[科普中国]-夸父计划- · 科普中国网

历史沿革

2003年1月，在国家自然科学基金委员会地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上，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了 “夸父计划”的科学思想和基本概念。2004年，国家自然科学基金委员会决定以重点项目形式支持“夸父计划”的预研。预研成为由北京大学牵头，并有国内外有关科技专家大力支持和参与。此后，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”。在国家自然科学基金委员会和国防科工委研究项目的支持下，我国科学家对夸父计划的科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求而配置的有效载荷等方面展开了全面的预先研究1。

2007年10月24日，中国绕月探测卫星嫦娥一号卫星成功发射，举国欢庆，让国际社会对中国的深空探测能力惊叹不已。也为‘夸父计划’再发射、测控等方面奠定了极好的基础。

2009年，中国科学院将夸父计划列入空间科学卫星先导专项。2010年3月，国务院批准了中国科学院的专项申请。2011年，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。

2012年，“夸父计划”与欧空局的合作出现问题，欧空局表示因资金问题将无法按原计划参与中国的夸父计划。夸父计划的实施将面临巨大挑战。

2013年9月，“夸父计划”再度成为中俄间合作协议的候选者，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’也没能写入合作大纲。

当前，夸父计划处在暂缓执行时期，但不少人仍对它的重生抱有乐观态度，希望会被列入国家的“十三五”计划，实现它的最初科学目标2。

主要目标“夸父计划”的科学目标是观测空间天气事件从太阳到地球的整体连续变化现象，揭示控制日地空间系统的基本物理过程，提高空间天气灾害预报的准确度，服务航天通讯等高科技活动。太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰，“夸父计划”能帮助人类对太阳活动进行预测预报，采取相应的防护措施。

科学思想夸父计划”是锁定太阳的深空探测计划，由三颗卫星组成。该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”和两颗沿极轨共轭飞行的卫星“夸父B1”、“夸父B2”组成综合观测系统，A探测器“夸父A”将固定在离地球150万公里的拉格朗日点（也称L1点，即地球与太阳之间的引力平衡点），用以全天候监测太阳活动的发生及其伴生现象，“夸父B1”和“夸父B2”在地球极轨大椭圆轨道上飞行，用以监测太阳活动导致的地球近地空间环境的变化，以及地球极光分布等。

由于2012年将是下一个太阳活动峰年，2012年至2014年太阳活动将会很强烈，因此“夸父计划”三颗卫星建议在这个时间内发射，主要是为观测到新的日地物理现象，进一步揭示日地空间风暴机理，监测行星际扰动传播，为灾害性空间环境预报提供观测数据。初期飞行时间将为2至3年。

重要意义夸父计划在空间天气研究、航空航天和军事方面具有重要意义。

日地系统是一个多尺度、大交叉的非线性系统，单个理论和局域观测无法解决其中的问题。迄今为止，国际上对日地系统全局性、全面性的观测尚属空白。我国科学家提出的“夸父”计划，是弥补这一空白的宏大而巧妙的设想。"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，空间天气的预警预报水平将大幅提高,”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。

"夸父计划"的3颗卫星紧密配合，将对空间天气系统进行全局性的、全面的、连续综合观测，因此也被称作人类注视太空的“神目”。

飞行任务夸父A夸父A飞行任务。L1点位于日地连线上，距地球150万公里，该点具有观测太阳活动的天然优势，因此，夸父A卫星选择L1点附近作为目标飞行位置。眼下，只有NASA和ESA为数不多的航天器，如SOHO、ACE、ISEE等飞行器到达过L1点。

夸父A飞行任务实施关键技术。夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道到达位于日地连线，距地球约150万公里的L1点；同时选择何种保持轨道在L1点保持；夸父A卫星如何实施远距离测控和通信，L1点通信距离上属于深空范畴，如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信是夸父A卫星实现的关键环节之一。

夸父A主要有效载荷：EUV/FUV成像仪(EDI)、日冕动力学成像仪（CDI)、射电爆发监测仪（RBI)、太阳风仪器包（SWIP)、太阳高能粒子探测器(SEPS)。

