天宫尔号

在浩瀚的太空中，天宫二号正翩然翱翔。作为我国首个真正意义上的空间实验室，天宫二号上要进行各类空间科学实验与探测项目，多家单位负责研发的14项应用载荷，将在这个太空实验室中大显身手。它们有的要探索宇宙最深处的奥秘，有的要观测地球上的海洋和大气，有的要解决未来长途太空旅行时的食物供给问题̷̷　　天宫二号里有哪些科学神器?且随《经济日报》记者一探究竟!　　综合材料实验装置：　　天宫二号中有一只神炉，它叫“综合材料实验装置”，由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头，联合国家空间科学中心、兰州技术物理研究所共同研制。　　这套多功能的通用型材料科学实验装置，由“材料实验炉”“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成，总重约27.6公斤，最大功耗不到200瓦，却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度，足以将玻璃或银条熔化。　　它要“炼制”18个实验样品，每个样品都很“个性”，对炉子要求都不同。为此，“神炉”引入了多项自主知识产权的创新技术，解决了多温区加热、低功耗下的升温保温、温度的精确控制等难题，让它能炼制复合材料、金属材料、有机高分子材料和晶体材料等很多神奇材料。　　它炼制的宝贝有啥神奇之处?太空中生长的晶体，探测能力让地面生长的晶体望尘莫及。比如，普通CT检查一般只能确定直径2毫米以上的肿瘤病灶，对于一些微小早期病灶视而不见，而安装了太空产闪烁晶体的CT探测精度则会大大提升，真正做到上医治未病。　　天宫二号伴随卫星：　　一个好汉三个帮，天宫二号也有如影随形的小伙伴。　　天宫二号伴随卫星是一颗微纳卫星，由中科院微小卫星创新研究院研制，是天宫二号试验任务的一部分。它搭载了多个试验载荷，具备较强的变轨能力，能灵活机动地开展空间任务。　　这个天宫二号的小伙伴，将承担哪些任务?　　它是特技师。伴随卫星在轨期间将开展伴飞试验，从天宫二号在轨释放，在空间轻松上演自由贴近、远离的华丽动作大戏。同时配合空间站开展多平台间的协同试验，拓展空间应用。　　它是护航员。伴随卫星具备高分辨可见光相机和宽视场仿生鱼眼红外相机，能全天时多角度监测空间碎片或温度异常等空间站的潜在危险。它可作为主航天器的安全辅助工具，对主航天器进行工作状态监测、安全防卫。　　它是摄影家。伴随卫星搭载了高分辨率全画幅可见光相机，未来将在空间绕飞试验过程中对天宫二号与神舟十一号飞船组合体进行高分辨率成像，成为天宫和神舟这对国民CP的自拍神器。　　宽波段成像光谱仪：　　天宫二号有个高定款数码相机，能同时拍出可见光、红外、光谱、偏振4种照片，它叫“宽波段成像光谱仪”，由中科院上海技术物理研究所的科学家团队耗8年心血研制而成。　　这款太空相机，将原定的2款不同功能太空相机合二为一，省空间、降重量，功能却不弱反强。国际上，在一台仪器上开启可见近红外高光谱成像与短波红外、热红外多光谱成像，同时兼具偏振探测功能的“智慧锐眼”，这是第一次!　　它有两大任务。一是看海洋。它可以准确观测海洋的水色和水温。它提取到的海水叶绿素、色素浓度等信息，不仅可以准确监测到发生在任何海域的赤潮现象，还可以判断出这片海域的浮游生物量和初级生产力，指导渔民出海作业。它可以探测水温、海冰和洋流信息，且具备很高的水温变化探测灵敏度，大约是1摄氏度的1/40，比我国现有的海洋遥感器的探测灵敏度高了好几倍。　　二是看大气。由于光的偏振特性对大气粒子具有独特敏感性，偏振成像可获得大气气溶胶和云粒子的很多关键性能参数，对气象预报、气候预测有重要价值。简单说，它能看雾霾，并辅助专家们分析雾霾。　　液桥热毛细对流实验装置：　　“玩水”是人们喜欢的太空游戏。天宫二号里，我国将首次开展液桥热毛细对流的空间实验!　　液桥是2个固体表面间连接的一段液体。太空微重力环境下，可以建立起很大尺寸的液桥。本次实验将由科学家们远程操控，用天宫二号上搭载的液桥热毛细对流实验装置完成。　　实验中，液桥像一个“变形金刚”。装置中的拉桥电机和注液电机，将密切配合，改变液桥的“高矮胖瘦”，既能变得“高大上”，又可以变得“土肥圆”，科学家称之为“体积比效应”。液桥中的液体在温差诱导的表面张力驱动下，不同的体积比有不同的热毛细振荡现象——液桥会像有了“生命”一样自由舞蹈，时而旋转，时而左右横步。