“天宫二号”里的黑科技

【“天宫二号”成功发射，再次向世界展现了中国航天事业的崛起，令人期待的空间实验室任务也将持续推进】

□罗琼

北京时间2016年9月15日22时4分9秒，长征二号火箭托举着“天宫二号”空间实验室腾空而起，奔向太空。随后，长征二号火箭与“天宫二号”空间实验室分离，“天宫二号”进入预定轨道，太阳帆板成功展开。22时25分，空间实验室飞行任务总指挥长张又侠正式宣布，“‘天宫二号’发射任务取得圆满成功!”此次发射任务的圆满成功，标志着中国空间科学研究又迈出重要一步。

中国第一个真正意义上的太空实验室

“天宫二号”在外观上与2011年发射的“天宫一号”类似，都采用实验舱和资源舱两舱构型。它全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨，设计在轨寿命2年。在“天宫一号”目标飞行器备份产品的基础上，为满足推进剂补加验证试验需要，对推进分系统进行了适应性改造。为满足中期驻留需要，对载人宜居环境进行了重大改善，具备支持2名航天员在轨工作、生活30天的能力。

“天宫二号”装载了空间冷原子钟等14项应用载荷以及失重心血管功能研究等相关航天医学实验设备，配备在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端等在轨维修试验设备，将开展空间科学及技术实验。

按计划，“天宫二号”空间实验室发射升空后，将变轨进入高度约380公里的运行轨道，进行在轨测试。在10月下旬，“神舟十一号”也将进入太空与之会合，届时“神舟十一号”将搭乘两名航天员，与“天宫二号”形成组合体，重点开展人在太空的中期驻留试验。

而当“神舟十一号”与“天宫二号”完成对接及其他各项试验返回之后，“天宫二号”则继续驻留太空，等待第一艘货运飞船“天舟一号”的到来，开展推进剂补加等相关试验。

载人航天的“三步走”战略

要搞清楚“天宫二号”在中国载人航天工程中的位置，还要从“天宫一号”乃至“神舟五号”说起。20世纪90年代初期，中国正式启动载人航天工程，并确立“三步走”发展战略。

第一步可以称作载人飞船阶段，主要任务是研制载人飞船，将航天员送到太空，开展空间应用实验并返回。在此期间，2003年，“神舟五号”飞船完成首次载人飞行任务；2005年，“神舟六号”飞船完成多人多天飞行试验任务。至此，中国载人航天工程实现了第一步战略任务目标。

第二步是空间实验室阶段。2008年，“神舟七号”飞行任务圆满成功，标志着中国掌握了航天员出舱活动关键技术，这是第二步的任务目标之一。直到2011年，“天宫一号”出场，这个目标飞行器先后与“神舟八号”、“神舟九号”和“神舟十号”开展了交会对接试验并取得成功，自动及手动控制交会对接技术得到验证。

同时，“天宫一号”经过对接后，被改造成为太空中一个短期有人照料的空间实验平台，多名航天员短期驻留太空，参与完成多项科学实验，载人航天工程取得关键性进展，第二步的第一阶段任务圆满收官。

此后，摆在航天人面前的是补给以及循环利用技术，这些技术关系到未来空间站的组装、航天员在空间站的生存等问题。第二步的第二阶段就是要验证这些技术，发射空间实验室，搭建起一个平台，开展技术、应用等各类试验，为载人航天工程第三步打下基础。

空间站是中国载人航天工程战略的第三步，计划于2020 年左右建成，2022 年全面运行，预计运营10年以上，航天员在空间站驻留可能达到1年以上。

需要注意的是，空间站和空间实验室并不是一个概念。空间实验室指的是可供多名航天员巡访、长期工作和居住生活的载人航天器。随着国际空间站在2024 年的到期退役，届时中国的空间站或将成为世界唯一的太空实验室。中国也是继俄罗斯、美国之后，第三个拥有空间站技术的国家。

 “天宫二号”和“天宫一号”有何区别

仅从外形上来看，“天宫二号”和“天宫一号”并无太大的区别，毕竟“天宫二号”原本就是为“天宫一号”准备的备份飞行器。不过，如今的“天宫二号”已经过改造，摇身一变成了和“天宫一号”功能不同的空间实验室。