有效载荷总需求：总质量约93kg、总功率约83 W、总数据率约175kbps。

夸父A有效载荷实施关键技术。日冕动力学成像仪（CDI）对卫星姿态控制精度要求很高，其中对日方向（滚动轴方向）：姿态指向精度要求≤45arcsec，姿态稳定度要求≤3arcsec/30s。

夸父A卫星初步考虑

1.轨道考虑：

（1）转移轨道：拟采用直接转移轨道

（2）任务轨道：拟采用Halo轨道

（3）肼燃料：包括转移轨道初始加速、修正和任务轨道维持100kg（△V=300m/s)

2.夸父A 卫星模块化结构，主要由两个部分组成：

（1）有效载荷模块（PLM)

（2）平台服务模块（SVM）：包括7个子系统

结构子系统（STS)

热控子系统（TCS)

姿轨控子系统（AOCS)

数据管理子系统（DMS)

测控子系统（TT&CS)

数传子系统（DTS)

电源子系统（PSS)

3.主要参数：

尺寸：1350mm×1440mm×1400mm（展开前）

5500mm×5200mm×3300mm（展开后）

质量：总质量： 800Kg

载荷： 200Kg

平台： 500Kg（包含100Kg 肼）

余量： 100Kg

功耗：总功耗： 520W

载荷： 120W

平台： 320W

余量： 80W

测控：频段： S band

数据率： ≥1Kbps

数传：频段： X band

数据率： ≥180Kbps

姿态控制：指向精度： ≤ 45”（X axis)

姿态稳定度： ≤3”/30s(X axis,short time)

夸父B夸父B飞行任务。夸父B飞行任务目标是实现一天24小时，一周7天连续观测北极光的分布。为了实现这个目标，夸父B有两颗同样的卫星组成，分别为夸父B1和夸父B2。

轨道：两颗卫星的轨道位于同一极轨上，呈共轭飞行状态,远地点7Re，近地点1.8Re

夸父B有效载荷：

UV极光监测照相机（UVAMC)

极紫外光谱成像仪（FUVSI)

宽视角极紫外线成像仪（WFAI)

中性原子成像仪（NAIK)

磁通门磁强计（FGM)

高能带电粒子探测仪器（HECPE)

三频相干信标（RSE)

夸父B卫星初步考虑：

自旋转速： 6rpm

星体直径：2.9m

星体高度：1.3m

电源功率：300W

质量：总质量：400kg

其中载荷：43kg

寿命：>3年

相关技术关键技术有专家指出，实施夸父计划面临许多技术挑战。

夸父A卫星选择哪种运载工具、转移轨道才能到达距地球约150万公里的L1点；选择何种方式保持卫星轨道在L1点上；夸父A卫星如何实施远距离测控和通信；L1点通信距离上属于深空范畴，如何在深空条件下实施对卫星的测控和数据传输通信，这些都是夸父A卫星实现的关键环节之一，也是夸父A工程要解决的首要问题。

夸父B卫星飞行任务目标是实现一天24小时、一周7天连续观测北极光的分布，为了实现这个目标，夸父B有两颗同样的卫星组成：夸父B1和夸父B2。这两颗卫星的轨道要位于同一极轨上，呈共轭飞行状态，远地点高度6个地球半径，近地点0.8个地球半径。选择什么运载工具和发射方式是夸父B卫星工程要解决的关键技术。
除此之外，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，所以将会涉及一些新的成像技术方面的难点。

技术攻关在国家自然科学基金委重点项目和国防科工委背景研究项目的支持下，北京大学会同中国气象局、中国科技大学和中科院空间中心在科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求配置的有效载荷（主要是科学仪器）等方面开展了全面的预先研究。2007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。北京大学校长许智宏院士和国防科工委副司长王克然分别在会上致词，北京大学涂传诒院士作了关于“夸父计划”科学目标和观测项目的论证报告，由18个评审委员（包括11位科学院院士和7位空间界资深专家）组成的专家组，对其科学目标进行了评审。评审组通过讨论，一致通过“夸父—太阳风暴、极光及空间天气计划”科学目标及观测项目论证报告，并建议“夸父计划”尽快立项发射。

