從“悟空號(hào)”暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星、實(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、“慧眼號(hào)”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡，到“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，五年來，我國(guó)已成功發(fā)射四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，取得了一批先進(jìn)科研成果。

工欲善其事，必先利其器。國(guó)家主席習(xí)近平在2016年和2017年新年賀詞中，兩次提到科學(xué)衛(wèi)星，表明了對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)展的高度關(guān)注。“十二五”期間中科院實(shí)施空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)，讓中國(guó)的空間科學(xué)研究邁上新臺(tái)階。

量子科研領(lǐng)跑世界

6月16日，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)的成果，以封面論文的形式發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

8月10日， 在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)兩項(xiàng)成果，同時(shí)在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這標(biāo)志著“墨子號(hào)”提前并圓滿實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的全部三大科學(xué)目標(biāo)。

從2003年潘建偉團(tuán)隊(duì)提出利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)星地間量子通信、構(gòu)建覆蓋全球量子保密通信網(wǎng)的設(shè)想，到2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)，再到2016年“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上天，這一系列科研成果，讓我國(guó)在量子科技創(chuàng)新方面實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士認(rèn)為：“我們國(guó)家可以迅速?zèng)Q策并凝聚相關(guān)的隊(duì)伍和資源，讓‘墨子號(hào)’能夠在短短幾年內(nèi)得以上天。這種協(xié)同創(chuàng)新的巨大力量，我認(rèn)為，將會(huì)是未來支撐中國(guó)走向世界科技強(qiáng)國(guó)的強(qiáng)大動(dòng)力。”

量子隱形傳態(tài)論文的第一作者、中科大副研究員任繼剛自2005年就加入潘建偉團(tuán)隊(duì)，見證了團(tuán)隊(duì)在量子通信領(lǐng)域的發(fā)展歷程。任繼剛在量子衛(wèi)星項(xiàng)目中擔(dān)任科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師，他和團(tuán)隊(duì)成員負(fù)責(zé)地面站望遠(yuǎn)鏡工程，驗(yàn)收了5個(gè)地面站中的4個(gè)，包括2014年的河北興隆站，2015年的新疆南山站和青海德令哈站，2016年的阿里站。

圓滿完成了“墨子號(hào)”的三大科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)，團(tuán)隊(duì)又有了新的想法。下一步，團(tuán)隊(duì)將在星地雙向量子糾纏分發(fā)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行貝爾態(tài)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)地面站之間的量子隱形傳態(tài)。“‘墨子號(hào)’還會(huì)飛行一年時(shí)間，不久前我們?cè)谇嗪：��?shí)現(xiàn)了白天遠(yuǎn)距離（53公里）自由空間量子密鑰分發(fā)，接下來我們還會(huì)做研究，讓衛(wèi)星在白天也能夠‘上崗’”，任繼剛說。

“火眼金睛”探測(cè)暗物質(zhì)粒子

“目前暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星工作在預(yù)定的巡天觀測(cè)模式，已經(jīng)獲得了31億個(gè)高能粒子事件，同時(shí)進(jìn)行了電子宇宙線高精度測(cè)量，在觀測(cè)宇宙高能電子能譜以及結(jié)構(gòu)方面取得了一些重要結(jié)果�？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)正在對(duì)宇宙質(zhì)子、氦核數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)計(jì)今年內(nèi)可以發(fā)表質(zhì)子、氦核觀測(cè)結(jié)果”，暗物質(zhì)衛(wèi)星總指揮朱振才研究員對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者說。

2015年12月17日，暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星“悟空”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。衛(wèi)星已經(jīng)在500km的太陽(yáng)同步軌道上運(yùn)行了近20個(gè)月，朱振才表示，經(jīng)過在軌測(cè)試，衛(wèi)星所有指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，衛(wèi)星功能與性能參數(shù)穩(wěn)定且符合要求，各分系統(tǒng)、單機(jī)、軟件工作狀態(tài)正常、穩(wěn)定，有效載荷關(guān)鍵指標(biāo)超過國(guó)際同類探測(cè)器水平，能量分辨率達(dá)到世界第一。

暗物質(zhì)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師李華旺研究員說：“‘悟空’在太空中主要開展高能電子及高能伽馬射線探測(cè)任務(wù)，探尋暗物質(zhì)存在的證據(jù)，研究暗物質(zhì)特性與空間分布規(guī)律。”

