从“星簇计划”到“双星计划”
——中欧空间科学合作的发端

2019-11-09 07:34丁兆君

中国科技史杂志 2019年2期

丁兆君董荣

(中国科学技术大学，合肥 230026)

早在1950年代，在中苏关系破裂之前，中国就曾寄望于通过中苏交流，学习苏联以达到发展本土空间科学与技术的目的。但苏联视人造卫星的研制为国家机密，中国借鉴到的经验非常少[1]。

改革开放以来，由中国空间物理学家刘振兴倡议发起的“地球空间双星探测计划”是中国首次自主提出的中欧合作科学探测卫星项目，也是中国航天史上第一次真正意义上的空间科学探测计划。对于此次合作的缘起与过程、合作方式与交流程度，学术界尚未有系统、深入的研究。本文在查阅相关档案资料的基础上，试图梳理这段历史，并浅析中欧“双星计划”合作在中国空间科学技术发展史上的重要意义。

1 关键人物——刘振兴的学术之路

刘振兴(1929—2016)，山东昌乐人，1955年毕业于南京大学气象系，保送赴苏留学未果，到中国科学院地球物理研究所工作。就在苏联发射第一颗人造地球卫星的1957年，刘振兴考取副博士研究生，师从地球物理所所长赵九章，从事近地层大气湍流结构特性方面的研究。次年3月，赵九章将刘振兴调入以研制人造地球卫星为中心任务的“581”组，承担火箭探测数据的处理工作。此后刘振兴的论文研究方向改为高空大气物理。

1959年，为开展空间物理研究，赵九章在地球物理研究所成立磁暴研究组。刘振兴于研究生毕业后转入磁暴研究组，从事磁暴期间的地球辐射带变化研究。

1967年，刘振兴参加了中国第一颗人造卫星“东方红一号”的空间粒子环境模拟试验。由他参与研究制定的空间粒子环境参数标准，对人造卫星的研制、发射和运行安全发挥了一定的作用。在此基础上，刘振兴撰写了《人造地球卫星环境手册》一书中的粒子辐射部分[2]。

1975年以后，刘振兴通过对太阳风的研究，发现其中存在湍流现象，并得出湍谱的普遍表达式，进而提出太阳风-磁层-电离层-高层大气耦合的概念。

1980年5月至次年9月，刘振兴赴美国马里兰大学访学。通过对木星磁层理论模式的研究，他提出一个新的木星磁层磁盘模型。其主要结果被国际同行称为“刘氏模型”。

1987年，刘振兴再度赴美半年，先后在阿拉斯加大学、丹福大学、加州大学洛杉矶分校进行访问、讲学与合作研究。期间他与阿拉斯加大学李罗权等合作，提出了磁层亚暴的等效电路模型。

1986—1988年间，刘振兴在对磁层顶边界动力学方面作了系统的研究后，冲破多年来的磁场重联传统观念，针对磁层顶边层的大小尺度结构提出流体涡旋诱发磁场重联新机制，建立了涡旋诱发重联理论。在1994年举行的国际磁层顶物理学术讨论会上，涡旋诱发重联与多X重联模型、单X重联模型共同被公认为通量传输事件的三个基本模型。

2 合作序幕——中欧在星簇科学数据系统中的合作

改革开放后，中欧在多个科技领域开展了合作。在空间科学领域，中国与欧盟委员会、欧空局(1)European Space Agency(ESA)，简称欧空局，作为欧洲国家政府间组织和协调空间科学技术活动的空间探测和开发组织，于1975年5月30日由原欧洲空间研究组织(ESRO)和欧洲运载火箭研制组织(ELDO)合并而成。、欧盟各成员国及欧洲其他国家都开展了广泛的合作，而其中最主要的就是与欧空局的合作[3]。

1980年代初期，为开展日地空间整体过程的探测和研究，国际空间物理界相继提出了几个空间合作计划，以推动对日地系统(2)由太阳大气、行星际空间、地球磁层、电离层以及热、中层和低层大气组成的庞大空间。各层次间的能量、动量和质量传输起重要作用的耦合机制的了解，从而提高太阳可变能量和扰动对于地球环境、空间与地面技术系统以及对生物圈所产生影响的预报。其中规模最大、持续时间相对较长的是由国际空间局协调组(3)简称IACG，1981年由美国、欧洲、日本和俄罗斯的空间局组成。发起的“国际日地物理(ISTP)计划”。该计划首次将日地空间这个复杂体系作为一个整体系统进行研究，拟在日地空间的各个层次发射多颗卫星，对日地系统中连锁变化的物理过程进行协调探测与研究[4]。

