解密“天宮二號(hào)”

耿宜宏

繼“長(zhǎng)征七號(hào)”首飛之后，中國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室階段任務(wù)迎來(lái)第二次飛行，之后“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室將開(kāi)展在軌測(cè)試并建立自主運(yùn)行模式，并與“神舟十一號(hào)”載人飛船實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接。中國(guó)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室于2016年9月15日22時(shí)04分發(fā)射實(shí)現(xiàn)箭體分離，并展開(kāi)太陽(yáng)能電池板，成功進(jìn)入預(yù)定軌道；其意義不亞于嫦娥奔月，是載人航天太空實(shí)驗(yàn)室前進(jìn)中的關(guān)鍵一步。

值得一提的是，用于發(fā)射載人航天器的長(zhǎng)征二號(hào)F火箭享有“神箭”的美譽(yù)，11次神舟飛船和2次“天宮一號(hào)”飛行器，在13次的發(fā)射任務(wù)中，“神箭”保持著100%的成功率此次進(jìn)場(chǎng)的長(zhǎng)征二號(hào)FT2火箭與長(zhǎng)征二號(hào)FTl火箭，長(zhǎng)征二號(hào)F遙十一火箭與長(zhǎng)征二號(hào)F遙十火箭技術(shù)狀態(tài)基本一致，主要在安全性與可靠性方面，做了部分技術(shù)狀態(tài)更改。

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭為捆綁式二級(jí)液體運(yùn)載火箭，芯級(jí)直徑3.35米，捆綁4枚助推器，助推器直徑2.25米，它采用了垂直總裝垂直測(cè)試和垂直轉(zhuǎn)運(yùn)的三垂模式，這種模式可以保證火箭測(cè)試和發(fā)射都在火箭豎直的狀態(tài)下進(jìn)行。

一、不同于“天宮一號(hào)”的“天宮二號(hào)”

雖然有著相同的外形，但“天宮二號(hào)”絕非“天宮一號(hào)”的簡(jiǎn)單升級(jí)版本，它將實(shí)現(xiàn)更多“第一次”。據(jù)悉，“天宮二號(hào)”是中國(guó)第一個(gè)具備太空補(bǔ)加任務(wù)的空間實(shí)驗(yàn)室，要第一次實(shí)現(xiàn)航天員30天駐留、第一次試驗(yàn)推進(jìn)劑太空補(bǔ)加技術(shù)等重要的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“天宮二號(hào)”與“天宮一號(hào)”的使命任務(wù)有所不同。相比而言，“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器，主要是配合神舟飛船完成交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)?！疤鞂m二號(hào)”是真正意義上的太空實(shí)驗(yàn)室。

相比“天宮一號(hào)”，“天宮二號(hào)”不僅裝備更豪華、裝載量提高、內(nèi)部環(huán)境更好，搭載的設(shè)備也更先進(jìn)?！疤鞂m二號(hào)”上搭載了全新配套的空間應(yīng)用系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)備，無(wú)論是數(shù)量還是安裝復(fù)雜程度，都創(chuàng)造了歷次載人航天器任務(wù)之最。

例如，它首次搭建了液體回路驗(yàn)證系統(tǒng)，將驗(yàn)證空間站維修技術(shù)；首次搭載了機(jī)械臂操作終端試驗(yàn)器，將第一次開(kāi)展中國(guó)人機(jī)協(xié)同太空在軌維修試驗(yàn)，為以后空間站任務(wù)提供技術(shù)儲(chǔ)備?！疤鞂m二號(hào)”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是模塊化的，也就是說(shuō)它出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以快速更換和在軌維修，這在國(guó)內(nèi)空間領(lǐng)域也屬于首次。

此外，從距離地球393公里的高空發(fā)來(lái)“郵件”也將在“天宮二號(hào)”上得以實(shí)現(xiàn)?！疤鞂m一號(hào)”目標(biāo)飛行器僅有電子郵件“上行功能”，而“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室在此基礎(chǔ)上增加“下行功能”。也就是說(shuō)，航天員可以在“天宮二號(hào)”艙內(nèi)收發(fā)郵件，假如他們有了任何心得體會(huì)，或者想跟親人分享些什么，可以隨時(shí)發(fā)一封郵件下來(lái)，家屬就能看到‘來(lái)信，這樣既方便又人性化。

二、太空中有十余項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)

“天宮二號(hào)”被稱作是目前中國(guó)載人飛行時(shí)間最長(zhǎng)的航天器，它的主要任務(wù)自然備受關(guān)注。

第—個(gè)：航天員從“神舟十一號(hào)”飛船交會(huì)對(duì)接，然后在“天宮二號(hào)”工作和生活30天。

第二個(gè)：就是要跟明年的貨運(yùn)飛船對(duì)接，進(jìn)行推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加。

第三個(gè)：就是為今后空間站開(kāi)展一些技術(shù)實(shí)驗(yàn)，包括維修性的一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

