“天宮二號”空間實驗室上的太空實驗

張雪松

2016年9月15日，中秋之夜，“天宮二號”從酒泉衛星發射中心發射升空。根據最新的報道，“天宮二號”將執行航天員中期駐留、推進劑在軌補加、在軌維修技術試驗、空間應用科學實驗、航天醫學實驗和空間站技術驗證試驗等任務。“天宮二號”全長10.4米，最大直徑3.35米，太陽翼展寬約18.4米，重8.6噸。由于具備先進的推進劑補加功能，“天宮二號”在發射時只攜帶了半艙的推進劑，節省下來的載重量主要用于攜帶科學實驗載荷。作為我國第一個空間實驗室，它將開展的太空實驗備受矚目。

巡天查地的能手

“天宮二號”空間實驗室開展的眾多太空實驗中，巡天和查地是兩大重頭戲！

巡 天

“天宮二號”攜帶了中歐合作研制的天極伽馬暴偏振探測儀，簡稱天極望遠鏡。天極望遠鏡的主要作用是通過對伽馬射線暴的觀測，揭開恒星演化的奧秘。

伽馬射線是一種比X光波長更短的電磁波，宇宙中特大恒星塌縮時會釋放出極為強烈的伽馬射線。雖然這場絢爛的“煙花”往往只能持續幾秒鐘，但釋放的能量卻和太陽一百億年放出的總能量相當，這就是伽馬射線暴，簡稱伽馬暴。

具體來說，天極望遠鏡由偏振探測儀和電控箱兩部分組成。偏振探測儀安裝在艙外，背對地球，指向太空，用于搜索宇宙中隨機產生的伽馬暴。目前，它是世界上最靈敏的伽馬暴偏振探測儀器。按照以往的歷史數據推測，“天宮二號”在軌運行的2年時間里有望探測到約100次伽馬暴。

以目前的科學技術水平，盡管對伽馬射線的能量和方向都有較好的探測辦法，但對偏振探測的精度不高，天極望遠鏡的出現則恰恰彌補了這個缺口。通過全面系統地測量伽馬暴的偏振現象而獲得的高精度觀測數據，可以用來更好地研究伽馬暴的起源和輻射機制等天文難題，為科學家們更好地了解恒星的演化作貢獻。

查 地

“天宮二號”載有一臺高端的光學相機——寬波段成像光譜儀。這臺“數碼相機”的分辨率雖然不是太高，但卻是由4層8臺小相機構成的復合系統，包括3臺可見光近紅外相機、2臺短紅外相機、2臺熱紅外相機和1臺可見光偏振相機。它是世界上第一臺同時具備可見光、各種紅外波段以及偏振探測能力的相機，其最大的特點就是可以同時拍攝可見光、紅外和偏振等多種圖片，非常實用。

寬波段成像光譜儀主要用于“看”海和“看”大氣，在獲得海洋影像的同時，還能獲得相應的光譜特征信息，用于觀測海洋水色。水色觀測結果可以幫助海洋專家監測赤潮等現象，也可用于評估海洋浮游生物的數量，從而評估特定海域供養海洋生物的能力，為漁民出海作業提供依據。此外，這臺光譜儀還能夠用來監測海洋的水溫、水冰和洋流信息，對溫度的敏感精度高達1/40攝氏度。

除了千里眼的功能，寬波段成像光譜儀的偏振觀測功能同樣大有用處，可以用來觀測大氣中各種微粒的濃度和分布。對于我們深惡痛絕的霧霾，它可以直接獲取霧霾的位置和濃度等信息，為更好地監測和防治霧霾提供依據。

空間實驗的先鋒

日前，“墨子號”量子科學實驗衛星已經發射升空，并進行了一系列的天地通信試驗。此次升空的“天宮二號”也攜帶了量子密鑰分發設備，能夠進行量子密鑰分發實驗，它將通過一個個單光子生成不可泄漏的“天機”——量子密鑰。總而言之，“天宮二號”的量子密鑰分發設備將和“墨子號”一道，加速我國量子通信技術的實用化，進一步提高我們的信息安全水平。

除了量子密鑰分發設備，“天宮二號”還攜帶了更具獨創性的空間冷原子鐘！隨著石英鐘和原子鐘的出現，人類的計時精度飛速提高，比如現在GPS衛星上的原子鐘，其計時精度為10-14量級，能夠達到300萬年只差1秒的精度。如果能研制出更高精度的原子鐘，GPS和北斗等全球導航定位系統就可以實現更高的精度。也許今后，我們就可以依靠衛星導航定位系統讓汽車實現自動駕駛。“天宮二號”上的空間冷原子鐘，就是一個解決方案！人們用激光冷原子技術制造出了更高精度的冷原子鐘，但對地面上的冷原子鐘來說，地球重力是個不小的影響因素。如果將冷原子鐘送上太空，它有望達到更高的精度。目前各國都在競相研制空間冷原子鐘，而我國的“天宮二號”空間實驗室已經將人類第一臺空間冷原子鐘送上太空，開展微重力環境下的冷原子鐘實驗。這臺由中國科學院上海光學精密機械研究所研制的空間冷原子鐘的精度能夠達到每3000萬年才會有1秒的誤差，它還可以用于太空中的導航定位，以及空間引力波研究。

“天宮二號”還把“冶金實驗室”搬上了太空，它攜帶了一個綜合材料實驗平臺，包含一個材料實驗爐。它是我國第一個在軌的有人參與的空間材料實驗裝置，后期航天員的參與可以為實驗帶來更多的靈活性，提高實驗的復雜度。實驗中將制備更輕更硬的單晶金屬合金，還將制備磁性和熱電半導體等具有獨特作用的材料。毫不夸張地說，“天宮二號”上的這個“材料鋪子”就是未來我們在空間站或是空間工廠制備各種高性能材料的探路者。

無農不穩，“天宮二號”上也別出心裁地設計了高等植物培育實驗。不同于以往的空間育種，這次是植物在太空的生產培育實驗。“天宮二號”空間實驗室上安裝了一個迷你版的太空溫室——高等植物培育箱。科學家們專門挑選了水稻和擬南芥的種子運上太空，并將在地面遙控開展實驗，從種子萌發、破土、生長發育、開花到最終結出種子，完成種子的空間培育實驗。這樣的研究具有獨特的價值：如果太空中植物可以正常生長發育，那么它們不僅可能構成封閉式生命保障系統的一部分，吸收二氧化碳并為航天員提供氧氣，而且能結出種子和果實作為航天員的食物，這將構成未來月球基地和火星基地的基礎。

科技與趣味并存

“天宮二號”空間實驗室不僅搭載了眾多最新的高科技產品，而且有眾多有趣的設置。

“天宮二號”進入軌道后將釋放一顆伴星衛星，圍繞“天宮二號”或遠或近不同角度地伴隨飛行。這顆伴星衛星能夠如影隨形地監測“天宮二號”的狀態，為“天宮二號”可能出現的異常預警。更為有趣的是，這顆有“拍照神器”之稱的伴星衛星帶有一臺2500萬像素的高分辨率相機，可以為我們拍攝到“神舟十一號”載人飛船和“天宮二號”對接后的壯觀場面，讓我們大飽眼福。

與此同時，英國國家空間學院主任安努·奧吉哈表示，他將申請在“天宮二號”上完成一個英國設計的科普實驗，這同樣是令人萬分期待的嘗試。我國的科普工作者自然不甘示弱，“天宮二號”執行任務期間，航天員們必定還會進行其他多種多樣的科普教育活動。讓我們拭目以待吧！