作为国际日地物理计划的一个重要组成部分，1985年由欧空局空间科学项目部主任罗格·博奈(Roger Bonnet)教授提出、由欧空局主导和实施的“星簇(Cluster)计划”设置四颗卫星，同时发射，在空间形成一个四面体，且卫星之间的距离可随科学目标的要求进行调控(范围在100千米至3RE(4)地球半径的平均值，约为6371千米，在天文学和地质学中用作距离单位。之间)。通过探测之前难以实现的地球空间等离子体与电磁场的三维小尺度结构，分辨空间和时间变化，“星簇计划”试图解决太阳风(5)从恒星上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。和地球磁层交界的区域内一些细节问题[5]。该计划被认为是国际地球空间探测的一个里程碑。

为了及时、有效地利用星簇卫星的科学数据，在1988年举行的星簇科学工作队会议上，欧空局组织成立了星簇科学数据系统(CSDS)(6)Cluster Science Data System，简称CSDS.。这是一个综合的科学机构体系，包括欧空局科学信息系统、卫星运行控制中心、联合科学操作中心、地面观测系统以及欧空局成员国和参与国的星簇数据中心[6]。1990年上半年，欧空局发布通告，希望有意与欧空局“星簇计划”进行合作的各个国家、地区的科研单位积极参与星簇科学数据系统的建立与应用，共同开展星簇科学目标合作研究[7]。

到1990年代初，无论在空间物理的实验观测方面，还是在理论研究方面，中国都取得了长足的进展。但由于研究经费与探测仪器水平的限制，对于中国来说，自主发射水平先进的科学探测卫星还有困难[8]。

刘振兴的涡旋诱发磁场重联理论发表后，在国内外受到了良好的反响和评价，也引起欧空局“星簇计划”卫星主要研究者们的重视。涡旋诱发重联理论被认为与“星簇计划”的科学目标有密切关系[9]。

对于中国在高科技领域参与国际合作而言，“星簇计划”的实施是一个良好的契机。当时中国所面临的国际合作环境远不够理想，尤其在空间科学等尖端科学领域受美国等发达国家的诸多制约。在这种形势下，博奈教授坚持“科学无国界”，接收包括中国在内的各国参加国际空间探测，同时也接收包括中国科学家在内的各国科学家成为国际空间科学卫星探测计划的合作研究者[10]。

接到欧空局的通告后，作为中国科学院空间中心的代表，刘振兴于1990年11月撰写了与“星簇计划”合作的建议书，寄送欧空局。1991年2月，欧空局对各国递交的申请文件进行评审，刘振兴所撰方案顺利通过。欧空局科学评审委员会建议确立中欧“星簇计划”合作关系，并建立双向计算机联网。随后，刘振兴等应邀代表中国参加了当年7月在荷兰欧空局航天研究和技术中心(ESTEC)召开的第六次“星簇”科学工作会议。在此次会议上，中方提出的合作建议的可行性得到了“星簇计划”主要研究者们的一致认同[11]。

作为中国国际空间年(7)1989年12月8日第44届联合国大会通过“和平利用外层空间的国际合作”决议，并一致赞同将1992年定为国际空间年，英文缩写为“ISY”。活动的内容之一，1992年5月，“星簇计划”工作会议在北京召开。以索思伍德(D.J.Southwood)(8)英国空间科学家，英国帝国理工学院教授，时任欧洲空间局空间科学顾问委员会主席。为首的欧空局代表团与以刘振兴为首的中国科学工作队共34人参加了会议。索思伍德代表欧方对中国同行的科研工作作出了书面评价。他认为中国的地面观测台和南极观测站(9)包括1985年建立的南极长城站、1989年建立的南极中山站。将在“星簇”卫星地面观测中做出贡献；在理论研究方面，中国科学家关于磁层顶和太阳风与磁层相互作用的相关研究工作是独一无二的，这些研究工作有利于“星簇”项目科学基础的拓宽乃至空间科学的发展。刘振兴则代表中国科学家作了关于合作建议的报告。随后双方正式签署了会议纪要和活动推荐书，作为今后开展合作的依据[12]。同年12月，中欧双方在北京召开了补充协议协商会议，核准“星簇计划”合作具体内容，并讨论了双方的贡献与任务、管理结构与责任、数据权利与数据进入方法及相关法规方面的问题[13]。

