“天宮二號”里的黑科技

羅瓊

北京時間2016年9月15日22時4分9秒，長征二號火箭托舉著“天宮二號”空間實驗室騰空而起，奔向太空。隨后，長征二號火箭與“天宮二號”空間實驗室分離，“天宮二號”進入預(yù)定軌道，太陽帆板成功展開。22時25分，空間實驗室飛行任務(wù)總指揮長張又俠正式宣布，“‘天宮二號發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功！”此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，標(biāo)志著中國空間科學(xué)研究又邁出重要一步。

中國第一個真正意義上的太空實驗室

“天宮二號”在外觀上與2011年發(fā)射的“天宮一號”類似，都采用實驗艙和資源艙兩艙構(gòu)型。它全長10.4米，最大直徑3.35米，太陽翼展寬約18.4米，重8.6噸，設(shè)計在軌壽命2年。在“天宮一號”目標(biāo)飛行器備份產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，為滿足推進劑補加驗證試驗需要，對推進分系統(tǒng)進行了適應(yīng)性改造。為滿足中期駐留需要，對載人宜居環(huán)境進行了重大改善，具備支持2名航天員在軌工作、生活30天的能力。

“天宮二號”裝載了空間冷原子鐘等14項應(yīng)用載荷以及失重心血管功能研究等相關(guān)航天醫(yī)學(xué)實驗設(shè)備，配備在軌維修技術(shù)驗證裝置、機械臂操作終端等在軌維修試驗設(shè)備，將開展空間科學(xué)及技術(shù)實驗。

按計劃，“天宮二號”空間實驗室發(fā)射升空后，將變軌進入高度約380公里的運行軌道，進行在軌測試。在10月下旬，“神舟十一號”也將進入太空與之會合，屆時“神舟十一號”將搭乘兩名航天員，與“天宮二號”形成組合體，重點開展人在太空的中期駐留試驗。

而當(dāng)“神舟十一號”與“天宮二號”完成對接及其他各項試驗返回之后，“天宮二號”則繼續(xù)駐留太空，等待第一艘貨運飛船“天舟一號”的到來，開展推進劑補加等相關(guān)試驗。

載人航天的“三步走”戰(zhàn)略

要搞清楚“天宮二號”在中國載人航天工程中的位置，還要從“天宮一號”乃至“神舟五號”說起。20世紀(jì)90年代初期，中國正式啟動載人航天工程，并確立“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

第一步可以稱作載人飛船階段，主要任務(wù)是研制載人飛船，將航天員送到太空，開展空間應(yīng)用實驗并返回。在此期間，2003年，“神舟五號”飛船完成首次載人飛行任務(wù)；2005年，“神舟六號”飛船完成多人多天飛行試驗任務(wù)。至此，中國載人航天工程實現(xiàn)了第一步戰(zhàn)略任務(wù)目標(biāo)。

第二步是空間實驗室階段。2008年，“神舟七號”飛行任務(wù)圓滿成功，標(biāo)志著中國掌握了航天員出艙活動關(guān)鍵技術(shù)，這是第二步的任務(wù)目標(biāo)之一。直到2011年，“天宮一號”出場，這個目標(biāo)飛行器先后與“神舟八號”、“神舟九號”和“神舟十號”開展了交會對接試驗并取得成功，自動及手動控制交會對接技術(shù)得到驗證。

同時，“天宮一號”經(jīng)過對接后，被改造成為太空中一個短期有人照料的空間實驗平臺，多名航天員短期駐留太空，參與完成多項科學(xué)實驗，載人航天工程取得關(guān)鍵性進展，第二步的第一階段任務(wù)圓滿收官。

此后，擺在航天人面前的是補給以及循環(huán)利用技術(shù)，這些技術(shù)關(guān)系到未來空間站的組裝、航天員在空間站的生存等問題。第二步的第二階段就是要驗證這些技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，搭建起一個平臺，開展技術(shù)、應(yīng)用等各類試驗，為載人航天工程第三步打下基礎(chǔ)。

空間站是中國載人航天工程戰(zhàn)略的第三步，計劃于2020年左右建成，2022年全面運行，預(yù)計運營10年以上，航天員在空間站駐留可能達到1年以上。

需要注意的是，空間站和空間實驗室并不是一個概念?？臻g實驗室指的是可供多名航天員巡訪、長期工作和居住生活的載人航天器。隨著國際空間站在2024年的到期退役，屆時中國的空間站或?qū)⒊蔀槭澜缥ㄒ坏奶諏嶒炇?。中國也是繼俄羅斯、美國之后，第三個擁有空間站技術(shù)的國家。

