吴季:先导专项推动空间科学跨越发展

2011-5-03 09:01 来源: 科学时报
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  2010年3月31日,国务院第105次常务会议审议通过了中国科学院“创新2020”规划,并明确要求通过组织实施战略性先导科技专项,形成重大创新突破和集群优势。就即将启动实施的空间科学战略性先导科技专项等方面的问题,中国科学院空间科学与应用研究中心主任吴季研究员接受了记者的专访。

  《科学时报》:实施空间科学战略性先导科技专项的意义是什么?

  吴季:空间科学是以航天器为主要平台,研究发生在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、天文、化学以及生命等自然现象及其规律的科学。空间科学开展的有关宇宙、生命的起源与演化和基本物理规律的探索,是蕴含重大科学突破的前沿科学领域。

  当代科学发展的历史已充分证明,大量的科学突破和发现来自于对宇宙和太空的探索。如20世纪90年代以来,借助哈勃太空望远镜,人类发现了大量的未知天体,将人类的视界延伸到了137亿光年的距离,几乎达到了宇宙自身自大爆炸以来膨胀的尺度,并使宇宙学研究尺度到了精确研究的阶段。

  特别是2003年以来,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)对宇宙微波背景辐射的精确测量,以及斯隆数字巡天(SDSS)对大尺度结构和超新星的观测等研究成果,更加坚实有力地支持了以暗物质和暗能量为主导的暴涨宇宙模型。

  2002年、2006年诺贝尔物理学奖分别授予了成功探测到中微子、发现宇宙X射线源和发现宇宙微波背景辐射的黑体形式与各向异性的四位空间科学领域科学家,以表彰他们在增进人类对宇宙的了解和认识方面所作的突出贡献。

  空间科学不仅是探索太空奥秘、拓展认识能力、推进人类文明进步的重要学科,也是促进航天技术创新,服务国家安全与经济发展,实现和平利用太空和提升国家地位的战略制高点。

  空间科学对航天技术具有全面的、显著的牵引和带动作用。每一项空间科学任务都是非重复性的,要实现空间科学任务目标就必须进行新的设计和技术创新,空间科学任务对特殊轨道设计、探测器姿态稳定度、平台与载荷一体化设计、遥科学等方面不断对航天技术提出新的需求,一项空间科学任务的实施能够催生一批新的航天技术。

  空间科学致力于发现和验证新的空间现象和规律,如研究太阳系与人类的关系等重大应用科学问题,这将增强人类对太阳和日地系统及其变化规律的科学认识,提高人类应对自然灾害、维持与自然和谐共存的能力,为人类社会的长期可持续发展提供保障和支撑;同时空间科学所发现的新知识、新规律将为空间应用提供源源不断的动力,极大拓展空间应用的范围,服务国家安全与经济社会发展。

  科学无国界,空间科学因其和平、开放、共享性质和贡献新的发现与科学知识,因此也是我国和平利用空间的重要窗口和体现大国责任、树立国际形象的重要舞台。2010年,国际宇航科学院授予我国双星计划和欧空局星簇计划合作团队“杰出团队成就奖”,以表彰他们在空间科学领域所作出的突出贡献,这是我国首次获得的航天领域国际重大科技奖项,凸显了我国为和平利用空间所作出的贡献和努力,极大提高了我国的国际地位和影响力。

  我国自发射第一颗人造卫星以来,航天技术已有了很大的发展,加速发展空间科学的基本技术条件已经具备。我国的空间科学家长期使用国外科学卫星探测数据,也已经建立了初步的研究队伍和力量。但是由于缺少自主的科学卫星计划和第一手的探测数据,科学家原创性的科学发现还比较少,原创性的科学思想也不能快速、直接得到验证。空间科学卫星计划对空间技术发展的独特的牵动和引领作用也没有充分发挥出来。实施空间科学战略性先导科技专项(简称空间科学先导专项),将促进我国空间科学跨越发展,缩小和尽快弥补我国在前沿基础科学发现和具有潜在应用意义的空间知识创新方面与国外的差距,为我国航天技术的发展注入新的活力。

  《科学时报》:空间科学先导专项都将开展哪些方面的研究?预期目标是什么?