1993年5月，中欧双方在巴黎欧空局本部召开合作协议第二轮协商，达成了合作协商草案，并签署了协商会议纪要。协商草案内容包括合作目标、对合作的描述、CSDS的服务功能、中国“星簇”数据和研究中心的功能与中国“星簇”工作队的任务、相互间的协调和管理、权利和科学数据的分发、经费安排、有关仪器和设备的入关免税问题等八条内容。同年11月，中国科学院与欧空局在北京正式签署欧空局“星簇”科学数据系统与中国“星簇”数据和研究中心的合作协议。协议明确了以下几点：第一，成立中国“星簇”数据和研究中心；第二，成立中国“星簇”科学工作队。刘振兴被推荐为中国“星簇”数据和研究中心主任及中国“星簇”科学工作队首席科学家。按协议规定，中方从理论、模型、数据模拟、数据分析等几个角度，参与和支持如下科学项目：磁场等理论研究，电场和波、数字化波处理器、“星簇”粒子谱仪、等离子体电子和电流、高能粒子探测以及飞行器电位主动等试验，建立中科院空间中心与欧空局CSDS间的计算机联网机制，参与并支持“星簇”地面观测系统，向欧空局提供沿东经120O左右从海南至北京的地磁和地磁脉动观测数据，派遣中国高级和年轻科学家到欧洲与“星簇”主要研究者们在理论、模型、数值模拟、数据分析及发展软件等方面进行合作，组织中国科学家在国内开展与“星簇”科学目标有关的科学合作[14]。

中国“星簇”数据和研究中心是除美国之外、不在欧洲本土的第二个“星簇计划”的科学数据和研究中心。欧空局对这项合作十分重视和积极，多次在“星簇”工作会议上以此合作为议题进行讨论。同时，中国国家科委、中科院和国家自然科学基金委对该合作亦十分重视和支持。此项合作被列为中科院“八五”重点项目和国家自然科学基金委的国际合作基金项目，成为1980年中欧双方签署的“中国国家科学技术委员会和欧空局科学技术协议”的总协议框架下的具体项目[15]。

中欧“星簇”科学数据系统合作项目是中国第一次和欧空局开展的重要国际合作，中国用少量经费取得了重大科学效益。合作打开了中欧开展空间科学合作的大门，对中国下一步空间科学研究的发展发挥了非常重要的作用。

3 优势互补——“双星计划”的立项

“星簇”卫星于1996年6月4日由“阿丽亚娜5型”运载火箭搭载升空，但因技术和设计错误，发射失败，但这并没有阻止欧空局专家们对深空探测的热情。1997年4月，欧空局通过了新的“星簇Ⅱ计划”。新计划仍包括四颗卫星，每颗星上有11项探测仪器，近地点为4RE，远地点为19.6RE，倾角90°[16]。“星簇Ⅱ”的主要科学目标之一是探测磁层顶边界的中小尺度的三维结构和动力学过程。因不能覆盖近地磁层的重要活动区，“星簇Ⅱ计划”在空间布局上尚存一定的缺陷和局限性。

1997年1月，根据国内的现有基础和条件以及国际上地球空间探测的现状与存在的问题，发展小卫星星座探测技术与轻小型、高精度的场和粒子空间探测的趋势，刘振兴联合北京大学濮祖荫[17]适时提出了“地球空间双星探测计划”(简称“双星计划”)。“双星计划”包括两颗小卫星，一颗近地赤道卫星，一颗近地极区卫星。两颗星相互配合，可提供揭示地球空间环境整体变化过程和因果关系的科学数据，从而推动中国日地空间物理研究和空间环境预报的发展。同年4月，刘振兴在香山科学会议上首次作了关于“双星计划”的报告，得到了国内空间物理界的一致肯定和高度重视[18]。

