地球空间双星探测计划

地球空间双星探测计划(简称“双星计划”)是中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士为首的科研小组针对近地磁层空间暴和动态活动的地球空间特性，首次提出利用两颗卫星跨越极区和赤道区等重要空间磁层区域进行的空间探测计划。

“双星计划”受到了国内外空间物理学界和欧洲空间局的高度重视。2001年9月，中国航天局和欧空局正式签署了“双星计划”合作协议。欧空局向中国免费提供部分先进的星上探测仪器，地面接收站共同接收科学数据，科学数据共享，国内外科学家共同研究，是真正意义上的与欧洲在航天高技术方面的合作，2002年国务院批准立项。

此后，“双星计划”的国际合作通过定期召开的中欧技术协调会进行技术接口、管理和其他有关问题的协调。至2004年10月，中欧双方共举行了10次技术协调会，为“双星计划”国际合作项目的顺利开展奠定了基础。

双星计划的两颗卫星中，“探测一号”卫星(TC－1)是近地赤道区卫星，轨道高度553~79331公里，轨道倾角28.5度，周期27小时；“探测二号”卫星(TC－2)是近地极区卫星，轨道高度681~38278公里，轨道倾角90.1度，周期11.5小时。

“探测一号”与“探测二号”卫星这两个太空侦察兵已分别于北京时间2003年12月30日3时06分和2004年7月25日15时05分发射升空，发射地点分别在中国西昌卫星发射中心和太原卫星发射中心。两次发射卫星双双顺利入轨成功。至此，中国的“双星”与欧空局2000年7月、8月已发射的4颗地球磁层探测卫星——“星簇计划”组成密切配合的联合探测网，在人类历史上首次实施对地球空间6点立体探测。中欧双方科学家将联手探索地球磁层空间奥秘，揭开其神秘的面纱。

截至2004年12月初，“探测一号”卫星接收一级数据约50GB，“探测二号”卫星接收一级数据约20GB。通过双星与欧空局“星簇计划”的合作，获得了欧空局“星簇计划”4颗卫星上42台仪器的大量先进科学数据，并取得与“星簇计划”相配合的地面观测数据。“双星”和“星簇计划”轨道在太阳风——弓激波——磁鞘区——向阳面磁层顶、在极隙区、在磁尾等离子体片——环电流区——辐射带和极区开展了有效的联合观测。中外科学家们利用这两个太空侦察兵，观测到向阳面磁层顶北向重联、弓激波区的低频波及其对粒子的加速，以及南极盖区中性原子极光分布结构等相关科学数据，进行了大量的研究并取得了显著成果。

到目前为止，“双星计划”中的“探测一号”和“探测二号”两颗卫星在轨运行正常，顺利实现了同欧空局“星簇计划”的预定配合方案。通过这两颗卫星，中欧科学探测仪器探测到了大量的空间环境中的粒子爆发事件，16台探测设备正不断获取地球空间的各类信息并传回地面。中外科学家正在抓紧时间对这些数据进行研究，部分研究成果已陆续开始公开发表。

“双星计划”开创了我国卫星发展国际合作的新局面，“双星计划”高质量科学探测数据的分析和研究已取得明显的科技成果，是拓展广泛国际合作前景的奠基石。“探测二号卫星发射成功 双星探测计划实现”入选“两院院士评选2004年中国十大科技进展新闻”。

嫦娥工程

月球，这颗与地球距离最近的星体，在中华儿女几千年的历史中流传着嫦娥奔月、独守广寒宫的美丽动人的传说。几千年后的今天，这个古老的传说即将被当今中国科学家们演绎为现实，中国人千年来登月的梦想即将实现。

2003年3月，国务院正式批准绕月工程立项，将工程命名为“嫦娥工程”。该工程是继发射地球轨道航天器、载人航天之后，我国航天工程的第三个里程碑，标志着中国对深空探测的开始。

中国首个月球探测计划“嫦娥工程”，分3个阶段实施：第一阶段是“绕”，发射环绕月球的卫星，全面整体地了解月球；第二阶段是“落”，发射月球探测器，在月球上进行实地探测；第三阶段是“回”，送机器人上月球，建立观测站，为载人登月及月球基地选址做准备。整个计划大概需要20年的时间。

