“夸父“计划:命运多舛的中国现代逐日巨人

【代号名称】“夸父“计划

【规范称呼】“太阳监测卫星”计划,又称“太阳风暴、极光和空间天气”探测计划

【英文名称】Kuafu Mission

【发起者】中国国家自然科学基金委

【发起时间】2005年8月

【目的】

帮助科学家深入研究日地环境,观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象,揭示日地空间风暴机理、监测行星际扰动传播,提高为灾害性空间环境预报提供观测数据准确度,服务航天通讯等高科技活动

“夸父”计划LOGO

【背景】

世界各国令人眼花缭乱的深空探索行动计划充斥了现代空间科研的各个领域及大众传媒的角落,但太阳表面活动对地球影响这样一个非常重要的课题,却从没有一个专项的深空观测计划。

2012年将是一个太阳活动高峰年,从2012年至2014年太阳活动将会很强烈。这是观察太阳活动及对地球影响的绝好时机。

根据理论计算,如果在这个时间内发射3颗卫星,到距地球150万公里外的太阳与地球引力平衡点上,观测太阳风暴等活动会起到事半功倍的效果。

中国的科学家敏锐地捕捉到了星空的召唤,于是“夸父”计划便应运而生。

“夸父”计划将由一颗位于日地系统第一“拉格朗日点”(也称L1点,即地球与太阳之间的引力平衡点)的卫星“夸父”A和两颗沿地球极轨共轭飞行的卫星“夸父”B1、“夸父”B2组成综合观测系统,以用于监测太阳活动导致的日地空间环境连锁变化的全过程。初期飞行时间将为2至3年。

“夸父” A星将进入“拉格朗日”L1点,将带来巨大的观测成果。“夸父”B星处于稳定的“莫里亚轨道”,2015年完成“夸父”计划任务——它将会研究太阳对于空间天气的影响。

【行动经过】

“夸父”计划的原创性科学思想和基本概念,是在2003年1月24日在国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,首先由北京大学涂传诒院士在同肖佐、张永维总师和中国科学院魏奉思教授讨论的基础上提出的。

2004年“夸父”计划预研成为由北京大学牵头、国家自然科学基金委支持的重点项目,并有国内外有关科技专家大力支持和参与。

2005年8月,国防科工委组织了相关评审。根据国防科工委建议,以“夸父”计划为基础,与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的“风暴”计划进行了整合,叫做“夸父-太阳风暴、极光和空间天气”计划。这标志着“夸父”计划正式启动。

2007年1月7日,在中国航天局代表的主持下,欧洲空间局、加拿大空间局和英、法、德、意、比、奥等10个国家的空间探测部门的代表在三亚召开了“夸父”计划国际协调会议,各方表达了合作意向,确定了需要进一步会谈的问题。然而计划的演进表明:这是中国最大甚至是致命的失误!同年6月1日,《“夸父”计划科学目标及观测项目论证报告》评审会在京召开。10月24日,中国绕月探测卫星“嫦娥”1号卫星成功发射,举国欢庆,也让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。“嫦娥”的成功发射标志着我国深空探测向前迈进了一大步,对我国进一步建议中的几项深空探测很有意义,当然也为“夸父”计划再发射、测控等方面奠定了极好的基础。虽然“夸父”卫星的对地距离比“嫦娥”1号卫星远了4倍,但是“嫦娥”1号在测控方面所使用的50米大天线的技术,“夸父”都会充分利用到。

2010年3月,中国国务院批准了中国科学院的专项申请;6月,中国科学院和欧空局举行会谈,经过多次讨论磋商,欧方确认了可以向“夸父”A提供的两台仪器;11月,“夸父”团队的中、欧、加科学家举行了第三次工作会议。经过初步论证,“夸父”计划将从欧洲获取第三台仪器。

2011年,是“夸父”计划的“不利流年”。中国财政部拨发启动经费3000万元,支持“夸父”平台、发射和有效载荷方面的技术攻关。中科院国家空间科学中心也成立夸父专项办公室,专职协调管理“夸父”工程。3月份,形势突变,欧空局和中国科学院再次举行会谈,双方的合作从意大利提供整台仪器、中意双方共同研发,调整为中国在意大利专家的指导下独立开发,这将严重影响计划进程;同月,加拿大航天局代表团在和中科院会谈期间,贸然提出为“夸父”B专门制作两个卫星的可能,致使原本完善的计划再度生变:“夸父”计划得以成为“先导专项”的一个重要原因在于它是一个重大国际合作项目。当时的计划是:“夸父”A星由中国研制,“夸父”B双星由加拿大航天局通过他们的“极区通信与气象卫星”计划(PCW)完成,并在卫星上搭载有效载荷。但这条路很快就被堵死了。2011年加拿大新一届政府采取了系列财政紧缩政策,“极区通信与气象卫星”研制未获批准。也就是说,“重大国际合作项目”实际上又回到中国自己玩的状况。4月,孤独的“夸父”A星的仪器调整方案初步拟定。

