基本介紹
- 中文名：夸父計畫
- 外文名：Kuafu Mission
- 類型：太陽監測衛星計畫
- 又名：空間風暴、極光和空間天氣計畫
- 得名：中國神話中的夸父
歷史沿革,主要目標,科學思想,重要意義,飛行任務,夸父A,夸父B,相關技術,關鍵技術,技術攻關,國際合作,社會影響,延伸閱讀,
歷史沿革
2003年1月，在國家自然科學基金委員會地學部“關於推動空間天氣研究座談會”上，北京大學塗傳詒院士在同肖佐、張永維總師和中國科學院魏奉思教授討論的基礎上提出了 “夸父計畫”的科學思想和基本概念。2004年，國家自然科學基金委員會決定以重點項目形式支持“夸父計畫”的預研。預研成為由北京大學牽頭，並有國內外有關科技專家大力支持和參與。此後，國防科工委組織了相關評審，根據國防科工委建議，以“夸父計畫”為基礎，與中國科學院空間科學與套用研究中心劉振興院士建議的“風暴計畫”進行了整合，叫做“夸父—太陽風暴、極光和空間天氣計畫”。在國家自然科學基金委員會和國防科工委研究項目的支持下，我國科學家對夸父計畫的科學背景、科學目標以及為實現科學目標要求而配置的有效載荷等方面展開了全面的預先研究。
“夸父計畫”的標誌
“夸父計畫”的標誌2007年10月24日，中國繞月探測衛星嫦娥一號衛星成功發射，舉國歡慶，讓國際社會對中國的深空探測能力驚嘆不已。也為‘夸父計畫’再發射、測控等方面奠定了極好的基礎。
2009年，中國科學院將夸父計畫列入空間科學衛星先導專項。2010年3月，國務院批准了中國科學院的專項申請。2011年，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。
2012年，“夸父計畫”與歐空局的合作出現問題，歐空局表示因資金問題將無法按原計畫參與中國的夸父計畫。夸父計畫的實施將面臨巨大挑戰。
2013年9月，“夸父計畫”再度成為中俄間合作協定的候選者，儘管當時俄方比較積極，雙方都有合作興趣，但因為同時進行的火星探測計畫合作框架談判方面出了問題，所以最終‘夸父計畫’也沒能寫入合作大綱。
當前，夸父計畫處在暫緩執行時期，但不少人仍對它的重生抱有樂觀態度，希望會被列入國家的“十三五”計畫，實現它的最初科學目標。
主要目標
“夸父計畫”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，“夸父計畫”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。
科學思想
夸父計畫”是鎖定太陽的深空探測計畫，由三顆衛星組成。該計畫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”和兩顆沿極軌共軛飛行的衛星“夸父B1”、“夸父B2”組成綜合觀測系統，A探測器“夸父A”將固定在離地球150萬公里的拉格朗日點（也稱L1點，即地球與太陽之間的引力平衡點），用以全天候監測太陽活動的發生及其伴生現象，“夸父B1”和“夸父B2”在地球極軌大橢圓軌道上飛行，用以監測太陽活動導致的地球近地空間環境的變化，以及地球極光分布等。
“夸父計畫”示意圖⑴
“夸父計畫”示意圖⑴由於2012年將是下一個太陽活動峰年，2012年至2014年太陽活動將會很強烈，因此“夸父計畫”三顆衛星建議在這個時間內發射，主要是為觀測到新的日地物理現象，進一步揭示日地空間風暴機理，監測行星際擾動傳播，為災害性空間環境預報提供觀測數據。初期飛行時間將為2至3年。
重要意義
夸父計畫在空間天氣研究、航空航天和軍事方面具有重要意義。
日地系統是一個多尺度、大交叉的非線性系統，單個理論和局域觀測無法解決其中的問題。迄今為止，國際上對日地系統全局性、全面性的觀測尚屬空白。我國科學家提出的“夸父”計畫，是彌補這一空白的宏大而巧妙的構想。"夸父計畫”將對日地空間天氣系統的兩端——太陽大氣和地球空間——進行前所未有的時空連續、多層次的成像觀測，完成從太陽大氣到近地空間完整擾動因果鏈的探測，通過多方面的首創性監測，實現日地系統端到端的整體、連續成像觀測。並預期在日地系統的能量及擾動的耦合機制如太陽爆發先兆、太陽風的形成機制等方面取得具有重要原創意義的突破性進展。屆時，空間天氣的預警預報水平將大幅提高,”夸父計畫”將與其他空間計畫一起進入以探測日地空間整體行為為標誌的空間探測新紀元。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“夸父計畫”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。
"夸父計畫"的3顆衛星緊密配合，將對空間天氣系統進行全局性的、全面的、連續綜合觀測，因此也被稱作人類注視太空的“神目”。
