中国地球空间双星探测计划

日期：2004-08-21 17:39:18|0000-00-00 00:00:00　来源：no

地球空间双星探测计划是21世纪初国家批准实施的一项重要的空间科学探测计划。根据我国空间科学和应用发展的重要需求和国际上日地空间物理学发展的新趋势，由中国科学院空间物理学家刘振兴院士为首的专家小组经多次讨论，于1997年初提出了地球空间双星探测计划（以下简称双星计划）。双星计划提出后，受到了国际空间物理界的关注和响应，欧空局和国际空间局协调组（由美国宇航局、欧空局、日本和俄罗斯空间局组成）在他们的会议上，专门对中国的双星计划进行了讨论，对双星计划给予很高评价，并通过了对双星计划的推荐书，表示积极与双星计划进行合作。 在国防科工委、中国科学院、航天科技集团及欧空局有关领导和专家们的积极支持和努力下，近3年来双星计划的各项工作有了很大的进展。2000年12月，国务院批准将双星计划列为“十五”计划的重要空间科学探测项目，先期启动。2001年7月，在巴黎欧空局本部正式签署了中国航天局与欧洲空间局间关于地球空间双星探测计划的合作协议。双星计划各系统的工作已正式启动。 一、双星计划的科学背景 为了便于了解双星计划，首先对有关的科学背景作一概述。 1．地球空间和地球磁层 地球空间（G eospace）包括地球磁层、电离层和高中层大气，是当前人类航天活动、空间开发利用及空间军事活动的主要区域。地球空间各层次是密切联系着的耦合系统，直接受太阳活动和行星际扰动的影响，经常发生一些爆发性的事件，如磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴、热层暴等，我们可统称其为地球空间暴。地球空间暴可引起地球空间环境（空间天气）的剧烈变化，对空间飞行器、宇航员、通信、导航和定位、地面技术系统以及人类生存环境等有重要的影响。 地球磁层是地球空间的主要部分（见图）。磁层的外边界称为磁层顶，它也是地球空间的外边界。地球磁层直接受太阳风扰动的影响，经常发生磁层空间暴（包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴）。磁层中有一些重要的活动区域，包括磁层边界层区、近地等离子体片区、地球辐射带区、环电流区和极光加速区等；这些磁层活动区是双星计划探测的重点。 2．磁层空间暴 磁层空间暴包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴。磁层亚暴是磁层中巨大能量的释放过程，包括电离层亚暴、极光亚暴、磁亚暴和热层亚暴，可引起整个磁层和电离层的剧烈扰动。磁层亚暴约每天发生3－4次，每个磁层亚暴释放的能量相当于一个中等地震的能量。磁暴是强环电流引起的全球性的磁场活动，可引起全球性的电离层和高层大气扰动，每次磁暴可持续十几小时到两天。磁层粒子暴是近地磁层各类粒子爆发性增强事件，对航天活动有重要影响。 3．国际上地球空间探测的现状和发展趋势 （1）探测现状 20世纪90年代，国际上组织实施了一项空前规模的国际日地物理（I STP）计划。该计划的主要目标是：将日地空间作为一个整体，发射多颗卫星对日地空间进行联合探测，研究日地空间环境的连锁变化过程。目前正在行星际空间运行的I STP卫星有太阳和月球观测卫星（S OHO），太阳风卫星（W ind）；在地球空间运行的卫星有极区卫星，磁尾卫星。另外，还有2000年7－8月发射的星簇卫星（C lusterⅡ，包括4颗卫星，近地点4RE，远地点19．6RE，倾角900）。易簇卫星的主要科学目标是探测地球空间等离子体环境的三维小尺度结构，分辨时空变化。 I STP计划在地球空间研究方面组织了两个战役：一是研究磁尾的能量流和非线性效应；二是研究磁尾边界层的结构和动力学。由于I STP计划在地球空间的卫星布置缺少近地磁层探测卫星，以及C luster未能按时发射成功等人原因，I STP的研究战役未达到预期目标。 （2）地球空间探测的发展趋势 21世纪前20年，地球空间探测的发展趋势是：发展轻小型、高时空分辨率的场和粒子探测仪器；发展轻小型的可视化成像仪器；发展小型卫星和多卫星的星座探测技术；开展广泛的国际合作；重视空间探测对人类活动的应用。 二、双星计划的科学和应用目标 双星计划是根据目前国际上地球空间探测和研究的发展趋势及我国的重大需求提出来的。 双星计划包括两颗小卫星：一是近地赤道区卫星，主要是探测近地等离子体片区、磁层亚暴粒子注入区、地球辐射带和环电流区、等离子体层区以及向阳面磁层顶边界层区；一是近地极区卫星，主要探测极光加速区、极隙区以及与高纬边界层相联系的极盖区。这两颗卫星运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地磁层重要活动区，形成了具有创新特色和独成系统的星座式探测计划。双星计划与欧空局的4颗C lusterⅡ卫星相配合，首次形成了地球空间的“六点探测”，将会变成21世纪初国际上重要的地球空间探测计划。 