目前，“嫦娥工程”正在实施“绕月”阶段的各项研制工作。计划在2007年发射第一颗月球探测卫星——“嫦娥一号”(CE-1)卫星。该卫星将运行在200公里高度的月球轨道上，设计寿命为一年。此次一期“绕月工程”的科学目标包括：获取月球表面三维立体图像；分析月球表面有用元素及物质类型的含量和分布；测量月壤厚度和评估氦-3资源量；以及地—月空间环境的探测。

为实现上述4个科学目标，“嫦娥一号”卫星安装了光学成像探测系统、激光高度计、g/X射线谱仪、微波探测仪和空间环境探测5类科学探测载荷，以及有效载荷数据管理系统。有效载荷除了星上设备外，还配备一套有效载荷地面综合电测系统。

有效载荷装星产品总共24件，均由中国科学院研制。空间科学与应用研究中心负责微波探测仪、空间环境探测、有效载荷数据管理系统、有效载荷地面综合电测系统的研制以及有效载荷总体的管理工作。

微波探测仪主要用于测量不同深度月壤微波辐射亮温，进而反演月壤厚度的信息并对月球的氦-3资源量和分布进行评估。利用微波辐射计对月球探测，在国际上尚属首次。

空间环境探测分系统包括太阳高能粒子探测器和两台太阳风离子探测器。其中，太阳高能粒子探测器用于监测卫星轨道空间高能带电粒子；太阳风离子探测器用以分析地—月和月球空间环境的太阳风中的低能离子。“嫦娥一号”卫星空间环境太阳高能粒子探测、太阳风离子探测对我国来说是首次，这是我国继近地空间环境探测之后迈向深空探测的第一步。

有效载荷数管分系统负责科学数据的采集、存储、处理和传输的工作。由总线控制器、远置终端、大容量存储器、高速多路复接器和载荷配电器5台设备组成。总线控制器、远置终端和高速多路复接器在设计中采用了双机备份冗余结构。大容量存储器设计上考虑了冗余的存储容量。载荷配电器在设计中采用了功能冗余设计。

有效载荷地面综合电测分系统是支持有效载荷系统联试和参加卫星整星测试的专用设备，用于检测星载有效载荷设备的功能、工作状态及与卫星系统的匹配和协调工作能力。在有效载荷系统联试中，该设备是系统级电性能测试的主要测试工具，在卫星系统电性能测试中，该设备式卫星测试设备的专用测试设备之一。

有效载荷总体在整个工程研制过程中，按照航天工程的研制程序和规律组织有效载荷的研制和生产，对有效载荷研制的质量和进度进行管理，保证高标准、高质量、高效率地完成有效载荷的研制任务，实现“嫦娥工程”的科学目标。

载人航天工程

“神舟”五号载人飞船的成功发射和顺利返回，标志着我国成为世界上第三个将宇航员送入太空的国家，极大地振奋了中华民族的精神和自豪感。其中载人航天工程应用系统的任务由中国科学院空间科学与应用研究中心(总体部)(简称空间中心)牵头负责，院内外50多家单位共同协作，先后于1999年11月20日、2001年1月10日、2002年3月25日、2002年12月30日、2003年10月15日发射的“神舟”一号至五号飞船，其应用系统均取得圆满成功。载人航天工程寄托着中华民族的飞天梦想，此项工程的成功对于提高我国的综合国力、振奋民族精神、带动我国高新科技的发展有着重大的意义。

空间中心参加载人航天工程应用系统的研究集体，主持了应用系统的总体工作，并承担了该系统14个分系统中的4个分系统的工作。各科室参研全体科技人员发扬协力攻关的团队精神和艰苦奋斗、求实创新、严肃认真的工作作风，为国家的载人航天事业做出了突出的贡献，展示了中国科学院在空间科学和技术上独特的风采。

载人航天工程的有效载荷公用设备分系统

在我国载人航天工程中，空间中心的空间综合电子技术研究室承担了“神舟”飞船有效载荷公用设备分系统的研制工作。有效载荷公用设备分系统是载人航天工程应用系统最重要的分系统之一。它的主要任务是根据载人航天工程应用任务的总体要求，研制有效载荷公用设备，包括电源设备、数管设备和通信设备，将各艘飞船上分散的应用系统有效载荷有机地连接在一起，构成相对独立的有效载荷系统，与飞船有关部分接口。