“天宮二號”和“天宮一號”有何區(qū)別

僅從外形上來看，“天宮二號”和“天宮一號”并無太大的區(qū)別，畢竟“天宮二號”原本就是為“天宮一號”準(zhǔn)備的備份飛行器。不過，如今的“天宮二號”已經(jīng)過改造，搖身一變成了和“天宮一號”功能不同的空間實驗室。

“天宮二號”又被稱為空間實驗室，是中國首個太空實驗室平臺。而此前的“天宮一號”則是目標(biāo)飛行器。從目標(biāo)飛行器變成了空間實驗室，這里頭有很大差別。

“天宮一號”當(dāng)時任務(wù)的主要目標(biāo)是突破交會對接技術(shù)、組合體管控以及航天員中期駐留，這些都屬于先期技術(shù)驗證。而“天宮二號”則是真正意義上的空間試驗室，將開展14項空間科學(xué)與應(yīng)用項目，是載人航天歷次任務(wù)中應(yīng)用項目最多的一次。

更重要的是，“天宮二號”在完成發(fā)射之后，它將在太空完成三大任務(wù)——航天員中期駐留，推進劑在軌補加，在軌維修技術(shù)試驗。這些核心技術(shù)的攻關(guān)和儲備，將推動中國空間站建設(shè)進程更進一步。

“不明覺厲”的太空實驗

能夠拿到登上“天宮二號”的入場券，這些實驗無疑都屬于當(dāng)今世界最前沿的空間科學(xué)探索領(lǐng)域和國際先進的應(yīng)用新技術(shù)領(lǐng)域。

1_追求極度精準(zhǔn)的量天尺——空間冷原子鐘。當(dāng)計時器的誤差超過千分之一秒/天，電子通信網(wǎng)絡(luò)、高速交通管理、金融系統(tǒng)安全、電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電等日常活動就將陷入混亂；當(dāng)誤差超過十億分之一秒/天，衛(wèi)星導(dǎo)航定位、導(dǎo)彈精密打擊等高精準(zhǔn)度行為就會不同程度地偏離目標(biāo)。在地面上，由于重力作用，自由運動的原子團始終處于變速狀態(tài)，原子鐘精度受到限制。而在空間微重力環(huán)境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動，獲得更高精度信號。

科學(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合，研制成的“空間冷原子鐘”將首次在軌運行并開展科學(xué)實驗，同時它也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘，有望實現(xiàn)10-16量級的超高精度（約3000萬年誤差1秒），將目前人類在太空中的時間計量精度提高1-2個數(shù)量級。這對衛(wèi)星定位導(dǎo)航等生產(chǎn)生活及引力波探測等空間科學(xué)研究將產(chǎn)生重大影響。

2.百變金剛——液橋熱毛細(xì)對流實驗?！疤鞂m二號”里，中國將首次開展液橋熱毛細(xì)對流的空間實驗，研究在空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對流的失穩(wěn)機理問題，拓展流體力學(xué)的認(rèn)知領(lǐng)域。液橋是2個固體表面間連接的一段液體。在太空微重力環(huán)境下，可以建立起很大尺寸的液橋。本次實驗將由科學(xué)家們遠程操控，用“天宮二號”上搭載的液橋熱毛細(xì)對流實驗裝置完成。實驗中，液橋像一個變形金剛。裝置中的拉橋電機和注液電機將密切配合，改變液橋的“高矮胖瘦”，科學(xué)家稱之為“體積比效應(yīng)”。液橋中的液體在溫差誘導(dǎo)的表面張力驅(qū)動下，不同的體積比有不同的熱毛細(xì)振蕩現(xiàn)象——液橋會像有了生命一樣自由舞蹈，時而旋轉(zhuǎn)、時而左右橫步。而實驗箱內(nèi)置了172組預(yù)定模式實驗曲線，只要科學(xué)家在地面指間一動，就可以輕易地完成液橋“172變”。

