空间科学“最亮的星” | 都亨：与空间环境一生结缘

　　在常人看来，我们头顶的太空，浩淼无边又神秘莫测。

　　而在都亨眼中，太空中特别是近地空间里神秘莫测的风险都已被一一具化。中性气体、等离子体、高能带电粒子（包括太阳宇宙线、银河宇宙线和辐射带）、地球磁场、流星体还有空间碎片，以上种种组合起来就构成了地球外的空间环境。

　　作为我国空间环境预报学科的创始人之一，都亨与空间环境结下了不解之缘。

　　都亨在发展战略评审会作报告

　　开启“红色预报员”征途

　　1935年出生在上海的都亨，童年时期正值神州陆沉，风雨飘摇之际。1937年，淞沪会战后，上海沦陷，年幼的都亨随父亲逃往香港避难。好景不长，1941年，太平洋战争爆发，日本侵略者又攻占香港。至今，都亨仍对日军飞机狂轰滥炸九龙的情景记忆犹新。都亨一家不得已再次逃亡，他们只能半夜偷偷搭乘卡车逃到内地，一路西行，艰难抵达重庆。

　　抗战胜利后，都亨一家回到上海，才算是结束了颠沛流离的生活。“上海解放的时候，我刚好上初一，从那以后生活就更稳定了”。都亨回忆道。

　　建国初期，百废待兴，国家建设急需资源。毛主席号召“开发矿业”，在全国范围内掀起地质工作的热潮。在时代的感召下，都亨在考大学的时候决定要学地质专业，结果体检的时候发现是色盲而不得不放弃。“后来我考入了北大物理系，到大三的时候选定了地球物理专业”。

　　大学毕业后，正值苏联成功发射第一颗人造地球卫星，赵九章先生一方面将地球物理、大气物理拓展到宇宙空间，创立空间物理学科，另一方面极力推动恢复研究生制度，从北京大学挑选学生，都亨和其他几位同学有幸被选中，都亨的专业也从“地下”（地震专业）进入“太空”（空间物理）。“研究生入学面试时的考官们不乏已经是或后来当选的中科院学部委员，问的问题很多也很难，由于在三、四年级的时候正处于反右派和大跃进运动中，荒废了学业，显得十分狼狈。赵九章先生则是笑着给我打圆场”。回忆起当时的场景，都亨还历历在目。

　　作为赵九章的弟子，都亨的研究方向是磁暴理论。自求学起赵九章先生提出的“四条腿治学”的理论，就给都亨留下深刻的印象，终身受益。

　　毕业后，经历了一些小波折，都亨还是如愿追随赵九章，在1965年进入中科院地球物理所二部（空间中心前身）工作。

　　进所后，都亨被分入磁暴组，一开始是负责写书。很快，重头戏就来了。

　　出乎意料，都亨参与的第一项工作不是卫星相关任务。都亨说道：“作为‘两弹一星’元勋，赵九章先生因是中国人造卫星事业的倡导者和奠基人之一而被人们所耳熟能详，但是，赵先生在核弹和导弹方面所做的工作却鲜为人知”。

　　都亨被赵九章安排去研究爆炸的高空物理现象。“核爆炸以后，会产生人工辐射带，对航天器造成致命的威胁，发出的电磁脉冲可能损坏数千公里以外的电子系统，至今仍是各国关心的问题。都亨说。随后，他又被安排加入导弹在高空飞行时相关物理现象的研究,这些都是导弹侦察和预警的重要基础。

　　到了1966年，在我国第一颗人造卫星“东方红一号”紧张研制的过程中，赵九章先生就注意到太阳宇宙线和地球辐射带可能对卫星造成破坏性影响，应在设计研制中考虑辐射防护的问题。