“天宮二號(hào)”任務(wù)中有一項(xiàng)非常重要的工作，就是要開(kāi)展大規(guī)模的空間科學(xué)和應(yīng)用試驗(yàn)，這也標(biāo)志著中國(guó)載人航天進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展新階段。

“天宮二號(hào)”上要進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)達(dá)到14項(xiàng)，數(shù)量之多史無(wú)前例，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，比如“空一地量子密鑰分配與激光通信試驗(yàn)”和“伽馬暴偏振探測(cè)”項(xiàng)目等，其中，有兩項(xiàng)需要航天員直接參與操作。有一項(xiàng)是國(guó)際合作聯(lián)合研究的項(xiàng)目。

在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室將要開(kāi)展的十多項(xiàng)世界最前沿的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，包括了空間科學(xué)核物理領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目——空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)，它將有望實(shí)現(xiàn)三千萬(wàn)年誤差一秒的超高精度，對(duì)于衛(wèi)星定位、導(dǎo)航等生產(chǎn)生活以及引力波探測(cè)等空間科學(xué)研究都將產(chǎn)生重大影響。

三、“神舟十一號(hào)”飛船進(jìn)入太空與其實(shí)現(xiàn)對(duì)接

在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射之后，10月17日7時(shí)30分“神舟十一號(hào)”飛船搭載兩名航天員進(jìn)入太空，與“天宮二號(hào)”進(jìn)行空間交會(huì)對(duì)接，形成組合體飛行了30天。

“神舟十一號(hào)”載人飛船的主要任務(wù)是，為“天宮二號(hào)”在軌運(yùn)營(yíng)提供人員和物資天地往返運(yùn)輸服務(wù)，進(jìn)一步考核載人天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的功能和性能，特別是空間站運(yùn)行軌道的交會(huì)對(duì)接技術(shù)；與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室對(duì)接后完成航天員中期駐留試驗(yàn)，考核組合體對(duì)航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執(zhí)行飛行任務(wù)的能力?！疤鞂m二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”載人飛船飛行任務(wù)，有著鮮明的自身特點(diǎn)和亮點(diǎn)，可以說(shuō)是“飛得更高、試驗(yàn)更多、時(shí)間更長(zhǎng)”。

四、天宮二號(hào)技術(shù)特點(diǎn)

1.量子密鑰分配防止他人獲取信息

“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室安排了地球科學(xué)觀測(cè)及應(yīng)用、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)及探測(cè)、應(yīng)用新技術(shù)等領(lǐng)域的十余項(xiàng)高精尖的任務(wù)，這些實(shí)驗(yàn)有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好的認(rèn)識(shí)海洋和大氣，有的甚至是在解決將來(lái)星際旅行時(shí)食物的問(wèn)題。

1984年，物理學(xué)家Bennett和密碼學(xué)家Brassard提出了基于量子力學(xué)測(cè)量原理的“量子密鑰分配”BB84協(xié)議，從根本上保證了密鑰的安全性。隨后經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)和技術(shù)改進(jìn)，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術(shù)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。在地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上，世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”即將建成，這將大幅提高我國(guó)在軍事國(guó)防、銀行、金融系統(tǒng)的信息安全。為了更遠(yuǎn)距離的量子保密通信，我們除了繼續(xù)建設(shè)地面光纖網(wǎng)絡(luò)以外，還需要借助天上的多個(gè)飛行器，實(shí)現(xiàn)覆蓋光纖無(wú)法到達(dá)區(qū)域的量子密鑰分配。天宮二號(hào)上的載荷“量子密鑰分配專項(xiàng)”就是以實(shí)現(xiàn)空地間實(shí)用化的量子密鑰分配為目標(biāo)，通過(guò)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。

2.捕捉伽馬射線暴的“天極”望遠(yuǎn)鏡

“天極”望遠(yuǎn)鏡的全稱是“天極”伽馬暴偏振探測(cè)儀（英文名POLAR），是專門用于測(cè)量伽馬暴偏振的高靈敏度探測(cè)器，是“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室（TG-2）搭載的所有實(shí)驗(yàn)中唯一的國(guó)際合作項(xiàng)目。

“天極”望遠(yuǎn)鏡2013年8月完成初樣的研制，轉(zhuǎn)入正樣研制。2015年完成正樣研制，2016年9月中旬隨“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空?！疤鞓O”望遠(yuǎn)鏡由偏振探測(cè)器（OBOX）和電控箱（IBOX）兩個(gè)單機(jī)組成。其中偏振探測(cè)器又由低壓供電電路、高壓供電電路、中心觸發(fā)電路和探測(cè)單體組成，電控箱又由低壓模塊和主控單元模塊組成。

“天極”望遠(yuǎn)鏡的偏振探測(cè)器將安裝于“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室的艙外，背對(duì)地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的伽馬光子，并測(cè)量它們的偏振性質(zhì)。

