2011年年初，我國迄今為止最大的空間科學(xué)衛(wèi)星計劃——空間科學(xué)先導(dǎo)專項宣告啟動，標(biāo)志著我國空間科學(xué)衛(wèi)星發(fā)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(xué)衛(wèi)星計劃。它仿佛是中國空間科學(xué)夜空里的一道閃光，用耀眼的光芒，照亮了中國空間科學(xué)的漫漫長夜。
它，便是中國首個以科學(xué)目標(biāo)牽引立項的衛(wèi)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、海洋和大氣層之后，近幾十年來，人類的活動范圍已經(jīng)快速延伸到了地球空間，這個區(qū)域已成為與人類活動息息相關(guān)的“第四區(qū)域”。
然而，對于這個區(qū)域的環(huán)境我們還知之甚少。表面看上去風(fēng)平浪靜的地球空間，實則潛伏著各種危機，比如突發(fā)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(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用中心（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心前身）劉振興院士牽頭，提出了“雙星計劃”：一顆赤道區(qū)衛(wèi)星，一顆極區(qū)衛(wèi)星，形成一對姊妹星座，聯(lián)手覆蓋整個近地磁層區(qū)。
彼時，歐洲空間局對于劉振興提出的“雙星計劃”十分重視，于是專門派出了以科學(xué)項目主任為首的代表團于1997年11月訪問了北京，與當(dāng)時的空間中心共同討論關(guān)于“雙星計劃”的合作問題。
會上，歐空局一行人在聽了中方關(guān)于“雙星計劃”的報告后，馬上走出報告廳討論起來。一會兒，他們又回到報告廳，并當(dāng)場表示要和中國進(jìn)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(nèi)解決高精度探測儀器問題，因而也就不能在很短的時間內(nèi)把衛(wèi)星送上太空。通過與歐空局的合作，其中50%的中國目前不能制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(shù)水平。”劉振興院士曾這樣表示。
于是，中歐雙方一拍即合，會議第二天便達(dá)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(xié)議。2002年10月，“雙星計劃”通過國務(wù)院正式批準(zhǔn)立項，成為中國第一個以科學(xué)為目標(biāo)牽引立項的衛(wèi)星計劃，也成為中國第一個與航天先進(jìn)國家和地區(qū)開展的重大國際合作項目。
開創(chuàng)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(fā)磁層空間暴和災(zāi)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(huán)境提供科學(xué)數(shù)據(jù)和對策。
“雙星計劃”由兩顆衛(wèi)星組成，一顆為赤道衛(wèi)星，即探測1號；另一顆為極軌衛(wèi)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(yuǎn)地點約83000公里，傾角約28度；探測2號的軌道近似垂直于赤道面，經(jīng)過地球的南北兩極上空，近地點約550公里，遠(yuǎn)地點約45000公里，傾角約90度。
這兩顆衛(wèi)星的軌道覆蓋了當(dāng)時人類還未探測的地球空間區(qū)域，兩顆衛(wèi)星之間的配合，可以同時探測與地球空間暴發(fā)生有關(guān)的重要區(qū)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(wèi)星共搭載有16臺科學(xué)探測儀器。其中，中方研制了8臺，包括2臺高能質(zhì)子探測器（HEPD）、2臺高能電子探測器（HEED）、2臺重離子探測器（HID）、1臺低頻電磁波探測器（LFEW）和1臺低能離子探測器（LEID）；歐方研制了7臺，包括2臺磁通門磁強計（FGM）、2臺電子與電流儀（PEACE）、1臺熱離子分析儀（HIA）、1臺電位主動控制儀（ASPOC）和1臺電磁場波動分析儀（STARF）；中歐合作研制1臺，即中性原子成像儀（NUADU）。
同時，“雙星計劃”還配套建設(shè)了3個數(shù)據(jù)（地面）接收站，分別為北京密云站、上海佘山站以及西班牙維納弗拉卡站。
“當(dāng)時，抗輻射防護、對衛(wèi)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(shù)提出了新挑戰(zhàn)。”“雙星計劃”衛(wèi)星總設(shè)計師、總指揮張永維介紹。但中方研制團隊排除萬難，最終保障了衛(wèi)星任務(wù)的順利完成。
