一、概述

在浩瀚的太空中，天宮二號正翩然翱翔。作為我國首個真正意義上的空間實驗室，天宮二號上要進(jìn)行各類空間科學(xué)實驗與探測項目，那么天宮二號里有哪些科學(xué)神器呢？

二、詳細(xì)介紹

1、綜合材料實驗裝置

天宮二號中有一只神爐，它叫“綜合材料實驗裝置”，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)實驗裝置，由“材料實驗爐”“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構(gòu)成，總重約27.6公斤，最大功耗不到200瓦，卻能實現(xiàn)真空環(huán)境下最高950攝氏度的爐膛溫度，足以將玻璃或銀條熔化。

它要“煉制”18個實驗樣品，每個樣品都很“個性”，對爐子要求都不同。為此，“神爐”引入了多項自主知識產(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2毫米以上的腫瘤病灶，對于一些微小早期病灶視而不見，而安裝了太空產(chǎn)閃爍晶體的CT探測精度則會大大提升，真正做到上醫(yī)治未病。

2、天宮二號伴隨衛(wèi)星

一個好漢三個幫，天宮二號也有如影隨形的小伙伴。

天宮二號伴隨衛(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，是天宮二號試驗任務(wù)的一部分。它搭載了多個試驗載荷，具備較強的變軌能力，能靈活機動地開展空間任務(wù)。

這個天宮二號的小伙伴，將承擔(dān)哪些任務(wù)?

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

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

它是攝影家。伴隨衛(wèi)星搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，未來將在空間繞飛試驗過程中對天宮二號與神舟十一號飛船組合體進(jìn)行高分辨率成像，成為天宮和神舟這對國民CP的自拍神器。

3、寬波段成像光譜儀

天宮二號有個高定款數(shù)碼相機，能同時拍出可見光、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)隊耗8年心血研制而成。

這款太空相機，將原定的2款不同功能太空相機合二為一，省空間、降重量，功能卻不弱反強。國際上，在一臺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，還可以判斷出這片海域的浮游生物量和初級生產(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攝氏度的1/40，比我國現(xiàn)有的海洋遙感器的探測靈敏度高了好幾倍。二是看大氣：由于光的偏振特性對大氣粒子具有獨特敏感性，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)，對氣象預(yù)報、氣候預(yù)測有重要價值。簡單說，它能看霧霾，并輔助專家們分析霧霾。

4、液橋熱毛細(xì)對流實驗裝置

“玩水”是人們喜歡的太空游戲。天宮二號里，我國將首次開展液橋熱毛細(xì)對流的空間實驗!

液橋是2個固體表面間連接的一段液體。太空微重力環(huán)境下，可以建立起很大尺寸的液橋。本次實驗將由科學(xué)家們遠(yuǎn)程操控，用天宮二號上搭載的液橋熱毛細(xì)對流實驗裝置完成。

實驗中，液橋像一個“變形金剛”。裝置中的拉橋電機和注液電機，將密切配合，改變液橋的“高矮胖瘦”，既能變得“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)動下，不同的體積比有不同的熱毛細(xì)振蕩現(xiàn)象——液橋會像有了“生命”一樣自由舞蹈，時而旋轉(zhuǎn)，時而左右橫步。而實驗箱內(nèi)置了172組預(yù)定模式實驗曲線，只要科學(xué)家在地面指間一動，就可以輕易地完成液橋“172變”。

它有什么用?該項目主任設(shè)計師、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流、熱毛細(xì)對流的影響，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)對流的真實過程。”

熱毛細(xì)對流箱工程，整體和光機結(jié)構(gòu)設(shè)計及研制由中科院力學(xué)所完成，電控部分由中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心完成。

5、“天極”望遠(yuǎn)鏡

人眼不能分辨光的偏振狀態(tài)，蜜蜂對偏振卻很敏感。天宮二號中有一只“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)，它就是“天極”伽馬暴偏振探測儀，簡稱“天極”望遠(yuǎn)鏡。

伽馬射線是有很強穿透性的電磁波。恒星臨終時發(fā)生劇烈爆炸，產(chǎn)生極強烈的伽馬射線輻射，持續(xù)時間長不過幾千秒，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)家們研究的前沿課題之一。近十幾年來，對伽馬暴的研究取得長足進(jìn)步，但一些基本問題還未解決?？茖W(xué)家推測，對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)鏡填補了這個空白，它是全球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)期運行2年，探測約100個伽馬射線暴。

