夸父計劃(中國太陽監測衛星計劃)

夸父計劃是中國第一個太陽監測衛星計劃,又稱空間風暴、極光和空間天氣探測計劃,該計劃得名於中國神話中的夸父。

2003年1月,塗傳詒、肖佐等科學家提出夸父計劃;2005年7月28日,該計劃正式立項。夸父計劃發布時引起了巨大關注,2007年1月,加拿大、英、法等10個國家的空間探測部門均充分表達了自己的合作意向,但由於2011年、2012年加拿大與歐洲的財政危機,夸父合作計劃被擱置。但如果按期實施,夸父計劃將是世界上唯一一個系統的日地空間探測計劃。2012年7月,中國科學家劉維寧接手「夸父」計劃,並被委任為首席科學家。但由於項目無法開展,夸父計劃在2014年5月被暫緩執行。至2021年10月底,夸父計劃已被納入中國科學院先導計劃。

夸父計劃由三顆衛星組成,用以全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象、太陽活動導致的地球近地空間環境的變化以及地球極光分佈等,其中A星設置在距地球150萬千米的日地連線上,B1和B2衛星在地球極軌大橢圓軌道上飛行。

概述

夸父計劃是中國的一個太陽監測衛星計劃,又稱為「空間風暴、極光和空間天氣」探測計劃。「夸父計劃」將由一顆位於日地系統第一拉格朗日點(也稱L1點,即地球與太陽之間的引力平衡點)的衛星「夸父A」和兩顆沿地球極軌共軛飛行的衛星「夸父B1」、「夸父B2」組成綜合觀測系統,以用於監測太陽活動導致的日地空間環境連鎖變化的全過程。

如果按期實施,該計劃將是世界上唯一一個系統的日地空間探測計劃。

計劃背景

2003年1月24日,在國家自然科學基金委地學部「關於推動空間天氣研究座談會」上,由北京大學塗傳詒院士同肖佐、張永維總師和中國科學院魏奉思教授討論的基礎上提出的。

2004年「夸父計劃」預研成為由北京大學牽頭、國家自然科學基金委支持的重點項目,並有國內外有關科技專家大力支持和參與。

2005年8月,國防科工委組織了相關評審。根據國防科工委建議,以「夸父計劃」為基礎,與中國科學院空間科學與應用研究中心劉振興院士建議的「風暴計劃」進行了整合,叫做「夸父-太陽風暴、極光和空間天氣計劃」。

名稱由來

中國神話中有「夸父追日」的傳說,該計劃名稱即取自神話中的主人公夸父的名字。

計劃目標

「夸父計劃」的科學目標是觀測空間天氣事件從太陽到地球的整體連續變化現象,揭示控制日地空間系統的基本物理過程,提高空間天氣災害預報的準確度,服務航天通訊等高科技活動。太陽擾動會導致衛星失靈,影響航天員安全,對地面各種通訊設備形成干擾。「夸父計劃」能幫助人類對太陽活動進行預測預報,採取相應的防護措施。

技術難點

運載工具的選擇

夸父A衛星選擇何種運載工具、轉移軌道才能到達距地球約150萬公里的L1點;選擇何種方式保持衛星軌道在L1點上是計劃的技術難點之一。截至2011年,只有美國航空航天局和歐洲航天局為數不多的航天器,如SOHO、ACE、ISEE等飛行器到達過L1點。

遠距離測控和通信

L1點通信距離上屬於深空範疇,如何在深空條件下實施對衛星的測控和數據傳輸通信,這些都是夸父A衛星實現的關鍵環節之一,也是夸父A工程要解決的首要問題。

夸父B衛星的發射

夸父B衛星飛行任務目標是實現一天24小時、一周7天連續觀測北極光的分佈,為了實現這個目標,夸父B有兩顆同樣的衛星組成:夸父B1和夸父B2。

這兩顆衛星的軌道要位於同一極軌上,呈共軛飛行狀態,遠地點高度6個地球半徑,近地點0.8個地球半徑。選擇什麼運載工具和發射方式是夸父B衛星工程要解決的關鍵技術。

成像技術攻關

整個夸父計劃都採用成像技術,它所使用的一些特殊成像儀器都要作技術攻關,如中性原子成像儀、太陽白光日冕儀。

由於地球的外層空間有一些中性的氧原子,需要用現在的成像技術把其速度分佈形成為圖形,以確定在太陽有擾動時,外層空間到底是如何響應的,但是由於中性原子本身通過交換原子以後可以成像,所以這裡涉及一些新的成像技術方面的難點。

科學價值

夸父計劃將幫助科學家深入研究日地環境,將在很高的精度上追蹤太陽爆發和地磁暴活動,為災害性空間環境預報提供觀測數據。同時,它將揭示日地空間風暴機理,監測行星際擾動傳播。夸父計劃屆時將有許多項首創技術,空間天氣的預警預報水平將大幅提高,並將推動中國航天深空探測技術的發展,使中國在深空探測方面跨入國際領先行列。

計劃進度與國際合作

德國、法國、比利時、奧地利、加拿大等國10多位著名空間科學家也將參與這項由中國主導的太陽探索計劃。

2009年,中國科學院將夸父計劃列入空間科學衛星先導專項。

2010年3月,中國國務院批准了中國科學院的專項申請。

2010年6月,中國科學院和歐空局舉行會談,經過多次討論磋商,歐方確認了可以向夸父A提供的兩台儀器。

2010年11月,夸父團隊的中、歐、加科學家舉行了第三次工作會議。經過初步論證,夸父計劃將從歐洲獲取第三台儀器。

2011年,中國財政部撥發啟動經費3000萬元,支持夸父平台、發射和有效載荷方面的技術攻關。中科院國家空間科學中心也成立夸父專項辦公室,專職協調管理夸父工程。

2011年3月,中國科學院和歐空局再次舉行會談,雙方的合作從義大利提供整台儀器,中意雙方共同研發,調整為中國在義大利專家的指導下獨力開發。

2011年3月,加拿大航天局代表團在和中科院會談期間,提出為夸父B專門製作兩個衛星的可能。中加雙方正在就此進行密切協商。4月,夸父A星的儀器調整方案初步擬定。

2013年1月21日,中國科學院院長白春禮院士在北京表示,夸父計劃衛星的工程研製已經啟動。

國際評價

2006年8月4日,美國《科學》雜誌的《新聞焦點》欄目報道了中國「夸父計劃」的相關情況,文中指出,夸父衛星將在很高的精度上追蹤太陽爆發和地磁暴活動;如果「夸父計劃」順利實施,它將有許多項首創技術,並將使中國在深空探測方面跨入國際領先行列。

日本名古屋大學的太陽物理學家KazuoShiokawa認為,中國的「夸父計劃」與美國軍方計劃於2008年發射C/NOFS(通訊/導航中斷預報系統Communication/NavigationOutageForecasting System))衛星計劃一樣,對於空間天氣預報都非常重要。

「夸父計劃」合作者Schwenn說:「憑藉”夸父計劃”,中國將躋身國際空間科學界前沿。」

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