那么，這項研究有什么用呢？為生產(chǎn)出高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料，就要科學(xué)控制在晶體生長過程中浮力對流、熱毛細(xì)對流的影響，而太空特有的微重力環(huán)境將使科學(xué)家深入剖析熱毛細(xì)對流的真實過程。

3.英雄材料——綜合材料實驗。該平臺此次的任務(wù)是研究半導(dǎo)體光電子材料、金屬合金及亞穩(wěn)材料、納米以及復(fù)合材料等制備基理，揭示在地面重力環(huán)境下難以獲知的材料物理和化學(xué)過程的規(guī)律。預(yù)期可獲得高質(zhì)量的空間材料樣品，在模型材料的結(jié)構(gòu)、功能、工藝參數(shù)等方面獲得有價值的科學(xué)研究成果。

4.天宮之爐——綜合設(shè)備實驗。它由材料實驗爐、材料電控箱和材料樣品工具袋3個部分構(gòu)成。整個裝置重約27.6kg，最大功耗不到200W（一般電水壺的功率在1000W-1800W），相當(dāng)于2個100W白熾燈，卻能實現(xiàn)真空環(huán)境下最高950℃的爐膛溫度，足以將玻璃或銀條熔化。

它要煉制18個實驗樣品，每個樣品都很個性，對爐子的要求都不同。為此，實驗爐引入了多項自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，解決了多溫區(qū)加熱、低功耗下的升溫保溫、溫度的精確控制等難題，讓它能煉制復(fù)合材料、金屬材料、有機高分子材料和晶體材料等很多神奇材料。

太空中生長的晶體，探測能力讓地面生長的晶體望塵莫及。比如，普通CT檢查一般只能確定直徑2毫米以上的腫瘤病灶，對于一些微小早期病灶視而不見，而安裝了太空閃爍晶體的CT探測精度則會大大提升，真正做到“上醫(yī)治未病”。

5.海之情——三維成像微波高度計?！疤鞂m二號”三維成像微波高度計是國際上第一次實現(xiàn)寬刈幅海面高度測量并能進行三維成像的微波高度計。傳統(tǒng)海洋微波高度計在海洋觀測中只能獲得星下點3公里左右觀測的范圍，即獲得沿軌跡方向星下點的一維海平面高度測量，“天宮二號”微波高度計則可實現(xiàn)35-40公里幅寬內(nèi)的高精度三維海洋表面觀測，極大提高了觀測效率。

這種能力有何作用？占地球表面積71%的海洋蘊藏著可促進人類社會發(fā)展的巨大寶藏，但也是很多重大自然災(zāi)害發(fā)生的源頭。海洋災(zāi)害的發(fā)生，往往伴隨著海洋環(huán)境的異常變化，如局部海洋區(qū)域的海面高度和海面溫度的異常升高。而海面高度的異常升高，例如“厄爾尼諾現(xiàn)象”，幅度僅為厘米級，只有微波高度計能夠敏銳捕捉到這種細(xì)微變化。人類只有深刻、清晰地了解海洋環(huán)境的安全性，才能真正地開發(fā)和使用海洋資源。微波高度計項目的實施可為研究全球海洋動力環(huán)境（包括海平面高度、海面風(fēng)浪和洋流）提供直接的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)，同時也為全球能量交換、氣候變化的研究提供不可或缺的科學(xué)依據(jù)。

6.天官守護者——“天官二號”伴隨衛(wèi)星?！疤鞂m二號”的伴隨衛(wèi)星是一顆微納衛(wèi)星，采用了小型化、輕量化、高功能密度的設(shè)計?！疤鞂m二號”伴隨衛(wèi)星將在在軌任務(wù)期間開展對空間組合體的飛越觀測等試驗，為主航天器的技術(shù)試驗提供支持，并拓展空間技術(shù)應(yīng)用。它是護航員，伴隨衛(wèi)星具備高分辨可見光相機和寬視場仿生魚眼紅外相機，能全天時多角度監(jiān)測空間碎片或溫度異常等空間站的潛在危險。

7.合作項目——伽馬暴偏振探測儀。人眼不能分辨光的偏振狀態(tài)，蜜蜂對偏振卻很敏感?！疤鞂m二號”中有一只“小蜜蜂”，用它的“復(fù)眼”捕捉遙遠宇宙中突然發(fā)生的伽馬射線暴的偏振性質(zhì)，它就是“天極”伽馬暴偏振探測儀，簡稱“天極”望遠鏡。這是中歐國際合作項目。

