天宮-2空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)及進(jìn)展

（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

天宮-2空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)及進(jìn)展

Progress of Tiangong-2 Space Science and Application Mission

張偉（中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

2016年9月15日，我國第一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室——天宮—2成功發(fā)射。天宮—2主要在軌完成兩大任務(wù)：一是空間科學(xué)研究與應(yīng)用任務(wù)，即在軌開展較大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)；二是載人空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，即進(jìn)行航天員中期駐留、在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加和在軌維修維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，為未來的載人空間站建造奠定基礎(chǔ)。在該空間實(shí)驗(yàn)室上安排了14項(xiàng)體現(xiàn)科技前沿的科學(xué)研究與應(yīng)用任務(wù)，包括覆蓋基礎(chǔ)物理、空間天文、微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)和地球科學(xué)觀測及應(yīng)用等幾大領(lǐng)域的研究項(xiàng)目?，F(xiàn)在，有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)已取得初步成果。

1 基礎(chǔ)物理研究

空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)

空間冷原子鐘的工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術(shù)獲得接近絕對零度（μK量級）的超冷原子團(tuán)，并將其沿軸向拋射入微波腔。在空間微重力條件下，原子團(tuán)沒有地面重力引起的自由下落，可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此在微波腔內(nèi)與微波的相互作用時(shí)間大大延長。在原子團(tuán)與微波作用后利用原子能級探測可獲取不同微波頻率下的原子躍遷概率譜線，該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度時(shí)間頻率信號?？臻g原子鐘實(shí)驗(yàn)的頻率穩(wěn)定度有望達(dá)到10-16量級的穩(wěn)定度（即每3千萬年誤差小于1s），將成為國際上首次在軌運(yùn)行的空間冷原子鐘。目前，天宮-2空間冷原子鐘在軌實(shí)驗(yàn)正在順利開展，已獲得原子拋射速度分別為4m/s、2m/s和1m/s的原子躍遷概率譜線，所對應(yīng)的日穩(wěn)定度為1.7×10-15。通過系統(tǒng)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

空地量子密鑰分配

該試驗(yàn)采用誘騙態(tài)方法，即對光量子進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制生成密鑰，通過天地雙向高精度動(dòng)態(tài)跟瞄，進(jìn)行空地間超遠(yuǎn)距離的量子密鑰傳輸。同時(shí)開展空地激光通信實(shí)驗(yàn)，碼速率為1.6Gbit/s?？臻g捕獲跟瞄系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟瞄精度優(yōu)于10μrad，有效密鑰速率約3kbit/s。通過該項(xiàng)試驗(yàn)，突破并驗(yàn)證量子密鑰生成、分配、提取、光信道保持等重大關(guān)鍵技術(shù)，保持我國在先進(jìn)量子調(diào)控科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；同時(shí)為未來建立絕對安全的國家量子保密通信網(wǎng)絡(luò)、推進(jìn)量子密鑰分配技術(shù)實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。目前，在軌測試已驗(yàn)證了雙向跟瞄系統(tǒng)的性能，成功實(shí)現(xiàn)捕獲跟瞄，且信標(biāo)光、量子光和同步光均輸出正常，后續(xù)將開展量子密鑰傳輸試驗(yàn)。

2 空間天文觀測—γ暴偏振探測

自20世紀(jì)60年代以來，科學(xué)家已對γ射線暴進(jìn)行了長期的觀測研究，但其成因和機(jī)理尚沒有定論。宇宙γ射線的偏振信息對研究輻射源性質(zhì)和輻射機(jī)制有重要作用，但難以測量。中國科學(xué)院高能物理研究所與瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)（UNIGE）合作，采用康普頓散射測量原理，通過γ光子康普頓散射產(chǎn)生的反沖電子徑跡方向來反演γ射線的入射角和偏振度。通過這種方法可對宇宙γ暴和太陽耀斑高能輻射進(jìn)行高靈敏度的偏振觀測，該實(shí)驗(yàn)可望開辟γ射線天文探測的新窗口，從而揭示γ暴的本質(zhì)和太陽高能活動(dòng)的規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)采用25套探測器單體，每套由8×8陣列的塑料閃爍體棒組成，共形成40×40的探測陣列，即1600個(gè)探測通道。其探測能區(qū)為50～500keV。目前經(jīng)過在軌測試1600個(gè)通道均可正常探測，康普頓散射譜符合預(yù)期，并發(fā)現(xiàn)了太陽暴候選體和蟹狀星云（Crab）脈沖星信號，后續(xù)通過繼續(xù)觀測將有望獲得有重大影響的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

