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1998年秋，在北京西山召開的一場空間物理戰略研討會上，20多位中國頂尖空間物理學家熱火朝天地討論我國空間科學的發展現狀。

大家提到一個關鍵問題：中國有一流的科學家，卻沒有一手的空間科學數據，無論是空間科學、空間技術還是空間應用都落后于各航天大國。

在場所有人如鯁在喉，共同呼吁：“中國必須有自己的空間科學衛星。”

隨后，空間物理學家、中國科學院院士劉振興等人以更加堅定的決心，更加努力地將一個大膽的設想變成現實——用兩顆科學衛星完成對地球空間的多點探測。

2004年，在中國科學家與歐洲科學家的共同努力下，我國首個空間科學衛星計劃——地球空間雙星探測計劃（以下簡稱“雙星計劃”）成功實施。從此，中國人有了自己的空間科學衛星，中國空間科學的新紀元由此開啟。

“雙星計劃”在軌示意圖。

雙向奔赴

1997年11月，時任歐洲空間局（以下簡稱歐空局）空間科學部主任羅格·博奈帶著一眾科學家來到中國科學院空間科學與應用研究中心（現為中國科學院國家空間科學中心，以下簡稱空間中心），檢查歐空局“星簇計劃”（Cluster）中的中國科學數據中心建設情況。他們和中國科學家們坐在一起，為命途多舛的“星簇計劃”出謀劃策。

“星簇計劃”是歐空局于1983年提出的科學衛星探測計劃，目標是用4顆衛星星座在極軌軌道上飛行，對地球磁層空間進行實地探測。1990年11月，劉振興向歐空局申請加入“星簇計劃”衛星科學數據系統，在我國建設科學數據與研究中心，1992年2月該提案獲得通過。

不幸的是，1996年“星簇計劃”搭乘的法國阿麗亞娜V型火箭在發射數十秒后爆炸，4顆衛星全部隕滅于火光之中。1997年，心有不甘的歐空局重啟“星簇計劃”，科學數據中心的建設也再度提上日程。

在此次來訪期間一次會議上，中歐雙方科學家各自報告現有工作和未來設想。劉振興的報告講到了“雙星計劃”。

“雙星計劃”是由劉振興等專家于1997年牽頭提出的一個科學衛星探測計劃構想，預期用一顆環繞赤道附近飛行的衛星和一顆極軌衛星，對地球磁層進行探測。這一計劃瞄準當時地球空間最具挑戰性的科學問題——磁層空間暴驅動和觸發機制的全球多時空尺度的物理過程。

聽完報告，歐空局代表團突然提出休會要求，他們聚集到樓道里，低聲交流了一會兒。等大家重新回到會場，羅格·博奈舉手詢問：“我們能不能加入你們的‘雙星計劃’？”

原來，歐空局“星簇計劃”里的4顆編隊飛行衛星之間距離不遠，從宇宙中看，它們幾乎還是在地球極軌上環繞的一個“點”。如果能夠參與“雙星計劃”，歐方科學家不但能獲得赤道面的信息，還能獲得極軌面較低軌道的信息，對地球空間開展多達六點的探測。

對于中國科學家來說，這是一次難得的機會。當時我國還沒做過專門的科學衛星，如果與歐空局合作，將有機會獲得更高水平的科學探測載荷、學習到更成熟的技術和空間科學衛星計劃工程管理經驗。

雙方一拍即合，當即在北京簽署了“雙星計劃”與“星簇計劃”合作的協定書。

1997年11月，歐空局空間科學部主任一行訪問空間中心，簽署“雙星計劃”與“星簇計劃”合作的協定書。

2000年4月，經原國防科工委和中國航天科技集團協調，確定將“雙星計劃”的總體任務交由中國空間技術研究院（即中國航天科技集團公司五院），空間中心負責地面應用系統和衛星載荷系統的建設、設計和研制。2001年7月9日，中國國家航天局和歐空局在法國巴黎正式簽署中歐“雙星計劃”合作協議。 2002年9月，原國防科工委、原國家計委、財政部聯合向中國科學院、中國航天科技集團印發通知，正式批準“雙星計劃”立項。 根據“雙星計劃”工程任務分工，衛星系統由航天東方紅衛星有限公司負責。