“天極”望遠鏡的主要科學(xué)目標(biāo)是探測研究遙遠宇宙中突然發(fā)生的伽瑪射線暴現(xiàn)象，并在國際上首次對伽瑪暴的偏振性質(zhì)實現(xiàn)高精度、系統(tǒng)性地測量，從而深入地研究恒星演化、黑洞形成，以及伽瑪暴爆發(fā)的物理機制，為更好地理解極端天體物理環(huán)境下產(chǎn)生的這種宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象做出重要貢獻。

8.情報機構(gòu)——空間環(huán)境分系統(tǒng)。全稱為空間環(huán)境監(jiān)測及物理探測分系統(tǒng)，主要用于實時監(jiān)測“天宮二號”軌道上的輻射環(huán)境和大氣環(huán)境，實現(xiàn)艙外16個方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強度和能譜監(jiān)測，以及軌道大氣密度、成分及其時空變化與空間環(huán)境污染效應(yīng)監(jiān)測等。

9.高等植物——現(xiàn)代迷你太空溫室。隨著人類空間活動的深入開展，人類需要飛出地球，在地外空間長期生活和工作，綠色植物可為人類和動物提供必需的食物和氧氣。

在“天宮二號”空間實驗室中將開展兩種代表性植物——擬南芥和水稻的培養(yǎng)實驗，著重探索在太空環(huán)境中如何控制植物開花結(jié)種的技術(shù)與方法，為建立保障人類長期空間生存所必需的生命生態(tài)支持系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。配備的高等植物培養(yǎng)箱具備在軌培養(yǎng)單元和樣品返回單元，能夠為植物生長提供必需的水分供給以及光照、溫度控制，具備實時可見光圖像和熒光圖像獲取功能，構(gòu)成了現(xiàn)代的迷你太空溫室，為研究植物在太空的生長發(fā)育提供支持。

10.尖端數(shù)碼相機——寬波段成像光譜儀?！疤鞂m二號”有個高級定制款數(shù)碼相機，能同時拍出可見光、紅外、光譜、偏振4種照片，它叫寬波段成像光譜儀。有了它，“天宮二號”可謂擁有了火眼金睛。它有兩大任務(wù)：一是看海洋。它可以準(zhǔn)確觀測海洋的水色和水溫。不僅可以準(zhǔn)確監(jiān)測到發(fā)生在任何海域的赤潮現(xiàn)象，還可以判斷出這片海域的浮游生物量和初級生產(chǎn)力，指導(dǎo)漁民出海作業(yè)。二是看大氣。由于光的偏振特性對大氣粒子具有獨特敏感性，偏振成像可獲得大氣氣溶膠和云粒子的很多關(guān)鍵性能參數(shù)，對氣象預(yù)報、氣候預(yù)測有重要價值。它還能看霧霾，并輔助專家們分析霧霾。

11.天機不可泄露——量子密鑰分配?！疤鞂m二號”載荷“量子密鑰分配試驗空間終端”，通過高精度自動跟瞄系統(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)上進行空地量子密鑰分配試驗。為載人航天的空地間量子保密通信，以及未來的實用化天地一體廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)打下基礎(chǔ)。

“天宮二號”的軌道飛行高度近400公里，飛行速度約為每秒鐘8公里。地面站的接收口徑約1米。用來生成量子密鑰的光子需要精準(zhǔn)地打在地面站的望遠鏡上，就如同在一列全速行駛的高鐵上，把一枚硬幣準(zhǔn)確地投到10公里外的一個固定礦泉水瓶里，難度可想而知。

任務(wù)結(jié)束后會否成為太空垃圾

中國對空間碎片問題高度重視，長征七號運載火箭搭載的“遨龍一號”，就用于開展空間碎片清除關(guān)鍵技術(shù)在軌驗證試驗?！疤鞂m二號”在軌任務(wù)末期，將受控離軌，隕落至太平洋海域，不會成為太空垃圾。

早前發(fā)射的“天宮一號”已于2016年3月16日全面完成了其歷史使命，預(yù)計在2017年隕落，大部分結(jié)構(gòu)部件將在隕落過程中燒蝕銷毀，對航空活動以及地面造成危害的概率很低，成為太空垃圾的可能性極小。