2012年,噩耗再次袭来。“夸父”计划与欧空局的合作也出现问题。当时正处于欧洲财政危机时期,欧空局原有的5000万欧元不足以完成双星的研制,而额外的7000万欧元经费申请也未获批准。这说明欧盟根本没有很大的意愿协助中国提高科技水平,这在“伽利略”计划时就已经有教训。7月,中国科学家刘维宁回国接手“夸父”计划,并被委任为首席科学家。在国际合作出现“变故”的情况下,他想到了改变科学目标——取消“夸父”B双星,将夸父A星从原先的L1点转向L5点(第5拉格朗日点)。L5点是以地球和太阳为顶点构成的等边三角形的第三个点,距离地球的距离与日地距离相等。也就是说,L5点与地球的距离是L1点的100倍。这是一个人类尚未造访过的点。把卫星发射到L5点有技术挑战,但也有优势。

在国际上,这个想法其实从上世纪90年代末就有了。由于距离遥远,轨道操作面临技术难点,要想从那里获取足够的数据量也存在挑战。但如果卫星可以在L5点稳定运行,人们将有可能从侧面观测到从太阳到地球整个连线上的物理过程及运动过程中产生的各种物理效应。同时,可以提前一周左右观测到太阳黑子等太阳表面运动以及太阳风等太阳结构运动的情况,提前预报空间天气隐患。然而,该想法尽管得到国际同行认可,但并没能通过。因为它和原来申请的“夸父”计划相比改动太大。更为遗憾的是,欧空局已经开始了L5卫星的相关研究计划,而中国只能作为参与方。因为经费限制,他们做的卫星比我们计划做的卫星要小,只能起到简单的空间天气监测作用。

2013年1月21日,中国科学院院长白春礼院士在北京表示,“夸父”计划卫星的工程研制已经启动。9月,“夸父”计划再度成为中俄间合作协议的候选者。然而尽管当时俄方比较积极,双方都有合作兴趣,但因为同时进行的“火星探测”计划合作框架谈判方面出了问题,所以最终“夸父”计划没能写入合作大纲。

作为中国继“嫦娥”计划后又一重要的空间探测计划,“夸父”计划至2014年已启动10年,但“夸父”似乎略显低调,由于国际合作形势发生了变化,“夸父”一直命途多舛,5月份开始甚至被中国政府推入了“暂缓执行”境地——

【后续】

作为三位“元老”之一,肖佐仍期待着“夸父”能继续“追日”:“在2011年前,对于‘夸父’计划我一直很乐观。到现在,我个人认为,‘夸父’计划还是要坚持下去,最好能不改变最初的科学目标,否则太遗憾了。”

作为“夸父”计划的参与者之一,山东大学威海分校空间科学与物理应用系教授夏利东也表示,“夸父”计划将从根本上改变我国空间天气业务依赖国外数据的现状,使我国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。即使十多年已过,“夸父”计划从科学性上、观测手段上、对空间天气系统整体全局的观测研究方面,仍具有领先性。

中科院空间科学中心副主任王赤表示,中国的地面观测有了“子午工程”之后,已进入国际地基探测的第一方阵。目前,卫星是中国与国际先进水平存在的最大差距——这恐怕也是意大利、加拿大纷纷反悔的核心原因。自“双星”计划提出到现在已过去10年,中国还没有新的日地空间探测卫星计划。

其实,从国际科学界来看,“暂缓执行”并不少见,但与法律意义上的“暂缓执行”不同,科学界的“暂缓执行”基本意味着“死刑”。“航天局如果考虑取消一个项目,通常不说把这个项目‘取消’,而是说‘暂缓执行’。如果未来有机会,还会把这个项目翻出来。但往往一旦‘被暂缓’,除非有特别的政治原因,否则很难再活过来。”说出这些话时,刘维宁的语气中带着些许沉重。“从目前来看,要在‘十二五’期间完成‘夸父’卫星发射的可能性不大。不过,它或许会作为‘十二五’的遗留项目进入‘十三五’计划。”刘维宁说。无论如何,对待知识界,官方的专用词汇,还是比对待罪犯柔和得多。

【关联性】

“夸父”计划,严格地说属于空间物理探测与研究计划,与诸如“朱诺”、“卡西尼”、“惠更斯”等以星体探测为主的计划完全不同,因此“历史脉动”仅将与“夸父”计划类似的计划列出:

