搭載十四項(xiàng)應(yīng)用載荷 開(kāi)展六十余項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)

天宮二號(hào)“回家”帶來(lái)不少好消息

本報(bào)記者 付毅飛

7月19日晚，天宮二號(hào)返回地球。從2016年9月發(fā)射至此，它的運(yùn)行天數(shù)，定格在“1036”這個(gè)數(shù)字上。

作為我國(guó)第一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，天宮二號(hào)在接近三年的工作時(shí)間里都忙了些啥？

科技日?qǐng)?bào)記者從中科院空間應(yīng)用中心了解到，天宮二號(hào)共搭載14項(xiàng)應(yīng)用載荷，以及航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和在軌維修試驗(yàn)設(shè)備，共開(kāi)展了60余項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。

空間冷原子鐘：極度精準(zhǔn)的“量天尺”

在基礎(chǔ)物理前沿研究方面，天宮二號(hào)搭載了國(guó)際首臺(tái)在軌運(yùn)行并開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘，成功驗(yàn)證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了天穩(wěn)7.2×10-16的超高精度，相當(dāng)于3000萬(wàn)年的誤差小于1秒。

這為空間超高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)的重大需求，以及未來(lái)空間基礎(chǔ)物理前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)，成為國(guó)際空間冷原子量子傳感器領(lǐng)域的重要里程碑。

空間冷原子鐘項(xiàng)目的成功，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。其技術(shù)成果直接應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，大幅度提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。并在空間站高精度時(shí)頻系統(tǒng)、空間站超冷原子物理實(shí)驗(yàn)柜，以及探月工程地月空間導(dǎo)航通信等重大項(xiàng)目中產(chǎn)生關(guān)鍵作用。也將對(duì)未來(lái)深空探測(cè)、基礎(chǔ)物理研究、精密測(cè)量等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

量子密鑰分配：不可泄露的“天機(jī)”

天宮二號(hào)搭載的量子密鑰分配試驗(yàn)空間終端，通過(guò)高精度自動(dòng)跟瞄(ATP)系統(tǒng)與量子密鑰分配地面終端配合，在地面站與目標(biāo)飛行器之間建立起量子信道，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了空—地量子密鑰分配試驗(yàn)。

該試驗(yàn)率先在國(guó)內(nèi)突破了量子密鑰分配相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并得到了在軌驗(yàn)證。成功實(shí)現(xiàn)了天地雙向高精度跟瞄、量子密鑰分配、激光通信。

同時(shí)該試驗(yàn)也是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)1.6Gbps碼速率的天地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)激光通信傳輸，為后續(xù)空間任務(wù)更高容量的數(shù)據(jù)傳輸打通了道路。

此外，這為載人航天的空地間量子保密通信，以及未來(lái)實(shí)用化天地一體廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

伽馬暴偏振探測(cè)儀：捕捉破譯宇宙起源的秘密

伽馬射線暴是一種宇宙大爆炸級(jí)別的能量，捕捉到以后，將有助于破譯宇宙起源和演化的秘密。

天宮二號(hào)攜帶了國(guó)際首臺(tái)寬視場(chǎng)、高效率的專用宇宙伽瑪射線暴(GRB)偏振探測(cè)儀器，共探測(cè)到55個(gè)伽馬暴，觀測(cè)到蟹狀幸運(yùn)脈沖星的脈沖信號(hào)，并在國(guó)內(nèi)首次利用脈沖星信號(hào)實(shí)驗(yàn)定軌，定軌精度約為10公里，探測(cè)到了若干太陽(yáng)X射線暴。目前我國(guó)已完成伽瑪射線暴瞬時(shí)輻射的高精度偏振探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定科學(xué)目標(biāo)。

熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)：在太空搭建神奇的液橋

如果你將拇指和食指打濕，捏在一起再微微分開(kāi)，指間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小液柱，這叫“液橋”。

地面上的液橋通常只有幾毫米，而在太空微重力環(huán)境下，建立起的液橋可以達(dá)到驚人尺寸。

當(dāng)液橋兩端溫度不均時(shí)，在液體表面張力作用下會(huì)產(chǎn)生熱毛細(xì)流動(dòng)，這是微重力環(huán)境下的主要自然對(duì)流形式。我國(guó)科學(xué)家一直夢(mèng)寐以求揭開(kāi)熱毛細(xì)對(duì)流的神秘面紗。

在天宮二號(hào)上，我國(guó)首次開(kāi)展了空間微重力條件下的熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)，研究了在空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)理問(wèn)題，拓展了流體力學(xué)的認(rèn)知領(lǐng)域，取得了具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果。其使我國(guó)突破并掌握了微重力環(huán)境下的液橋建橋、液面保持和失穩(wěn)重建等空間實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升我國(guó)微重力流體科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)水平。

綜合材料實(shí)驗(yàn)：對(duì)尖端材料的了解更加深入

天宮二號(hào)上開(kāi)展的綜合材料實(shí)驗(yàn)，為一群牛氣沖天的尖端材料搭建了舞臺(tái)。

其中大部分樣品均為國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)，如新型納米復(fù)合光學(xué)材料、高性能熱電轉(zhuǎn)換材料、多元復(fù)相合金等。