技術挑戰

順利達成合作，中方團隊干勁十足。但對當時從未發射過科學衛星的中國而言，每一步都得“摸著石頭過河”。

原國防科工委和中國科學院集結諸多頂尖力量，打造了一支“王牌戰隊”，為“雙星計劃”保駕護航。中國科學院院士、“兩彈一星”功勛獎章獲得者王希季擔任工程總設計師，衛星控制系統“大拿”倪行震擔任工程副總設計師，“雙星計劃”的提出者劉振興擔任工程首席科學家，時任空間中心副主任吳季擔任地面應用系統總師、總指揮、中歐合作總協調人。

“雙星計劃”的兩顆衛星分別被命名為“探測一號”和“探測二號”，共配備了16臺科學探測儀器，覆蓋多項空間環境和物理參數的探測，其中8臺由空間中心研制、7臺由歐空局提供，剩下的1臺由雙方合作研制。

“雙星計劃”的兩顆衛星。

“雙星計劃”為中國科學家帶來了前所未有的三重挑戰。

一是衛星自身的磁場控制問題。如果要精密測量動態變化的地球磁層，必須將衛星自身磁場強度控制在很小的數值范圍內。距離衛星表面2.5米處，衛星產生的磁場不能大于1.5納特斯拉。這是此前從未實現過的指標。

二是衛星表面電位控制問題。為了確保衛星攜帶的科學載荷能精準獲取低能段探測數據，衛星需要配備主動電位控制儀，通過釋放金屬銦粒子，把衛星的電位控制在1伏特以下。

三是數據傳輸問題。兩顆衛星都要沿大橢圓形軌道運行，衛星與地面接收站的距離變化很大，這就需要設計出一個變速率的數據傳輸方案，保證衛星在運行軌道的任何位置都能可靠高效地將數據傳送回地面。

當時，我國在空間科學探測設備的研制上沒有太多經驗，一些科學探測儀器只在低軌的氣象衛星上運行過，從未進入過地球輻射帶經受惡劣空間環境的考驗。經過不懈的攻關，科研團隊完成了任務。2002年6月，在空間中心的努力下，國內有效載荷、公用設備通過衛星總體驗收，7月在中國空間技術研究院進行整星剩磁測試。

“盡管當時我們很多儀器和技術的水平與國際存在差距，但通過和歐空局合作，我們不斷正視自己的不足，這對我們的幫助很大。”回憶起那段歲月，再比照我國現在的科學載荷研制水平，吳季不禁感慨，“‘雙星計劃’實際上是一個起點，讓我國的空間探測快速提高到國際水平。”

聯調風波

在中歐雙方均完成自身載荷研制任務后，“雙星計劃”迎來國際合作的關鍵一步：共同完成有效載荷預集成測試，確保中方研制的載荷數據管理系統能與歐洲提供的科學載荷順利對接。

根據合作協議，歐方研制的儀器數據要先傳到中方研制的衛星平臺設備上，再集中打包發送至地面。然而，由于雙方的儀器設備制式不同，想要接收到對方的信號，就得設計專門的接口，讓儀器和平臺設備之間實現自由“通話”。

然而，在“雙星計劃”的聯合調試（以下簡稱聯調）過程中，發生了一場風波。

2002年9月16日，空間中心組織“雙星計劃”赴歐聯調實驗隊一行20多人，遠赴英國帝國理工學院，進行“雙星計劃”歐洲載荷預集成測試。吳季任隊長，時任空間中心空間綜合電子技術研究室主任孫輝先、時任“雙星計劃”應用系統副總設計師蔡金榮任副隊長。

出發時，大家斗志昂揚，準備大展身手。可剛到帝國理工學院，就被潑了“冷水”。歐方覺得中方人數太多，只允許幾個人進入實驗室。無奈之下，其余的科研人員只能在咖啡廳焦急等待。

