月亮遮擋太陽形成的日全食不僅景象壯觀，同時也是科學(xué)家觀測日冕的絕佳機會，但這樣的機會少之又少。日前，我國科學(xué)家提出了一種新的觀測模式，即到太空中利用地球的遮擋形成另類“日食”，實現(xiàn)對日冕的高精度、長時間觀測。
提出這個奇思妙想的年輕科學(xué)家，就是中科院空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室研究員羅冰顯。
“他研究生就在這兒讀，現(xiàn)在已經(jīng)成長為后輩中的領(lǐng)軍人物了。”中科院國家空間科學(xué)中心空間環(huán)境研究預(yù)報室主任劉四清介紹說，“在引進(jìn)的同時，我們非常重視本土人才的培養(yǎng)和能力提升。”
記者在采訪中發(fā)現(xiàn)，該實驗室充滿活力，同時又具有良好的研究基礎(chǔ)和保障條件，能夠為我國航天事業(yè)和國防建設(shè)提供一流的服務(wù)。
保障航天與國防安全
國防領(lǐng)域有一個重要方向叫空間態(tài)勢感知，主要包括對空間目標(biāo)的探測、跟蹤、識別以及對空間事件的評估、核實與環(huán)境監(jiān)測預(yù)報，是應(yīng)對空間威脅、確�？臻g安全的重要基石。
唯有具備較強的空間態(tài)勢感知能力，才能確保后續(xù)空間攻防行動有效展開。因此，以美國為首的軍事大國正積極開展空間態(tài)勢感知能力建設(shè)，以此為基礎(chǔ)引發(fā)的空間安全博弈勢必成為未來軍事對抗的前沿。
“空間環(huán)境態(tài)勢感知是國家的重要需求。”劉四清表示，作為戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域重點實驗室，空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室有明確的國防需求。
她進(jìn)一步解釋說，感知涉及探測、認(rèn)知和應(yīng)用，而這正是空間中心空間環(huán)境部的三個重要方向�？臻g環(huán)境部下設(shè)空間環(huán)境探測研究室、空間環(huán)境研究預(yù)報室、臨近空間環(huán)境研究室。
空間環(huán)境探測研究室是我國天基空間環(huán)境探測領(lǐng)域的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者，致力于發(fā)展國際一流或領(lǐng)先的天基載荷技術(shù)及其數(shù)據(jù)分析處理方法，為空間環(huán)境或空間天氣、氣象和海洋環(huán)境的監(jiān)測、研究和預(yù)報提供一手?jǐn)?shù)據(jù)，支撐空間物理研究、航天保障、氣象和海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報。
空間環(huán)境研究預(yù)報室，主要面向國家航天活動對空間環(huán)境安全保障的需求，開展空間環(huán)境及其預(yù)報技術(shù)研究，提供空間環(huán)境預(yù)報服務(wù)。
臨近空間環(huán)境研究室則瞄準(zhǔn)國家臨近空間開發(fā)利用的重大戰(zhàn)略需求，致力開展20～200公里臨近空間探測技術(shù)、應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，特別關(guān)注臨近空間飛行器面臨的環(huán)境問題，以提升我國臨近空間資源的利用水平。
在劉四清看來，信息的認(rèn)知必須完整才能應(yīng)用，而要有認(rèn)知、預(yù)報，就一定要有前期的探測作為基礎(chǔ)；反過來，探測的目的也是為了“知”和“用”。這是一條有機的鏈條，環(huán)環(huán)相扣。
“我們在這幾個方向都有自己深入的研究和發(fā)展，但是在技術(shù)能力等方面還是有欠缺的，很多還要繼續(xù)去做。”她說，“新的需求很迫切，希望我們聯(lián)合在一起，提升能力，形成合力，為國家的需求，主要是航天和國防安全做好保障。”
空間環(huán)境研究先行者
這里距離北京100公里、廊坊20公里，即使離最近的鎮(zhèn)子——韓村鎮(zhèn)也有6公里。
就在這“前不著村后不著店”的荒郊野外，坐落著我國第一個針對臨近空間環(huán)境研究建設(shè)的觀測站，這也是國際上首個可重部署臨近空間大氣綜合探測站。
2010年3月，空間中心瞄準(zhǔn)國家臨近空間開發(fā)利用的重大戰(zhàn)略需求，成立了臨近空間環(huán)境研究室，專門開展臨近空間環(huán)境探測技術(shù)、應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，特別關(guān)注臨近空間飛行器面臨的環(huán)境問題。
“我們終于可以打破以前只能借用國外的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的局面。”臨近空間環(huán)境研究室主任胡雄說，“我們開展的是一個新的學(xué)科方向，整個研究室和觀測站都是新建立起來的，很多人都為此付出了許多。”
作為臨近空間環(huán)境研究的先行者，他們建立了國際首臺車載鈉層測風(fēng)測溫激光雷達(dá)、車載3070激光雷達(dá)、可重部署中頻雷達(dá)、可重部署流星雷達(dá)、國內(nèi)首臺大氣重力波成像儀等先進(jìn)探測設(shè)備，建立了國際上首個可重部署臨近空間大氣綜合探測站，建立了車載信息服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)同化預(yù)報系統(tǒng)、掩星科學(xué)反演系統(tǒng)，研發(fā)了我國首個探空火箭GNSS降落傘探空儀、主動膨脹落球，實現(xiàn)了臨近空間環(huán)境參數(shù)的綜合探測、信息處理和信息服務(wù)能力。