欧空局对“双星计划”也非常重视，随即派出以博奈教授为首的6人代表团于1997年11月访问中科院空间中心。刘振兴向博奈等欧空局专家报告了“双星计划”的方案设想。博奈认为，“双星计划”与“星簇Ⅱ计划”在科学上有很大的互补性，如能相互合作，将有望探测磁层的整体行为，对国际日地关系计划的发展也会做出重要贡献[19]。访问期间，博奈经与其他欧空局专家商讨后宣布，欧空局希望与中国的“双星计划”开展合作。经过认真讨论，中方同意欧方的合作提议，以扩展1993年签署的“星簇”项目协议[20]。当月，欧空局举行第29次“星簇”科学工作队会议，会上专门讨论了“双星计划”。与会欧空局专家积极支持“星簇Ⅱ计划”与“双星计划”的合作，并通过了“双星计划”推荐书。与此同时，国际空间局协调组也一致同意将中国的“双星计划”纳入国际探测任务[21]。1998年1月，在莫斯科举行的国际空间局协调组会议专门讨论了“双星计划”。在太阳峰年期间，“双星计划”对赤道区探测的研究意义重大，因此大会建议将该计划纳入探测任务中，实现卫星数据共享[22]。1998年6月，刘振兴应邀出席在荷兰举行的第30次“星簇”科学工作队会议，并被安排第一个作报告。他概要介绍了“双星计划”的科学目标、有效载荷、卫星轨道、两颗小卫星的总体设计参数、发射方案及“双星计划”的国际合作等，引起了与会代表的强烈兴趣。“星簇”磁强计项目首席科学家、英国帝国学院的Balogh教授当即表示愿与奥地利科学院空间研究所的Riedler教授合作，研制“双星计划”两颗卫星上的磁强计。“星簇”离子谱仪的首席科学家、法国的Re’me教授则积极表示愿与“双星计划”合作，并为之研制小型离子谱仪[23]。欧空局对“双星计划”与“星簇计划”合作的大力支持，在中国空间界引起了积极的反响。

香山会议后，刘振兴积极致信相关单位领导，表达将“双星计划”立项的迫切愿望。国家科委基础和高技术司副司长邵立勤对“双星计划”十分重视，并在香山会议的总结报告中建议将该项目列入可支持的计划中。之后邵立勤又多次表示希望中科院向国家科委提出“双星计划”的立项申请。1997年11月4日，在宴请欧空局代表团时，邵立勤又向代表团明确表达了“双星计划”的重大意义和支持该计划的意向。1998年5月8日，中科院基础局局长金铎从空间中心了解到“双星计划”的相关情况，也认为项目很有意义，次日便与邵立勤讨论此事。邵立勤再次表示，中科院可向国家科技部(10)1998年3月，国家科学技术委员会更名为科学技术部。提出此项申请。当月中旬，空间中心正式向中科院基础局提出“双星计划”立项申请报告，并希望中科院尽快向科技部提出申请报告。1998年6月14日，刘振兴致信中国科学院副院长陈宜瑜，介绍了“双星计划”立项相关情况，希望得到其支持[24]。在参加完欧空局“星簇”工作会议，从荷兰回国后，7月6日，刘振兴又写信向中科院秘书长竺玄介绍“双星计划”相关情况，希望他能支持和推动该计划的立项[25]。

1998年，在国内的一次空间物理学术会议上，众多学者呼吁：中国虽有一流的科学家，却没有一流的数据，应把空间科学作为中国民用航天的一个重要领域来发展。当年12月，中科院院长工作会议讨论了“双星计划”，此后正式向国家上报。这都为“双星计划”的顺利立项奠定了基础。在国内、国际两方面的共同促进下，“双星计划”最终得以立项[26]。

1999年9月，欧空局代表团由该局局长带队再次访华，并正式向中国科学院和国家航天局提出与“双星计划”合作的请求[27]。2000年3月，中国“双星计划”代表团赴法国巴黎欧空局本部出席“双星计划”A阶段方案论证会，并详细介绍了设计方案报告。欧空局代表认为，中国的“双星计划”阶段设计方案在科学目标与技术可行性方面都有很大的进展，一致表示满意。同时，欧空局表示将积极支持中国的“双星计划”及其与“星簇Ⅱ计划”的合作[28]。

