天宮之城中的“神器”

佘惠敏

“天宮二號(hào)”作為我國首個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，航天員在其中生活一個(gè)月左右，要吃飯要睡覺要上廁所，還要進(jìn)行各類空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與探測項(xiàng)目，那在這緊湊的空間里，要塞進(jìn)多少神器才能完成任務(wù)呢？

現(xiàn)在讓我們來列個(gè)清單看看。

八卦爐——綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置

《西游記》中，金箍棒、九齒釘耙等法寶都出自太上老君的八卦爐。

天宮二號(hào)中也有一只神爐，它叫“綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置”，由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所牽頭，聯(lián)合國家空間科學(xué)中心、蘭州技術(shù)物理研究所共同研制。

這套多功能的通用型材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，由“材料實(shí)驗(yàn)爐”“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”3個(gè)單機(jī)構(gòu)成，總重約27.6公斤，最大功耗不到200瓦，卻能實(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，每個(gè)樣品都很有“個(gè)性”，對(duì)爐子要求都不同。為此，“神爐”引入了多項(xiàng)自主知識(shí)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(jī)高分子材料和晶體材料等很多神奇材料。

它煉制的寶貝有啥神奇之處？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兩毫米以上的腫瘤病灶，對(duì)一些微小早期病灶卻視而不見，而安裝了太空產(chǎn)閃爍晶體的CT探測精度則會(huì)大大提升，真正做到上醫(yī)治未病。

守護(hù)神——天宮二號(hào)伴隨衛(wèi)星

天宮二號(hào)伴隨衛(wèi)星是一顆微納衛(wèi)星，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制，是天宮二號(hào)試驗(yàn)任務(wù)的一部分。它搭載了多個(gè)試驗(yàn)載荷，具備較強(qiáng)的變軌能力，能靈活機(jī)動(dòng)地開展空間任務(wù)。

這個(gè)天宮二號(hào)的小伙伴，將承擔(dān)哪些任務(wù)？

伴隨衛(wèi)星在軌期間將開展伴飛試驗(yàn)，從天宮二號(hào)在軌釋放，在空間輕松上演自由貼近、遠(yuǎn)離的華麗動(dòng)作大戲。同時(shí)配合空間站開展多平臺(tái)間的協(xié)同試驗(yàn)，拓展空間應(yīng)用。

伴隨衛(wèi)星具備高分辨可見光相機(jī)和寬視場仿生魚眼紅外相機(jī)，能全天時(shí)多角度監(jiān)測空間碎片或溫度異常等空間站的潛在危險(xiǎn)。它可作為主航天器的安全輔助工具，對(duì)主航天器進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)測、安全防衛(wèi)。

伴隨衛(wèi)星搭載了高分辨率全畫幅可見光相機(jī)，未來將在空間繞飛試驗(yàn)過程中對(duì)天宮二號(hào)與神舟11號(hào)飛船組合體進(jìn)行高分辨率成像，成為“天宮”和“神舟”這對(duì)國民CP的自拍神器。

神眼——寬波段成像光譜儀

天宮二號(hào)有個(gè)高定款數(shù)碼相機(jī)，能同時(shí)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”，由中科院上海技術(shù)物理研究所的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)耗8年心血研制而成。

這款太空相機(jī)，將原定的兩款不同功能太空相機(jī)合二為一，省空間、降重量，功能卻不弱反強(qiáng)。國際上，在一臺(tái)儀器上開啟可見近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外多光譜成像，同時(shí)兼具偏振探測功能的“智慧銳眼”，這是第一次！

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。它提取到的海水葉綠素、色素濃度等信息，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，還可以估計(jì)出這片海域的浮游生物量和初級(jí)生產(chǎn)力，指導(dǎo)漁民出海作業(yè)。它可以探測水溫、海冰和洋流信息，且具備很高的水溫變化探測靈敏度，大約是1℃的1/40，比我國現(xiàn)有的海洋遙感器的探測靈敏度提高了好幾倍。

二是看大氣。由于光的偏振特性對(duì)大氣粒子具有獨(dú)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(duì)氣象預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測有重要價(jià)值。簡單點(diǎn)說，它能看霧霾，并輔助專家們分析霧霾！

