我國為什么要開展空間科學(xué)研究？
吳季：科學(xué)對于一個國家來說很重要，要想創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展就必須有知識。目前在空間科學(xué)領(lǐng)域，我國還只是有關(guān)知識的使用國，而非產(chǎn)出國，因此還沒有出現(xiàn)重大原創(chuàng)性的科學(xué)成果。據(jù)統(tǒng)計，全球總共有5000多項空間科學(xué)實驗項目，中國只占100項左右，中國的空間科學(xué)研究嚴(yán)重依賴他國衛(wèi)星數(shù)據(jù)的公開。空間科學(xué)是自然科學(xué)突破的前沿，因此很重要。我國要想實現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，必須要有創(chuàng)新的能力?？臻g科學(xué)創(chuàng)新靠什么呢？靠空間科學(xué)衛(wèi)星，因為空間科學(xué)衛(wèi)星能夠擺脫地球大氣層的影響，對浩瀚的宇宙進(jìn)行全波段觀測。在高能譜上，必須通過空間科學(xué)衛(wèi)星才能獲得有效數(shù)據(jù)。所以，我國要想從航天大國發(fā)展成航天強國，必須發(fā)展空間科學(xué)衛(wèi)星，為人類知識的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，創(chuàng)造知識。
基礎(chǔ)科學(xué)是所有其他技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)，其突破對其他許多學(xué)科都有帶動作用。雖然空間科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)，但是所需要的支撐體系特別多，例如需要衛(wèi)星技術(shù)、運載火箭、發(fā)射場、測控和地面支撐等，所以投資比較大。我國是一個發(fā)展中國家，以前的投入主要關(guān)注應(yīng)用衛(wèi)星。近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技實力的增強，國家拿出一部分資金來發(fā)展空間科學(xué)衛(wèi)星，啟動了“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”，以期實現(xiàn)科學(xué)上的重大創(chuàng)新突破，帶動相關(guān)高技術(shù)的跨越式發(fā)展，發(fā)揮空間科學(xué)在國家發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用。
目前，我國對空間科學(xué)的投入在航天總投入中所占的比重比歐美等都低很多，有人說不到10%。相比之下，美國航空航天局每年有180億～190億美元的民用航天投入，其中用于科學(xué)衛(wèi)星（不包含載人航天的科學(xué)實驗）的就占到50億美元，將近占30%。歐洲航天局也有將近30%的投入是用于科學(xué)衛(wèi)星。2014年日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)對世界空間科技力量進(jìn)行對比調(diào)查顯示，美國為95分，中國僅為48分(滿分為100分)。為什么其他國家這么重視？因為空間科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)的前沿，前沿不投入就會落后于別人。重大的發(fā)現(xiàn)都是在科學(xué)前沿，在前沿每走一步都可能有突破。因此，這些發(fā)達(dá)國家對基礎(chǔ)研究的重視是持續(xù)性的?？茖W(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)就是科學(xué)，有了原理的突破才有技術(shù)的實現(xiàn)。所以我們國家要想做一些創(chuàng)新的東西，現(xiàn)在就應(yīng)該加大基礎(chǔ)科學(xué)方面的投入，而空間科學(xué)是其中一個重要的方面。
發(fā)射“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”的首批衛(wèi)星能否提升我國空間科學(xué)的國際地位？
吳季：作為空間科學(xué)領(lǐng)域的新興國家，我國空間科學(xué)進(jìn)入了跨越發(fā)展的新階段。“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”已獲得了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，也吸引了眾多國際一流科學(xué)家的積極參與，專項的實施預(yù)計將在黑洞、暗物質(zhì)、量子力學(xué)完備性和空間環(huán)境下的物質(zhì)運動規(guī)律、生命活動規(guī)律等方面取得重大科學(xué)突破，所以將會提升我國在國際空間科學(xué)界的地位和影響。