2000年5月，中科院和航天科技集团在北京组织召开“双星计划”总体方案可行性论证评审会。会议由孙家栋院士(11)中科院院士，是中国人造卫星技术和深空探测技术的开创者之一，中国探月工程总设计师。主持。评审专家委员会认为：“双星计划”在空间科学发展、应用卫星和卫星应用技术发展、国家现代化发展和相应地提高中国国际地位以及开拓对欧洲高技术合作等方面具有战略性意义，从而一致通过方案的可行性评审。同年7—8月，“星簇Ⅱ计划”的四颗卫星分两次相继发射成功[29]。欧空局对于利用“双星计划”与“星簇Ⅱ计划”进行联合观测的需求因而更为迫切。12月，中国国务院决定将“双星计划”正式列入“十五”民用航天科研专项先期启动，项目实施因此有了经费保障[30]。

2001年9月，在巴黎欧空局本部，中欧正式签署“双星计划”合作协议(图1、图2，由刘振兴夫人吴凤云提供)。双方的合作主要包括四个方面：合作研制星载科学探测仪器；合作建立“双星”科学数据系统，并提出科学运行计划，建立软、硬件系统；合作进行“双星”和“星簇Ⅱ”的科学数据分析，揭示新的空间现象，为理论研究提供科学依据；合作开展“双星”和“星簇Ⅱ”关键科学问题研究。中国国家航天局局长栾恩杰和欧空局局长罗达塔(A.Rodata)代表中欧双方签署了协议[19]。2002年4月，“双星计划”正式通过国家立项，全面启动[31]。10月，国防科学技术工业委员会也正式批准“双星计划”。两颗星分别被命名为“探测一号”卫星(代号为“TC—1”)和“探测二号”卫星(代号为“TC—2”)。刘振兴被任命为“双星计划”首席科学家，而王希季(12)中科院院士，中国早期从事火箭技术研究的组织者之一，中国空间事业开创人之一，卫星总设计师、空间返回技术学科的带头人。则被任命为项目工程总师。

图1 中国国家航天局局长与欧空局局长正式签署双星计划合作协议

图2 中欧签署双星计划合作协议仪式上刘振兴与栾恩杰、欧空局科学部主任、欧空局局长A.Rodata合影

4 相辅相成——中欧在“双星计划”实施过程中的合作

根据中欧双方所签署的合作协议与实际情况，“双星”中的每颗卫星各装8台探测器。欧方由欧空局组织和协调其下属相关单位提供在“星簇II”项目中曾使用过的8台探测仪器，包括2台电子与电流仪、2台磁通门磁强计、1台热离子分析仪、1台磁场波段分析仪、1台电位主动控制仪，还有1台中欧合作研制的中性原子成像仪。中方由中科院空间中心负责研制其余8台仪器，包括1台低能离子探测器、2台高能质子探测器、2台高能电子探测器、2台重离子探测器和1台低频电磁波探测器。两颗卫星所配备的主要探测仪器的性能均达到当时国际最高水平。其中的中性原子成像仪则是首次使用的先进仪器。中欧双方合作完成上述探测仪器的研制、安装、调试与运行，对“双星”的各项指标、地面数据接收系统进行交流、讨论与合作[32]。

项目启动之初，由中国科学院牵头，成立“双星计划”科学指导委员会和科学工作队，刘振兴任首席科学家。成员包括中国科学院、北京大学、中国科学技术大学、武汉大学、中国极地研究中心、大连理工大学，以及欧空局诸成员国家，美国、俄罗斯、加拿大等国的科学家。科学工作队成员共同制定研究目标，解决科学问题，进行学术交流。科学指导委员会与科学工作队在工程立项和实施过程中，参与了有关科学目标、卫星轨道、有效载荷指标及“双星”研制总要求的论证。其中“双星”有效载荷首席科学家成员，负责完成探测仪器的研制，且在卫星运行期间配合地面应用系统完成其应承担的任务，进行“双星”和“星簇”探测数据的分析和研究工作[33]。