飛行任務
夸父A
夸父A飛行任務。L1點位於日地連線上，距地球150萬公里，該點具有觀測太陽活動的天然優勢，因此，夸父A衛星選擇L1點附近作為目標飛行位置。眼下，只有NASA和ESA為數不多的太空飛行器，如SOHO、ACE、ISEE等飛行器到達過L1點。
夸父A飛行任務實施關鍵技術。夸父A衛星選擇哪種運載工具、轉移軌道到達位於日地連線，距地球約150萬公里的L1點；同時選擇何種保持軌道在L1點保持；夸父A衛星如何實施遠距離測控和通信，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是夸父A衛星實現的關鍵環節之一。
有效載荷總需求：總質量約93kg、總功率約83 W、總數據率約175kbps。
夸父A有效載荷實施關鍵技術。日冕動力學成像儀（CDI）對衛星姿態控制精度要求很高，其中對日方向（滾動軸方向）：姿態指向精度要求≤45arcsec，姿態穩定度要求≤3arcsec/30s。
夸父A衛星初步考慮
1.軌道考慮：
（1）轉移軌道：擬採用直接轉移軌道
（2）任務軌道：擬採用Halo軌道
（3）肼燃料：包括轉移軌道初始加速、修正和任務軌道維持100kg（△V=300m/s)
2.夸父A 衛星模組化結構，主要由兩個部分組成：
（1）有效載荷模組（PLM)
（2）平台服務模組（SVM）：包括7個子系統
結構子系統（STS)
熱控子系統（TCS)
姿軌控子系統（AOCS)
數據管理子系統（DMS)
測控子系統（TT&CS)
數傳子系統（DTS)
電源子系統（PSS)
3.主要參數：
尺寸：1350mm×1440mm×1400mm（展開前）
5500mm×5200mm×3300mm（展開後）
質量：總質量： 800Kg
載 荷： 200Kg
平 台： 500Kg（包含100Kg 肼）
余 量： 100Kg
功耗：總功耗： 520W
載 荷： 120W
平 台： 320W
余 量： 80W
測控：頻 段： S band
數據率： ≥1Kbps
數傳：頻 段： X band
數據率： ≥180Kbps
姿態控制：指向精度： ≤ 45”（X axis)
姿態穩定度： ≤3”/30s(X axis,short time)
夸父B
夸父B飛行任務。夸父B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布。為了實現這個目標，夸父B有兩顆同樣的衛星組成，分別為夸父B1和夸父B2。
軌道：兩顆衛星的軌道位於同一極軌上，呈共軛飛行狀態,遠地點7Re，近地點1.8Re
夸父B有效載荷：
UV極光監測照相機（UVAMC)
極紫外光譜成像儀（FUVSI)
寬視角極紫外線成像儀（WFAI)
中性原子成像儀（NAIK)
磁通門磁強計（FGM)
高能帶電粒子探測儀器（HECPE)
三頻相干信標（RSE)
夸父B衛星初步考慮：
自旋轉速： 6rpm
星體直徑：2.9m
星體高度：1.3m
電源功率：300W
質量：總質量：400kg
其中載荷：43kg
壽命：>3年
相關技術
關鍵技術
有專家指出，實施夸父計畫面臨許多技術挑戰。
“夸父計畫”示意圖⑵
“夸父計畫”示意圖⑵夸父A衛星選擇哪種運載工具、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；夸父A衛星如何實施遠距離測控和通信；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布，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。
除此之外，整個夸父計畫都採用成像技術，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布形成為圖形，以確定在太陽有擾動時，外層空間到底是如何回響的，但是由於中性原子本身通過交換原子以後可以成像，所以將會涉及一些新的成像技術方面的難點。
除此之外，整個夸父計畫都採用成像技術，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布形成為圖形，以確定在太陽有擾動時，外層空間到底是如何回響的，但是由於中性原子本身通過交換原子以後可以成像，所以將會涉及一些新的成像技術方面的難點。
技術攻關
在國家自然科學基金委重點項目和國防科工委背景研究項目的支持下，北京大學會同中國氣象局、中國科技大學和中科院空間中心在科學背景、科學目標以及為實現科學目標要求配置的有效載荷（主要是科學儀器）等方面開展了全面的預先研究。2007年6月1日，《“夸父計畫”科學目標及觀測項目論證報告》評審會在京召開。北京大學校長許智宏院士和國防科工委副司長王克然分別在會上致詞，北京大學塗傳詒院士作了關於“夸父計畫”科學目標和觀測項目的論證報告，由18個評審委員（包括11位科學院院士和7位空間界資深專家）組成的專家組，對其科學目標進行了評審。評審組通過討論，一致通過“夸父—太陽風暴、極光及空間天氣計畫”科學目標及觀測項目論證報告，並建議“夸父計畫”儘快立項發射。