“夸父计划”工程论证由东方红卫星公司牵头，会同北京大学、中国气象局、中国科学技术大学（与山东大学威海分校合作）、中科院空间中心等共同完成。当前，已对有效载荷对工程的要求、轨道设计、运载与发射、地面测控和测定轨、地面数据接收、卫星设计等进行了全面论证并已顺利完成，主要结论是：在中国嫦娥一期的基础上，实现“地—月”之间的测控技术基础已具备；在中国嫦娥二期和深空站建设完成之后（2011年），“夸父计划”所需的基础技术条件将全部具备。

完成预研阶段的任务后，“夸父计划”将进入另一个重要环节，即技术攻关。涂传诒、肖佐等科学家已对关键科学探测仪器（有效载荷）的研制、夸父A星的轨道设计与实现技术、夸父A星的深空自主运行技术、夸父B星的高精度姿轨联合控制实现技术等科学问题和技术难点进行了细致的分析。

国际合作德国、法国、比利时、奥地利、加拿大等国10多位著名空间科学家也将参与这项由中国人发起的太阳探索计划。德国科学家莱内尔·施温说，当前，虽然科学家已在日地物理研究方面取得很大进展，但对许多关键问题仍缺乏了解，比如，日冕物质抛射的前兆是什么？太阳扰动源、太阳扰动传输、扰动的地球效应等。“夸父计划”有望一一解答这些问题。

加拿大航天局空间物理大气科学首席科学家刘维宁说：“太阳扰动会导致卫星失灵，影响航天员安全，对地面各种通讯设备形成干扰。‘夸父计划’能帮助人类对太阳活动进行预测预报，从而采取相应的防护措施。加拿大将参与设计两颗围绕地球飞行的卫星，并在卫星上搭载科学仪器。”

社会影响2006年8月4日，美国《科学》杂志的《新闻焦点》栏目迅速报道了中国“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。

日本名古屋大学太阳地球环境研究所的太阳地球物理学家盐川和夫教授认为，中国的“夸父计划”与美国军方计划于2008年发射的C/NOFS（通讯/导航中断预报系统，Communication/NavigationOutageForecasting System）卫星计划一样，对于空间天气预报都非常重要。

“夸父计划”合作者Schwenn说：“凭借”夸父计划“，中国将跻身国际空间科学界前沿。”

涂传诒则指出，夸父3颗卫星将第一次监测从太阳风到磁层的整个能量传输过程。它将可能解决地球空间对太阳风暴响应的过程中的一个重大问题，即大尺度的能量和质量是如何从太阳通过日地空间传输到磁层的。

“美国的SOHO于1992年发射一直工作到现在，即将退役，因此国际社会也很希望中国的”夸父计划“卫星能够上去，这样人类对太阳的探测就不会断裂。”肖佐说。

而事实上，肖佐在谈到“夸父计划”的科学意义时说，到眼下为止，只有美国在L1点上发射了太阳监测卫星（SOHO飞船）。但不同的是，中国的“夸父计划”是连续的日地系统的监测计划。夸父卫星的轨道设计成“L1+极轨”，这是一种全新的协同轨道设计。夸父B1和B2可通过成像获得磁尾磁重联所造成的磁层全局响应的信息，其成像可以使我们更精确地度量亚暴和磁暴期间能量的注入。

对于中国来说，“夸父计划”必将大大提高自主的空间天气预报能力。肖佐介绍，当前，在空间天气预防方面，我们除使用部分国内资料外，绝大部分还是要依靠国外的资料。当前随着中国航天活动的增多，必须加强对磁暴、高能粒子等危害的预报能力。

夸父计划“将成为中国航天技术发展历程中新的里程碑。”肖佐说，“夸父计划”的实施将使中国自主深空探测距离从“嫦娥计划”的38万公里推进到L1点的150万公里，将使中国成为世界上第二个独立完成L1点飞行卫星研制、发射和远距离测控通讯任务的国家；同时，该计划将提升中国航天技术基础能力，培养和造就具备国际水准的科技与工程人才。

无疑，“夸父计划”也将显著提高中国在国际航天领域的地位和形象。“夸父计划”是中国主导的大型国际空间探测计划，将充分展示中国“和平利用太空、为人类作贡献”的意愿。肖佐说，“夸父计划”的实施将从根本上改变中国空间天气业务主要依赖国外数据的现状，使中国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。