　　为了开展太阳宇宙线预报工作，都亨被派到北京天文台从头学习太阳耀斑的观测和预报，和所内原有的电离层骚扰预报和磁暴预报工作结合，开展太阳耀斑和太阳宇宙线的预报工作。同时专门组织了都亨在内的磁暴理论组人员计算“东方红一号”卫星在轨道上可能遇见的高能带电粒子通量，作为防护设计的基础。当时，国际上还没有卫星辐射防护的先例，“东方红一号”卫星可以说是世界上最早考虑辐射带防护的卫星之一。这也导致他们的工作要从零开始。“在研究成果上，当时国际上也还没有形成完成的辐射带模式，只有发表在学术期刊上的零星的探测成果”，都亨说道。

　　于是，整个研究工作不得不从收集探测结果开始，从国外科学文献上公布的简单图表，利用理论研究掌握的带电粒子在磁场中运动规律的知识，来还原“东方红一号”卫星在轨道上运行时将会遇到的辐射带中高能带电粒子的强度，供卫星设计使用。

　　即便是计算工作无比繁杂，能用到只有手摇计算机、计算尺、辅助图标等原始计算工具。历时数月，最终完成了这项工作。

　　这项工作在文革动乱期间也一直没有停止，1971年，编辑出版《人造地球卫星环境手册》，为航天工程设计人员提供了一本便于查阅的工具书。

　　1972年，钱学森先生认识到空间环境的变化将是航天事业面临的一个重大问题，要求空间环境科学工作者能够预报太阳活动和空间环境的扰动，并形象地把这项工作预报称为“红色预报员”。

　　在迷茫与困境中摸索前进

　　1968年，赵九章先生不幸去世。1969年，随着一声令下，都亨随着单位一起从北京迁往西安。在之后的十年里，他的研究工作基本处于停滞状态。直到1979年，都亨终于随单位回到了阔别10年的北京。

　　“没有导师，我们在迷茫中前进。” 1985年10月，都亨以访问学者的身份赴美，进行了为期一年半的考察学习。他说，“那时候，我亲眼看到国外对空间环境的重视，并坚定了研究空间环境的决心。”

　　1986年以后，空间环境研究迎来了科学发展的契机。在都亨等人一再呼吁与争取下，“863”计划航天领域专家委员会设立了“空间站外环境和空间物理研究专题”，由都亨牵头负责进行论证。1989年3月，《空间站外环境和空间物理概念研究报告》完成，成为我国第一份空间环境研究的顶层设计报告，并得到专家组认可和采纳。

　　“863”计划始终是我国空间环境研究的重要支持者。在1999年和2000年连续两年设置了以都亨为组长的“空间探测发展战略研究”和“空间探测发展战略深化研究”课题，要求在对国外空间环境研究态势和我国的需求进行充分调研的基础上，提出我国空间探测的基本方针、发展目标、关键技术和进度安排；内容涵盖了空间环境探测、月球探测、人工空间天气及其应用等方面。

　　1996年，都亨在日本参加学术会议

　　在短短几年内，“863”计划还连续支持了“大气一号”和“实践四号”卫星的研制和发射，有力支持了空间环境模式研究。

　　1990年9月3日利用“长征四号”运载火箭发射“风云一号”B星的机会，都亨作为负责人的两颗气球卫星——“大气一号”和“大气二号”被送入了900公里高的太阳同步轨道。这两颗卫星为50微米厚镀铝聚脂薄膜的气球，面积大（直径分别为2.5米和3米）、重量轻（分别为2.6千克和3.3千克）。“大气一号”和“大气二号”发射时折叠装于容器内,进入预定轨道后弹出,借其中剩余气体和升华物而膨胀成球形，在高层大气阻力作用下，快速陨落。根据地面监测设备获得的轨道变化数据，获得了900-500公里高度范围内的大气密度数据；所测得的高层大气密度，可用以了解高层大气密度结构,并有利于研究高层大气对宇航器运行的影响和太阳辐射对高层大气密度的影响。

　　1991年，在国防科工委，航天部一院、五院以及中科院领导的大力支持和帮助下，空间中心提出的科学实验卫星计划建议成功立项，正式命名为“实践四号”，并搭载在即将试射的“长征三号甲”上。都亨同样是“实践四号”的负责人。