电源子系统为飞船有效载荷分配电源并提供二次电源；数据管理子系统负责进行有效载荷数据采集、存储、处理和传输，指令分发，信息共享及运行管理；并通过通信子系统将有效载荷的科学数据及工程参数由飞船传输到地面接收站。

公用设备分系统采用了多项具有国际先进水平的新技术。例如：基于1553B总线的分布式数据管理系统；基于DRAM的固态大容量存储器；首次在国内航天器上采用了国际上先进的CCSDS高级在轨系统数据标准；研制成功能将来自不同载荷不同数率的数据按CCSDS标准异步复接为串行数据数流的关键设备——高速多路复接器；研制成功体积小、重量轻，采用锁相倍频、固态功放、QPSK调制方式的S波段发射机。

公用设备分系统总体方案在设计上与代表当今航天数据管理系统国际先进水平的哥伦布舱水平相当，在工程实现上则先于哥伦布舱，在“神舟”一号到“神舟”五号的历次飞行任务中均圆满完成任务，2004年通过了总装备部组织的鉴定，认为该项成果属国内领先、达到国际先进水平。

载人航天工程的多模态微波遥感器

2002年12月30日0时41分，“神舟”四号飞船成功发射。“神舟”四号的主载荷——多模态微波遥感器是我国第一次进入太空的微波遥感器。因此，其工作受到世人的广泛关注。

多模态微波遥感器体系是我国独创。它集频率覆盖6.6GHz到37GHz的五通道微波辐射计、测量精度为10厘米的微波高度计和风场测量的扫描型微波散射计3个模态为一体，采用统一监控、统一数管等技术，形成了具有特色的一体化体制。在轨运行中，3个模态在统一数管监控下形成各自独立的信息通道，分别获取各自的数据。“神舟”四号多模态主要实验目的是：验证技术体制、验证各模态功能、验证数据定性趋向分析、做应用实验。多模态微波遥感器在轨运行期间，获得了大量的海面亮温数据、海面高度数据、部分风场数据以及重点地区后向散射数据。多模态微波遥感器的发射成功为我国气象卫星、海洋卫星及其他微波遥感卫星的研制及业务运行打下了坚实的基础，并提供了宝贵的经验，使我国在国际航天微波遥感领域中占有一席之地，实现了中国航天微波遥感零的突破!

载人航天工程的空间环境监测

载人航天飞船运行在距离地面300多公里的载人航天轨道上，各种能量和成分的带电粒子、中性粒子，各个波段的电磁辐射、磁场、电场、微流星和空间碎片以及温度、微重力等空间环境因素，通过单粒子效应、辐射剂量效应、充放电效应、剥蚀效应、阻尼效应等对航天器的安全运行及航天员的活动构成了严重的威胁。为了确保飞船、航天员的安全运行，确保我国载人航天工程的成功，进行空间环境及其效应监测显得尤为重要。

在载人航天工程中，空间中心空间环境探测研究室承担了“神舟”二号至“神舟”五号4个“神舟”型号的空间环境探测任务，开发了8种空间环境探测仪器，填补了国内空白。探测内容涵盖了载人航天工程中最为关注的高能带电粒子及其单粒子效应，低能带电粒子及其表面电位效应，大气成分及其原子氧效应，大气密度及其阻力效应等因素。

通过4个“神舟”型号上8种共23台空间环境探测仪器的在轨正常工作，获得了大量详尽的宝贵资料，填补了我国载人航天运行轨道空间环境探测数据的空白，为建立和丰富我国自己的空间环境探测数据库做出了重大贡献，为载人飞行掌握飞船运行轨道空间环境及其效应提供第一手资料，起到探路和侦察兵的作用。在“神舟”五号载人飞船上设置的高能质子重离子探测器和高能电子探测器，实时监测高能带电粒子环境的变化状况，为航天员生命和健康保驾、为飞船安全运行护航，并为载人航天的后继任务积累了宝贵的资料和经验。

载人航天工程的空间环境预报

空间中心的空间环境预报室承担了我国载人航天工程的空间环境保障任务，为工程任务的方案论证、设计研制、发射、运行和回收等全过程提供了保障；为飞船设计提供了空间辐射、等离子体、轨道大气等环境参数及可能的危害预报；为“神舟”系列飞船的发射，开展了空间环境扰动及其危害的中短期预报和预测，为发射窗口的优选提供辅助建议；为飞船的在轨运行，开展空间环境监测预警，预测灾害性空间环境事件的发生及其对飞船尤其是对航天员的危害，提出危害规避建议。