“任何應(yīng)用都離不開環(huán)境。”胡雄表示，從科學(xué)研究到工程應(yīng)用，對環(huán)境的探測、預(yù)測、預(yù)報、變化規(guī)律研究的需求越來越大、越來越現(xiàn)實。
上世紀(jì)90年代初，我國決定開展載人航天活動。為確保載人航天活動的空間環(huán)境安全，空間中心依托于空間環(huán)境研究預(yù)報室，成立了我國首個業(yè)務(wù)化運行的空間環(huán)境預(yù)報中心，開創(chuàng)了我國空間環(huán)境預(yù)報的歷史。
“我們研究室的成長伴隨著載人航天的發(fā)展歷程。”劉四清告訴記者，他們的業(yè)務(wù)從無到有，先后研制了數(shù)十種空間環(huán)境預(yù)報模式和空間環(huán)境效應(yīng)分析模型，逐步發(fā)展形成了集數(shù)據(jù)收集處理、模式運行、預(yù)報分析和產(chǎn)品發(fā)布為一體的空間環(huán)境預(yù)報技術(shù)系統(tǒng)，形成了覆蓋太陽、行星際、磁層、電離層、熱層等區(qū)域關(guān)鍵空間環(huán)境要素的事件、指數(shù)和參數(shù)模式預(yù)報能力。
其中，他們提出的三維動態(tài)非對稱全球磁層頂模式被國際同行評價為至少過去十年里該領(lǐng)域最重要的進(jìn)步，并被國際上著名的應(yīng)用最為廣泛的Tsyganenko系列地磁場模式最新版本所采用。
空間環(huán)境探測研究室則發(fā)端于我國第一個在軌空間環(huán)境探測項目——“實踐一號”，半個世紀(jì)以來，它承擔(dān)了載人航天、探月工程、北斗工程、氣象衛(wèi)星、自主火星、“雙星計劃”、SMILE計劃等國家重大工程或重點項目的110多顆衛(wèi)星400多臺載荷的研制，國內(nèi)同類載荷占比超過95%。
為國家戰(zhàn)略需求時刻準(zhǔn)備
應(yīng)載人而生，為載人貢獻(xiàn)。多年來，讓劉四清和她的團(tuán)隊一直引以為自豪的是：“在載人航天工程中，我們雖非主力但卻不可或缺。”
作為載人航天工程空間環(huán)境保障分系統(tǒng)，在載人航天三步走的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃部署下，依托空間環(huán)境研究預(yù)報室先進(jìn)的空間環(huán)境預(yù)報模式研究成果，實驗室制定了空間環(huán)境預(yù)報和評估標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計預(yù)報保障產(chǎn)品，完成了載人航天第一步和第二步的空間環(huán)境保障服務(wù)。
神舟一號發(fā)射前，實驗室團(tuán)隊預(yù)測1999年11月18日是獅子座流星暴最強的時候，而這一天正是原定的發(fā)射日期。最終，指揮部采納了實驗室的建議，將發(fā)射日期推遲了兩天，這是我國航天史上首次因空間環(huán)境原因改變發(fā)射計劃。
從神舟一號至神舟十一號和貨運飛船，從天宮一號到天宮二號，歷次發(fā)射任務(wù)都避開了太陽質(zhì)子事件。伴隨小衛(wèi)星試驗在他們提供的地磁平靜期順利完成，交會對接試驗和天宮一號再入預(yù)報的空間環(huán)境參數(shù)預(yù)報準(zhǔn)確有效，航天員出艙時段的空間輻射環(huán)境安全……近20年來，實驗室成功地為國家重大航天工程和軍事活動提供了空間環(huán)境保障服務(wù)。
“以載人航天保障服務(wù)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，我們還開展了探月工程和空間科學(xué)先導(dǎo)專項的預(yù)報保障任務(wù)，使得空間環(huán)境預(yù)報保障進(jìn)一步向深空探測和空間科學(xué)探測領(lǐng)域拓展。”劉四清補充說。
未來，他們還將為空間站建設(shè)、運營和科學(xué)試驗以及重大航天操作順利實施提供全生命周期的空間環(huán)境預(yù)報保障。
相比之下，距地面20~ 200公里、介于航空范圍與航天范圍之間的臨近空間較少被關(guān)注，曾一度被稱為“忽略層”。可實際上，臨近空間的研究為有關(guān)航天與臨近空間飛行器的環(huán)境安全提供了理論基礎(chǔ)和有力保障，具有重要的應(yīng)用價值。
“我們的車輛開出去，到指定的地方進(jìn)行探測，有了數(shù)據(jù)后就可以進(jìn)行預(yù)報，以支撐臨近空間飛行器的研制和驗證實驗。”胡雄自豪地說，“有了我們的數(shù)據(jù)保障，他們的飛行實驗才有意義。”
令胡雄欣慰的是，目前，集探測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析、理論研究和應(yīng)用于一體的臨近空間環(huán)境研究體系已經(jīng)形成，為我國臨近空間環(huán)境研究、臨近空間飛行器的安全運行提供有力的理論和技術(shù)支撐。
空間環(huán)境探測、空間環(huán)境預(yù)報、臨近空間環(huán)境，都是國家新的需求萌生的新領(lǐng)域，空間環(huán)境態(tài)勢感知技術(shù)重點實驗室把這些相關(guān)力量集中起來，解決國家需求。“或許我們的工作不會迎來鮮花和掌聲，但我們會為未來的國家戰(zhàn)略需求默默準(zhǔn)備著。”胡雄說。■