本刊記者 龐之浩

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我國要成為空間科學知識的產(chǎn)出國——訪中國科學院國家空間科學中心主任吳季研究員

本刊記者 龐之浩

China's Going to Become a Space Science Knowledge Producer: an Interview with Wu Ji，Director of National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences

2015年12月17日，舉世矚目的“悟空”暗物質粒子探測衛(wèi)星順利升空了。這是我國第一顆天文衛(wèi)星，也是目前世界上觀測能段范圍最寬、能量分辨率最優(yōu)的暗物質探測衛(wèi)星。其研究成果將可能帶來基礎科學領域的重大突破，對于促進中國在空間科學領域的創(chuàng)新發(fā)展具有重大意義。2016年，我國還將發(fā)射3顆科學衛(wèi)星。那么，我國為什么要開展空間科學研究呢？我國空間科學的現(xiàn)狀與未來如何？這些都是公眾所關心的。為此，《國際太空》雜志記者采訪了“空間科學先導專項”科學衛(wèi)星工程常務副總指揮、中國科學院國家空間科學中心主任吳季研究員。

記者：我國為什么要開展空間科學研究？

吳季：科學對于一個國家來說很重要，要想創(chuàng)新驅動發(fā)展就必須有知識。目前在空間科學領域，我國還只是有關知識的使用國，而非產(chǎn)出國，因此還沒有出現(xiàn)重大原創(chuàng)性的科學成果。據(jù)統(tǒng)計，全球總共有5000多項空間科學實驗項目，中國只占100項左右，中國的空間科學研究嚴重依賴他國衛(wèi)星數(shù)據(jù)的公開?？臻g科學是自然科學突破的前沿，因此很重要。我國要想實現(xiàn)創(chuàng)新驅動發(fā)展，就必須要有創(chuàng)新的能力。空間科學創(chuàng)新靠什么呢？靠空間科學衛(wèi)星，因為空間科學衛(wèi)星能夠擺脫地球大氣層的影響，對浩瀚的宇宙進行全波段觀測。在高能譜上，就必須通過空間科學衛(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)展成航天強國，就必須發(fā)展空間科學衛(wèi)星，為人類知識的發(fā)展做出貢獻，創(chuàng)造知識。

基礎科學是所有其他技術科學的基礎，其突破對其他許多學科都有帶動作用。雖然空間科學是基礎科學，但是所需要的支撐體系特別多，例如需要衛(wèi)星技術、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面支撐等，所以投資比較大。我國是一個發(fā)展中國家，以前的投入主要關注應用衛(wèi)星。近些年來，隨著我國經(jīng)濟和科技實力的增強，國家拿出一部分資金來發(fā)展空間科學衛(wèi)星，啟動了“空間科學先導專項”，以期實現(xiàn)科學上的重大創(chuàng)新突破，帶動相關高技術的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。

目前，我國對空間科學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，其中用于科學衛(wèi)星（不包含載人航天的科學實驗）的就有50億美元，將近占30%。歐洲航天局也有將近30%的投入是用于科學衛(wèi)星。2014年日本科學技術振興機構對世界空間科技力量進行對比調查顯示，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空間科學？因為空間科學是基礎科學的前沿，對前沿科學不投入就會落后于別人。重大的發(fā)現(xiàn)都是在科學前沿，在前沿科學每走一步都可能有突破。因此，這些發(fā)達國家對基礎研究的重視是持續(xù)性的?？茖W技術的基礎就是科學，有了原理的突破才有技術的實現(xiàn)。所以我們國家要想做一些創(chuàng)新的東西，現(xiàn)在就應該加大基礎科學方面的投入，而空間科學是其中一個重要的方面。

記者：發(fā)射“空間科學先導專項”的首批衛(wèi)星能否提升我國空間科學的國際地位？

吳季：作為空間科學領域的新興國家，我國空間科學進入了跨越發(fā)展的新階段?！翱臻g科學先導專項”已獲得了國際科學界的廣泛關注，也吸引了眾多國際一流科學家的積極參與，該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(huán)境下的物質運動規(guī)律、生命活動規(guī)律等方面取得重大科學突破，所以將會提升我國在國際空間科學界的地位和影響。

