互动科普

记者/方晨  图/中科院国家空间科学中心

今明两年要发射4颗科学卫星

记者：这几颗科学卫星是怎么选定的？

吴季：现在准备发射的4颗星，基本是“九五”、“十五”、“十一五”提出的计划。“十二五”期间，我们有公开公正的程序进行评选。对于未来的项目，我们现在采取的方式是公开征集，也就是从科学家团队里面征集建议。建议征集到了以后，有一个公开的评审、遴选过程。遴选时重点考虑两个方面：第一是科学产出的重大性，即是不是重大前沿？第二是考虑它的带动意义，即是不是能广泛地带动科学领域的发展，带动更多的科学家参与数据分析？然后还有科学可行性、技术可行性、经费可行性分析。从“十三五”开始，科学卫星计划从征集到科学产出的管理都会逐步采用上述国际通用的管理程序。

原则上，我们希望我们的计划能覆盖空间科学领域的各个学科，例如空间天文、空间物理/环境、太阳物理、空间地球科学、微重力科学、空间生命科学等方面。但是我们不可能一下支持那么多。我们选择的项目一定是世界首创的，代表着我国的科学水平。

记者：这些科学卫星有哪些重大的技术突破？

吴季：在遴选立项的时候，特别要保证技术可行性，也就是说认为基本可行的才会立项。立项以后又经过方案设计，在方案设计中就要把关键技术突破。

例如在暗物质卫星技术上，一个挑战是它的结构设计比较复杂。科学载荷1.4吨，中心探测器的密度跟铁一样，非常重。所以当时我们就选择了一个卫星方案，这个卫星平台只有300多公斤，也就是围绕这个载荷进行卫星平台的一体化的设计。这么重的载荷和火箭连接起来，这个结构设计合理不合理？所以我们通过不断试验，修改设计方案，最后解决了。像这样的风险在方案阶段都考虑到了。

记者：目前国际上有没有和我们类似的暗物质探测卫星？

吴季：现在，国际上可用来开展暗物质研究的空间计划主要有国际空间站上的阿尔法磁谱仪和费米探测器。阿尔法磁谱仪利用磁场使正负电子偏转，从而可以分辨出正负电子和它们的能量及到达方向。但是受限于可以发射升空的磁铁的大小，其测量的能量谱段上限为600GeV左右，目前力争进一步提升到800GeV。费米探测器所覆盖的能谱段还不如阿尔法磁谱仪。

暗物质卫星对高能粒子的探测方法与阿尔法磁谱仪不同，它虽然不能区分粒子的电极性，但是可以探测能量极高的粒子，设计指标为10TeV,并在空间分辨率方面超过现有其他计划。此外,暗物质卫星不仅做到了能量谱段的高覆盖，而且探测面积很大,使得其捕获稀少的高能粒子的能力很强。卫星有效载荷质量1.4吨，整星质量1.9吨，载荷平台比达到2.8。其中，最重的设备是能量测量装置—BGO晶体，大小为60厘米×60厘米×60厘米，其中有数百根晶体棒横竖分层排列,当粒子打上后,根据那些发光的晶体来判断粒子到达的方向。为什么只有中国人能做出这样的卫星？因为我们有最好的晶体生产能力，这么长的BGO晶体，只有中科院上海硅酸盐所能做出来。

记者：暗物质探测卫星和地下探测暗物质的实验有什么不一样？

吴季：地下的实验，据我所理解是直接探测，而在空间是间接探测。地下实验室是要直接捕获暗物质粒子，实际上就是探测暗物质粒子与其他物质碰撞后产生的相关信号。之所以建在地下深处，是为了要把宇宙射线等会产生的干扰屏蔽掉。但是暗物质能不能与其他物质产生碰撞，看到的信号是不是暗物质碰撞的结果，现在也还有争论。暗物质卫星探测的则是暗物质粒子之间相互碰撞湮灭后所产生的明物质高能粒子，这种暗物质粒子湮灭的物理机制在国际上是一种比较认可的物理模型。地下探测和暗物质卫星利用的是完全不同的机理和技术手段。

图. 暗物质卫星欧洲核子研究中心宇宙线测试现场

记者：实践十号卫星要开展什么样的研究？

吴季：实践十号是我国科学卫星系列中唯一的返回式卫星，是开展微重力科学和空间生命科学研究的高效、短期、综合空间实验平台，也是科学卫星系列中继暗物质粒子探测卫星之后，拟发射升空的第二颗卫星。

我们做地球观测的照相机，原来都是使用胶卷，现在都是CCD，都是数字的了。用胶片的时候要获得拍摄的图像，就需要返回式卫星把胶片带回来。返回式卫星的技术比较成熟，而且比较便宜。虽然现在的资源观测等得到的都是数字信息，不需要带回胶片了，但是做微重力科学、生命科学研究还需要回收实验材料。

比如一株植物，在有重力的环境中是向上生长，接受阳光，但是在微重力的情况下，植物会怎么生长？在太空中开展这样的实验，除了照相以外，我们还希望把标本收回来。再如半导体晶体的生长，在有重力的情况下，其三维不是均匀的，但是到了空间以后，会长得很均匀，可以长得很长，我们也希望把在太空中生长出来的晶体带回来。实践十号返回式卫星将开展19项科学实验，其中有11项要收回，有8项可以不用收回。卫星的返回舱7天后就返回了，留轨舱继续工作，工作的时间与电池的电量有关。这颗卫星不能有太阳能电池板，否则就会产生振动，对科学实验有影响。

记者：这些实验在空间站或者空间实验室是不是也都可以做？

吴季：我们国家的空间站正在建设，所以至少在2020年之前，大部分载荷资源都会用于建设，不会给科学实验提供几百千克的载荷。而我们现在的返回式卫星科学载荷有六百多千克。研究微重力的科学家也需要有自己的数据，这完全可以利用返回式微重力卫星。我们在立项的时候，和载人航天的项目做过一次协调，返回式卫星的任务和载人航天是不重复的。

记者：量子通信实验在地面上也做过很多次，这次为什么要拿到空间去做？

吴季：在地面上的实验，传递的距离比较受限制。在地面上验证贝尔不等式的实验已经做了，但是近距离的，还有一些争议。到空间做实验，就是要把一对纠缠的光子拉得特别远，超过1000公里。这个实验如果能做成功，对基础科学会有很大的影响，所以非常值得做。

量子科学实验卫星技术很复杂，在它飞行的过程中，携带的两个激光器要分别瞄准两个地面站，向两个方向同时传输纠缠量子对。为了让穿越大气层后光子的“针尖”仍能对上地面接收站的“麦芒”，在飞行的过程中要始终保证精确对准，跟踪要达到相当高的精度，这也是国际上从来没有人做过的。我们的研制团队已经在地面上做过模拟仿真实验，但还是要到真正上天以后才知道最终成功与否。这也是很大的技术挑战。

量子科学实验卫星的科学目标非常前沿，国际上都想做这方面的研究。日本现在准备做一个单方向的量子密钥传输，加拿大也计划做一个单方向的量子传输试验。欧洲在地面上已经将量子纠缠分发做到了接近100公里。但是在空间的量子科学实验，我国将是第一个。

（本文发表于《科学世界》2015年第10期）