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“夸父計劃”示意圖。
“在塗傳詒院士的主持下，‘夸父計劃’已經順利完成了預研究階段的任務，正在積極籌備轉入下一階段的技術攻關，之後會在技術攻關的基礎上爭取國家的工程立項。”
這是近日北京大學地球與空間科學學院教授、“夸父計劃”辦公室主任、國際宇航科學院院士、中國空間科學學會前理事長肖佐向《科學時報》透露的消息。目前“夸父計劃”已順利完成背景研究的任務，爭取在論證評審通過後，轉入下一階段的技術攻關。
“嫦娥給了我們很大信心”
2007年10月24日，中國繞月探測衛星嫦娥一號衛星成功發射，舉國歡慶，也讓國際社會對中國的深空探測能力驚歎不已。
“嫦娥的成功發射標誌着我國深空探測向前邁進了一大步，對我國進一步建議中的幾項深空探測很有意義，當然也爲‘夸父計劃’再發射、測控等方面奠定了極好的基礎。”作爲“夸父計劃”積極的推動者和參加者，肖佐對嫦娥一號成功發射感到由衷的高興。
與“嫦娥計劃”不同的是，“夸父計劃”是鎖定太陽的深空探測計劃，又稱爲“空間風暴、極光和空間天氣”探測計劃。該計劃將由一顆位於日地系統第一拉格朗日點(也稱L1點，即地球與太陽之間的引力平衡點)的衛星“夸父A”和兩顆沿極軌共軛飛行的衛星“夸父B1”、“夸父B2”組成綜合觀測系統，將用於連續監測太陽劇烈活動及其導致的日地空間環境連鎖變化的全過程。
“雖然夸父衛星的對地距離比嫦娥一號衛星遠了4倍，但是嫦娥一號在測控方面所使用的50米大天線，我們也會充分利用到。”肖佐告訴記者。
據記者瞭解，“夸父計劃”的原創性科學思想和基本概念是在2003年1月24日在國家自然科學基金委地學部“關於推動空間天氣研究座談會”上，首先由北京大學塗傳詒院士在同肖佐、張永維總師和中國科學院魏奉思教授討論的基礎上提出的。隨後，“夸父計劃”預研成爲由北京大學牽頭、國家自然科學基金委支持的重點項目，並有國內外有關科技專家大力支持和參與。此後，國防科工委組織了相關評審。根據國防科工委建議，以“夸父計劃”爲基礎，與中國科學院空間科學與應用研究中心劉振興院士建議的“風暴計劃”進行了整合，叫做“夸父—太陽風暴、極光和空間天氣計劃”。
肖佐告訴記者，“夸父計劃”的科學目標是觀測空間天氣事件從太陽到地球的整體連續變化現象，揭示控制日地空間系統的基本物理過程，提高空間天氣災害預報的準確度，服務航天通訊等高科技活動。
其科學意義表現在：“夸父計劃”將對日地空間天氣系統的兩端——太陽大氣和地球空間——進行前所未有的時空連續、多層次的成像觀測，完成從太陽大氣到近地空間完整擾動因果鏈的探測，通過多方面的首創性監測，實現日地系統端到端的整體、連續成像觀測。並預期在日地系統的能量及擾動的耦合機制如太陽爆發先兆、太陽風的形成機制等方面取得具有重要原創意義的突破性進展。屆時，“夸父計劃”將與其他空間計劃一起進入以探測日地空間整體行爲爲標誌的空間探測新紀元。
據瞭解，由於2012年將是下一個太陽活動峯年，2012年至2014年太陽活動將會很強烈，因此“夸父計劃”三顆衛星建議在這個時間內發射，主要是爲觀測到新的日地物理現象，進一步揭示日地空間風暴機理，監測行星際擾動傳播，爲災害性空間環境預報提供觀測數據。初期飛行時間將爲2至3年。
“嫦娥一號的成功發射給了我們很大信心，我們相信‘夸父計劃’也將不負衆望。”肖佐說。
技術攻關是關鍵
肖佐介紹，在國家自然科學基金委重點項目和國防科工委背景研究項目的支持下，北京大學會同中國氣象局、中國科技大學和中科院空間中心在科學背景、科學目標以及爲實現科學目標要求配置的有效載荷(主要是科學儀器)等方面開展了全面的預先研究，目前這一預研階段已順利完成。
肖佐說，目前，由18個評審委員(包括11位科學院院士和7位空間界資深專家)組成的專家組，已完成對“夸父計劃”科學目標進行的評審。