按照計劃，我國將在2016年4月左右發(fā)射實踐－10返回式科學實驗衛(wèi)星，該衛(wèi)星旨在推動空間微重力科學和空間生命科學發(fā)展。實踐－10上將開展19項科學實驗，其中一半是生命科學實驗，另外一半是物理和材料科學實驗；2016年7月左右發(fā)射的“量子科學實驗衛(wèi)星”，將實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子保密通信實驗，把地面的部分成果拿到天上去做實驗，將在基礎物理方面有所突破；其后，還將發(fā)射“硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星”，研究黑洞的性質及極端條件下的物理規(guī)律。

“空間科學先導專項”批準的衛(wèi)星計劃只是針對“十二五”計劃，如今科學家再度面臨需要爭取國家經(jīng)費支持的局面。2016年，將對所發(fā)射的科學衛(wèi)星進行總結，特別是對“暗物質粒子探測”衛(wèi)星所獲科學成果進行評估。在此期間也將通過中國科學院申請“十三五”的經(jīng)費。

記者：國家應該如何提供一個持續(xù)的支持？

吳季：在我國“十三五”規(guī)劃中將繼續(xù)支持“空間科學先導專項”，讓這個計劃延續(xù)下去。但我們更希望國家有一個專門的部門承擔這個職責，在這個部門的常規(guī)預算里面包括一個固定的百分比，專門用于空間科學。這個百分比應隨著我們國家的GDP增長，每5年計劃都會滾動增長。但目前我們國家還沒有這樣的部門和經(jīng)費。所以，現(xiàn)在每顆空間科學衛(wèi)星都是以項目的形式來申請，項目結束了還得再申請，并不是一個持續(xù)的國家計劃。

那么美國是怎么做的？在美國航空航天局的預算中有一定百分比的經(jīng)費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。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。我國對月球進行了幾次探測，其實要是有一筆行星探測的經(jīng)費，持續(xù)支持5年或者10年，科學家就會布局得更好。例如，可以從現(xiàn)在開始布局更遠的行星探測。

雖說實現(xiàn)起來不容易，但空間科學對空間技術的帶動非常大，而且能為人類帶來很多新的知識。這需要一個長期的可持續(xù)規(guī)劃，各個探測項目之間一定要有聯(lián)系，而不是做成一個一個單獨的政績工程。這是科學問題，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該去哪兒，應該做什么，先做什么，后做什么。

記者：在技術方面，我們和國外的差距有多大？

吳季：在探測技術方面，我們和發(fā)達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衛(wèi)星系列計劃以后，差距正進一步縮小。比如，我國在實施自己的“雙星計劃”之前,我國科學團隊參加了歐洲航天局的“星簇計劃”，科學研究工作做得還是不錯的。但是，如果我國有自己的計劃，就能按照自己的思想來設計，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”項目中，空間科學衛(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。雖然我國在技術能力上與國外還有一定差距，但是從總體來說有一個從跟蹤到并行甚至到領先這么幾個階段?，F(xiàn)在我們有很多技術都在并行發(fā)展，個別還處在領先位置，絕大部分至少跟蹤是沒問題的。所以從技術水平來講差距不是太大。

我國嫦娥－3的落月技術是世界上最先進的，可以懸停避障。相比之下，歐洲航天局從20世紀90年代開始設計“菲萊”探測器在彗星表面著陸時沒有懸停避障功能。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。

記者：“空間科學先導專項”的首批空間科學衛(wèi)星是怎么選定的？主要考慮哪些因素？

吳季：選擇空間科學衛(wèi)星的研究目標非常重要，因為其成果只有世界第一，沒有中國第一?？臻g科學衛(wèi)星的目標由科學家來定，而不像應用型衛(wèi)星，目標由用戶來定。對于空間科學項目，我們現(xiàn)在采取的方式是公開征集，也就是從科學家團隊里面征集建議。建議征集到了以后，有一個公開的評審、遴選過程，由科學家自己來評選，工程師也參與，以確定方案和想法是否可行，是否在技術上能實現(xiàn)。

