搭載十四項應(yīng)用載荷 開展六十余項空間實(shí)驗(yàn)

天宮二號“回家”帶來不少好消息

本報記者 付毅飛

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

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

科技日報記者從中科院空間應(yīng)用中心了解到，天宮二號共搭載14項應(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，共開展了60余項空間科學(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，天宮二號搭載了國際首臺在軌運(yùn)行并開展科學(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3000萬年的誤差小于1秒。

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

空間冷原子鐘項目的成功，推動了相關(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)航通信等重大項目中產(chǎn)生關(guān)鍵作用。也將對未來深空探測、基礎(chǔ)物理研究、精密測量等領(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)”

天宮二號搭載的量子密鑰分配試驗(yàn)空間終端，通過高精度自動跟瞄(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)上開展了空—地量子密鑰分配試驗(yàn)。

該試驗(yàn)率先在國內(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。

同時該試驗(yàn)也是我國首次實(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。

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

熱毛細(xì)對流實(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，指間會出現(xiàn)一個小液柱，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，在液體表面張力作用下會產(chǎn)生熱毛細(xì)流動，這是微重力環(huán)境下的主要自然對流形式。我國科學(xué)家一直夢寐以求揭開熱毛細(xì)對流的神秘面紗。

在天宮二號上，我國首次開展了空間微重力條件下的熱毛細(xì)對流實(shí)驗(yàn)，研究了在空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對流的失穩(wěn)機(jī)理問題，拓展了流體力學(xué)的認(rèn)知領(lǐng)域，取得了具有國際先進(jìn)水平的研究成果。其使我國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)：對尖端材料的了解更加深入

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

其中大部分樣品均為國際上首次實(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)。

基于空間測量、實(shí)驗(yàn)和地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了國內(nèi)第一個空間材料實(shí)驗(yàn)爐的熱環(huán)境仿真計算模型，獲得了空間微重力與地面重力環(huán)境下爐膛內(nèi)氣體壓力對爐膛最高溫度影響的基本規(guī)律，使我國空間材料科學(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”

光臨過天宮二號的除了景海鵬、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個月便完成了我國首次“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，我國首次發(fā)現(xiàn)擬南芥在空間長日條件下開花明顯延遲；首次發(fā)現(xiàn)微重力條件下植物壽命比地面對照組植物壽命極大地延長；首次發(fā)現(xiàn)空間微重力對于水稻吐水及其向性生長有明顯的影響。同時在國際上首次成功地利用植物開花基因啟動子帶動綠色熒光蛋白表達(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，天宮二號借助多臺遙感設(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，在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了12個多角度光學(xué)偏振遙感技術(shù)新體制驗(yàn)證，開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是國際首個用于海洋觀測的寬刈幅三維雷達(dá)成像高度計，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)高度計的發(fā)展方向，對于整體提升我國海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)報能力具有重要作用。

多波段紫外臨邊成像儀是我國首個具有紫外臨邊觀測能力的載荷，在國際上首次采用大視場，對全球中層大氣進(jìn)行紫外環(huán)形、前向臨邊輻射特性的同時探測。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、大氣與環(huán)境預(yù)報、空間天氣等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

多項技術(shù)驗(yàn)證：為我國空間站運(yùn)營奠定基礎(chǔ)

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

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

通過開展人機(jī)協(xié)同的空間精細(xì)操作機(jī)械臂試驗(yàn)，我國首次實(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，天宮二號還與天舟一號貨運(yùn)飛船配合，首次實(shí)現(xiàn)了我國航天器推進(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。