“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等單位參加研制，是天宮二號搭載的所有實驗項目中唯一的國際合作項目。

6、高等植物培養(yǎng)箱

兵馬未動，糧草先行。到了太空，也要關(guān)心糧食和蔬菜。

盡管目前空間植物生長試驗已多次進(jìn)行，但要在太空條件下成功實現(xiàn)糧食與蔬菜的生產(chǎn)，為宇航員長期空間生活提供食物來源，還需解決很多問題。比如，在空間微重力條件下植物生長無一定方向性，不能有效利用光能進(jìn)行光合作用，產(chǎn)量大大減少。

天宮二號中，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。本次實驗中，科學(xué)家們將通過實時成像技術(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，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)動態(tài)。

此項目中，中科院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所負(fù)責(zé)科學(xué)實驗樣品和內(nèi)容的設(shè)計、實驗方案和實驗結(jié)果的分析，中科院上海技術(shù)物理研究所負(fù)責(zé)研制高等植物培養(yǎng)箱。

7、空間環(huán)境分系統(tǒng)

情報機構(gòu)一直給人以神秘和神通廣大之感。天宮二號上也有一個情報機構(gòu)——空間環(huán)境監(jiān)測及物理探測分系統(tǒng)，簡稱空間環(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)重時甚至有生命危險。

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臺儀器組成。帶電粒子輻射探測器身上的16個小探頭可以從16個方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子，實現(xiàn)艙外16個方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強度和能譜監(jiān)測。軌道大氣環(huán)境探測器可以監(jiān)測軌道大氣密度、成分及其時空變化等，告訴你是誰拖延了天宮的腳步。

8、空間冷原子鐘

鐘表需要有多準(zhǔn)?

當(dāng)計時器的誤差超過千分之一秒/天，電子通信網(wǎng)絡(luò)、高速交通管理、金融系統(tǒng)安全、電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電等日?；顒泳蛯⑾萑牖靵y；當(dāng)誤差超過十億分之一秒/天，衛(wèi)星導(dǎo)航定位、導(dǎo)彈精密打擊等高精準(zhǔn)度行為就會不同程度地偏離目標(biāo)；而深空探測、引力波探測等科研活動，對時間精度要求就更高了。

科學(xué)家們找到了原子鐘。原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷能級具有非常穩(wěn)定的躍遷頻率，利用這一特點，人們制作出高精度計時裝置原子鐘。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，自由運動的原子團(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動，獲得更高精度信號。

中科院上海光機所的科學(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”已搭載天宮二號發(fā)射升空，這將成為國際上首臺在軌運行并開展科學(xué)實驗的“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數(shù)量級的原子鐘譜線，提高目前原子鐘精度，是原子鐘發(fā)展史上又一重大突破。

9、三維成像微波高度計

天宮二號上，有個“三維成像微波高度計”，是國際上首個實現(xiàn)寬幅海面高度測量并能進(jìn)行三維成像的微波高度計。

傳統(tǒng)海洋微波高度計在海洋觀測中只能獲得星下點3公里左右觀測的范圍，即獲得沿軌跡方向星下點的一維海平面高度測量，天宮二號微波高度計則可實現(xiàn)35公里至40公里幅寬內(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%的海洋蘊藏著可促進(jìn)人類社會發(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，只有微波高度計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。微波高度計項目的實施可為研究全球的海洋動力環(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)。

天宮二號微波高度計的設(shè)計和研制，由中科院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)院重點實驗室領(lǐng)銜完成。

10、量子密鑰分配專項

自從人類開始說話以來，就有了說“悄悄話”的需要。密鑰就是通過對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，防止他人獲取信息內(nèi)容，確保你的悄悄話悄悄說。不過，隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)密鑰不斷被破解，現(xiàn)在已經(jīng)很難有一把安全的密鑰了。除了量子密鑰。

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，每個光量子在傳輸信息的時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)逐漸完成了實用化，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、首個規(guī)模化量子通信網(wǎng)絡(luò)、首顆量子通信衛(wèi)星，都是中國造。

天宮二號上有一個“量子密鑰分配專項”載荷，以實現(xiàn)空地間實用化的量子密鑰分配為目標(biāo)，通過天上發(fā)射一個個單光子并在地面接收，生成“天機不可泄露”的量子密鑰。此項目由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中科院上海技物所聯(lián)合研制。

天宮二號的軌道飛行高度近400公里，飛行速度約為每秒鐘8公里。地面站的接收口徑約1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公里以外的一個固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。

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