空间科学卫星形成系列，可望在空间科学前沿取得原创性重要发现

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆空间科技团队

王海霞（E-mail:wanghx@mail.las.ac.cn）、杨帆、王海名

审稿专家：中科院空间中心吴季研究员

自发射第一颗人造卫星以来，我国航天技术已有很大发展，加速发展空间科学的基本技术条件已经具备。同时，我国科学家长期使用国外科学卫星探测数据，已经建立了初步的空间科学研究队伍[1]。但除了在返回式卫星系列、实践系列、神舟系列、嫦娥系列中的少数几颗卫星及双星计划中开展了部分空间科学实验外，明显缺少自主科学卫星计划和第一手的探测数据，原创性的科学发现极少，原创性的科学思想不能快速、直接地得到验证。空间科学卫星计划对空间技术发展的独特的牵动和引领作用尚未充分发挥出来。

为保证我国空间科学的可持续发展，缩小并尽快弥补我国在前沿基础科学发现和具有潜在应用意义的空间知识创新方面与国外的差距，为我国空间技术的发展注入新的活力，中科院于2011年1月启动了空间科学战略性先导科技专项，并已部署了一系列科学卫星任务的研制工作。

1 硬X射线调制望远镜

1.1 科学目标

研究黑洞的性质及极端条件下的物理规律，开展宽波段X射线（1—250 keV）巡天观测，探测大批被尘埃遮挡的超大质量黑洞和未知高能天体，研究宇宙硬X射线背景辐射的性质；对重要天体进行宽波段、高灵敏度的定点观测，测量其时变和能谱特性，研究致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程。

1.2 国际发展现状

目前在轨运行的具有硬X射线观测能力的望远镜包括欧空局（ESA）于2002年发射的“国际γ射线天体物理实验室”（INTEGRAL），美国国家航空航天局（NASA）分别于2004年和2012年发射的“雨燕”（Swift）和“核光谱望远镜阵列”（Nu-STAR），此外日本和印度也计划在2013—2014年间发射“新X射线天文望远镜”（Astro-H）和ASTROSAT卫星。

1.3 中国已有基础和工程进展

硬X射线调制望远镜（HXMT）建立在我国学者对硬X射线成像技术的原始性创新和成熟可靠的探测器技术基础之上，一旦发射将取得原创性重要成果。现已完成有效载荷系统地面样机研制，成功进行了气球飞行检验。此外，我国已发展成熟的“资源二号”卫星平台的主要性能完全满足HXMT卫星的要求[2]。作为我国第一颗天文学卫星，HXMT于2011年3月正式工程立项，现处于初样阶段后期，将于2013年底转入正样阶段。

2 量子科学实验卫星

2.1 科学目标

进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破；在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验，开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。为实现上述科学目标，卫星将在轨开展星地高速量子密钥分发、广域量子密钥网络、星地量子纠缠分发和地星量子隐形传态4项实验。

2.2 国际发展现状

欧洲在该研究领域表现卓越。ESA从2002年开始资助了一系列量子通信领域的研究，在2007年创下单光子纠缠传输距离达144公里的最新纪录[3]，并向欧洲生命与物质科学空间计划（ELIPS）提出利用国际空间站作为量子通信中继站的Space-QUEST项目建议[4]。2008年，另一欧洲团队首次识别出从地球上空1500公里处的人造卫星上反弹回地球的单批光子，实现了空间绝密传输量子信息的重大突破。2012年，德国科学家成功构建世界首个初级量子网络，并使远程纠缠保持了约100微秒[6]。

2.3 中国已有基础和工程进展

我国科学家在该领域的成就非常突出，有望率先实现广域量子通信。2005年至今，中科院研究团队在国际上首次实现了距离大于垂直大气层等效厚度的自由空间双向纠缠分发[7]、16公里自由空间量子态隐形传输、百公里量级的自由空间量子态隐形传输和双向纠缠分发。2013年初，又在国际上首次成功完成了全方位的星地量子密钥分发地基验证试验，为未来实现基于星地量子通信的全球化量子网络奠定了坚实的技术基础[8]。目前，量子科学实验卫星工程已进入初样研制阶段。