1、中国。中国的空间探测90年代开始,坚持“有所为,有所不为,突出重点,确定符合国情国力的空间探测计划或项目”的观念,与欧洲陆续推出了一些空间甚至深空科研探索计划,而自主、独立的计划并不多,主要有:

中国20世纪70年代开始的“引力波”探测计划,这也是中国最早的空间探测计划,几乎是一骑绝尘;

国家航天局、欧洲航天局与中国1997年1月观测研究太阳活动和行星际扰动对地球磁层和空间天气的影响的“双星”计划;

中国科学院1997年6月确定、2008年1月5日正式启动的用以监测地球表面20公里到几百公里的中高层大气、电离层和磁层以及十几个地球半径以外的行星际空间环境参数的“子午”工程;

欧空局、中国1997年11月合作研究地球磁层环境变化规律的“星簇”II计划;

中国2004年2月13日开始的包括探测太阳宇宙缐高能粒子和太阳风等离子体、太阳风和月球以及地球磁场磁尾与月球的相互作用研究的“嫦娥”计划;

中国科学院发起、中欧2008年合作探测空间引力波的“空间太极”计划;

中国、美国2010年利用在空气中提纯的惰性元素氙作为探测媒介来寻找暗物质的“熊猫”计划;

欧洲空间局与中国科学院2015年4月研究太阳风-磁层相互作用全景成像的“微笑”计划;

中国2015年用来探测黑洞以及引力波源,对爆发源电磁波对应天体进行定位,系统的开展X射线源巡天监测。据说,这项技术几乎可以探测所有尺度的天体,包括那些人类从来不曾观测到的奇怪天体的“爱因斯坦探针”计划;

中国2015年更深入了解影响空间天气的重要物理过程的“磁层-电离层-热层耦合小卫星星座”探测计划;

中国旨在理解各种天体的内部结构和剧烈活动过程,主要项目包括中国引力波研究计划的“天体号脉”计划;

2016年3月20日中国科学家主导、集聚了全世界最优秀的科学家和科研团队,共同开展空间引力波探测研究的“天琴”计划启幕。

2、世界。

20世纪60年代国际合作内容包括古地磁研究的“国际上地幔”计划;

欧洲航天局1985年研究太阳与地球间相互作用的“星簇”计划;

欧洲空间局1993年首先提出空间引力波探测的“激光干涉空间天线”计划;

美国1994年的“克莱芒蒂娜”行动;

美国宇航局、欧洲太空总署1995年12月2日的合作项目“太阳和日光层观测”工程;

2004年1月14日美国政府公布了“空间探索远景”规划;

美国航空航天局据“空间探索远景”规划 2005年6月出台了“空间探索”计划;

美国2005年9月19日“发现”计划,“空间探索”计划的子项目,属于行星科学主题,其任务主要是发射具有快速研制周期的较小任务飞行器,探测太阳系和对太阳系外环境进行小天体(包括彗星和小行星等)的遥感探查。所包括的行动计划都是完整的、由首席专家领导的中等任务,如“近地小行星交汇”(完成)、“彗核之旅”(已失败)、“深度撞击”(完成)、“黎明”(完成)、“火星探路者”(完成)、“起源”(完成)、“‘信使’水星探测”(完成)、“印度‘月船’月球矿物学绘图仪”(进行中)、“欧洲航天局‘火星快车’仪器阿斯匹拉3”(进行中)及“彗星深度撞击扩展研究”、“‘新纪元’太阳系外行星观察与表征”等后续任务,由马歇尔航天中心负责管理。“星尘”(完成)、“开普勒天体物理学系统(进行中)”、“起源光谱解释、资源识别与安全”、“薄暮”、“下一个星尘”等相对计划是“空间探索”计划;

德国、英国合作的进行的“引力波”地面探测的“GEO”计划;

意大利、法国合作进行的“引力波”地面探测“处女星座”计划;

日本“引力波”地面探测的“多摩300”计划;

美国根据探测106Ms天体的引力扰动产生的引力波或早期宇宙背景,着重探测地面装置和“激光干涉空间天线”计划之间的“中频引力波”,概念是类似于“激光干涉空间天线”计划 任务的三角形激光干涉结构,其技术难度将更高,技术可行性遇到更大挑战的“后爱因斯坦”计划;

日本在与美国“后爱因斯坦”计划相似频段观测引力波的“门徒”计划等等。

上述计划,“历史脉动”将逐一推出,请及时订阅本头条号。

【影响】

“夸父”计划将对日地空间天气系统的两端——太阳大气和地球空间——进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测,完成从太阳大气到近地空间完整扰动因果链的探测,通过多方面的首创性监测,实现日地系统端到端的整体、连续成像观测。并预期在日地系统的能量及扰动的耦合机制如太阳爆发先兆、太阳风的形成机制等方面取得具有重要原创意义的突破性进展。届时,“夸父”计划将与其他空间计划一起进入以探测日地空间整体行为为标志的空间探测新纪元。