2003年12月30日，探測1號發(fā)射成功；2004年7月25日，探測2號發(fā)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(shè)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(shù)據(jù)仍在發(fā)揮作用。“我們?nèi)杂醒芯咳藛T在挖掘這些數(shù)據(jù)。”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(shù)據(jù)比照研究也仍在繼續(xù)。
據(jù)不完全統(tǒng)計，2004年3月至2009年2月期間，與“雙星計劃”相關(guān)的SCI收錄論文數(shù)量達(dá)104篇，被引用107次；圍繞該計劃產(chǎn)生國際會議特邀報告10篇，大會報告46篇；申請發(fā)明專利 15 項，其中 12 項已獲授權(quán)；申請實用新型專利 8 項，已全部授權(quán)；計算機軟件著作權(quán)登記 46 項。
成就典范
對于中國空間科學(xué)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(wèi)星共獲取了520GB以上的探測數(shù)據(jù)，足足為原計劃探測數(shù)據(jù)量的3倍；科學(xué)數(shù)據(jù)中心為科學(xué)用戶提供4秒高分辨率和1分鐘分辨率的兩種科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)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(qū)，10年來中國數(shù)據(jù)中心訪問總數(shù)達(dá)1000多萬次；此外，“雙星計劃”的科學(xué)數(shù)據(jù)中心還向空間環(huán)境應(yīng)用用戶提供了科學(xué)數(shù)據(jù)支持，在空間環(huán)境預(yù)報模型以及預(yù)報方面發(fā)揮了重要作用。
不僅獲得了大量的探測數(shù)據(jù)，“雙星計劃”還通過與“星簇計劃”的協(xié)調(diào)探測，首次完成了人類歷史上的地球空間“六點協(xié)調(diào)探測”，在實現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)方面取得了重要的探測研究結(jié)果。特別是提出了亞暴觸發(fā)的新理論——“鋒面理論”，在國際空間科學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響，其中諸多名詞被國際學(xué)者在研究工作中所采用。
不得不提的是，“六點協(xié)調(diào)探測”以及取得的多空間層次和多時空尺度的大量高分辨率科學(xué)數(shù)據(jù)，也引發(fā)了國際磁層研究的新熱點。
2004~2009年間，多個國際重要學(xué)術(shù)會議上都有“雙星—星簇”多點探測的專題研討會或特邀學(xué)術(shù)報告；歐洲、美國和日本等國家和地區(qū)也都紛紛提出了新的多點探測計劃，如THEMIS、MMS、Scope等等。
正是憑借著“六點協(xié)調(diào)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(xué)院（IAA）頒發(fā)的“2010年杰出團隊成就獎”。而這也是中國第一次獲得這一國際航天領(lǐng)域的至高榮譽。
而對于中國空間科學(xué)發(fā)展而言，“雙星計劃”更為重要的意義在于填補了我國空間探測領(lǐng)域幾十年的空白，開辟了空間科學(xué)衛(wèi)星的先河，讓中國的空間科學(xué)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”也為我國后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星系列的發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗：其所建立的以科學(xué)目標(biāo)為牽引的科學(xué)衛(wèi)星立項程序、首席科學(xué)家模式、科學(xué)運行和數(shù)據(jù)中心以及國際合作等方面的經(jīng)驗，已經(jīng)被我國政府主管部門和后續(xù)的空間科學(xué)探測計劃所采納。
此外，“雙星計劃”就仿佛是一把鑰匙，打開了我國空間科學(xué)國際交流的大門。在此之后，我國科學(xué)家陸續(xù)提出了一系列空間科學(xué)探測計劃，如磁層—電離層—熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃（MIT）、太陽極軌望遠(yuǎn)鏡計劃（SPORT）和太陽風(fēng)—磁層相互作用全景成像衛(wèi)星計劃（SMILE）等等，空間科學(xué)國際合作風(fēng)生水起。
鑒于“雙星計劃”取得的卓越科學(xué)和技術(shù)成果推動了我國空間科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，2010年，“雙星計劃”獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(guān)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。■