而实验箱内置了172组预定模式实验曲线，只要科学家在地面指间一动，就可以轻易地完成液桥“172变”。　　它有什么用?该项目主任设计师、中科院力学研究所研究员康琦说：“为生产出高质量的半导体材料，就要科学控制在晶体生长过程中浮力对流、热毛细对流的影响，而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。”　　热毛细对流箱工程，整体和光机结构设计及研制由中科院力学所完成，电控部分由中科院空间应用工程与技术中心完成。　　“天极”望远镜：　　人眼不能分辨光的偏振状态，蜜蜂对偏振却很敏感。天宫二号中有一只“小蜜蜂”，用它的“复眼”捕捉遥远宇宙中突然发生的伽马射线暴的偏振性质，它就是“天极”伽马暴偏振探测仪，简称“天极”望远镜。　　伽马射线是有很强穿透性的电磁波。恒星临终时发生剧烈爆炸，产生极强烈的伽马射线辐射，持续时间长不过几千秒，短不足百分之一秒，其亮度却超过全宇宙其他天体的总和，辐射能量与太阳一生相当，犹如恒星最后的“生命之花”。这种集一生辉煌于一瞬的壮丽告别，就是伽马射线暴。　　伽马暴的起源及相应的物理过程，一直是天文学家们研究的前沿课题之一。近十几年来，对伽马暴的研究取得长足进步，但一些基本问题还未解决。科学家推测，对伽马暴伽马射线偏振的研究可为解决这些问题提供新线索，却缺乏有效测量仪器。　　“天极”望远镜填补了这个空白，它是全球最灵敏的伽马射线暴偏振探测仪器，将高精度且系统性地测量伽马射线暴的偏振性质，预期运行2年，探测约100个伽马射线暴。　　“天极”望远镜由中国科学院高能物理研究所牵头，瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所等单位参加研制，是天宫二号搭载的所有实验项目中唯一的国际合作项目。　　高等植物培养箱：　　兵马未动，粮草先行。到了太空，也要关心粮食和蔬菜。　　尽管目前空间植物生长试验已多次进行，但要在太空条件下成功实现粮食与蔬菜的生产，为宇航员长期空间生活提供食物来源，还需解决很多问题。比如，在空间微重力条件下植物生长无一定方向性，不能有效利用光能进行光合作用，产量大大减少。　　天宫二号中，就有两种“植物宇航员”——拟南芥和水稻，它们生活在高等植物培养箱里，将开展我国首次为期6个月的太空植物“从种子到种子”全生命周期培养。　　高等植物培养箱是身负重任的微缩版太空温室，它通过光照周期、温度、湿度、营养液供给调节等功能为种子的生长发育提供环境保障。本次实验中，科学家们将通过实时成像技术，记录微重力条件下拟南芥和水稻从种子萌发、幼苗生长到开花发育的全过程，并下传图像进行“全程直播”。同时，特别构建了绿色荧光蛋白标记开花基因的拟南芥植株，将通过荧光图像技术，在分子水平检测开花基因在微重力情况下的表达动态。　　此项目中，中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所负责科学实验样品和内容的设计、实验方案和实验结果的分析，中科院上海技术物理研究所负责研制高等植物培养箱。　　空间环境分系统：　　情报机构一直给人以神秘和神通广大之感。天宫二号上也有一个情报机构——空间环境监测及物理探测分系统，简称空间环境分系统。　　顾名思义，空间环境分系统就是用来收集空间环境相关情报的。在太空中，高能带电粒子(质子、电子、重离子)组成的辐射环境、航天器轨道高度的大气环境等都属于空间环境的要素。能量很高的带电粒子辐射可能导致航天器材料性能下降或损坏，也可能破坏宇航员的器官组织，严重时甚至有生命危险。　　中国科学院国家空间科学中心空间环境探测研究室就研制了空间环境分系统。这个系统由带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和空间环境控制单元3台仪器组成。带电粒子辐射探测器身上的16个小探头可以从16个方向全天候捕获天宫轨道上的高能带电粒子，实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测。轨道大气环境探测器可以监测轨道大气密度、成分及其时空变化等，告诉你是谁拖延了天宫的脚步。　　空间冷原子钟：钟表需要有多准?　　当计时器的误差超过千分之一秒/天，电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就将陷入混乱 当误差超过十亿分之一秒/天，卫星导航定位、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标 而深空探测、引力波探测等科研活动，对时间精度要求就更高了。　　