空间中心准确预测了“神舟”一号原计划发射期间“狮子座”流星暴的发生，提出了推迟发射的建议并被采纳，最终飞船推迟48小时发射。这是我国航天史上首次考虑空间环境因素而推迟的航天发射。针对“神舟”五号首次载人飞行，空间中心开展了精细的空间环境保障服务。为飞船异常轨道飞行进行了辐射环境及其对航天员影响的分析，为异常情况下的飞行预案制定提供了参考。飞船发射前夕，“空间碎片碰撞预警系统”进行了密集的分析预测，筛选出飞船发射的3个禁飞时段，为飞船的安全发射提供了重要的决策依据。飞船留轨运行其间，对期间遭遇的一系列太阳爆发活动事件及其对飞船的影响进行了连续的预报和分析，及时向有关部门发布警报。

空间中心在空间环境保障方面的研究成果已在我国载人航天、“风云”、“资源”、“海洋”、“探测”等多个卫星型号任务中得到应用。

载人航天工程的空间科学实验装置

(1)空间电泳仪

空间中心研制的空间电泳仪参加了我国“神舟”四号飞船上的空间生命科学试验，并顺利地完成任务，获得了很好的实验结果。利用空间特有的环境条件，探索空间微重力环境对生物体的影响，进行空间生物学效应的实验和研究，以及开展生物材料加工技术和应用的实验与研究是生命科学研究的前沿领域。在“神舟”四号飞船上装载的连续自由流电泳仪是生物大分子和细胞分离纯化的硬件系统，由空间中心研制，主要用于进行蛋白质的空间电泳分离实验。它是我国自主研制的第一台空间电泳仪。该电泳仪包括电泳仪装置和电控箱两台设备，在飞船资源有限的条件下，研制过程中突破了多项关键技术，研制出多通道驱动泵、气液分离器、多通道单向阀收集器和光电检测等自己特有的产品。

电泳仪在“神舟”四号飞船上进行的电泳分离实验中，在轨运行正常，性能良好，获得了完整的工程和科学数据，无任何丢失和错误；返回舱着陆后，回收的电泳仪装置完好无损，得到全部分离产物。与地面试验结果比较，在空间进行的试验可获得更好的电泳分离效果。首次飞行试验取得了圆满成功，填补了我国在此领域的空白。经鉴定，空间电泳仪的总体水平与国外同类产品相比具有体积小、功耗低的特点，不但国内领先，而且已经达到了同类产品的国际先进水平。

空间电泳仪的试飞成功，实现了我国空间电泳研究的一次飞跃，标志着我国已经初步掌握了这种空间电泳分离技术，为今后我国空间药用生物材料的分离及其它空间生命科学研究奠定了良好的基础。

(2)空间晶体生长炉控制系统

空间晶体生长炉控制系统参加了我国“神舟”一号到“神舟”三号飞船上的空间材料科学试验，并顺利地完成了各次晶体生长任务，获得了很好的实验结果。与我国以往的星载空间材料科学试验设备相比，该控制系统在如下几个方面进行了创新。

该控制系统控制多工位空间晶体生长炉每次生长6个工位内不同的材料样品。按照每种材料的热工艺与生长参数，程序控制样品的温度变化和位置变化。使每一次飞行试验获得了多项不同样品的实验结果，从而节省了宝贵的空间资源(质量、体积等)；

该控制系统使用了PID全数字闭环控制，达到了较高的控温精度，保证空间晶体生长在一个温度稳定的环境中进行，为空间晶体的生长创造了一个良好的热环境；

通过该控制系统可记录全部实验过程的相关参数和数据，并可通过飞船数据传送系统传至地面。可在地面监视空间晶体生长的全过程。为科学家分析空间生长的晶体提供完整的和可靠的实验过程数据。

空间晶体生长炉控制系统在各次空间试验中都能顺利完成预定任务，工作正常，实际性能优于设计指标，为我国空间材料科学领域的研究做出了重要贡献，其自动控制性能达到了国际先进水平，缩短了我国在此领域与国外先进水平的差距，并为我国未来空间材料科学的硬件发展和空间材料科学研究奠定了重要的基础。