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地球空间双星探测计划

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40多年前,绝大多数科学家都认为地球除了接受太阳光辐射的惠泽外,几乎是在一个空无一物的真空中孤寂地运行着,现在这种观念已经根本地改变了。如果说地球是行驶在一种电离气体——等离子体的海洋里,在充满各种能量的等离子体洪流中行使着,人们也许会感到惊奇。但确实地球就在这种“海洋里”,每时每刻都经受着平均风速达400公里/秒太阳风等离子体吹袭。即使你没有听到风吼,也感觉不到房里和大地的摇动,这狂风确实强烈地影响了地球:在地球的两极区,会突然有极光从天空上垂挂下来;地磁场会发生了激烈的扰动;无线电通讯会突然中断;卫星上的仪器会莫名其妙的损坏了;地面上长程输电线路感应到了新的电流……这些现象都与地球外空发生的某些物理过程有关。
  20世纪前50年,人们对地球外层大气和电离层都所知甚少,更不要说广袤日地空间里的现象。受观测手段的局限主要在地面上对地磙变化的观察,人分布全球的地磁台长期观测分析出地磁场的各种变化,并由此反演和推断引起这种变化的外空原因。
  早在1931年恰普曼就预见到地球磁场不会伸延到无穷远。1958年第一颗人造地球卫星的发射成功开辟了人类对地球外层空间和行星际直接探测的新,随着航天技术和空间探测技术飞速发展,人类探测、研究和利用日地空间的能力也有了极大的提高,发现了大量新的现象(地球辐射带、地球弓激波、磁层顶、磁尾和太阳风等)。目 前空间探测的重点已由早期开拓疆土式的空间发现转入深入了解地球空间环境发生复杂物理过程方面。
  由于人类居住的地球,因而日地系统是人类活动产生直接影响的天体系统。日地系统包括太阳上层大气、日地行星际空间、地球磁层、地离层和高中层大气,其中地球磁层、电离层和高中层大气又称地球空间。地球空间是被太阳风包围着的、受地球磁场控制的空间区域,也是各种应用卫星、空间站和载人飞船运行的主要空间区域。
  地球空间并不是静止的,它在太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中,称为地球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴,磁暴和磁层粒子暴等)是地球空间暴的最重要部分,也是一些其它地球空间暴的产生源头。在地球两极地共发生的极光就是磁层亚暴的一种表现形式。
  这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展十分规律目前还不为人类所了解。以刘振兴院士为首的中国科学家提出的地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。
  项目概述
   我国的地球空间双星探测计划(双星计划)主要用于研究太阳活动,行星际扰动触发磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程,进而建立磁层空间暴的物理模型、地球空间环境动态模型和预报方法,为空间活动以及维护人类生存环境提供科学数据和相应对策。
  双星计划是中国与欧洲合作的第一个科学探测卫星项目。按照2001年中国国家航天局和欧空局签署的合作协议,双星计划与欧空局最为重要的磁层探测计划ClusterⅡ密切配合,形成人类历史上第一次对地球空间的六点立体探测,成为国际空间探测计划中的重要组成部分。双星计划还将与国家重大科学工程“东半球空间环境地成综合监测子午链”的科学目标配合,形成我国空间环境的立体监测系统,并与ClusterⅡ卫星和国际上其他科学卫星相配合,在23周太阳峰年及其下降期间的有利时机进行多卫星及地面联合观测。
  双星计划将有力地促进我国空间物理学科的发展,推动我国在国际空间领域与其他国家的进一步合作,标志着我国地球空间探测水平又迈上了一个新台阶。
  科学背景
  太阳系中行星之间巨大的空间被太阳风(太阳喷射出来的超音速带电粒子流)所主宰。幸运地是,地球磁场有能力使我们的星球避免太阳风的侵害。我们可以观察到近地空间一些太阳风与地球磁场交汇的层面与边界。太阳风与地球磁场相互作用的第一个现象就是在地球向阳面空间中产生的冲击波,这个弓形冲击波的形成就像超音速飞机的穿越音障时减速而激发起的音爆轰鸣一样。地球外空间的弓形波层是由于超音速太阳风接近与地球磁场屏障时突然减速而产生的。
  在地球磁场保护下的空间区域被称为地球磁层。地球像湍急河水中的一座孤岛一样可以使它周围的粒子流改变方向。当粒子流冲刷过地球时,磁层突然间被塑造成一个大头向太阳方向、尾部(磁尾区)长达数百万公里的蝌蚪形状。磁层空间的边缘称为磁顶层。当太阳活动剧烈时,受到强大太阳风的压力,磁顶层被挤到距地球35.000km的高度。
  但是,地球磁场有两个防御薄弱的地方,这就是地球的南极和北极。太阳风的粒子流可以从这两个地方沿着磁力线螺旋下降。当这些带电粒子与上层大气相撞时,就产生了极光现象。
  地球磁层、电离层和高中层大气又为地球空间。地球空间是被太阳风包围着的、受地球磁场控制的空间区域,也是各种应用卫星、空间站和载人飞船运行的主要空间区域。
  地球空间在太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中,称为地球空间暴。其中磁层空间暴是地球空间暴的最重要部分,也是一些其它地球空间暴的产生源头。这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展规律目前还不为人类所了解。地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。
  