3 暗物质粒子探测卫星

3.1 科学目标

寻找暗物质湮灭的证据，通过高分辨测量高能电子和γ射线的能量和方向，确认暗物质粒子存在的证据并研究其物理特性，包括暗物质的质量及其在空间的分布；通过测量TeV以上的高能电子能谱，研究宇宙线起源；通过测量宇宙线重离子能谱，研究宇宙线传播和加速机制。

3.2 国际发展现状

2006年“钱德拉X射线望远镜”（Chandra）对两个星系团合并现象的观测结果被认为是暗物质存在的直接证据。“费米伽马射线空间望远镜”（Fermi）、“反物质探测和轻核天体物理学载荷”（PAMELA）和南极长周期气球项目“先进薄电离量能器”（ATIC）都进行了暗物质粒子空间探测实验，但由于观测结果的精度有限，均未证实暗物质粒子的存在[9]。2013年4月，“阿尔法磁谱仪”（AMS-02）项目宣布发现在宇宙射线流中正电子的比率与理论预期有所超出，预示着可能存在新的科学发现[10]。

3.3 中国已有基础和工程进展

近年来，我国在暗物质方面的研究相当活跃，在理论研究和数值模拟以及基于国际合作的实验研究方面都已取得了一些显著的成果。如，曾利用ATIC与外国同行合作发现宇宙电子在3000亿—8000亿电子伏能量区间存在“超”[11]。中科院已经完成了暗物质粒子探测卫星项目的前期科学目标研究和关键技术攻关预研究，2013年4月，卫星工程正式转入初样研制阶段。

4 “实践十号”

4.1 科学目标

利用我国成熟的返回式卫星技术，紧密围绕国家科技战略目标，结合国家重大需求，促进地面生物工程、新材料等高技术发展和基础物理、生命科学等基础研究取得突破，推动我国空间微重力科学和空间生命科学发展。

4.2 国际发展现状

近30年来，载人和无人飞船、空间站和航天飞机上进行了大量微重力科学实验。20世纪90年代后期，随着国际空间站的建设，美国、欧洲、日本等国际空间站的主要成员纷纷制定了在轨研究战略计划，研究领域主要集中在微重力流体物理及相关的燃烧学、材料科学、生物技术等前沿领域，研究计划将至少持续到2020年左右[12]。迄今已取得大量成果，例如国际空间站上的材料实验结果已用于了解和测定聚合物以及太阳能电池阵列材料在太空环境下如何退化，航天飞机上曾设计出具有重要商业影响的玻璃成型金属合金和金属玻璃等。

4.3 中国已有基础和工程进展

1987年起，我国科学家利用返回式卫星和实践系列卫星开展了相关微重力科学实验，如双层不混溶液体的马兰哥尼（Marangoni）对流和热毛细对流、沸腾传热、多孔可燃材料闷烧特性研究等实验，成为具备自主空间科学实验能力的少数几个国家之一，极大地提升了我国在相关领域的国际影响力和地位。近年来在微重力流体物理、空间材料科学、空间生物力学等方面取得的一批创新性研究成果也受到国际同行的重视，有些技术已步入国际先进行列[13]。2013年9月，“实践十号”卫星工程进入工程初样研制阶段。

5 “夸父计划”

5.1 科学目标

太阳作为太阳系的主导天体，对各大行星和行星际空间起着举足轻重的作用。太阳在不同时间尺度上的变化，影响着人类的生存环境和日益依赖的技术系统。“空间天气”的研究，是在探索理解太阳变化，能量爆发和传播的基础上，有效地掌握太阳影响地球空间环境的物理规律。