2007年6月1日，《“夸父計劃”科學目標及觀測項目論證報告》評審會在京召開。北京大學校長許智宏院士和國防科工委副司長王克然分別在會上致詞，北京大學塗傳詒院士作了關於“夸父計劃”科學目標和觀測項目的論證報告。評審組通過討論，一致通過“夸父—太陽風暴、極光及空間天氣計劃”科學目標及觀測項目論證報告，並建議“夸父計劃”儘快立項發射。
“夸父計劃”工程論證由東方紅衛星公司牽頭，會同北京大學、中國氣象局、中國科學技術大學(與山東大學威海分校合作)、中科院空間中心等共同完成。目前，已對有效載荷對工程的要求、軌道設計、運載與發射、地面測控和測定軌、地面數據接收、衛星設計等進行了全面論證並已順利完成，主要結論是：在我國嫦娥一期的基礎上，實現“地—月”之間的測控技術基礎已具備；在我國嫦娥二期和深空站建設完成之後(2011年)，“夸父計劃”所需的基礎技術條件將全部具備。
完成預研階段的任務後，“夸父計劃”將進入另一個重要環節，即技術攻關。目前，塗傳詒、肖佐等科學家已對關鍵科學探測儀器(有效載荷)的研製、夸父A星的軌道設計與實現技術、夸父A星的深空自主運行技術、夸父B星的高精度姿軌聯合控制實現技術等科學問題和技術難點進行了細緻的分析。
例如，夸父A所要到達的L1點位於日地連線上，距地球150萬公里，目前，只有NASA和ESA爲數不多的航天器，如SOHO、ACE、ISEE等飛行器到達過L1點。
夸父A衛星選擇哪種運載工具、轉移軌道才能到達距地球約150公里的L1點；選擇何種方式保持衛星軌道在L1點上；夸父A衛星如何實施遠距離測控和通信；L1點通信距離上屬於深空範疇，如何在深空條件下實施對衛星的測控和數據傳輸通信……這些都是夸父A衛星實現的關鍵環節之一，也是夸父A工程要解決的首要問題。
夸父B衛星飛行任務目標是實現一天24小時、一週7天連續觀測北極光的分佈，爲了實現這個目標，夸父B有兩顆同樣的衛星組成：夸父B1和夸父B2。這兩顆衛星的軌道要位於同一極軌上，呈共軛飛行狀態,遠地點高度6個地球半徑，近地點0.8個地球半徑。選擇什麼運載工具和發射方式是夸父B衛星工程要解決的關鍵技術。
“衛星的發射、軌道設計、遙測、遙控都需要有詳盡的設計，不過，在現在初步的方案設計中，我們認爲我國是有這個能力的，關鍵是如何把它組織好。”肖佐說。
“除此之外，整個‘夸父計劃’都採用成像技術，它所使用的一些特殊成像儀器都要作技術攻關，如中性原子成像儀、太陽白光日冕儀。”肖佐介紹說，由於地球的外層空間有一些中性的氧原子，需要用現在的成像技術把其速度分佈形成爲圖形，以確定在太陽有擾動時，外層空間到底是如何響應的，但是由於中性原子本身通過交換原子以後可以成像，所以這裏涉及一些新的成像技術方面的難點。
肖佐介紹，在有效載荷的研製方面，現在已有不少研製單位報名參加，它們已通過不同的渠道申請到了基金，在作積極的準備。“下一階段我們會通過招標的方式最終確定選擇哪些單位研製這些儀器。”
期待更深入的國際合作
2006年7月，兩場高規格的國際會議——第36屆世界空間科學大會和2006年西太平洋地球物理大會在北京舉行，塗傳詒在這兩個大會上分別介紹了“夸父計劃”的內容和進展情況，引起了各國科學家的高度關注。
2006年1月12日～13日，在德國Lindau召開了“夸父計劃”國際研討會，進一步明確了有效載荷的配置、技術指標以及國際合作的途徑。2006年7月16日，在北京舉行的COSPAR大會安排了“夸父計劃”專題研討會，進一步討論和確定了科學目標。2007年1月7日，在中國航天局代表的主持下，歐洲空間局(ESA)、加拿大空間局(CSA)和英、法、德、意、比、奧等10個國家的空間探測部門的代表在三亞召開了“夸父計劃”國際協調會議，各方表達了合作意向，確定了需要進一步會談的問題。