按照計劃，我國將在2016年4月左右發(fā)射實踐－10返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星，該衛(wèi)星旨在推動空間微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)發(fā)展。實踐－10上將開展19項科學(xué)實驗，其中一半是生命科學(xué)實驗，另外一半是物理和材料科學(xué)實驗；2016年7月左右發(fā)射的“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，將實現(xiàn)衛(wèi)星與地面之間量子保密通信試驗，把地面的部分成果拿到天上去做試驗，將在基礎(chǔ)物理方面有所突破；其后，還將發(fā)射“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”，研究黑洞的性質(zhì)及極端條件下的物理規(guī)律。
“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”批準(zhǔn)的衛(wèi)星計劃只是針對“十二五”計劃，如今科學(xué)家再度面臨需要爭取國家經(jīng)費支持的局面。2016年，將對所發(fā)射的科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行總結(jié)，特別是對“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星所獲科學(xué)成果進(jìn)行評估。在此期間也將通過中國科學(xué)院申請“十三五”的經(jīng)費。
國家應(yīng)該如何提供一個持續(xù)的支持？
吳季：在我國“十三五”規(guī)劃中將繼續(xù)支持“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”，讓這個計劃延續(xù)下去。但我們更希望國家有一個專門的部門承擔(dān)這個職責(zé)，在這個部門的常規(guī)預(yù)算里面包括一個固定的百分比，專門用于空間科學(xué)。這個百分比應(yīng)隨著我們國家的GDP增長，每5年計劃都會滾動增長。但目前我們國家還沒有這樣的部門和經(jīng)費。所以，現(xiàn)在每顆空間科學(xué)衛(wèi)星都是以項目的形式來申請，項目結(jié)束了還得再申請，并不是一個持續(xù)的國家計劃。
那么美國是怎么做的？在美國航空航天局的預(yù)算中有一定百分比的經(jīng)費是專門用于空間探測的，逐年積累起來就是一筆很大的經(jīng)費。這樣就可以很好地制定長期探測規(guī)劃，比如先去探測土星，再去探測天王星、冥王星，等等。美國的探測器現(xiàn)在已經(jīng)飛掠了冥王星。我國對月球進(jìn)行了幾次探測，其實要是有一筆行星探測的經(jīng)費，持續(xù)支持5年或者10年，科學(xué)家就會布局得更好。例如，可以從現(xiàn)在開始布局更遠(yuǎn)的行星探測。
雖說實現(xiàn)起來不容易，但空間科學(xué)對空間技術(shù)的帶動非常大，而且能為人類帶來很多新的知識。這需要一個長期的可持續(xù)規(guī)劃，各個探測項目之間一定要有聯(lián)系，而不是做成一個一個單獨的政績工程。這是科學(xué)問題，不是政治問題。在國家的持續(xù)支持之下，我們可以更好地做未來規(guī)劃，更好地論述我們中國人應(yīng)該去哪兒，應(yīng)該做什么，先做什么，后做什么。
在技術(shù)方面，我們和國外的差距有多大？
吳季：在探測技術(shù)方面，我們和發(fā)達(dá)國家之間的差距是在逐漸縮小的。特別是我國有了自己科學(xué)衛(wèi)星系列計劃以后，差距正進(jìn)一步縮小。比如，我國在實施自己的“雙星計劃”之前,我國科學(xué)團(tuán)隊參加了歐洲航天局的“星簇計劃”，科學(xué)研究工作做得還是不錯的。但是，如果我國有自己的計劃，就能按照自己的思想來設(shè)計，把最好的成果拿到自己的手里，而不是用別人的數(shù)據(jù)。
在今后的“十三五”項目中，空間科學(xué)衛(wèi)星上的很多有效載荷都將以我國為主研制，而且有所創(chuàng)新。雖然我國在技術(shù)能力上與國外還有一定差距，但是從總體來說有一個從跟蹤到并行甚至到領(lǐng)先這么幾個階段?，F(xiàn)在我們有很多技術(shù)都在并行發(fā)展，個別還處在領(lǐng)先位置，絕大部分至少跟蹤是沒問題的。所以從技術(shù)水平來講差距不是太大。
我國嫦娥－3的落月技術(shù)是世界上最先進(jìn)的，可以懸停避障。相比之下，歐洲航天局從20世紀(jì)90年代開始設(shè)計“菲萊”在彗星表面著陸時沒有懸停避障功能。所以說，別人能夠做到的，我們基本上也可以做到了，甚至能做到比別人好。
“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”的首批空間科學(xué)衛(wèi)星是怎么選定的？主要考慮哪些因素？