中欧双方在科研方面的合作主要通过中科院空间中心主任吴季和欧空局“星簇计划”项目科学家埃斯库贝(Philippe Escoubet)两人进行沟通与协调。双方定期召开科学工作联席会议。截至2006年，科学工作队共召开14次会议(在中、欧各召开7次)；组织申请了3个科学研究项目，并召开了3次国际“双星—星簇”科学研讨会、5次国内“双星”科学研讨会。会议主要讨论轨道设计与演变、如何与“星簇计划”进行联合测试，以及有效载荷的工作模式等。根据需要，双方皆可推荐科研人员加入对方科研队伍[34]。科学指导委员会与科学工作队的成立及其开展的有效工作，从机制上保证了“双星计划”工程项目最大程度地满足科学目标要求，使卫星发射入轨后“双星”科学数据能得到及时处理、分析、研究和应用，也使科学家能尽早得出原始性的创新成果。

2003年12月30日，西昌卫星发射中心用“长征”二号丙改进型运载火箭，成功将“探测一号”卫星送上太空预定轨道。随后“探测二号”卫星于2004年7月25日在太原卫星发射中心成功发射上天。

“双星”上天后，与“星簇”卫星持续配合，对地球磁层空间的一些重要活动区进行“六点联合探测”，取得了许多空间层次、多时空尺度的高水平探测数据[35]。在这些数据的基础上，空间科学家分析得出了一系列科学成果[36]。

为与“双星”配合，2005年2月，欧空局决定将“星簇”卫星的寿命延期至2009年12月。至2005年7月，“双星”均圆满完成各自的科学探测任务。根据实际需要，2006年2月，中方决定将“双星”分别延长一个生命周期，“TC- 1”卫星延寿至2006年12月底，“TC- 2”卫星则延寿到2006年7月底(此后又延寿至2008年7月底)[37]。

截至2007年9月底，“TC- 1”卫星取得原始数据约270Gb；截至2008年7月底，“TC- 2”卫星取得原始数据约224Gb。此外，中方还获得了“星簇”卫星上42台仪器的系列高水平探测数据和与“星簇”相配合的30个地面台站的观测数据[38]。由“双星-星簇”六点联合探测所获得的地球空间天气的多层次、多时空尺度的探测数据，引发了国际空间物理界对地球磁层研究新的热点。据不完全统计，至2011年5月底，使用“双星”或“双星-星簇”联合观测数据所发表的SCI论文达140多篇，被引用500多次，在国际空间科学界产生了重要影响[39]。

欧空局副局长索思伍德先后于2005年“星簇”卫星发射五周年庆祝大会和2008年欧洲地球物理年会上高度赞扬“双星计划”的成功，称“双星”和“星簇”联合探测，首次实现了地球空间的“六点探测”，推动了国际地球磁层研究的发展[40]。2010年，“双星计划”与“星簇Ⅱ计划”联合团队获得国际宇航科学院(13)非政府性的国际学术组织，由世界著名科学家冯·卡门倡导，于1960年8月16日成立于瑞典斯德哥尔摩。其宗旨是利用航天技术促进人类的和平与社会的发展，由在航天技术及其相关领域有突出贡献的专家组成，有基础科学、工程科学、生命科学和社会科学四大学部。颁发的杰出团队成就奖[41]，“双星计划”获得中国国家科学技术进步奖一等奖[42]。

5 结语

就空间科学领域而言，无论是地面观测，还是空间探测，多个国家的跨地域、跨空域合作都是最为经济、高效的。正是凭借与欧空局“星簇”科学数据系统项目的早期合作，中国获得了当时国际上最先进的卫星探测数据，同时也培养了一批空间科技人才，从而使我国空间物理学科在国际上占有了一席之地。但因国情和财力所限，在此合作中，中方处于从属地位，在“星簇”卫星上没有探测仪器和其他工程方面的设备，只是通过合作取得“星簇”数据进行空间物理研究工作。

而自1997年始，以中方为主的“双星计划”合作，作为中国第一次以自主提出的科学探测计划开展的国际合作，显著深化了中国所参与的国际合作层次，扩大了合作范围，也推动了中国空间科学探测的迅速发展，并为此后进一步开展国际合作打下良好的基础。通过与欧空局的合作，中国缩短了“双星”的研制周期，节约了有效载荷的研制经费，且大大提高了星载探测仪器水平。“双星”与“星簇”卫星密切配合，优势互补，形成人类历史上第一次对地球空间的“六点探测”，使中国的空间科学探测跨上了一个新台阶。