“天宮二號”空間實驗室上的太空實驗

張雪松

2016年9月15日，中秋之夜，“天宮二號”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。根據(jù)最新的報道，“天宮二號”將執(zhí)行航天員中期駐留、推進(jìn)劑在軌補加、在軌維修技術(shù)試驗、空間應(yīng)用科學(xué)實驗、航天醫(yī)學(xué)實驗和空間站技術(shù)驗證試驗等任務(wù)?！疤鞂m二號”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。由于具備先進(jìn)的推進(jìn)劑補加功能，“天宮二號”在發(fā)射時只攜帶了半艙的推進(jìn)劑，節(jié)省下來的載重量主要用于攜帶科學(xué)實驗載荷。作為我國第一個空間實驗室，它將開展的太空實驗備受矚目。

巡天查地的能手

“天宮二號”空間實驗室開展的眾多太空實驗中，巡天和查地是兩大重頭戲！

巡 天

“天宮二號”攜帶了中歐合作研制的天極伽馬暴偏振探測儀，簡稱天極望遠(yuǎn)鏡。天極望遠(yuǎn)鏡的主要作用是通過對伽馬射線暴的觀測，揭開恒星演化的奧秘。

伽馬射線是一種比X光波長更短的電磁波，宇宙中特大恒星塌縮時會釋放出極為強(qiáng)烈的伽馬射線。雖然這場絢爛的“煙花”往往只能持續(xù)幾秒鐘，但釋放的能量卻和太陽一百億年放出的總能量相當(dāng)，這就是伽馬射線暴，簡稱伽馬暴。

具體來說，天極望遠(yuǎn)鏡由偏振探測儀和電控箱兩部分組成。偏振探測儀安裝在艙外，背對地球，指向太空，用于搜索宇宙中隨機(jī)產(chǎn)生的伽馬暴。目前，它是世界上最靈敏的伽馬暴偏振探測儀器。按照以往的歷史數(shù)據(jù)推測，“天宮二號”在軌運行的2年時間里有望探測到約100次伽馬暴。

以目前的科學(xué)技術(shù)水平，盡管對伽馬射線的能量和方向都有較好的探測辦法，但對偏振探測的精度不高，天極望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)則恰恰彌補了這個缺口。通過全面系統(tǒng)地測量伽馬暴的偏振現(xiàn)象而獲得的高精度觀測數(shù)據(jù)，可以用來更好地研究伽馬暴的起源和輻射機(jī)制等天文難題，為科學(xué)家們更好地了解恒星的演化作貢獻(xiàn)。

查 地

“天宮二號”載有一臺高端的光學(xué)相機(jī)——寬波段成像光譜儀。這臺“數(shù)碼相機(jī)”的分辨率雖然不是太高，但卻是由4層8臺小相機(jī)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，包括3臺可見光近紅外相機(jī)、2臺短紅外相機(jī)、2臺熱紅外相機(jī)和1臺可見光偏振相機(jī)。它是世界上第一臺同時具備可見光、各種紅外波段以及偏振探測能力的相機(jī)，其最大的特點就是可以同時拍攝可見光、紅外和偏振等多種圖片，非常實用。

寬波段成像光譜儀主要用于“看”海和“看”大氣，在獲得海洋影像的同時，還能獲得相應(yīng)的光譜特征信息，用于觀測海洋水色。水色觀測結(jié)果可以幫助海洋專家監(jiān)測赤潮等現(xiàn)象，也可用于評估海洋浮游生物的數(shù)量，從而評估特定海域供養(yǎng)海洋生物的能力，為漁民出海作業(yè)提供依據(jù)。此外，這臺光譜儀還能夠用來監(jiān)測海洋的水溫、水冰和洋流信息，對溫度的敏感精度高達(dá)1/40攝氏度。

除了千里眼的功能，寬波段成像光譜儀的偏振觀測功能同樣大有用處，可以用來觀測大氣中各種微粒的濃度和分布。對于我們深惡痛絕的霧霾，它可以直接獲取霧霾的位置和濃度等信息，為更好地監(jiān)測和防治霧霾提供依據(jù)。