遴選項目時重點考慮兩個方面：一是科學產(chǎn)出的重大性，即是不是重大前沿？能否實現(xiàn)重大突破？二是考慮它的帶動意義，即是不是能廣泛地帶動學科的發(fā)展，帶動更多的科學家參與數(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，這個學科和領域能突破很多理論，獲得很多新發(fā)現(xiàn)。然后還有科學可行性、技術可行性、經(jīng)費可行性分析。從“十三五”開始，科學衛(wèi)星計劃從征集到科學產(chǎn)出的管理都會逐步采用上述國際通用的管理程序。

原則上，我們希望我們的計劃能覆蓋空間科學領域的各個學科，例如空間天文、空間物理/環(huán)境、太陽物理、空間地球科學、空間微重力科學、空間生命科學等方面。其中的地球科學衛(wèi)星不是為了應用，而是用于科學研究。但是我們不可能一下支持那么多，所以要有重點地進行選擇。我們選擇的項目一定是世界首創(chuàng)的，代表著我國的科學水平。

記者：這些科學衛(wèi)星有哪些重大的技術突破？

吳季：在遴選立項的時候特別要保證技術可行性，也就是說認為基本可行的才會立項。立項以后又經(jīng)過方案設計，在方案設計中就要重點關注關鍵技術的突破。例如，在“暗物質粒子探測”衛(wèi)星技術上，一個挑戰(zhàn)是它的結構設計比較復雜?？茖W載荷1.4t，中心探測器的密度跟鐵一樣，非常重。所以當時我們就選擇了一個衛(wèi)星方案，也就是圍繞科學載荷進行衛(wèi)星平臺的一體化設計。

記者：目前國際上有沒有和我國類似的暗物質探測衛(wèi)星？

吳季：現(xiàn)在，國際上用來開展暗物質研究的空間計劃主要有“國際空間站”上的α磁譜儀-2和“費米”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。我國暗物質探測衛(wèi)星可以探測能量極高的粒子，設計指標為10TeV，在空間分辨率方面超過現(xiàn)有其他計劃，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。其中最重的設備是能量接收器——鍺酸鉍（BGO）晶體，采用多根晶體棒橫豎分層排列，當粒子打上后，根據(jù)那些發(fā)光的晶體顆粒判斷粒子到達的方向。為什么只有我國能做出這樣的衛(wèi)星？因為我國有最好的晶體生產(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，“空間科學先導專項”首發(fā)星——“悟空”暗物質粒子探測衛(wèi)星成功升空，該衛(wèi)星的平臺、有效載荷現(xiàn)均工作正常，進入了在軌測試階段，為我國空間科學衛(wèi)星系列的發(fā)展吹響了沖鋒號。

記者：今年發(fā)射的實踐－10衛(wèi)星將開展什么樣的研究？

吳季：實踐－10是我國科學衛(wèi)星系列中唯一的返回式衛(wèi)星，是開展微重力科學和空間生命科學研究的高效、短期、綜合空間實驗平臺。

返回式衛(wèi)星的技術現(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，但是進行微重力科學、生命科學研究等還需要回收實驗材料。比如一株植物，在微重力的情況下它會怎么生長？在太空中開展這樣的實驗，除了照相以外，科學家還希望把標本收回來。再如半導體晶體的生長，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長得很均勻，可以長得很長，科學家也希望把在太空中生長出來的晶體帶回來。實踐－10返回式衛(wèi)星將開展19項科學實驗，其中有11項要收回，能得到第一手數(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)星的工作時間與其電池的電量有關。這顆衛(wèi)星不能有太陽電池翼，否則就會產(chǎn)生振動，對科學實驗有影響。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實驗。

記者：這些實驗在空間站是不是也可以做？

吳季：我國空間站正在建設準備階段，計劃2018年發(fā)射第1個艙，所以在2020年之前，大部分載荷資源都會用于空間站建設，能給科學家做實驗的資源較少。因此，空間科學的發(fā)展僅靠載人航天器是遠遠不夠的，還需要有專門的科學衛(wèi)星。而且從空間站帶回的樣品比較有限，周期也較長，這對空間生命科學等一些短周期科學實驗有較大限制。返回式衛(wèi)星的科學載荷有600多千克，衛(wèi)星運行周期短，適合開展短周期的空間科學實驗。另外。我們在立項的時候已和載人航天項目做過協(xié)調，返回式衛(wèi)星的任務和載人航天的任務是不重復的。