“天宫二号”又被称为空间实验室，是中国首个太空实验室平台。而此前的“天宫一号”则是目标飞行器。从目标飞行器变成了空间实验室，这里头有很大差别。

“天宫一号”当时任务的主要目标是突破交会对接技术、组合体管控以及航天员中期驻留，这些都属于先期技术验证。而“天宫二号”则是真正意义上的空间试验室，将开展14项空间科学与应用项目，是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。

更重要的是，“天宫二号”在完成发射之后，它将在太空完成三大任务——航天员中期驻留，推进剂在轨补加，在轨维修技术试验。这些核心技术的攻关和储备，将推动中国空间站建设进程更进一步。

“不明觉厉”的太空实验

能够拿到登上“天宫二号”的入场券，这些实验无疑都属于当今世界最前沿的空间科学探索领域和国际先进的应用新技术领域。

1.追求极度精准的量天尺——空间冷原子钟。当计时器的误差超过千分之一秒/天，电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就将陷入混乱；当误差超过十亿分之一秒/天，卫星导航定位、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标。在地面上，由于重力作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，原子钟精度受到限制。而在空间微重力环境下，原子团可以做超慢速匀速直线运动，获得更高精度信号。

科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合，研制成的“空间冷原子钟”将首次在轨运行并开展科学实验，同时它也是目前在空间运行的最高精度的原子钟，有望实现10^-16量级的超高精度（约3000万年误差1秒），将目前人类在太空中的时间计量精度提高1-2个数量级。这对卫星定位导航等生产生活及引力波探测等空间科学研究将产生重大影响。

2.百变金刚——液桥热毛细对流实验。“天宫二号”里，中国将首次开展液桥热毛细对流的空间实验，研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展流体力学的认知领域。液桥是2个固体表面间连接的一段液体。在太空微重力环境下，可以建立起很大尺寸的液桥。本次实验将由科学家们远程操控，用“天宫二号”上搭载的液桥热毛细对流实验装置完成。实验中，液桥像一个变形金刚。装置中的拉桥电机和注液电机将密切配合，改变液桥的“高矮胖瘦”，科学家称之为“体积比效应”。液桥中的液体在温差诱导的表面张力驱动下，不同的体积比有不同的热毛细振荡现象——液桥会像有了生命一样自由舞蹈，时而旋转、时而左右横步。而实验箱内置了172组预定模式实验曲线，只要科学家在地面指间一动，就可以轻易地完成液桥“172变”。

那么，这项研究有什么用呢？为生产出高质量的半导体材料，就要科学控制在晶体生长过程中浮力对流、热毛细对流的影响，而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。

3.英雄材料——综合材料实验。该平台此次的任务是研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、纳米以及复合材料等制备基理，揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理和化学过程的规律。预期可获得高质量的空间材料样品，在模型材料的结构、功能、工艺参数等方面获得有价值的科学研究成果。

4.天宫之炉——综合设备实验。它由材料实验炉、材料电控箱和材料样品工具袋3个部分构成。整个装置重约27.6kg，最大功耗不到200W（一般电水壶的功率在1000W—1800W），相当于2个100W白炽灯，却能实现真空环境下最高950℃的炉膛温度，足以将玻璃或银条熔化。

它要炼制18个实验样品，每个样品都很个性，对炉子的要求都不同。为此，实验炉引入了多项自主知识产权的创新技术，解决了多温区加热、低功耗下的升温保温、温度的精确控制等难题，让它能炼制复合材料、金属材料、有机高分子材料和晶体材料等很多神奇材料。

太空中生长的晶体，探测能力让地面生长的晶体望尘莫及。比如，普通CT检查一般只能确定直径2毫米以上的肿瘤病灶，对于一些微小早期病灶视而不见，而安装了太空闪烁晶体的CT探测精度则会大大提升，真正做到“上医治未病”。

5.海之情——三维成像微波高度计。“天宫二号”三维成像微波高度计是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。传统海洋微波高度计在海洋观测中只能获得星下点3公里左右观测的范围，即获得沿轨迹方向星下点的一维海平面高度测量，“天宫二号”微波高度计则可实现35—40公里幅宽内的高精度三维海洋表面观测，极大提高了观测效率。