沒過兩天，聯調出了問題。中歐雙方的儀器連接起來后，信號無法傳輸和接收。雙方對照數據接口文件，把各自設備里里外外檢查了好幾遍，都沒有發現問題。

兩邊的儀器都符合標準，為什么“通話”會失敗呢？

就在雙方一籌莫展之時，孫輝先要來了對方的電路圖，從密密麻麻的圖紙上看出了端倪。他會心一笑：“我知道問題出在哪兒了！”

中歐雙方的研究人員不由得圍聚過來，孫輝先解釋了信號不通的原因，而后安排人員將接口電路板中變壓器的一根接地線斷開，中歐兩臺儀器的信號果然順暢接通了。

2002年9月，中方科研團隊在歐洲進行聯調時，孫輝先（前排中）找到聯調問題的根源。

大家這才明白，原來中方團隊按照歐空局提供的數據接口文件設計了儀器，但歐空局調整了文件內容，卻沒有及時告知中方。

“烏龍”事件后，歐方團隊對中方科學家的專業性有了信任。當晚，他們盛情款待中方團隊。此后，中方科學家也可以自由進出實驗室了。

更讓合作者驚嘆的是，中國科學家僅用1個月就完成了原本需要3個月甚至半年才能完成的聯調工作。從2002年9月16日到10月10日，中方團隊在英國不僅圓滿完成了全部對接實驗，而且向歐方展現了中國科學家的專業和高效。 這是中國科學院第一次以大型實驗隊的組織形式赴歐洲進行航天高技術領域國際合作，歐方團隊形容此次合作“超乎尋常的成功”。

“雙方建立起信任后，合作非常融洽。”孫輝先說。

2002年，“雙星計劃”赴歐洲聯調結束后，實驗隊與歐洲合作伙伴合影。

成功發射

解決聯調的關鍵問題后，“雙星計劃”進入正樣階段，兩顆衛星即將交付。這是整個衛星研制最緊張的時期。然而，2003年春季暴發的“非典”疫情打亂了研制的進度。參加“雙星計劃”的科研人員一直堅守崗位，大家只有一個目標——按時間、保質量完成研制工作。

按照計劃，歐空局科學家要在4月底將他們的有效載荷帶到北京驗收。為不受國內疫情隔離政策的影響，保證驗收環節按計劃進行，帝國理工學院一位科學家提出，請中方人員到他們的實驗室驗收，再把儀器設備帶回中國。2003年5月，中方團隊應邀到英國倫敦對歐方研制的“探測一號”5臺有效載荷進行單機驗收和儀器操作培訓，并順利帶回所有歐洲研制的正樣設備。

2003年，中方科研人員在英國驗收歐方科學載荷。

接下來，還要進行“探測一號”正樣有效載荷的聯調。當時，雖然“非典”疫情已得到初步控制，但世界衛生組織尚未解除對赴北京旅行者的旅游警告。面對緊張的項目進度，時任歐空局空間技術與研究中心項目經理博多·格萊姆科和時任德國宇航公司工程師羅蘭德·諾德向各自機構承諾“自行承擔一切風險”，主動來北京參加聯調。

7月初，聯調順利結束。“中外研究人員舉行了小型慶祝活動，共克時艱的特殊經歷讓雙方的合作更加密切。”每每回憶起這段經歷，吳季總忍不住這樣感慨。

2003年，歐方科研人員在中國完成設備聯調。

2003年12月30日，“探測一號”由長征2C/SM運載火箭發射升空。

2004年7月25日，“探測二號”由長征2C/SM運載火箭發射升空。

發射成功后，經過在軌成功測試，兩顆衛星陸續順利交付使用。我國“雙星計劃”既能完成地球空間的獨立探測，又能與歐洲“星簇計劃”協調探測，實現了人類歷史上首次對地球空間的六點協調探測。

吳季至今記得，“探測二號”發射成功時，他正代表中國參加國際空間研究委員會（COSPAR）的理事會會議。得知喜訊后，他寫了張字條遞給當時已擔任COSPAR主席、正在主席臺上的羅格·博奈。后者非常高興，當即向全場宣布：“歐空局和中國合作的‘雙星計劃’第二顆衛星成功發射！”