“夸父計畫”工程論證由東方紅衛星公司牽頭，會同北京大學、中國氣象局、中國科學技術大學（與山東大學威海分校合作）、中科院空間中心等共同完成。當前，已對有效載荷對工程的要求、軌道設計、運載與發射、地面測控和測定軌、地面數據接收、衛星設計等進行了全面論證並已順利完成，主要結論是：在中國嫦娥一期的基礎上，實現“地—月”之間的測控技術基礎已具備；在中國嫦娥二期和深空站建設完成之後（2011年），“夸父計畫”所需的基礎技術條件將全部具備。
完成預研階段的任務後，“夸父計畫”將進入另一個重要環節，即技術攻關。塗傳詒、肖佐等科學家已對關鍵科學探測儀器（有效載荷）的研製、夸父A星的軌道設計與實現技術、夸父A星的深空自主運行技術、夸父B星的高精度姿軌聯合控制實現技術等科學問題和技術難點進行了細緻的分析。
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人發起的太陽探索計畫。德國科學家萊內爾·施溫說，當前，雖然科學家已在日地物理研究方面取得很大進展，但對許多關鍵問題仍缺乏了解，比如，日冕物質拋射的前兆是什麼？太陽擾動源、太陽擾動傳輸、擾動的地球效應等。“夸父計畫”有望一一解答這些問題。
加拿大航天局空間物理大氣科學首席科學家劉維寧說：“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。‘夸父計畫’能幫助人類對太陽活動進行預測預報，從而採取相應的防護措施。加拿大將參與設計兩顆圍繞地球飛行的衛星，並在衛星上搭載科學儀器。”
社會影響
2006年8月4日，美國《科學》雜誌的《新聞焦點》欄目迅速報導了中國“夸父計畫”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“夸父計畫”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。
實施夸父計畫
實施夸父計畫日本名古屋大學太陽地球環境研究所（現名古屋大學宇宙地球環境研究所）的太陽地球物理學家鹽川和夫教授認為，中國的“夸父計畫”與美國軍方計畫於2008年發射的C/NOFS（通訊/導航中斷預報系統，Communication/NavigationOutageForecasting System） 衛星計畫一樣，對於空間天氣預報都非常重要。
“夸父計畫”合作者Schwenn說：“憑藉”夸父計畫“，中國將躋身國際空間科學界前沿。”
塗傳詒則指出，夸父3顆衛星將第一次監測從太陽風到磁層的整個能量傳輸過程。它將可能解決地球空間對太陽風暴回響的過程中的一個重大問題，即大尺度的能量和質量是如何從太陽通過日地空間傳輸到磁層的。
“美國的SOHO於1992年發射一直工作到現在，即將退役，因此國際社會也很希望中國的”夸父計畫“衛星能夠上去，這樣人類對太陽的探測就不會斷裂。”肖佐說。
而事實上，肖佐在談到“夸父計畫”的科學意義時說，到眼下為止，只有美國在L1點上發射了太陽監測衛星（SOHO飛船）。但不同的是，中國的“夸父計畫”是連續的日地系統的監測計畫。夸父衛星的軌道設計成“L1+極軌”，這是一種全新的協同軌道設計。夸父B1和B2可通過成像獲得磁尾磁重聯所造成的磁層全局回響的信息，其成像可以使我們更精確地度量亞暴和磁暴期間能量的注入。
對於中國來說，“夸父計畫”必將大大提高自主的空間天氣預報能力。肖佐介紹，當前，在空間天氣預防方面，我們除使用部分國內資料外，絕大部分還是要依靠國外的資料。當前隨著中國航天活動的增多，必須加強對磁暴、高能粒子等危害的預報能力。
夸父計畫“將成為中國航天技術發展歷程中新的里程碑。”肖佐說，“夸父計畫”的實施將使中國自主深空探測距離從“嫦娥計畫”的38萬公里推進到L1點的150萬公里，將使中國成為世界上第二個獨立完成L1點飛行衛星研製、發射和遠距離測控通訊任務的國家；同時，該計畫將提升中國航天技術基礎能力，培養和造就具備國際水準的科技與工程人才。
“夸父計畫”示意圖⑶
“夸父計畫”示意圖⑶無疑，“夸父計畫”也將顯著提高中國在國際航天領域的地位和形象。“夸父計畫”是中國主導的大型國際空間探測計畫，將充分展示中國“和平利用太空、為人類作貢獻”的意願。肖佐說，“夸父計畫”的實施將從根本上改變中國空間天氣業務主要依賴國外數據的現狀，使中國成為國際上最重要的空間天氣數據源之一。
延伸閱讀
夸父追日