李華旺說：“我國(guó)暗物質(zhì)衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)的能量范圍最寬，能量分辨率最優(yōu)，是阿爾法磁譜儀（AMS）和電子對(duì)望遠(yuǎn)鏡（CALET）的2倍以上。”對(duì)此，他打了個(gè)比方：“能量范圍和能量分辨率其實(shí)是有矛盾的，就像人的眼睛一樣，看遠(yuǎn)處，視野范圍變寬，就觀察不到細(xì)微的東西，看到了近處細(xì)微的事物，視野范圍就變窄了，但是‘悟空’在這兩方面做到了最優(yōu)。”

作為空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首顆發(fā)射的衛(wèi)星，研制團(tuán)隊(duì)深知經(jīng)費(fèi)來之不易，想盡了各種辦法降低成本，朱振才和李華旺不約而同地提起了為衛(wèi)星“量體裁衣”的經(jīng)過。

為了控制衛(wèi)星重量，經(jīng)過日夜攻關(guān)，無數(shù)方案提出又被否定，最終研制團(tuán)隊(duì)確定了“以載荷為中心，一體化設(shè)計(jì)”的全新理念，姿態(tài)控制、電源熱控等衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備包裹在有效載荷周圍，最終使整星重量控制在1.85噸，有效載荷達(dá)到1.41噸。

“1.8噸的衛(wèi)星長(zhǎng)二丁就可以發(fā)射，超重就可能用長(zhǎng)四乙，運(yùn)載價(jià)格超過一倍”，李華旺表示，最終團(tuán)隊(duì)節(jié)約了幾千萬的運(yùn)載成本。

團(tuán)結(jié)的空間科學(xué)“夢(mèng)之隊(duì)”

2015年12月，暗物質(zhì)衛(wèi)星發(fā)射前一周，“悟空”已被放置在塔架上。

“衛(wèi)星平臺(tái)某個(gè)傳感器的信號(hào)與在地面測(cè)試時(shí)有差異，可能需要把衛(wèi)星卸下來返回廠房檢測(cè)，消除疑點(diǎn)。”

“你是衛(wèi)星的總指揮，工程上的事情，你做的任何決定我都支持，如果有什么問題，我們一起來?yè)?dān)。”

這段與暗物質(zhì)衛(wèi)星首席科學(xué)家、紫金山天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)的通話，一直讓朱振才記憶猶新，“我們是一支非常團(tuán)結(jié)、互相信任的隊(duì)伍”。

對(duì)于量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)同樣也是如此。任繼剛說：“團(tuán)隊(duì)在一起十來年，大家的脾氣相投，合作很愉快。潘建偉老師在學(xué)術(shù)上非常嚴(yán)謹(jǐn)，要求很嚴(yán)格，但在生活上對(duì)大家十分關(guān)心。”

對(duì)中科大副研究員曹原而言，印象最深的是那首由《南山南》改編的《量子星》。“你在地球的軌道里，自由地飛／我在地面的山頂上，寒風(fēng)在吹／如果天黑之后來得及，我要望著你的眼睛／奮斗一生，完成我們的夢(mèng)／一路順風(fēng)，我們的量子衛(wèi)星”，在去年的院內(nèi)活動(dòng)上，曹原是主唱之一。

“唱這首歌的時(shí)候非常自豪，當(dāng)時(shí)衛(wèi)星完成了在軌測(cè)試，大家心里比較踏實(shí)，現(xiàn)在這首歌已經(jīng)成了我們的‘組歌’。”

朱振才也擔(dān)任了量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師，在他看來，科學(xué)衛(wèi)星的研制，很大程度能夠體現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步對(duì)科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)，用成熟技術(shù)支持新的科學(xué)探索和實(shí)驗(yàn)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心主任吳季最近撰文指出，空間科學(xué)衛(wèi)星系列就是新時(shí)期的“兩彈一星”任務(wù)。中科院在空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)中，對(duì)“十三五”、“十四五”期間的科學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行了安排和部署。

目前，中科院與歐洲航天局聯(lián)合支持的太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星（SMILE）已經(jīng)立項(xiàng)實(shí)施，愛因斯坦探針衛(wèi)星（EP）、先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)衛(wèi)星（ASO-S）正在進(jìn)行立項(xiàng)綜合論證。