这种能力有何作用？占地球表面积71%的海洋蕴藏着可促进人类社会发展的巨大宝藏，但也是很多重大自然灾害发生的源头。海洋灾害的发生，往往伴随着海洋环境的异常变化，如局部海洋区域的海面高度和海面温度的异常升高。而海面高度的异常升高，例如“厄尔尼诺现象”，幅度仅为厘米级，只有微波高度计能够敏锐捕捉到这种细微变化。人类只有深刻、清晰地了解海洋环境的安全性，才能真正地开发和使用海洋资源。微波高度计项目的实施可为研究全球海洋动力环境（包括海平面高度、海面风浪和洋流）提供直接的科学观测数据，同时也为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。

6.天宫守护者——“天宫二号”伴随卫星。“天宫二号”的伴随卫星是一颗微纳卫星，采用了小型化、轻量化、高功能密度的设计。“天宫二号”伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的飞越观测等试验，为主航天器的技术试验提供支持，并拓展空间技术应用。它是护航员，伴随卫星具备高分辨可见光相机和宽视场仿生鱼眼红外相机，能全天时多角度监测空间碎片或温度异常等空间站的潜在危险。

7.合作项目——伽马暴偏振探测仪。人眼不能分辨光的偏振状态，蜜蜂对偏振却很敏感。“天宫二号”中有一只“小蜜蜂”，用它的“复眼”捕捉遥远宇宙中突然发生的伽马射线暴的偏振性质，它就是“天极”伽马暴偏振探测仪，简称“天极”望远镜。这是中欧国际合作项目。

“天极”望远镜的主要科学目标是探测研究遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴现象，并在国际上首次对伽玛暴的偏振性质实现高精度、系统性地测量，从而深入地研究恒星演化、黑洞形成，以及伽玛暴爆发的物理机制，为更好地理解极端天体物理环境下产生的这种宇宙中最剧烈的爆发现象做出重要贡献。

8.情报机构——空间环境分系统。全称为空间环境监测及物理探测分系统，主要用于实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境，实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测，以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

9.高等植物——现代迷你太空温室。随着人类空间活动的深入开展，人类需要飞出地球，在地外空间长期生活和工作，绿色植物可为人类和动物提供必需的食物和氧气。

在“天宫二号”空间实验室中将开展两种代表性植物——拟南芥和水稻的培养实验，着重探索在太空环境中如何控制植物开花结种的技术与方法，为建立保障人类长期空间生存所必需的生命生态支持系统奠定基础。配备的高等植物培养箱具备在轨培养单元和样品返回单元，能够为植物生长提供必需的水分供给以及光照、温度控制，具备实时可见光图像和荧光图像获取功能，构成了现代的迷你太空温室，为研究植物在太空的生长发育提供支持。

10.尖端数码相机——宽波段成像光谱仪。“天宫二号”有个高级定制款数码相机，能同时拍出可见光、红外、光谱、偏振4种照片，它叫宽波段成像光谱仪。有了它，“天宫二号”可谓拥有了火眼金睛。它有两大任务：一是看海洋。它可以准确观测海洋的水色和水温。不仅可以准确监测到发生在任何海域的赤潮现象，还可以判断出这片海域的浮游生物量和初级生产力，指导渔民出海作业。二是看大气。由于光的偏振特性对大气粒子具有独特敏感性，偏振成像可获得大气气溶胶和云粒子的很多关键性能参数，对气象预报、气候预测有重要价值。它还能看雾霾，并辅助专家们分析雾霾。

11.天机不可泄露——量子密钥分配。“天宫二号”载荷“量子密钥分配试验空间终端”，通过高精度自动跟瞄系统与量子密钥分配地面终端配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上进行空地量子密钥分配试验。为载人航天的空地间量子保密通信，以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。

“天宫二号”的轨道飞行高度近400公里，飞行速度约为每秒钟8公里。地面站的接收口径约1米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上，就如同在一列全速行驶的高铁上，把一枚硬币准确地投到10公里外的一个固定矿泉水瓶里，难度可想而知。

任务结束后会否成为太空垃圾

中国对空间碎片问题高度重视，长征七号运载火箭搭载的“遨龙一号”，就用于开展空间碎片清除关键技术在轨验证试验。“天宫二号”在轨任务末期，将受控离轨，陨落至太平洋海域，不会成为太空垃圾。

早前发射的“天宫一号”已于2016年3月16日全面完成了其历史使命，预计在2017年陨落，大部分结构部件将在陨落过程中烧蚀销毁，对航空活动以及地面造成危害的概率很低，成为太空垃圾的可能性极小。

（作者为清华大学社会科学学院科技与社会研究所副教授）