肖佐說：“現在，歐盟、加拿大等國家和地區的科學家紛紛表示要參加這一計劃，開展相關合作，經夸父工作隊和夸父科學委員會目前確定的科學儀器配置方案中，共20多項必需的儀器，我國科學家主導研製的佔多數，同時所有儀器都有國際合作，法國、加拿大、英國、愛爾蘭、瑞士、德國等國的科學家積極參與合作研製。歐空局、加拿大航天局都表示出積極支持和合作意願。”此外，日本、印度也表示了對“夸父計劃”的興趣。
“國防科工委也非常重視國際合作，多次指出希望通過國際合作推動‘夸父計劃’的順利開展，要探索多種合作途徑而不只是限於儀器研製，例如在衛星平臺、衛星研製和發射方面更深入合作的可能性，都在積極探討中。”
不過讓肖佐擔心的是，歐空局正好在2014年有一個太陽軌道器的空間觀測計劃，雖然該計劃的一些監測項目與中國的“夸父計劃”能形成很好的配合，但是由於時間上有交叉，歐空局的科學家和有關單位如何兩頭兼顧，“這些目前都在商談中”。
在國際合作中，關鍵的問題是保證我們的自主知識產權。這是肖佐最強調的一點。肖佐說，“夸父計劃”是中國人的原創思想，而且國家給予了大力的支持，中國一定會在“夸父計劃”中起主導作用。
深遠的影響
2006年8月4日，美國《科學》雜誌的《新聞焦點》欄目迅速報道了中國“夸父計劃”的相關情況，文中指出，夸父衛星將在很高的精度上追蹤太陽爆發和地磁暴活動；如果“夸父計劃”順利實施，它將有許多項首創技術，並將使中國在深空探測方面跨入國際領先行列。
日本名古屋大學的太陽物理學家Kazuo Shiokawa認爲，中國的“夸父計劃”與美國軍方計劃於2008年發射C/NOFS(通訊/導航中斷預報系統Communication/Navigation Outage Forecasting System)衛星計劃一樣，對於空間天氣預報都非常重要。
“夸父計劃”合作者Schwenn說：“憑藉‘夸父計劃’，中國將躋身國際空間科學界前沿。”
塗傳詒則指出，夸父3顆衛星將第一次監測從太陽風到磁層的整個能量傳輸過程。它將可能解決地球空間對太陽風暴響應的過程中的一個重大問題，即大尺度的能量和質量是如何從太陽通過日地空間傳輸到磁層的。
“美國的SOHO於1992年發射一直工作到現在，即將退役，因此國際社會也很希望中國的‘夸父計劃’衛星能夠上去，這樣人類對太陽的探測就不會斷裂。”肖佐說。
而事實上，肖佐在談到“夸父計劃”的科學意義時說，到現在爲止，只有美國在L1點上發射了太陽監測衛星(SOHO飛船)。但不同的是，中國的“夸父計劃”是連續的日地系統的監測計劃。夸父衛星的軌道設計成“L1+極軌”，這是一種全新的協同軌道設計。夸父B1和B2可通過成像獲得磁尾磁重聯所造成的磁層全局響應的信息，其成像可以使我們更精確地度量亞暴和磁暴期間能量的注入。
對於中國來說，“夸父計劃”必將大大提高自主的空間天氣預報能力。肖佐介紹，目前，在空間天氣預防方面，我們除使用部分國內資料外，絕大部分還是要依靠國外的資料。當前隨着我國航天活動的增多，必須加強對磁暴、高能粒子等危害的預報能力。
“‘夸父計劃’將成爲我國航天技術發展歷程中新的里程碑。”肖佐說，“夸父計劃”的實施將使我國自主深空探測距離從“嫦娥計劃”的38萬公里推進到L1點的150萬公里，將使我國成爲世界上第二個獨立完成L1點飛行衛星研製、發射和遠距離測控通訊任務的國家；同時，該計劃將提升我國航天技術基礎能力，培養和造就具備國際水準的科技與工程人才。
無疑，“夸父計劃”也將顯著提高中國在國際航天領域的地位和形象。“夸父計劃”是我國主導的大型國際空間探測計劃，將充分展示中國“和平利用太空、爲人類作貢獻”的意願。肖佐說，“夸父計劃”的實施將從根本上改變我國空間天氣業務主要依賴國外數據的現狀，使我國成爲國際上最重要的空間天氣數據源之一。
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