　　“实践四号”示意图

　　“实践四号”配置了6台有效载荷探测仪器。其中，空间中心承担了半导体高能电子谱仪、半导体高能质子重离子谱仪、静电分析器、电位差计、静态单粒子监测仪等5台有效载荷的研制工作。

　　1994年2月8日，“实践四号”卫星在西昌卫星发射中心成功发射。卫星在轨运行的探测结果在国内首次证实了近地空间带电粒子对航天器的正常工作具有十分严重的影响，必须给予足够的重视。实践经验同样证实了，只要采取必要的措施，空间环境的效应是可以抑制和防护的；在出现故障时，只要有预防措施也是可以挽救的。

　　为“神舟”保驾护航

　　进入九十年代以后，随着我国航天事业的发展，空间环境也日益受到重视。当载人航天工程还在方案论证阶段的时候，空间环境就被列为安全保障的重要条件之一并在白皮书中得到确认。都亨说，“因为要载人，所以飞船的安全性非常重要。当时有人对我们的工作不理解，我就半开玩笑地对他说：除非你坚持两点，一不怕苦，二不怕死，这个工作就可以不做。”

　　在计划实施之初，就在空间中心建立“空间环境监测和预报分系统”。在都亨看来，承担这项任务有两方面的意义：第一，经费有保障，得到稳定的支持，改变以往单一的、短期的承担课题的形式，可以全面的、长期的安排研究工作。第二，任务明确，保证载人航天活动的安全，它促使空间环境研究工作快速从“研究型”向“工程型”、“应用型”转化。

　　“神舟一号”飞船示意图

　　1999年11月18日，“神舟一号”飞船原定发射的日子。根据以往流星监测数据预测，太空将会出现狮子座流星雨！如果“神舟一号”飞船在18日发射，飞船极有可能被形成狮子座流星雨的微流星体撞击而损坏。

　　“流星”是高速飞行的微流星体进入高层大气时的发光现象，大量流星出现时称为“流星雨”。目前只能根据流星的数量来推算空间微流星体的数量。微流星体的速度很高，一颗黄豆大小的微流星体的撞击就可能造成“船毁人亡”。

　　进入11月后，预报中心的专家们在搜寻资料时看到国外多次报道说，11月太空可能出现“流星雨”。果然，国际空间站的发射时间很快被推迟，美国国防部随后也为其间谍卫星发出了应急规避措施的指令。于是这一信息引起都亨他们的高度警觉。他们加班加点，对所有能找到的数据进行详细的分析。计算结果显示，11月18日“神舟一号”飞船的发射窗口正好在狮子座“流星雨”的时段内。而且，还有可能发生“流星暴”。

　　预报中心很快得出结果，如果18日按原计划发射受微流星体撞击的风险为1，推迟24小时发射的话，风险可以降低到6%，推迟48小时发射的话风险可以降低到1%以下。

　　信息上报以后，载人航天工程指挥部马上召开紧急会议。会议达成共识，我国首次发射飞船，事关重大，百分之六的风险我们也不冒！会议最后决定，“神舟一号”飞船的发射时间往后推迟两天，即发射时间定在11月20日。

　　1999年11月20日凌晨6时30分，载着“神舟一号”飞船的“长征二号F”火箭拔地而起，扶摇直上，正式吹响了中国的载人航天的号角。

　　时针指向2003年。就在“神舟五号”——中国第一艘载人飞船发射前不久，某国大使馆的照会发至神舟五号的指挥部门，称：愿意帮助中国测算在发射阶段和进入轨道以后被空间碎片撞击的风险，选择安全的发射时刻。

　　“我们国家一直强调‘神舟’的各个环节都要自力更生。”都亨说，“在这个最后的环节里，我们还是要依靠自己。”预报中心当仁不让地把这项工作扛在自己肩上。

　　这是一项异常庞大的工作。当时世界公认的数据表明，能对航天器构成致命威胁的太空碎片已经有9300多个，所以需要算出每一个碎片的轨道。而“神舟五号”在太空中飞行的时间是近24个小时——8万多秒，你要保证每一秒中，飞船与碎片都不会相遇。