  吴季:空间科学先导专项是2011年1月中国科学院首批启动的战略性先导科技专项之一。为保证我国空间科学的可持续发展,空间科学先导专项的研究内容覆盖了从科学思想的提出到获取科学成果的全过程。包括开展空间科学发展战略规划的研究,创新概念研究和相关探测技术预先研究,空间科学卫星关键技术研究,空间科学卫星的研制、发射和运行以及科学卫星上天后的科学数据应用,构成空间科学任务从孵育、前期准备、技术攻关到工程研制、成果产出的完整链条。

  “十二五”期间,空间科学先导专项将重点针对黑洞的性质和极端条件下物理规律、暗物质的性质、空间环境下的物质运动规律和生命活动规律、太阳爆发等太阳活动对地球空间环境的影响和检验量子力学完备性等方面开展研究,通过自主和国际合作科学卫星计划,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;同时遴选 “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。

  “十二五”期间,空间科学先导专项将部署以下7个研究项目。

  硬X射线调制望远镜:研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律,开展宽波段X射线(1~250 keV)巡天观测,发现大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知高能天体,研究宇宙硬X射线背景辐射的性质;对重要天体进行宽波段、高灵敏度的定点观测,测量其时变和能谱特性,研究致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程。

  实践十号:利用我国成熟的返回式卫星技术,紧密围绕国家科技战略目标,结合国家重大需求,促进地面生物工程、新材料等高技术发展和基础物理、生命科学等基础研究取得突破,推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展。

  量子科学试验卫星:在高精度的捕获和跟瞄系统基础上,进行卫星与地面之间量子密钥分发,实现卫星与地面之间量子保密通信试验;在地面建立两个局域的光纤量子通信网络,通过卫星中转组建广域量子通信网络;在卫星与地面之间进行双向纠缠分发,检验量子力学的非局域性;利用地面多体纠缠光源,探索地面站与卫星之间远距离量子隐形传态的可行性。

  暗物质粒子探测卫星:寻找暗物质湮灭的证据,通过高分辨测量高能电子和伽马射线的能量和方向,确认暗物质粒子存在的证据并研究其物理特性,包括暗物质的质量及其在空间的分布;通过测量TeV以上的高能电子能谱,研究宇宙线起源;通过测量宇宙线重离子能谱,研究宇宙线传播和加速机制。

  夸父计划:研究太阳活动事件对地球空间环境的影响,利用自行研制的夸父A星与加拿大的两颗极轨卫星,通过国际合作形成对日地关系连锁变化的连续观测系统——夸父计划,探索日地空间系统物质和能量的传输与耦合过程,预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制方面实现重大突破。

  空间科学卫星背景型号研究:根据战略规划和发展路线图,通过科学论证,遴选科学卫星项目进行背景型号研究,开展科学目标凝练、探测方案优化和关键技术攻关,为“十三五”科学卫星的工程研制、发射和获得科学成果作准备。

  空间科学预先研究:通过部署项目集群的方式,对未来的空间科学卫星计划和必需的关键技术进行先期研究,开展空间科学发展战略研究、创新性卫星任务概念研究、前瞻技术预研和关键技术攻关、地面验证与标定,对部分地面无法验证的有效载荷开展短时飞行试验验证,以全面推动空间科学领域的创新性研究、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科学与技术基础,发挥空间科学在基础科学领域前沿研究和航天高技术领域的火车头作用。

  通过空间科学专项任务的实施,可望在恒星与星系的起源和演化、暗物质的性质、空间环境下的物质运动规律和生命活动规律、太阳爆发等太阳活动对地球空间环境的影响和检验量子力学完备性等方面取得重大科学发现或突破,深化人类对宇宙和自然规律的认识。同时为“十三五”乃至更长时间段空间科学的发展作好技术准备、奠定发展基础。同时,通过空间科学先导专项还将培养起一支达到国际水平的科学研究队伍和先进探测仪器的研制队伍,建立起我国空间科学及卫星工程项目的技术支撑和管理体系,建成支撑我国空间科学发展的国家级高水平空间科学中心,为空间科学今后的持续发展奠定坚实的基础。