冷原子鐘工作原理示意圖

空地量子密鑰試驗(yàn)裝置

γ暴探測儀設(shè)計(jì)原理圖

蟹狀星云（Crab）

3 微重力科學(xué)研究

液橋熱毛細(xì)對流研究

該項(xiàng)目研究在微重力環(huán)境下，不同形狀比（高徑比范圍0.5～1.1）和體積比（0.65～1.1）的大Prandtl數(shù)（高粘性、低熱傳導(dǎo)）液橋熱毛細(xì)對流的不穩(wěn)定性，包括轉(zhuǎn)捩、二次轉(zhuǎn)捩和溫度振蕩等。其中液橋體積效應(yīng)和大Prandtl數(shù)二次轉(zhuǎn)捩等問題研究具有原創(chuàng)科學(xué)思想。液橋?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ蛠碜缘孛娌捎玫膯尉Ю萍夹g(shù)。通過數(shù)值模擬、空間與地面實(shí)驗(yàn)對比，期望搞清機(jī)理，并有助于為地面浮區(qū)法晶體材料生長提供科學(xué)指導(dǎo)，以改進(jìn)地面晶體材料生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)采用的液橋直徑為20mm，實(shí)驗(yàn)裝置具有注液建橋，控制形狀比和體積比，溫度和形貌測量，以及斷橋再建等功能。該項(xiàng)目在神舟-11返回后開始進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)，空間應(yīng)用系統(tǒng)為該項(xiàng)目研發(fā)了遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，可在地面對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和監(jiān)測。

液橋在軌自檢圖像

綜合材料實(shí)驗(yàn)研究

綜合材料實(shí)驗(yàn)研究研制了新型雙溫區(qū)電阻加熱多工位爐，溫度范圍500～950℃，溫度梯度6～45℃/cm，溫度穩(wěn)定度±0.5℃。實(shí)驗(yàn)安排了3批樣品，每批6支共18支樣品，將進(jìn)行半導(dǎo)體材料、光電子材料、金屬合金和亞穩(wěn)材料、新型功能晶體、納米和復(fù)合材料等多種材料加工實(shí)驗(yàn)，其中大部分實(shí)驗(yàn)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。在軌研究微重力下材料生長形成過程的機(jī)理。航天員負(fù)責(zé)在軌更換樣品，目前兩批樣品已完成實(shí)驗(yàn)，航天員已將這兩批樣品帶回地面由科學(xué)家們進(jìn)行深入分析。

材料實(shí)驗(yàn)樣品

天宮-2材料實(shí)驗(yàn)爐

長日照水稻、擬南芥可見光圖像

短日照水稻、擬南芥可見光圖像

長日照擬南芥熒光圖像

4 空間生命科學(xué)研究—高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

研究微重力條件下高等植物從種子到種子的生長發(fā)育規(guī)律，探索微重力條件下長日照與短日照植物的光周期誘導(dǎo)開花規(guī)律、調(diào)控機(jī)理和基因表達(dá)變化等。實(shí)驗(yàn)采用長日照植物擬南芥和短日照植物水稻作為樣品，專門研制了植物培養(yǎng)箱，其溫度范圍為17～28℃，濕度范圍60%～100%，光照強(qiáng)度和周期可調(diào)。植物生長中最顯著的變化是從植株到開花的過程，其受到環(huán)境和內(nèi)部傳導(dǎo)信號的影響，在微重力和節(jié)律變化復(fù)合環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)對搞清機(jī)理是新的探索。目前已在軌完成了植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，生長狀況良好，開花基因在長日照培養(yǎng)條件下能夠啟動(dòng)表達(dá)，并且在葉片中積累。航天員已回收樣品并帶回地面。

5 地球科學(xué)觀測及應(yīng)用

多角度寬波段成像儀

多角度寬波段成像儀是新一代空間光譜成像遙感器。其中多角度偏振成像儀將有效探測卷云，獲取云頂高度、氣溶膠和大氣水含量等信息，其空間分辨率3km，刈幅770km，偏振測量精度2%；寬波段成像光譜儀可獲取海洋、大氣、陸地的精細(xì)光譜信息，光譜范圍0.4～10μm，光譜分辨率5～10nm，刈幅300km。多角度寬波段成像儀已在軌開展觀測研究，獲取了一批陸地、海洋和大氣的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，后續(xù)將持續(xù)觀測并開展與全球變化相關(guān)的地球環(huán)境研究，并拓展在環(huán)境、海洋、農(nóng)業(yè)、林業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

三維成像微波高度計(jì)