吳季：選擇空間科學(xué)衛(wèi)星的研究目標(biāo)非常重要，因為其成果只有世界第一，沒有中國第一?？臻g科學(xué)衛(wèi)星的目標(biāo)由科學(xué)家來定，而不像應(yīng)用型衛(wèi)星，目標(biāo)由用戶來定。對于空間科學(xué)項目，我們現(xiàn)在采取的方式是公開征集，也就是從科學(xué)家團(tuán)隊里面征集建議。建議征集到了以后，有一個公開的評審、遴選過程，由科學(xué)家自己來評選，工程師也參與，以確定方案和想法是否可行，是否在技術(shù)上能實現(xiàn)。
遴選項目時重點考慮兩個方面：一是科學(xué)產(chǎn)出的重大性，即是不是重大前沿？能否實現(xiàn)重大突破？二是考慮它的帶動意義，即是不是能廣泛地帶動學(xué)科的發(fā)展，帶動更多的科學(xué)家參與數(shù)據(jù)分析？比如，在太陽物理、空間物理方面，有幾百位研究人員等著利用新的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)能發(fā)表上千篇文章，這個學(xué)科和領(lǐng)域能突破很多理論，獲得很多新發(fā)現(xiàn)。然后還有科學(xué)可行性、技術(shù)可行性、經(jīng)費可行性分析。從“十三五”開始，科學(xué)衛(wèi)星計劃從征集到科學(xué)產(chǎn)出的管理都會逐步采用上述國際通用的管理程序。
原則上，我們希望我們的計劃能覆蓋空間科學(xué)領(lǐng)域的各個學(xué)科，例如空間天文、空間物理/環(huán)境、太陽物理、空間地球科學(xué)、空間微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)等方面。其中的地球科學(xué)衛(wèi)星不是為了應(yīng)用，而是用于科學(xué)研究。但是我們不可能一下支持那么多，所以要有重點地進(jìn)行選擇。我們選擇的項目一定是世界首創(chuàng)的，代表著我國的科學(xué)水平。
這些科學(xué)衛(wèi)星有哪些重大的技術(shù)突破？
吳季：在遴選立項的時候特別要保證技術(shù)可行性，也就是說認(rèn)為基本可行的才會立項。立項以后又經(jīng)過方案設(shè)計，在方案設(shè)計中就要重點關(guān)注關(guān)鍵技術(shù)的突破。例如，在“暗物質(zhì)粒子探測”衛(wèi)星技術(shù)上，一個挑戰(zhàn)是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜?？茖W(xué)載荷1.4t，中心探測器的密度跟鐵一樣，非常重。所以當(dāng)時我們就選擇了一個衛(wèi)星方案，也就是圍繞科學(xué)載荷進(jìn)行衛(wèi)星平臺的一體化設(shè)計。
目前國際上有沒有和我國類似的暗物質(zhì)探測衛(wèi)星？
吳季：現(xiàn)在，國際上用來開展暗物質(zhì)研究的空間計劃主要有“國際空間站”上的α磁譜儀和“費米”衛(wèi)星。前者測量能量譜段的上限為600GeV左右，后者所覆蓋的能量譜段還不如前者。我國暗物質(zhì)探測衛(wèi)星可以探測能量極高的粒子，設(shè)計指標(biāo)為10TeV，在空間分辨率方面超過現(xiàn)有其他計劃，而且探測面積很大，使得其捕獲稀少的高能粒子的能力很強。其中最重的設(shè)備是能量接收器——鍺酸鉍（BGO）晶體，采用多根晶體棒橫豎分層排列，當(dāng)粒子打上后，根據(jù)那些發(fā)光的晶體顆粒判斷粒子到達(dá)的方向。為什么只有我國能做出這樣的衛(wèi)星？因為我國有最好的晶體生產(chǎn)能力，即有60cm長的BGO晶體，這樣就能把探測器面積做得很大，而這么長的BGO晶體，只有中科院上海硅酸鹽所能做出來。2015年12月17日，“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”首發(fā)星——“悟空”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星成功升空，該衛(wèi)星的平臺、有效載荷現(xiàn)均工作正常，進(jìn)入了在軌測試階段，為我國空間科學(xué)衛(wèi)星系列的發(fā)展吹響了沖鋒號。
今年發(fā)射的實踐－10衛(wèi)星將開展什么樣的研究？
吳季：實踐－10是我國科學(xué)衛(wèi)星系列中唯一的返回式衛(wèi)星，是開展微重力科學(xué)和空間生命科學(xué)研究的高效、短期、綜合空間實驗平臺。
返回式衛(wèi)星的技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，且比較便宜。雖然目前對地觀測衛(wèi)星都采用傳輸型，不需要帶回膠片了，但是進(jìn)行微重力科學(xué)、生命科學(xué)研究等還需要回收實驗材料。比如一株植物，在微重力的情況下它會怎么生長？在太空中開展這樣的實驗，除了照相以外，科學(xué)家還希望把標(biāo)本收回來。再如半導(dǎo)體晶體的生長，在有重力的情況下，其三維不是均勻的，但是到了太空以后會長得很均勻，可以長得很長，科學(xué)家也希望把在太空中生長出來的晶體帶回來。實踐－10返回式衛(wèi)星將開展19項科學(xué)實驗，其中有11項要收回，能得到第一手?jǐn)?shù)據(jù)。衛(wèi)星的返回艙升空7天后就返回了，留軌艙繼續(xù)工作。衛(wèi)星的工作時間與其電池的電量有關(guān)。這顆衛(wèi)星不能有太陽電池翼，否則就會產(chǎn)生振動，對科學(xué)實驗有影響。這是我國第一次做這么大規(guī)模的微重力和空間生命科學(xué)實驗。