百變金剛——液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)裝置

液橋是兩個(gè)固體表面之間連接的一段液體。太空微重力環(huán)境下，可以建立起很大尺寸的液橋。本次實(shí)驗(yàn)將由科學(xué)家們遠(yuǎn)程操控，用天宮二號(hào)上搭載的液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)裝置完成。

實(shí)驗(yàn)中，液橋像一個(gè)“變形金剛”。裝置中的拉橋電機(jī)和注液電機(jī)將密切配合，改變液橋的“高矮胖瘦”，既可以變得“高大上”，又可以變得“土肥圓”，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(dòng)下，不同的體積比有不同的熱毛細(xì)振蕩現(xiàn)象——液橋會(huì)像有了“生命”一樣自由舞蹈，時(shí)而旋轉(zhuǎn)，時(shí)而左右橫步。而實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)置了172組預(yù)定模式實(shí)驗(yàn)曲線，只要科學(xué)家在地面指間一動(dòng)，就可以輕易地完成液橋“172變”。

它有什么用？該項(xiàng)目主任設(shè)計(jì)師、中科院力學(xué)研究所研究員康琦說：“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(duì)流、熱毛細(xì)對(duì)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(duì)流的真實(shí)過程?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2017/01/11/czqk201612czqk20161203-1-l.jpg" style="">

采花蜂眼——“天極”望遠(yuǎn)鏡

人眼不能分辨光的偏振狀態(tài)，蜜蜂對(duì)偏振卻很敏感。天宮二號(hào)中有一只小蜜蜂，用它的“復(fù)眼”捕捉遙遠(yuǎn)宇宙中突然發(fā)生的伽馬射線暴的偏振性質(zhì)，它是“天極”伽馬暴偏振探測儀，簡稱“天極”望遠(yuǎn)鏡。

伽馬射線是有很強(qiáng)穿透性的電磁波。恒星臨終時(shí)發(fā)生劇烈爆炸，產(chǎn)生極強(qiáng)烈的伽馬射線輻射，持續(xù)時(shí)間長不過幾千秒，短不足百分之一秒，其亮度卻超過全宇宙其他天體的總和，輻射能量與太陽一生相當(dāng)，猶如恒星最后的“生命之花”。這種集一生輝煌于一瞬的壯麗告別，就是伽馬射線暴。

伽馬暴的起源及相應(yīng)的物理過程，一直是天文學(xué)家們研究的最前沿課題之一。近十幾年來，對(duì)伽馬暴的研究取得了長足進(jìn)步，但一些基本問題還未解決?？茖W(xué)家推測，對(duì)伽馬暴伽馬射線偏振的研究可為解決這些問題提供新線索，卻缺乏有效測量儀器。

“天極”望遠(yuǎn)鏡填補(bǔ)了這個(gè)空白，它是國際上最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，將高精度且系統(tǒng)性地測量伽馬射線暴的偏振性質(zhì)，預(yù)期運(yùn)行兩年，探測大約100個(gè)伽馬射線暴。

“天極”望遠(yuǎn)鏡由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位參加研制，是天宮二號(hào)搭載的所有實(shí)驗(yàn)中唯一的國際合作項(xiàng)目。

迷你溫室——高等植物培養(yǎng)箱

天宮二號(hào)中，就有兩種“植物宇航員”——擬南芥和水稻，它們生活在高等植物培養(yǎng)箱里，將開展我國首次為期6個(gè)月的太空植物“從種子到種子”全生命周期培養(yǎng)。

高等植物培養(yǎng)箱是身負(fù)重任的微縮版太空溫室，它通過光照周期、溫度、濕度、營養(yǎng)液供給調(diào)節(jié)等功能為種子的生長發(fā)育提供環(huán)境保障。本次實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們將通過實(shí)時(shí)成像技術(shù)，記錄微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發(fā)、幼苗生長到開花發(fā)育的全過程，并下傳圖像進(jìn)行“全程直播”。同時(shí)，特別構(gòu)建了綠色熒光蛋白標(biāo)記開花基因的擬南芥植株，將通過熒光圖像技術(shù)，在分子水平檢測開花基因在微重力情況下的表達(dá)動(dòng)態(tài)。