双星计划的主要科学和应用目标是：探测近地磁层场和粒子的时空变化规律，系统研究磁层空间暴（包括磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴）的发生和发展过程，建立和发展地球空间环境的动态模式及物理预报方法；为航天活动、空间军事活动及地面技术系统的安全运行提供科学数据和保障对策；通过国际合作，提高我国空间探测技术和科学研究水平，提高我国在国际空间界的地位和作用。 三、双星计划的探测和研究方案1．双星的轨道方案为了实现科学目标，双星的轨道设计为： 近地赤道区卫星：近地点约550km，远地点约60000km，倾角为28．50。 近地极区卫星：近地点约700km，远地点约40000km，倾角约900。 双星的姿态：为实现高时间分辨率的要求，两颗卫星均是自旋稳定，自转轴垂直于黄道面并指向北，自旋速率为15±10％转／min。 2．有效载荷方案 为了实现科学目标，双星上设置11种有效载荷共18台，每颗卫星上各9台。这些仪器是：磁通门磁强计（2台），电子和电流仪（2台），热离子分析仪（1台，只放在赤道区卫星），能量粒子谱仪（2台），高能电子探测器（2台），高能质子探测器（2台），重离子探测器（2台），电位主动控制仪（1台，只放在赤道区卫星），低频电磁波探测器（2台），低能离子探测器（1台，只放在极区卫星），中性原子成像仪（1台，只放在极区卫星）。 上述仪器可分为4类，其科学目标分别是： （1）三分量空间磁场探测 主要目标是探测平静时的磁场形态和磁空间暴期间磁场的时空变化；配合粒子探测，分析和处理粒子探测数据；研究向阳向磁层顶区的磁场重联。 （2）不同能量粒子探测 包括低能粒子（1ev－40kev）、中能粒子（40kev－1．5Mev）和高能粒子（1－800Mev）。主要科学目标是探测低能和中等能量粒子的分布函数、通量能谱及高能粒子的通量能谱和成分，研究磁层空间暴期间粒子的空间分布和时间变化特性。 （3）卫星电位主动控制 主要目标是保证低能电子和离子的探测精度。（4）低频电磁波探测 主要目标是探测研究等离子体的不稳定性及其所激发的低频电磁波，配合粒子探测，研究粒子的加热、加速、扩散和沉降过程。 3．有效载荷对卫星的要求 剩磁：为了保证磁场和电磁波的探测精度，在离卫星表面2．5米处剩磁要求小于1．5nT。 伸杆长度：磁强计和电磁波探测器要求伸杆长度约为3．0m。 表面电位：为了保证低能粒子探测精度，卫星表面任何两点的电位差要求小于1v。 4．双星的运载和发射方案 赤道区卫星和极区卫星都是用长2丙火箭发射。赤道区卫星在西昌发射中心发射，极区卫星在太原发射中心发射。利用北京地面接收站接收双星的探测数据。赤道区卫星计划于2003年6月发射；极区卫星计划于2003年12月发射。 5．科学研究方案 为保证实现双星计划的科学目标，需要充分发挥空间物理界研究人员的积极性，为此成立了地球空间双星探测计划科学研究工作委员会和科学应用分系统，并制订出了双星和C luster数据的分析研究计划。 四、中国和欧空局关于双星计划的合作 自1991年以来，中国和欧空局就开始了双方间C luster计划的合作，现中国已是欧空局C luster科学数据系统的主要成员。自1997年中国双星计划提出以来，欧空局又积极参加了中国双星计划的合作，经双方三年多的努力，于2001年7月9日在巴黎欧空局本部由中国航天局局长和欧空局局长正式签署了地球空间双星探测计划的合作协议。根据合作协议，欧空局承担的责任是： 1．协调欧洲科学机构，向中国双星上提供10台探测仪器（其中2台由双方合作研制）及其相关的设备、软件和项目文件。这10台仪器是：磁道门磁强计（2台），热离子谱仪（1台），电子和电流仪（2台），能量离子谱仪（2台），卫星电位主动控制仪（1台），低频波探测器（1台），中性原子成像仪（1台）。其中极区卫星上的能量离子谱仪和中性原子成像仪由双方合作研制。 2．协调欧洲有关机构，在符合其财务管理情况下，保证向中国航天局提供以上10台仪器。 3．提供一个欧洲的卫星地面接收站，接收双星的部分探测数据。 4．在欧洲执行下列附加任务： 支持欧洲提供的有效载荷整合；确认双星计划辐射环境计算结果，并审查双星的辐射设计方案；协助制定一项适合双星计划卫星的磁洁净方案；协助评价和试验双星进行导电表面处理所需的材料；根据需要并经双方同意，提供技术咨询服务。 五、双星计划在科学和应用方面的重大意义 双星计划是我国第一次以自行提出的具有创新特色的空间探测计划参与国际合作，这标志着我国的空间科学探测和国际合作迈上了一个新的台阶。双星计划的实施具有以下的重大意义： 1．推动我国空间探测计划跨跃式的发展，提高空间物理研究和空间环境（空间天气）预报的创新能力。 2．为保障我国航天活动和空间军事活动的安全运行，提供科学数据、科学依据和对策。 3．以我国首次提出的空间探测计划参加国际合作，显示我国的实力和水平，提高我国在国际空间界的地位和作用。 4．双星计划具有显著效益，通过双星计划的实施，除获得大量双星的科学数据外，还可获得欧空局4颗C luster卫星上44台仪器的探测数据和与其相配合的30个地面站的观测数据，以及国际上其它卫星的探测数据。 5．通过双星的合作，可进一步拓宽与欧空局科技合作的内容和规模。 6．可培养一批高水平的空间探测技术、探测数据处理分析和科学研究方面的年轻科技队伍。 7．形成我国星－地联合观测系统，对空间物理和空间环境预报将起重要的推动作用。