空間實驗的先鋒

日前，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射升空，并進(jìn)行了一系列的天地通信試驗。此次升空的“天宮二號”也攜帶了量子密鑰分發(fā)設(shè)備，能夠進(jìn)行量子密鑰分發(fā)實驗，它將通過一個個單光子生成不可泄漏的“天機(jī)”——量子密鑰?？偠灾?，“天宮二號”的量子密鑰分發(fā)設(shè)備將和“墨子號”一道，加速我國量子通信技術(shù)的實用化，進(jìn)一步提高我們的信息安全水平。

除了量子密鑰分發(fā)設(shè)備，“天宮二號”還攜帶了更具獨創(chuàng)性的空間冷原子鐘！隨著石英鐘和原子鐘的出現(xiàn)，人類的計時精度飛速提高，比如現(xiàn)在GPS衛(wèi)星上的原子鐘，其計時精度為10-14量級，能夠達(dá)到300萬年只差1秒的精度。如果能研制出更高精度的原子鐘，GPS和北斗等全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)就可以實現(xiàn)更高的精度。也許今后，我們就可以依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)讓汽車實現(xiàn)自動駕駛?！疤鞂m二號”上的空間冷原子鐘，就是一個解決方案！人們用激光冷原子技術(shù)制造出了更高精度的冷原子鐘，但對地面上的冷原子鐘來說，地球重力是個不小的影響因素。如果將冷原子鐘送上太空，它有望達(dá)到更高的精度。目前各國都在競相研制空間冷原子鐘，而我國的“天宮二號”空間實驗室已經(jīng)將人類第一臺空間冷原子鐘送上太空，開展微重力環(huán)境下的冷原子鐘實驗。這臺由中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的空間冷原子鐘的精度能夠達(dá)到每3000萬年才會有1秒的誤差，它還可以用于太空中的導(dǎo)航定位，以及空間引力波研究。

“天宮二號”還把“冶金實驗室”搬上了太空，它攜帶了一個綜合材料實驗平臺，包含一個材料實驗爐。它是我國第一個在軌的有人參與的空間材料實驗裝置，后期航天員的參與可以為實驗帶來更多的靈活性，提高實驗的復(fù)雜度。實驗中將制備更輕更硬的單晶金屬合金，還將制備磁性和熱電半導(dǎo)體等具有獨特作用的材料。毫不夸張地說，“天宮二號”上的這個“材料鋪子”就是未來我們在空間站或是空間工廠制備各種高性能材料的探路者。

無農(nóng)不穩(wěn)，“天宮二號”上也別出心裁地設(shè)計了高等植物培育實驗。不同于以往的空間育種，這次是植物在太空的生產(chǎn)培育實驗?！疤鞂m二號”空間實驗室上安裝了一個迷你版的太空溫室——高等植物培育箱?？茖W(xué)家們專門挑選了水稻和擬南芥的種子運上太空，并將在地面遙控開展實驗，從種子萌發(fā)、破土、生長發(fā)育、開花到最終結(jié)出種子，完成種子的空間培育實驗。這樣的研究具有獨特的價值：如果太空中植物可以正常生長發(fā)育，那么它們不僅可能構(gòu)成封閉式生命保障系統(tǒng)的一部分，吸收二氧化碳并為航天員提供氧氣，而且能結(jié)出種子和果實作為航天員的食物，這將構(gòu)成未來月球基地和火星基地的基礎(chǔ)。

科技與趣味并存

“天宮二號”空間實驗室不僅搭載了眾多最新的高科技產(chǎn)品，而且有眾多有趣的設(shè)置。

“天宮二號”進(jìn)入軌道后將釋放一顆伴星衛(wèi)星，圍繞“天宮二號”或遠(yuǎn)或近不同角度地伴隨飛行。這顆伴星衛(wèi)星能夠如影隨形地監(jiān)測“天宮二號”的狀態(tài)，為“天宮二號”可能出現(xiàn)的異常預(yù)警。更為有趣的是，這顆有“拍照神器”之稱的伴星衛(wèi)星帶有一臺2500萬像素的高分辨率相機(jī)，可以為我們拍攝到“神舟十一號”載人飛船和“天宮二號”對接后的壯觀場面，讓我們大飽眼福。

與此同時，英國國家空間學(xué)院主任安努·奧吉哈表示，他將申請在“天宮二號”上完成一個英國設(shè)計的科普實驗，這同樣是令人萬分期待的嘗試。我國的科普工作者自然不甘示弱，“天宮二號”執(zhí)行任務(wù)期間，航天員們必定還會進(jìn)行其他多種多樣的科普教育活動。讓我們拭目以待吧！