　　“每个碎片的‘轨道根数’非常重要。”都亨说，“掌握了这个数值后，再掌握了大气环境变化规律，根据开普顿定律，就可以计算每一个碎片各个时刻在空间的位置，整个团队只用了三天时间，“神舟五号”飞船的“发射窗口”就被确定下来。但在此前，他们已经花费了大量时间和精力去收集“轨道根数”。都亨说，“对于这些数据，我们一直留意着。从网上、从国外同行的资料里，不停地积累。”

　　2003年10月15日，“神舟五号”飞船成功发射。已经68岁的都亨没有呆在监控室，尽管这里的大屏幕上，可以直观地看到太空垃圾们与飞船的距离。他在自己的办公室里静静地玩了一会“接龙”游戏。　“这是我消除紧张的方法，”他说，“游戏可以让人进入一种似想非想的状态。”

　　打造《空间碎片行动计划》

　　其实，上述提及的太空垃圾有一个更正式的名称——“空间碎片”。国际上第一次提出空间碎片危害的是在1978年。而都亨在1987年进行“863”空间环境发展战略专题论证时，就将空间碎片列为重要空间环境参数之一，并提出开展此项工作的建议。空间中心也由此成为我国第一个关注空间碎片问题的单位。

　　空间碎片是人类遗留在空间的废弃物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等。由于它们的平均相对速度达到10km/s，其动能相当于同等质量TNT爆炸时释放能量的24倍，具有极大的破坏力，使航天器受到严重威胁：改变表面性能、在航天器表面造成撞击坑、等离子体云效应、动量传递、表面穿孔、容器爆炸、破裂、结构碎裂等。

　　90年代初，美、欧、俄等航天局开始协商，成立由各国航天局参加的“机构间空间碎片协调委员会”，我国于1995年成为“机构间空间碎片协调委员会”正式参加国。2000年，在财政部的支持下，国防科工委设立“空间碎片行动计划专项”。

　　在国防科工委组织“空间碎片行动计划专项”开第一次研讨会的时候，都亨并没有得到参会邀请。他自己跑到会场，征得主办方同意后，旁听了一天会。休会时，都亨又跑去问主持人，明天我能不能讲十分钟？主持人同意了。

　　都亨的报告很成功。等到国防科工委组织第二次会议，成立专家组的时候，都亨成了专家组组长，空间中心成为专家组的依托单位，组织空间碎片的发展战略研究和全国的空间碎片研究。

　　应国防科工委的要求，由都亨牵头负责，组织全国各有关单位的专家共同制定2000--2005年的研究计划《空间碎片行动计划》。内容有：空间碎片概况、国外空间碎片研究状况、行动计划的必要性和迫切性、行动准则、研究目标、组织工作建议等。2001年2月22日，国防科工委在北京召开了“空间碎片行动计划”评审会，一致认为，行动计划的顶层设计可以作为实施计划的依据，制定具体计划后可付诸实施。“找到合适的人做了个合适的报告”，参会领导这样评价都亨的工作。

　　“所以，我是从2000年开始从大的空间环境领域转到空间碎片的。做了差不多10年，前5年我当首席，后5年我当顾问，现在我已经退休了”。都亨笑道：“以后就得看年轻人的了”。

    人物简介：都亨，1935年出生于上海，1965年毕业于北京大学地球物理系研究生班。1965年至1995年退休前任职于中国科学院国家空间科学中心（简称空间中心，原地球物理所二部、应用地球物理所、空间物理所、空间科学与应用研究中心），长期从事空间物理和空间环境研究。曾任空间中心副主任、载人飞船应用系统副总设计师、国家科工局空间碎片行动计划专家组首席专家。

    （中国科学院国家空间科学中心综合办公室供稿，感谢中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室提供支持。）