雙星計劃：科學目標牽引衛星工程

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2003 年 12 月 30 日，「雙星計劃」探測 1 號衛星成功發射

2011年年初，我國迄今為止最大的空間科學衛星計劃——空間科學先導專項宣告啟動，標誌著我國空間科學衛星發展站在了新的歷史起點上。

然而，在此之前，還有另外一項堪稱鼻祖級的科學衛星計劃。它彷彿是中國空間科學夜空里的一道閃光，用耀眼的光芒，照亮了中國空間科學的漫漫長夜。

它，便是中國首個以科學目標牽引立項的衛星工程項目——「地球空間雙星探測計劃」（簡稱「雙星計劃」）。

天作之合

繼陸地、海洋和大氣層之後，近幾十年來，人類的活動範圍已經快速延伸到了地球空間，這個區域已成為與人類活動息息相關的「第四區域」。

然而，對於這個區域的環境我們還知之甚少。表面看上去風平浪靜的地球空間，實則潛伏著各種危機，比如突發的空間暴常常令空間飛行器猝不及防，同時也直接威脅到宇航員的生命安全。

1997年年初，中國科學院空間科學與應用研究中心（中國科學院國家空間科學中心前身）劉振興院士牽頭，提出了「雙星計劃」：一顆赤道區衛星，一顆極區衛星，形成一對姊妹星座，聯手覆蓋整個近地磁層區。

彼時，歐洲空間局對於劉振興提出的「雙星計劃」十分重視，於是專門派出了以科學項目主任為首的代表團於1997年11月訪問了北京，與當時的空間中心共同討論關於「雙星計劃」的合作問題。

會上，歐空局一行人在聽了中方關於「雙星計劃」的報告後，馬上走出報告廳討論起來。一會兒，他們又回到報告廳，併當場表示要和中國進行合作。

「就目前來說，單靠自己的水平我們還不能在短時間內解決高精度探測儀器問題，因而也就不能在很短的時間內把衛星送上太空。通過與歐空局的合作，其中50%的中國目前不能製造的精密儀器由歐空局提供，這在很大程度上提高了中國的空間技術水平。」劉振興院士曾這樣表示。

於是，中歐雙方一拍即合，會議第二天便達成了初步合作意向。

2001年7月，中歐正式簽署「地球空間雙星探測計劃」合作協議。2002年10月，「雙星計劃」通過國務院正式批准立項，成為中國第一個以科學為目標牽引立項的衛星計劃，也成為中國第一個與航天先進國家和地區開展的重大國際合作項目。

中歐科研人員合作開展「雙星計劃」

中歐雙方技術人員於 2002 年 8 月協調載荷聯調相關問題

開創先河

簡單來說，「雙星計劃」就是要通過研究太陽活動、行星際擾動觸發磁層空間暴和災害性地球空間天氣的物理過程，為空間活動安全以及維護人類生存環境提供科學數據和對策。

「雙星計劃」由兩顆衛星組成，一顆為赤道衛星，即探測1號；另一顆為極軌衛星，即探測2號。探測1號的軌道在赤道面附近，近地點約700公里，遠地點約83000公里，傾角約28度；探測2號的軌道近似垂直於赤道面，經過地球的南北兩極上空，近地點約550公里，遠地點約45000公里，傾角約90度。

這兩顆衛星的軌道覆蓋了當時人類還未探測的地球空間區域，兩顆衛星之間的配合，可以同時探測與地球空間暴發生有關的重要區域，如地球的磁層頂邊界層、磁尾以及兩極上空。

「雙星計劃」的兩顆衛星共搭載有16台科學探測儀器。其中，中方研製了8台，包括2台高能質子探測器（HEPD）、2台高能電子探測器（HEED）、2台重離子探測器（HID）、1台低頻電磁波探測器（LFEW）和1台低能離子探測器（LEID）；歐方研製了7台，包括2台磁通門磁強計（FGM）、2台電子與電流儀（PEACE）、1台熱離子分析儀（HIA）、1台電位主動控制儀（ASPOC）和1台電磁場波動分析儀（STARF）；中歐合作研製1台，即中性原子成像儀（NUADU）。

同時，「雙星計劃」還配套建設了3個數據（地面）接收站，分別為北京密雲站、上海佘山站以及西班牙維納弗拉卡站。

「當時，抗輻射防護、對衛星本身電磁場的控制、儀器運輸過程中物理防護等方面都對中國空間技術提出了新挑戰。」「雙星計劃」衛星總設計師、總指揮張永維介紹。但中方研製團隊排除萬難，最終保障了衛星任務的順利完成。