“夸父”计划将推动中国航天深空探测技术的发展,使中国在深空探测方面跨入国际领先行列。

【评论】

“夸父”计划是世界上唯一一个系统的日地空间探测计划,也是中国现代科学先给世界的重要礼物。

2006年8月4日,美国《科学》杂志的《新闻焦点》栏目报道了中国“夸父”计划的相关情况,文中指出,“夸父”卫星将在很高的精度上追踪太阳爆发和地磁暴活动;如果“夸父”计划顺利实施,它将有许多项首创技术,并将使中国在深空探测方面跨入国际领先行列。

日本名古屋大学的太阳物理学家盐川一夫认为,中国的“夸父”计划与美国军方计划于2008年发射卫星“通讯/导航中断预报系统”计划(C/NOFS)一样,对于空间天气预报都非常重要。

“夸父”计划合作者施文宁根说:“凭借‘夸父’计划,中国将跻身国际空间科学界前沿。”

然而,“夸父”计划残酷的命运充分说明,没有实力,必然受制于人。“夸父”就在这种“友好”的合作”中逐渐走向死亡。合作?不!虚与委蛇而已。

【相关研究】

整个“夸父”计划都采用成像技术,它所使用的一些特殊成像仪器都要作技术攻关,如中性原子成像仪、太阳白光日冕仪。由于地球的外层空间有一些中性的氧原子,需要用现在的成像技术把其速度分布形成为图形,以确定在太阳有扰动时,外层空间到底是如何响应的,但是由于中性原子本身通过交换原子以后可以成像,所以这里涉及一些新的成像技术方面的难点。

而“夸父”B双星,是中国无法回避的弱点,这需要加大力度,在漫长的路上急起直追。

【代号说明】

得名于中国神话中的夸父。

夸父,中国上古神话传说人物;在中国神话传说及东方神话之父袁珂所著《中国神话传说》中非常精彩。黄帝王朝时代,在北方大荒中,有座名叫“成都载天”的大山,居住着大神后土的子孙,称“夸父族”。因为他们长的个个身高力大,双耳挂着两条黄蛇,手里拿着两条黄蛇,所以又称巨人族。他们仰仗这些条件,血性仗胆,专喜替人打抱不平。

当南方蚩尤被黄帝打败,派人来夸父族救援时,夸父族多数觉得应该帮助弱者,于是决定出兵参加反对黄帝的战争。蚩尤族人得到了夸父族人的帮助,如虎添翼,再和黄帝作战时已经势均力敌,相持不下了。黄帝的军队的暂时败北,急的黄帝一筹莫展。于是上泰山去找各路神仙帮忙,有一个自称“玄女”的妇人前来拜见黄帝,教他兵法。接着又有人给黄帝送来了昆吾山的红铜,供他造宝剑用。这把宝剑断金切玉,削铁如泥,显示了上古青铜时代的冶炼技术。从此,黄帝籍此所学行军布阵。

在涿鹿大战中,终于击败联军并杀死蚩尤,剩下的夸父族人跑回了原住地。

夸父生性喜欢探求,他永驻中国人心中的短暂而悲壮传奇就此展开:有一天,一位夸父突然产生了一个念头:留住太阳,让它永远不要西坠!他迈开双腿,象一阵风似的跑起来,眨眼之间就跑出了几百里。可太阳不停地西行,夸父一心要追上,直追到禺谷——这是太阳落下的地方,落日象一团火球,烤得夸父口干舌燥。他渴得要命,跑到黄河去喝水,黄河的水不够喝,他又赶到渭河,渭河的水也喝于了,还是不解渴。他又往北方的大湖赶,可没有来得及赶到大湖,就在征服自然的伟大理想实现之前不幸捐躯。

夸父死的时候,丢掉了手里的拐杖,拐杖落下的地方,变成了一片桃林,为后世的追日者提供一块歇脚地。夸父的身躯变成了一座大山,称为夸父山。桃林、夸父山都在如今的灵宝市。灵宝市古时候叫做桃林县,从函谷关以西直到华阴,三百里间桃林茂盛。夸父山在灵宝市阳平镇东南灵湖峪和池峪之间。

这是这位热心、勇于挑战、泽被天下的夸父,用自己的身体与生命,为后人留下的最后一丝关爱啊!“夸父追日”的行为是一种大无畏的精神,虽然不切实际,却也显示出原始社会人们心灵和思维的简单。

远古的伟人为追求理想殉难了,那命途多舛的21世纪“夸父”,又将何去何从?

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