三維成像微波高度計(jì)是國際首次采用融合合成孔徑、短基線干涉測量和新型高度跟蹤等先進(jìn)微波遙感體制于一體的新型雷達(dá)高度計(jì)，可獲取海浪、潮汐潮流等海洋動(dòng)力環(huán)境要素、二維海/陸圖像和三維海/陸地形，在全球氣候與環(huán)境變化監(jiān)測、海洋動(dòng)力學(xué)環(huán)境研究等方面將提供重要數(shù)據(jù)，并可為海洋活動(dòng)提供保障。該儀器實(shí)現(xiàn)寬刈幅30km，分辨率100m，海洋相對測高精度10cm，預(yù)計(jì)反演的海面風(fēng)速精度優(yōu)于±2m/s，風(fēng)向精度優(yōu)于15°。該高度計(jì)目前已獲得了三維海面形態(tài)圖像和良好的三維海陸交界形態(tài)圖像等高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

多波段紫外臨邊成像光譜儀

海洋及水體觀測圖像

大氣氣象觀測圖像

三維海陸交界形態(tài)圖像

多波段紫外臨邊成像儀的環(huán)形光譜成像儀工作原理示意圖

該成像儀是國際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準(zhǔn)同時(shí)探測，突破和驗(yàn)證了紫外臨邊成像光譜探測關(guān)鍵技術(shù)，提升我國紫外光譜大氣遙感探測能力，獲取全球大氣密度、臭氧分布和氣溶膠等微量成分的垂直結(jié)構(gòu)及三維動(dòng)態(tài)分布，研究大氣各層相互作用及與地球各圈層以及與太陽活動(dòng)、空間環(huán)境的關(guān)系。其工作模式是從近地空間對準(zhǔn)地球邊緣，觀測地球大氣的紫外及更寬波段的光譜。該儀器包括1臺環(huán)形成像光譜儀，360°環(huán)形全方位觀測，三通道中心波長265、295、360nm，像元分辨率4km；另有1臺前向成像光譜儀，波長范圍280～1000nm，光譜分辨率1.4nm，像元分辨率3km。

環(huán)形光譜成像儀獲取紫外環(huán)形圖像數(shù)據(jù)（295nm通道數(shù)據(jù)）

6 空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)—伴隨衛(wèi)星-2試驗(yàn)

在天宮-2和神舟-11組合體飛行期間釋放了所攜帶的伴隨衛(wèi)星-2，用于飛越觀測組合體，獲得有價(jià)值的圖像，并開展微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性測量組件、微型通用星載計(jì)算機(jī)等新技術(shù)試驗(yàn)。伴隨衛(wèi)星-2在太空成功釋放后，對組合體進(jìn)行了伴飛與拍攝，這為未來的新型航天器編隊(duì)飛行及小衛(wèi)星的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

伴隨衛(wèi)星-2拍攝的天宮—2與神舟—11組合體圖像

7 載人空間站科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)展望

天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室空間應(yīng)用任務(wù)的順利實(shí)施將為我國載人空間站的研制與實(shí)施奠定基礎(chǔ)，并可獲取重要經(jīng)驗(yàn)。我國載人空間站將于2018-2022年間進(jìn)行建造，規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的10余個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和密封艙外的若干重大研究設(shè)施，將在軌運(yùn)行10年以上，支持空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文和天體物理、空間物理與空間環(huán)境、空間地球科學(xué)及應(yīng)用、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8個(gè)學(xué)科領(lǐng)域31個(gè)研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目滾動(dòng)實(shí)施。通過載人空間站工程的建造與運(yùn)營，將顯著提升我國空間科學(xué)研究與應(yīng)用的水平，有望取得一大批重大科研成果。

1）在國際前沿探索的微重力基礎(chǔ)物理、空間生命科學(xué)和空間材料科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)入世界先進(jìn)行列，在高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)、廣義相對論驗(yàn)證、超冷原子的量子力學(xué)性質(zhì)等方面取得一批具有國際影響的重大發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)領(lǐng)域的跨越發(fā)展。

2）在面向國家重大戰(zhàn)略需求的空間信息獲取新技術(shù)、量子保密通信技術(shù)、空間3D打印技術(shù)等領(lǐng)域，突破和掌握一批戰(zhàn)略性新技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到國際先進(jìn)水平，為我國科技的創(chuàng)新發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐，引領(lǐng)和帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

3）在空間生物藥物設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體光電子先進(jìn)材料制備和地球觀測應(yīng)用等方面取得重大突破，通過空間科技成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化和地面應(yīng)用，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級，獲取顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益，為國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展提供新的增長點(diǎn)。