2003年12月30日，探測1號發射成功；2004年7月25日，探測2號發射成功。2004年4月，探測1號交付；2005年4月，探測2號交付。

「這兩顆星的設計壽命一個是1年，一個是1年半，但是實際運行都各超了1倍。」張永維告訴記者。

如今，「雙星計劃」探測到的數據仍在發揮作用。「我們仍有研究人員在挖掘這些數據。」原空間中心主任吳季介紹。不僅如此，「雙星計劃」與歐空局「星簇計劃」的數據比照研究也仍在繼續。

據不完全統計，2004年3月至2009年2月期間，與「雙星計劃」相關的SCI收錄論文數量達104篇，被引用107次；圍繞該計劃產生國際會議特邀報告10篇，大會報告46篇；申請發明專利15項，其中12項已獲授權；申請實用新型專利8項，已全部授權；計算機軟體著作權登記46項。

「雙星計劃」示意圖

「雙星計劃」探測 2 號衛星

成就典範

對於中國空間科學來說，「雙星計劃」不僅是里程碑，更是一份輝煌榮耀。

「雙星計劃」的兩顆衛星共獲取了520GB以上的探測數據，足足為原計劃探測數據量的3倍；科學數據中心為科學用戶提供4秒高解析度和1分鐘解析度的兩種科學數據產品，可滿足用戶的不同需求；用戶遍布中國、美國、俄羅斯、日本、加拿大及歐洲等40多個國家和地區，10年來中國數據中心訪問總數達1000多萬次；此外，「雙星計劃」的科學數據中心還向空間環境應用用戶提供了科學數據支持，在空間環境預報模型以及預報方面發揮了重要作用。

不僅獲得了大量的探測數據，「雙星計劃」還通過與「星簇計劃」的協調探測，首次完成了人類歷史上的地球空間「六點協調探測」，在實現其科學目標方面取得了重要的探測研究結果。特別是提出了亞暴觸發的新理論——「鋒面理論」，在國際空間科學研究領域產生了重要影響，其中諸多名詞被國際學者在研究工作中所採用。

不得不提的是，「六點協調探測」以及取得的多空間層次和多時空尺度的大量高解析度科學數據，也引發了國際磁層研究的新熱點。

2004~2009年間，多個國際重要學術會議上都有「雙星—星簇」多點探測的專題研討會或特邀學術報告；歐洲、美國和日本等國家和地區也都紛紛提出了新的多點探測計劃，如THEMIS、MMS、Scope等等。

正是憑藉著「六點協調探測」這一開先河之舉，「雙星計劃」與「星簇計劃」共同摘得了國際宇航科學院（IAA）頒發的「2010年傑出團隊成就獎」。而這也是中國第一次獲得這一國際航天領域的至高榮譽。

而對於中國空間科學發展而言，「雙星計劃」更為重要的意義在於填補了我國空間探測領域幾十年的空白，開闢了空間科學衛星的先河，讓中國的空間科學研究在國際上有了一席之地，充分展示了我國的實力和水平，提高了我國在國際空間物理界的地位和作用。

同時，「雙星計劃」也為我國後續空間科學衛星系列的發展提供了有益的經驗：其所建立的以科學目標為牽引的科學衛星立項程序、首席科學家模式、科學運行和數據中心以及國際合作等方面的經驗，已經被我國政府主管部門和後續的空間科學探測計劃所採納。

此外，「雙星計劃」就彷彿是一把鑰匙，打開了我國空間科學國際交流的大門。在此之後，我國科學家陸續提出了一系列空間科學探測計劃，如磁層—電離層—熱層耦合小衛星星座探測計劃（MIT）、太陽極軌望遠鏡計劃（SPORT）和太陽風—磁層相互作用全景成像衛星計劃（SMILE）等等，空間科學國際合作風生水起。

鑒於「雙星計劃」取得的卓越科學和技術成果推動了我國空間科學和技術的發展，2010年，「雙星計劃」獲得國家科學技術進步獎一等獎。

劉振興院士曾作過一個比喻：「這就像下棋，位置非常關鍵，就空著兩個地方，你下了這個棋子，這盤棋就活了。」正是懷著這種「天作棋盤星作子」的氣概，空間中心以「雙星」與歐空局的「星簇」相配合，弈出了精彩的一局。

「雙星計劃」，「星簇計劃（Cluster）」聯合獲得國際宇航科學院(IAA)「傑出團隊成就獎」

文章來源：《科學新聞》雜誌

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