該實(shí)驗(yàn)的主要成果有：

生長(zhǎng)出高質(zhì)量的材料晶體，驗(yàn)證了新的材料制備工藝，獲得了多項(xiàng)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)新發(fā)現(xiàn)。

在重要功能晶體等材料方面，空間制備的樣品性能得到明顯提升或微觀組織結(jié)構(gòu)得到改進(jìn)。

基于空間測(cè)量、實(shí)驗(yàn)和地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)空間材料實(shí)驗(yàn)爐的熱環(huán)境仿真計(jì)算模型，獲得了空間微重力與地面重力環(huán)境下?tīng)t膛內(nèi)氣體壓力對(duì)爐膛最高溫度影響的基本規(guī)律，使我國(guó)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力得到了明顯提升。

擬南芥和水稻：兩名特殊的“航天員”

光臨過(guò)天宮二號(hào)的除了景海鵬、陳冬，還有2名特殊的“航天員”——擬南芥和水稻。

科學(xué)家選取了這兩種具有代表性的植物開(kāi)展了培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

該實(shí)驗(yàn)采用人工光照、高效的水循環(huán)、標(biāo)記蹤跡，6個(gè)月便完成了我國(guó)首次“從種子到種子”高等植物全周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)擬南芥在空間長(zhǎng)日條件下開(kāi)花明顯延遲；首次發(fā)現(xiàn)微重力條件下植物壽命比地面對(duì)照組植物壽命極大地延長(zhǎng)；首次發(fā)現(xiàn)空間微重力對(duì)于水稻吐水及其向性生長(zhǎng)有明顯的影響。同時(shí)在國(guó)際上首次成功地利用植物開(kāi)花基因啟動(dòng)子帶動(dòng)綠色熒光蛋白表達(dá)；首次發(fā)現(xiàn)空間微重力環(huán)境顯著促進(jìn)了葉脈網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育。

相關(guān)成果為有效利用空間有限資源進(jìn)行最大化的植物生產(chǎn)提供了重要證據(jù)，為人類長(zhǎng)期探索空間提供了保障。

空間地球科學(xué)及應(yīng)用：從上帝視角看地球

在距地面近400公里高度的軌道上，天宮二號(hào)借助多臺(tái)遙感設(shè)備，以上帝視角俯瞰地球，取得了豐碩的科學(xué)成果及顯著應(yīng)用效益。

其中，多角度寬譜段成像儀是集寬波段光譜和多角度偏振成像的新型綜合遙感器，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了12個(gè)多角度光學(xué)偏振遙感技術(shù)新體制驗(yàn)證，開(kāi)拓了獲取重要的陸地、海洋、大氣信息的新途徑。

三維成像微波高度計(jì)是國(guó)際首個(gè)用于海洋觀測(cè)的寬刈幅三維雷達(dá)成像高度計(jì)，采用短基線、小角度干涉、新型高度跟蹤、孔徑合成結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)。新一代雷達(dá)高度計(jì)的發(fā)展方向，對(duì)于整體提升我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)能力具有重要作用。

多波段紫外臨邊成像儀是我國(guó)首個(gè)具有紫外臨邊觀測(cè)能力的載荷，在國(guó)際上首次采用大視場(chǎng)，對(duì)全球中層大氣進(jìn)行紫外環(huán)形、前向臨邊輻射特性的同時(shí)探測(cè)。其獲得了全球大氣密度、臭氧和氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)及三維分布，在大氣痕量氣體監(jiān)測(cè)、大氣與環(huán)境預(yù)報(bào)、空間天氣等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證：為我國(guó)空間站運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)

除了科學(xué)實(shí)驗(yàn)，天宮二號(hào)在任務(wù)期間也完成了多項(xiàng)技術(shù)驗(yàn)證。

2016年10月23日，天宮二號(hào)釋放伴隨衛(wèi)星。這是繼神舟七號(hào)任務(wù)以后，我國(guó)第二次在空間飛行器上釋放伴飛衛(wèi)星。此次成功開(kāi)展伴星釋放、駐留和伴隨飛行試驗(yàn)，獲得了清晰的組合體圖像，同時(shí)也進(jìn)行了微小衛(wèi)星新技術(shù)試驗(yàn)和驗(yàn)證。

通過(guò)開(kāi)展人機(jī)協(xié)同的空間精細(xì)操作機(jī)械臂試驗(yàn)，我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同在軌維修任務(wù)，建立了集信息管理、手動(dòng)控制、遙操作和自主控制一體化的人機(jī)協(xié)同在軌維修系統(tǒng)，形成典型人機(jī)協(xié)同體制，為未來(lái)空間站仿人型機(jī)器人研制打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，天宮二號(hào)還與天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船配合，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天器推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加任務(wù)，全面突破和掌握了相關(guān)技術(shù)，對(duì)后續(xù)空間站階段的推進(jìn)劑補(bǔ)加進(jìn)行了完整驗(yàn)證，并使我國(guó)推進(jìn)劑補(bǔ)加系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。