記者：我國今年將發(fā)射的“量子通信實驗衛(wèi)星”的主要特點是什么？

吳季：該衛(wèi)星在軌期間要完成三大任務：衛(wèi)星和地面絕對安全量子密鑰分發(fā)、驗證太空貝爾不等式和實現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間量子的隱形傳態(tài)。這些實驗將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設備完成，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)則負責“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、捕獲和跟蹤。

該衛(wèi)星的科學目標非常前沿，國際上很多國家都想做這方面的研究。日本現(xiàn)在準備做一個單方向的量子密鑰傳輸，加拿大也計劃做一個單方向的量子傳輸實驗，歐洲在地面上已經(jīng)將量子糾纏分發(fā)做到了接近100km。但是在太空進行量子科學實驗，我國將是第一個。

記者：量子通信實驗在地面上也做過很多次，為什么還要拿到太空去做？

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

“量子科學實驗衛(wèi)星”技術很復雜，在飛行的過程中，它攜帶的2個激光器要分別瞄準2個地面站，向2個方向同時傳輸糾纏量子對。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，跟蹤要達到相當高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。激光器一站對一站的實驗有人做過，但是1顆衛(wèi)星對準2個地面站的從來沒有人做過，而且還要保證對得準確。在這方面，我們的研制團隊已經(jīng)在地面上做過模擬仿真實驗，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。

記者：“硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星”有什么特點和用途？

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；通過觀測黑洞、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；探索利用X射線脈沖星實現(xiàn)航天器自主導航的技術和原理。該望遠鏡首席科學家李惕碚院士有一個算法，能把一般望遠鏡的分辨率提高，用比較便宜的辦法提高空間分辨率來研究黑洞，這是一個巧妙的切入。

記者：如何充分利用4顆空間科學衛(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。不過根據(jù)項目的不同，也有特例，比如“量子科學實驗衛(wèi)星”進行的是專項實驗，這個項目的設計就是要驗證貝爾不等式，驗證完了項目，目標就達到了，重點是要把任務完成。還有一個特例就是“悟空”暗物質粒子探測衛(wèi)星，因為誰最先把數(shù)據(jù)整理出來，誰最先發(fā)現(xiàn)了在高能量譜段有新的物理現(xiàn)象，誰就最先實現(xiàn)了突破。不過，這顆衛(wèi)星除了這個科學目標之外還有其他的科學目標，可以作為天文臺研究宇宙射線的起源。因此用于宇宙射線研究的數(shù)據(jù)將會在一段時間后向全球公布。我們有一個數(shù)據(jù)專有和處理期。由首席科學家領導的核心科研團隊首先要對數(shù)據(jù)的質量作保證，并對數(shù)據(jù)進行第一輪分析，然后由他們決定發(fā)布數(shù)據(jù)的質量。這個專有和處理期是1年，1年之后全世界的科學家都能夠拿到數(shù)據(jù)。

記者：研制空間科學衛(wèi)星能帶動航天技術發(fā)展嗎？

吳季：研制空間科學衛(wèi)星對航天技術發(fā)展具有明顯的帶動性作用。因為科學衛(wèi)星與應用衛(wèi)星不同，一般不重復制造。每顆科學衛(wèi)星的科學載荷和用途都是新的，以獲得新的科學數(shù)據(jù)，重復的科學數(shù)據(jù)是沒有用的。所以每顆科學衛(wèi)星都必須有其創(chuàng)新性，對技術都有新的要求。這些新技術對航天技術的拉動性很大。

記者：未來的國際合作中，中國科學家將起到什么樣的作用？

吳季：國際合作有幾種形式，一種形式是由一個國家來主導，其他國家參與，比如說“雙星計劃”是中國提出的計劃，但是歐洲航天局大規(guī)模參與?！半p星計劃”作為一個獨立計劃，又和歐洲航天局的“星簇計劃”開展了2個計劃間的合作，多點探測地球空間。

