界各大航天强国都非常重视发展空间科学对推动知识进步、促进技术创新、服务国家安全与社会经济发展的重要作用，空间科学也将为我国的创新发展提供重要的驱动力。

当前，我国空间科学正面临良好的发展机遇。空间科学先导专项的启动实施标志着我国的空间科学进入了跨越发展的新阶段。该专项自2011年启动实施以来，取得了显著的阶段性成果，并获得了国际科学界的广泛关注；同时，也吸引了众多国际一流科学家的积极参与，扩大了我国空间科学计划的国际影响，并为提高相关技术研究水平奠定了重要基础。空间科学先导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，不仅将推动我国空间科学事业跨越式发展、提升我国在国际空间科学界的地位和影响，而且将为我国经济社会发展甚至人类的文明进步做出应有的贡献，树立起中国人探索太空的新丰碑！