太空情報(bào)站——空間環(huán)境分系統(tǒng)

顧名思義，空間環(huán)境分系統(tǒng)就是用來收集空間環(huán)境相關(guān)情報(bào)的。在太空中，高能帶電粒子（質(zhì)子、電子、重離子）組成的輻射環(huán)境、航天器軌道高度的大氣環(huán)境等都屬于空間環(huán)境的要素。能量很高的帶電粒子輻射可能導(dǎo)致航天器材料性能下降或損壞，也可能破壞宇航員的器官組織，嚴(yán)重時(shí)甚至有生命危險(xiǎn)。

太空很危險(xiǎn)，情報(bào)太重要！

所以，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心空間環(huán)境探測研究室就研制了空間環(huán)境分系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環(huán)境探測器和空間環(huán)境控制單元3臺(tái)儀器組成。帶電粒子輻射探測器身上的16個(gè)小探頭可以從16個(gè)方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子，實(shí)現(xiàn)艙外16個(gè)方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強(qiáng)度和能譜監(jiān)測。軌道大氣環(huán)境探測器可以監(jiān)測軌道大氣密度、成分及其時(shí)空變化等，告訴你是誰拖延了天宮的腳步。

空間環(huán)境分系統(tǒng)以載人航天工程空間環(huán)境保障為主，兼顧空間物理研究。

量天尺——空間冷原子鐘

原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級(jí)具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率，利用這一特點(diǎn)，人們制作出高精度計(jì)時(shí)裝置原子鐘。當(dāng)前地面上投入使用的最準(zhǔn)確的原子鐘，誤差已降到萬億分之一秒/天。

但在地面上，由于重力作用，自由運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)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(tuán)可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，獲得更高精度信號(hào)。

中科院上海光機(jī)所的科學(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，發(fā)展出空間超高精度冷原子鐘。他們研制的“空間冷原子鐘”已搭載天宮二號(hào)發(fā)射升空，這將成為國際上首臺(tái)在軌運(yùn)行并開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的“空間冷原子鐘”，有望在空間軌道上獲得較地面上的線寬窄一個(gè)數(shù)量級(jí)的原子鐘譜線，提高目前原子鐘精度，是原子鐘發(fā)展史上又一重大突破。

遙感偵探——三維成像微波高度計(jì)

天宮二號(hào)上，有個(gè)“三維成像微波高度計(jì)”，是國際上首個(gè)實(shí)現(xiàn)寬刈幅海面高度測量并能進(jìn)行三維成像的微波高度計(jì)。

傳統(tǒng)海洋微波高度計(jì)在海洋觀測中只能獲得星下點(diǎn)3km左右觀測的范圍，即獲得沿軌跡方向星下點(diǎn)的一維海平面高度測量，天宮二號(hào)微波高度計(jì)則可實(shí)現(xiàn)35～40km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(yùn)藏著可促進(jìn)人類社會(huì)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(jí)，只有微波高度計(jì)能夠敏銳捕捉到這種細(xì)微變化。

人類只有深刻地、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(jì)項(xiàng)目的實(shí)施可為研究全球的海洋動(dòng)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(shí)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)。

神秘通信寶——量子密鑰分配專項(xiàng)

量子密鑰的安全性基于量子物理的基本原理。作為光的最小粒子，每個(gè)光量子在傳輸信息的時(shí)候具有不可分割和不可被精確復(fù)制兩大特性，使得存在竊聽就一定會(huì)被發(fā)送者察覺并規(guī)避，從而保證了信息的安全。

現(xiàn)在，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術(shù)，在我國已經(jīng)逐漸完成了實(shí)用化，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個(gè)規(guī)?；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)、首顆量子通信衛(wèi)星，都是中國造。

天宮二號(hào)上有一個(gè)“量子密鑰分配專項(xiàng)”載荷，以實(shí)現(xiàn)空地間實(shí)用化的量子密鑰分配為目標(biāo)，通過天上發(fā)射一個(gè)個(gè)單光子并在地面接收，生成“天機(jī)不可泄露”的量子密鑰。

天宮二號(hào)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一米。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(yuǎn)鏡上，就如同在一列全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準(zhǔn)確地投到10公里以外的一個(gè)固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。