  科学目标
  双星计划包括两颗小卫星:探测一号卫星(赤道星)和探测二号卫星(极轨星)。探测一号卫星运行于近地点550km、远地点66790 km、公布倾角28.5度的轨道,用于探测近地磁尾区的磁层空间暴过程及向阳而磁层顶区太阳风能量向磁层中的传输过程;探测二号卫星运行于近地点700km、远地点39000km、倾角90度的轨道、用于探测太阳风能量和近地磁尾区能量向极区电离层和高层大气的传输以入电离层粒子向磁层中的传输过程。这两颗小卫星运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要活动区,相互配合,构成具有明显创新特色的星座式独立探测体系,可以对地球空间暴发生机制和发展规律进行立体探测。
  双星探测数据的接收将由中科院空间科学与应用研究中心密云科学卫星数据地成接收站、上海天方台佘山观测站以及欧洲空间局西班牙卫星数据接收站共同完成。
  
  
  卫星简介
  双星计划中的两颗小卫星均由中国航天东方红卫星公司负责平台研制及卫星总成。中国科学院空间科学与应用研究中心负责研制有效载荷数据的采集、管理与传输以及部分的探测仪器,由欧空局协调的八家欧洲科研制机构负责研制其它探测仪器。
  两颗小卫星的有效载荷各由8台探测器组成。这16台探测仪器将进行三维磁场探测,粒子探测,低频电磁波探测和卫星表面电位主动控制。
  探测一号卫星质量为335kg,由星体结构、姿控、热控、电源、总体电路、星务、测控、有效载荷等系统组成,设计寿命18个月。在卫星研制中解决了卫星磁洁净度、星体表面等电位、抗辐射等技术难题。该卫星的探测器包括:三分量磁通门磁强计、热离子分析仪、电位主动控制仪、电子和电流仪、高能电子探测器、高能质子探测器、重离子探测器和低频电磁波探测器。
  探测二号卫星343kg,设计寿命12个月,构型与探测一号基本相同,只是装载了功能不同的有效载荷,包括三分量磁通门磁强计、中性原子成像仪、电子和电流仪、高能电子探测器、高能质子探测器、重离子探测器、低频电磁波探测器和低能离子探测器。
  探测一号卫星于2003年12月30日在西昌卫星发射中心,由长征二号丙SM运载火箭成功发射,探测二号卫星于2004年7月发射升空。
  
     
 
  火箭简介
  双星计划中的两颗卫星由中国长征二号丙SM运载火箭分2次发射,该型火箭由中国航天科技集团所属的中国运载火箭研究院为主研制,火箭由两级状态的长征二号丙火箭加上固体上面级SM组成,火箭起飞214质量吨,全长39.9米,箭体与整流罩地直径为3.35米。新研制的上面级由主结构、固体发动机、姿控系统、控制系统、分离系统、遥测系统等组成,采用自旋稳定和三轴稳定相结合的姿态控制方式,用于实现卫星的变轨、调姿和起旋,以满足卫星人轨的要求。长征二号丙及其改进型火箭已连续成功发射23次,此次探测二号卫星的顺利升空,创下了长征二号丙火箭系列的第24次成功记录。它的研制成功使长征二号丙系列火箭技术上升了一个新的台阶。

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