“夸父计划”将对空间天气现象进行整体性、连续性的探索。处在地球前端的“夸父A”星，将对太阳风起源和日冕物质抛射进行多层次的成像观测，并追踪等离子体物质进入行星际后的传播和加速加热过程，以期给出太阳对地球空间环境的驱动。通过国际合作实现的“夸父B”由绕地球极轨运行的双星组成，着重观测地球磁层和大气对太阳风驱动的响应及产生的空间天气效应。通过对日地空间系统物质和能量的传输与耦合过程的探索，“夸父计划”将极大地提高人们对“空间天气”现象的认知。

5.2 国际发展现状

20 世纪90年代开始，人们逐渐认识到把日地系统整体作为一个有机因果链进行研究的重要性。目前人类在日地空间部署了10余颗卫星，其重点是对空间天气因果链的某一段物理过程进行研究。以SOHO、Cluster/Double Star为代表的实验卫星在这类研究取得了突破性进展。以“夸父”为代表的对空间天气的整体同时开展监控的卫星项目尚属首次。整体研究对澄清因果关系，强化定量性和可预报性有着极为重要的意义，是空间天气成为系统实验科学的关键一步。

5.3 中国已有基础及展望

SOHO计划和IMAGE计划的实施给人类在“夸父A”和“夸父B”星轨道运行科学卫星奠定了坚实的技术基础，勾勒出了较为清晰的科学前沿。

“夸父计划”有待突破的科学技术问题如：（1）对日冕过渡区的多光谱、高精度成像；（2）利用“能量中性原子”成像技术对太阳和太阳风扰动成像；（3）利用紫外波段在高极轨分辨极光弧，并对之连续成像。虽然尚未系统地在空间实现过，但与之相关的关键技术已经比较成熟，大部分已被我国所掌握。

“十二五”末至“十三五”期间，我国将相继发射上述空间科学卫星，在黑洞、量子科学完备性检验、暗物质粒子性质与空间分布、微重力条件下物质运动规律和生命活动规律以及太阳爆发对地球空间环境的影响等方面将取得重要研究成果，使这些研究领域的水平跻身世界前列。

1 潘锋,孙丽琳.先导专项推动空间科学跨越发展.http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2011/5/243924.html.2013-05-02.

2 硬X射线调制望远镜项目介绍.http://www.hxmt.cn/chinese/engineering/intro.php.

3 R.URSIN,F.TIEFENBACHER,T.SCHMITT-MANDERBACH et al.Entanglement-based quantumcommunication over 144km.Nature Physics,2007,3:481-486.

4 Thomas Scheidl,Rupert Ursin.Space-QUEST:Quantum Communication UsingSatellites.Proc.International Conference on Space Optical Systems andApplications(ICSOS)2012,http://icsos2012.nict.go.jp/pdf/1569587957.pdf.

5 P.Villoresi,T.Jennewein,F.Tamburini et al.Experimental verification of the feasibility of a quantumchannel between Space and Earth.New J.Phys.,2008,10:033038.

6 Quantum internet:Physicists build first elementary quantum network.http://phys.org/news/2012-04-quantum-internetphysicists-elementary-network.html,2012-4-11.

7 印娟,陈宇翱,彭承志等.中国科学家实现百千米量级自由空间量子隐形传态与纠缠分发.2013科学发展报告.北京:科学出版社,2013,111-115.

8 吴长锋.我成功验证星地之间安全量子信道可行性.http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2013-05/03/content_201651.htm?div=-1.2013-05-03.

9 常进.暗物质粒子探测：意义、方法、进展及展望.工程研究——跨学科事业中的工程,2010,02（2）：95-99.

10 CERN.AMS experiment measures antimatter excess in space.http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/04/ams-experimentmeasures-antimatter-excess-space.2013-04-03.

11 J.Chang,J.H.Adams,H.S.Ahn et al.An excess of cosmic ray electrons at energies of 300-800 GeV.Nature,2008,456,362-365.

12 国家自然科学基金委,中国科学院.未来10年中国学科发展战略：空间科学.北京:科学出版社,2012,27.

13 胡文瑞,龙勉,康琦.中国微重力流体科学的空间实验研究.科学通报,2009,54（18）：2615-2626.