全場掌聲雷動。從那一刻開始，中國人擁有了自己的空間科學衛星，中國空間科學正式走上國際舞臺。

舞臺中央

2007年10月14日，原計劃運行24個月的“探測一號”完成使命，實際在軌運行46個月；2008年8月7日，原計劃運行18個月的“探測二號”也完成了使命，實際在軌運行48個月。兩顆衛星都延壽運行，獲取的數據量也翻番。

“雙星計劃”兩顆衛星在軌運行期間，共向地面傳輸科學數據超500GB，接收超70萬條探測計劃指令，平均2到3分鐘就能執行一條指令，且從未出現執行錯誤、丟失或不準時的問題。

2004年3月至2009年2月期間，科研人員基于“雙星計劃”獲取的探測數據，共發表高水平論文百余篇。

“‘雙星計劃’與‘星簇計劃’實現了人類歷史上首次對地球空間的六點協調探測，非常有利于研究磁層亞暴過程。”時任“雙星計劃”科學工作委員會副主席、“雙星計劃”地面應用系統科學應用分系統副主任設計師曹晉濱院士評價稱。

2006年，劉振興提出了亞暴觸發過程的“鋒面觸發”理論，并在COSPAR學術大會上宣讀。國際著名空間物理學家麥克弗倫評價：“中國學者利用雙星的數據，對如此重要的科學問題進行研究并取得了一些重要的新成果，我特向他們表示熱烈的祝賀。我懇切希望大家對這項研究的下一步進展給予關注。”

融洽的國際合作和豐碩的科學產出，促使“雙星計劃”與“星簇計劃”聯合團隊于2010年獲得了國際宇航科學院（IAA）的杰出團隊成就獎。這是我國第一次獲得國際航天領域的重要獎項，此前獲得該獎項的還有美國航天飛機團隊、哈勃空間望遠鏡計劃團隊等空間項目團隊。同年，“雙星計劃”獲得國家科學技術進步獎一等獎。

2010年，“雙星計劃”與“星簇計劃”聯合團隊部分獲獎成員在于捷克布拉格舉行的IAA頒獎儀式上。（受訪者、空間中心供圖）

更重要的是，作為中國首個空間科學衛星計劃，“雙星計劃”為我國后續空間科學研究的管理模式、合作方式等奠定了基礎。

“在‘雙星計劃’中，我們發現，空間科學衛星項目要實現既定的科學目標，就需要對軌道設計、載荷配置和科學數據產出等各環節有嚴格的規定，既需要首席科學家挑大梁，在具體的操作過程中，又需要工程總設計師和工程管理組協調落實。”吳季說，正因如此，“雙星計劃”建立了“首席科學家+工程總設計師+工程管理組”的工程組織管理體系，成為我國后續空間科學衛星工程的通用模式。

他們還摸索出空間科學衛星國際合作的規范化路徑。“合作初始，由于雙方管理方式不同，前期對接困難重重。后來，雙方根據合作協議建立了技術協調會議制度，每半年開一次技術協調會，分別在北京和歐洲舉行，衛星工程人員和載荷工程師一同討論，在技術上相互支持，毫無保留，力爭將問題‘扼殺在搖籃里’。”吳季說。

以“雙星計劃”為起點，中國空間科學衛星計劃正在走向世界舞臺的中央。中國科學院于2011年啟動戰略性先導科技專項“空間科學”，于2018年啟動該專項第二期，成為我國迄今為止最大的空間科學衛星計劃。“悟空”“實踐十號”“墨子”“慧眼”“懷柔一號”“太極一號”“夸父一號”“愛因斯坦探針”……這些年，一系列大名鼎鼎、不斷開拓空間科學新領域的衛星陸續升空，讓我國空間科學成果屢屢獲得國際關注。

中國空間科學衛星的國際合作經驗也從“雙星計劃”延續至今。如今，中歐合作的“SMILE”空間科學衛星探測計劃正在研制之中，計劃于2025年發射，預計將獲取太陽風與地球磁層相互作用以及地球空間暴發生、發展變化過程的大量數據，有望持續獲得更新人類知識圖譜的新發現。

《中國科學報》 (2024-05-16 第4版 專題)

來源：《中國科學報》

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