這些實驗在空間站是不是也可以做？
吳季：我國空間站正在建設(shè)準(zhǔn)備階段，計劃2018年發(fā)射第1個艙，所以在2020年之前，大部分載荷資源都會用于空間站建設(shè)，能給科學(xué)家做實驗的資源較少。因此，空間科學(xué)的發(fā)展僅靠載人航天器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有專門的科學(xué)衛(wèi)星。而且從空間站帶回的樣品比較有限，周期也較長，這對空間生命科學(xué)等一些短周期科學(xué)實驗有較大限制。返回式衛(wèi)星的科學(xué)載荷有600多千克，衛(wèi)星運行周期短，適合開展短周期的空間科學(xué)實驗。另外。我們在立項的時候已和載人航天項目做過協(xié)調(diào)，返回式衛(wèi)星的任務(wù)和載人航天的任務(wù)是不重復(fù)的。
我國今年將發(fā)射的“量子通信實驗衛(wèi)星”的主要特點是什么？
吳季：該衛(wèi)星在軌期間要完成三大任務(wù)：衛(wèi)星和地面絕對安全量子密鑰分發(fā)、驗證太空貝爾不等式和實現(xiàn)地面與衛(wèi)星之間量子的隱形傳態(tài)。這些實驗將通過我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備完成，它能夠產(chǎn)生經(jīng)過編碼的、甚至是糾纏的光子并發(fā)射到地面上，與之對接的地面系統(tǒng)則負(fù)責(zé)“接收光子”，這種被稱為“針尖對麥芒”的光子的發(fā)射和接收需要超高精度的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。
該衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)非常前沿，國際上很多國家都想做這方面的研究。日本現(xiàn)在準(zhǔn)備做一個單方向的量子密鑰傳輸，加拿大也計劃做一個單方向的量子傳輸試驗，歐洲在地面上已經(jīng)將量子糾纏分發(fā)做到了接近100km。但是在太空進(jìn)行量子科學(xué)實驗，我國將是第一個。
量子通信實驗在地面上也做過很多次，為什么還要拿到太空去做？
吳季：在地面上的實驗，傳遞的距離比較受限制。在地面上驗證貝爾不等式的實驗已經(jīng)做了，但是由于距離近，所以還有一些爭議。到太空做實驗就是要把一對糾纏的光子拉得特別遠(yuǎn)，超過1000km。這個實驗如果能做成功，對基礎(chǔ)科學(xué)會有很大的影響，所以非常值得做。
“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”技術(shù)很復(fù)雜，在飛行的過程中，它攜帶的2個激光器要分別瞄準(zhǔn)2個地面站，向2個方向同時傳輸糾纏量子對。為了讓穿越大氣層后光子的“針尖”仍能對上地面接收站的“麥芒”，在飛行過程中要始終保證精確對準(zhǔn)，跟蹤要達(dá)到相當(dāng)高的精度，這也是國際上從來沒有人做過的。激光器一站對一站的有人做過，但是1顆衛(wèi)星對準(zhǔn)2個地面站的從來沒有人做過，而且還要保證對得準(zhǔn)確。在這方面，我們的研制團(tuán)隊已經(jīng)在地面上做過模擬仿真實驗，但還是要到真正上天以后才能知道最終成功與否。這是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，如果能夠做到的話，在國際上也是第一次做這么高精度的跟蹤和地面站配合。
“硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星”有什么特點和用途？
吳季：它用于寬波段X射線（1～250keV)巡天，發(fā)現(xiàn)被塵埃遮擋的超大質(zhì)量黑洞和未知類型天體，研究宇宙硬X射線背景輻射的性質(zhì)；通過觀測黑洞、中子星、活動星系等高能天體，分析其光變和能譜性質(zhì)，研究致密天體和黑洞強引力中物質(zhì)的動力學(xué)和高能輻射過程；探索利用X射線脈沖星實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航的技術(shù)和原理。該望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家李惕碚院士有一個算法，能把一般望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高，用比較便宜的辦法提高空間分辨率來研究黑洞，這是一個巧妙的切入。
如何充分利用4顆空間科學(xué)衛(wèi)星的資源？
吳季：我們的原則是盡早開放數(shù)據(jù)，用的人越多越好。我們一般要求1年后開放共享