科学家们找到了原子钟。原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率，利用这一特点，人们制作出高精度计时装置原子钟。当前地面上投入使用的最准确的原子钟，误差已降到万亿分之一秒/天。　　但在地面上，由于重力作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，原子钟精度受到限制。而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，获得更高精度信号。　　中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，发展出空间超高精度冷原子钟。他们研制的“空间冷原子钟”已搭载天宫二号发射升空，这将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”，有望在空间轨道上获得较地面上的线宽窄一个数量级的原子钟谱线，提高目前原子钟精度，是原子钟发展史上又一重大突破。　　三维成像微波高度计：　　天宫二号上，有个“三维成像微波高度计”，是国际上首个实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。　　传统海洋微波高度计在海洋观测中只能获得星下点3公里左右观测的范围，即获得沿轨迹方向星下点的一维海平面高度测量，天宫二号微波高度计则可实现35公里至40公里幅宽内的高精度三维海洋表面观测，极大提高了观测效率。　　这种能力有何作用?占地球表面积71%的海洋蕴藏着可促进人类社会发展的巨大宝藏，但也是很多重大自然灾害发生的源头。海洋灾害的发生，往往伴随着海洋环境的异常变化，如局部海洋区域的海面高度和海面温度的异常升高。而海面高度的异常升高，例如“厄尔尼诺现象”，幅度仅为厘米级，只有微波高度计能够敏锐捕捉到这种细微变化。　　人类只有深刻地、清晰地了解海洋环境的安全性，才能真正地开发和使用海洋资源。微波高度计项目的实施可为研究全球的海洋动力环境(包括海平面高度，海面风浪和洋流)提供直接的科学观测数据，同时也为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。　　天宫二号微波高度计的设计和研制，由中科院国家空间科学中心微波遥感技术院重点实验室领衔完成。　　量子密钥分配专项：　　自从人类开始说话以来，就有了说“悄悄话”的需要。密钥就是通过对传输的信息进行加密，防止他人获取信息内容，确保你的悄悄话悄悄说。　　不过，随着技术发展，传统密钥不断被破解，现在已经很难有一把安全的密钥了。除了量子密钥。　　量子密钥的安全性基于量子物理的基本原理。作为光的最小粒子，每个光量子在传输信息的时候具有不可分割和不可被精确复制两大特性，使得存在窃听就一定会被发送者察觉并规避，从而保证了信息的安全。　　现在，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术，在我国已经逐渐完成了实用化，并形成了一定的产业规模。国际上首个全通型量子通信网络、首个规模化量子通信网络、首颗量子通信卫星，都是中国造。　　天宫二号上有一个“量子密钥分配专项”载荷，以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。此项目由中国科学技术大学和中科院上海技物所联合研制。　　天宫二号的轨道飞行高度近400公里，飞行速度约为每秒钟8公里。地面站的接收口径约1米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上，就如同在一列全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里，难度可想而知。