在未來的科學項目當中，我們準備立項的幾個計劃全部是開放的。誰愿意投入一個或多個載荷我們都歡迎。當然還有一種情況，就是我們和其他國家的空間機構聯(lián)合立項，共同推動，例如我們和歐洲航天局已聯(lián)合遴選出的“太陽風-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃”（SMILE），這個計劃由于其獨特的探測方式和蘊涵的全新科學突破，入選了“中歐聯(lián)合空間科學衛(wèi)星任務”，成為繼“雙星計劃”之后又一個與歐洲航天局深度合作的科學衛(wèi)星項目。

由誰來主導，關鍵是要看由哪個國家的政府來立項。如果是由我國政府立項，又秉持開放的態(tài)度，那就是由我們主導，其他國家來參與。如果政府沒有那么多錢來支持立項，比如只支持一個載荷，我們只能去搭載別人的衛(wèi)星，那就是別人主導，我們參與。具體到一個項目來說，誰主導誰不主導并不代表國家的強弱，代表國家強弱的是國家獨立立項的項目有多少。只要是國家立項的項目，一定是別人沒做過的課題?？茖W衛(wèi)星就是這個特點，一定要做第一次的事情。如果是第一次做，國家又投入了錢，我們肯定能主導。

記者：我國科學家對至2030年我國空間科學發(fā)展有哪些建議?

吳季：至2030年，中國的空間科學研究應關注以下兩大主題：一是宇宙和生命是如何起源和演化的；二是太陽系與人類的關系是怎樣的。

中國空間科學至2030年的總體戰(zhàn)略目標是：發(fā)展空間科學事業(yè)，在宇宙的形成和演化、系外行星和地外生命的探索、太陽系的形成與演化、太陽活動及其對地球空間環(huán)境的影響、地球系統(tǒng)的發(fā)展演化、超越現(xiàn)有基本物理理論的新物理規(guī)律、空間環(huán)境下的物質運動規(guī)律和生命活動規(guī)律等熱點科學領域，通過系列空間科學計劃與任務，取得重大科學發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新突破，推動航天和相關高技術的跨越式發(fā)展，為人類認識宇宙、探索太空做出中華民族應有的重大貢獻。為此，中國空間科學家提出了至2030年我國空間科學的一些計劃和任務建議。

“黑洞探針”計劃。它用于回答幾個重要的關于宇宙組成和演化的前沿科學問題。例如，黑洞等極端和致密天體的性質是什么？黑洞等極端和致密天體是如何與它們周圍的環(huán)境相互作用的？該計劃包括的項目建議為：“硬X射線調制望遠鏡”、“空間變源監(jiān)視器”和將搭載在天宮－2空間實驗室上的“γ暴偏振探測項目”，其中“硬X射線調制望遠鏡”和“γ暴偏振探測項目”計劃于今年升空。

“天體號脈”計劃。它旨在對天體各種波段的電磁波和非電磁波輻射進行高測光精度和高定時精度的探測，理解各種天體的內部結構和各種劇烈活動過程。該計劃包括的項目建議為：“X射線時變與偏振衛(wèi)星”、“愛因斯坦探針衛(wèi)星”、“中國引力波計劃”和擬在我國空間站上實施的“中子星極端天體物理和新技術探索任務”。

“天體肖像”計劃。它用于獲得太陽系外的恒星、行星、白矮星、中子星、黑洞等天體的直接照片，星系中心、恒星形成區(qū)、超新星遺跡、噴流等結構的高清晰度照片，開展各個波段的深度成像巡天，以及繪制各個波段宇宙背景輻射的高精度天圖，對理解宇宙的構成等科學問題起重要作用。該計劃包括的項目建議為：“空間毫米波甚長基線干涉測量陣”和“空間甚低頻射電天文臺”。

此外，還有“天體光譜”計劃、“系外行星探測”計劃、“太陽顯微”計劃、“太陽全景”計劃、“鏈鎖”計劃、“微星”計劃、“探天”計劃、“火星探測”計劃、“小行星探測”計劃、“木星系統(tǒng)探測”計劃、“水循環(huán)探測”計劃、“能量循環(huán)探測”計劃、“生物化學循環(huán)探測”計劃、“輕盈”計劃、“輕飏”計劃、“空間基礎物理”計劃、“騰云”計劃、“載人航天工程”科學計劃等。

中國的空間科學將以回答事關人類發(fā)展的基本問題為己任，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展甚至人類文明的進步做出應有的貢獻，樹立起中國人探索太空的新豐碑！