電控箱將安裝于“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室的艙內(nèi)，主要負(fù)責(zé)為偏振探測(cè)器提供低壓電源、控制數(shù)據(jù)傳輸以及和衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊等。

為了測(cè)量伽馬射線的偏振，“天極”望遠(yuǎn)鏡采用1 600根塑料閃爍棒組成一個(gè)探測(cè)器陣列，通過(guò)測(cè)量每個(gè)伽馬射線光子同時(shí)作用的多根塑料閃爍棒的位置分布獲取偏振信息。

雖然“天極”望遠(yuǎn)鏡跟小蜜蜂測(cè)量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的構(gòu)造上卻有異曲同工之妙！

此外，由于伽馬暴是不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)發(fā)生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽馬暴，“天極”望遠(yuǎn)鏡將在允許的情況下盡量多地開(kāi)機(jī)運(yùn)行，猶如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地尋找宇宙中最壯麗的恒星“生命之花”。伽馬暴的起源及相應(yīng)的物理過(guò)程一直是天文學(xué)家們研究的最前沿課題之一。它涉及宇宙學(xué)尺度上的恒星級(jí)過(guò)程，能夠?qū)⑻祗w物理中最重要的三個(gè)層次——恒星、星系以及宇宙學(xué)聯(lián)系起來(lái)。雖然這十幾年來(lái)人們對(duì)伽馬暴的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是有關(guān)伽馬暴的一些基本問(wèn)題還是沒(méi)有得到很好的解決。對(duì)伽馬暴伽馬射線偏振的研究可以為許多伽馬暴問(wèn)題提供新的線索。

雖然對(duì)伽馬暴伽馬射線偏振的測(cè)量具有十分重要的意義，但是由于儀器能力的限制，目前國(guó)際上的觀測(cè)結(jié)果還非常少，而且沒(méi)有任何一個(gè)測(cè)量結(jié)果達(dá)到了科學(xué)意義上的確認(rèn)程度。

3.“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，它是“天宮二號(hào)”試驗(yàn)任務(wù)的一部分。

該伴隨衛(wèi)星采用了小型化、輕量化、功能密度的設(shè)計(jì)，使得衛(wèi)星結(jié)構(gòu)小、重量輕，卻實(shí)現(xiàn)了高功能密度的設(shè)計(jì)結(jié)果。此外，它搭載多個(gè)實(shí)驗(yàn)載荷，并具備較強(qiáng)的變軌能力，具備了開(kāi)展空間任務(wù)的靈活性與機(jī)動(dòng)性。

“天宮二號(hào)”伴隨衛(wèi)星將在在軌任務(wù)期間開(kāi)展對(duì)空間組合體的伴飛、飛越觀測(cè)以及多平臺(tái)空間協(xié)同等試驗(yàn)，為主航天器的技術(shù)試驗(yàn)提供支持，并進(jìn)行多項(xiàng)新技術(shù)的試驗(yàn)，拓展空間技術(shù)應(yīng)用?！疤鞂m二號(hào)”伴隨衛(wèi)星忠實(shí)地伴隨“師傅”天宮二號(hào)，跟著師傅一路遠(yuǎn)行，助力師傅完成使命，為師傅預(yù)知危險(xiǎn)，寫(xiě)下一路艱辛，必將取得真經(jīng)。伴隨衛(wèi)星作為伴隨主航天器飛行的航天器，具有處于相對(duì)主航天器距離近、實(shí)時(shí)跟隨的位置優(yōu)勢(shì)，可以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(cè)、安全防衛(wèi)，可以為航天員出艙活動(dòng)及空間飛行器交會(huì)對(duì)接等提供直接的技術(shù)支持。

（1）騰云駕霧、如影隨形

伴隨衛(wèi)星在軌期間將開(kāi)展伴飛試驗(yàn)，從“天宮二號(hào)”在軌釋放，首先實(shí)現(xiàn)安全遠(yuǎn)離，其后通過(guò)軌道控制，實(shí)現(xiàn)逼近并形成伴隨飛行。任務(wù)完成后，再安全遠(yuǎn)離，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(kāi)展多平臺(tái)間的協(xié)同試驗(yàn)，拓展空間應(yīng)用。

（2）火眼金睛，預(yù)知危險(xiǎn)

伴隨衛(wèi)星具備全天時(shí)的空間觀測(cè)能力，可監(jiān)測(cè)空間碎片等對(duì)空間站造成潛在危險(xiǎn)的空間目標(biāo)。一雙火眼金睛，發(fā)現(xiàn)各種危險(xiǎn)

（3）大禮攝影，記錄點(diǎn)滴

同時(shí)，伴隨衛(wèi)星還搭載了高分辨率全畫(huà)幅可見(jiàn)光相機(jī)，將在空間繞飛試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)“天宮二號(hào)”與“神舟十一號(hào)”組合體進(jìn)行高分辨率成像，可謂是天宮和神舟飛船這對(duì)國(guó)民CP的自拍神器。