p 　　7月19日晚，天宫二号返回地球。从2016年9月发射至此，它的运行天数，定格在“1036”这个数字上。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 326px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201907/uepic/ad248834-3a16-4d6e-b703-9611852618f6.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" width=" 600" height=" 326" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　 strong 搭载十四项应用载荷 开展六十余项空间实验 /strong /p p 　　作为我国第一个真正意义上的空间实验室，天宫二号在接近三年的工作时间里都忙了些啥? /p p 　　从中科院空间应用中心了解，天宫二号共搭载14项应用载荷，以及航天医学实验设备和在轨维修试验设备，共开展了60余项空间科学实验和技术试验。 /p p 　　 strong 空间冷原子钟：极度精准的“量天尺” /strong /p p 　　在基础物理前沿研究方面，天宫二号搭载了国际首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟，成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制，实现了天稳7.2× 10-16的超高精度，相当于3000万年的误差小于1秒。 /p p 　　这为空间超高精度时间频率基准的重大需求，以及未来空间基础物理前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础，成为国际空间冷原子量子传感器领域的重要里程碑。 /p p 　　空间冷原子钟项目的成功，推动了相关领域的发展。其技术成果直接应用于卫星导航系统，大幅度提高卫星导航系统的性能。并在空间站高精度时频系统、空间站超冷原子物理实验柜，以及探月工程地月空间导航通信等重大项目中产生关键作用。也将对未来深空探测、基础物理研究、精密测量等领域产生深远的影响。 /p p 　　 strong 量子密钥分配：不可泄露的“天机” /strong /p p 　　天宫二号搭载的量子密钥分配试验空间终端，通过高精度自动跟瞄(ATP)系统与量子密钥分配地面终端配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上开展了空—地量子密钥分配试验。 /p p 　　该试验率先在国内突破了量子密钥分配相关关键技术，并得到了在轨验证。成功实现了天地双向高精度跟瞄、量子密钥分配、激光通信。 /p p 　　同时该试验也是我国首次实现1.6Gbps码速率的天地业务数据激光通信传输，为后续空间任务更高容量的数据传输打通了道路。 /p p 　　此外，这为载人航天的空地间量子保密通信，以及未来实用化天地一体广域量子保密通信网络建设奠定了基础。 /p p 　　 strong 伽马暴偏振探测仪：捕捉破译宇宙起源的秘密 /strong /p p 　　伽马射线暴是一种宇宙大爆炸级别的能量，捕捉到以后，将有助于破译宇宙起源和演化的秘密。 /p p 　　天宫二号携带了国际首台宽视场、高效率的专用宇宙伽玛射线暴(GRB)偏振探测仪器，共探测到55个伽马暴，观测到蟹状幸运脉冲星的脉冲信号，并在国内首次利用脉冲星信号实验定轨，定轨精度约为10公里，探测到了若干太阳X射线暴。目前我国已完成伽玛射线暴瞬时辐射的高精度偏振探测，实现了预定科学目标。 /p p 　　 strong 热毛细对流实验：在太空搭建神奇的液桥 /strong /p p 　　如果你将拇指和食指打湿，捏在一起再微微分开，指间会出现一个小液柱，这叫“液桥”。 /p p 　　地面上的液桥通常只有几毫米，而在太空微重力环境下，建立起的液桥可以达到惊人尺寸。 /p p 　　当液桥两端温度不均时，在液体表面张力作用下会产生热毛细流动，这是微重力环境下的主要自然对流形式。我国科学家一直梦寐以求揭开热毛细对流的神秘面纱。 /p p 　　在天宫二号上，我国首次开展了空间微重力条件下的热毛细对流实验，研究了在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展了流体力学的认知领域，取得了具有国际先进水平的研究成果。其使我国突破并掌握了微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术，进一步提升我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。 /p p 　 strong 　综合材料实验：对尖端材料的了解更加深入 /strong /p p 　　天宫二号上开展的综合材料实验，为一群牛气冲天的尖端材料搭建了舞台。 /p p 　　其中大部分样品均为国际上首次实验，如新型纳米复合光学材料、高性能热电转换材料、多元复相合金等。 /p p 　　该实验的主要成果有： /p p 　　生长出高质量的材料晶体，验证了新的材料制备工艺，获得了多项材料科学实验新发现。 /p p 　　在重要功能晶体等材料方面，空间制备的样品性能得到明显提升或微观组织结构得到改进。 /p p 　　基于空间测量、实验和地面实验数据，建立了国内第一个空间材料实验炉的热环境仿真计算模型，获得了空间微重力与地面重力环境下炉膛内气体压力对炉膛最高温度影响的基本规律，使我国空间材料科学实验的能力得到了明显提升。 /p p 　　 strong 拟南芥和水稻：两名特殊的“航天员” /strong /p p 　　光临过天宫二号的除了景海鹏、陈冬，还有2名特殊的“航天员”——拟南芥和水稻。 /p p 　　科学家选取了这两种具有代表性的植物开展了培养实验。 /p p 　　该实验采用人工光照、高效的水循环、标记踪迹，6个月便完成了我国首次“从种子到种子”高等植物全周期培养实验。 /p p 　　实验中，我国首次发现拟南芥在空间长日条件下开花明显延迟 首次发现微重力条件下植物寿命比地面对照组植物寿命极大地延长 首次发现空间微重力对于水稻吐水及其向性生长有明显的影响。同时在国际上首次成功地利用植物开花基因启动子带动绿色荧光蛋白表达 首次发现空间微重力环境显著促进了叶脉网络的发育。 /p p 　　相关成果为有效利用空间有限资源进行最大化的植物生产提供了重要证据，为人类长期探索空间提供了保障。 /p p 　　 strong 空间地球科学及应用：从上帝视角看地球 /strong /p p 　　在距地面近400公里高度的轨道上，天宫二号借助多台遥感设备，以上帝视角俯瞰地球，取得了丰硕的科学成果及显著应用效益。 /p p 　　其中，多角度宽谱段成像仪是集宽波段光谱和多角度偏振成像的新型综合遥感器，在国内首次实现了12个多角度光学偏振遥感技术新体制验证，开拓了获取重要的陆地、海洋、大气信息的新途径。 /p p 　　三维成像微波高度计是国际首个用于海洋观测的宽刈幅三维雷达成像高度计，采用短基线、小角度干涉、新型高度跟踪、孔径合成结合的创新技术。新一代雷达高度计的发展方向，对于整体提升我国海洋环境监测、预测和预报能力具有重要作用。 /p p 　　多波段紫外临边成像仪是我国首个具有紫外临边观测能力的载荷，在国际上首次采用大视场，对全球中层大气进行紫外环形、前向临边辐射特性的同时探测。其获得了全球大气密度、臭氧和气溶胶垂直结构及三维分布，在大气痕量气体监测、大气与环境预报、空间天气等领域具有广泛的应用价值。 /p p 　　 strong 多项技术验证：为我国空间站运营奠定基础 /strong /p p 　　除了科学实验，天宫二号在任务期间也完成了多项技术验证。 /p p 　　2016年10月23日，天宫二号释放伴随卫星。这是继神舟七号任务以后，我国第二次在空间飞行器上释放伴飞卫星。此次成功开展伴星释放、驻留和伴随飞行试验，获得了清晰的组合体图像，同时也进行了微小卫星新技术试验和验证。 /p p 　　通过开展人机协同的空间精细操作机械臂试验，我国首次实现人机协同在轨维修任务，建立了集信息管理、手动控制、遥操作和自主控制一体化的人机协同在轨维修系统，形成典型人机协同体制，为未来空间站仿人型机器人研制打下了技术基础。 /p p 　　此外，天宫二号还与天舟一号货运飞船配合，首次实现了我国航天器推进剂在轨补加任务，全面突破和掌握了相关技术，对后续空间站阶段的推进剂补加进行了完整验证，并使我国推进剂补加系统性能指标达到世界领先水平。 /p p br/ /p

太空探索者协会第27届年会昨天上午开幕，中方大会主席杨利伟透露：2016年我国将发射&ldquo 天宫二号&rdquo 空间实验室，并发射神舟11号载人飞船和&ldquo 天舟一号&rdquo 货运飞船，与&ldquo 天宫二号&rdquo 交会对接。预计在2022年前后，将完成中国空间站的建造。中方第一批航天员将退役，中国将进行新的航天员选拔，其中包括女航天员。中国为外国培训航天员的工作也将启动。