天宮之城中的“神器”

佘惠敏

“天宮二號”作為我國首個真正意義上的空間實驗室，航天員在其中生活一個月左右，要吃飯要睡覺要上廁所，還要進行各類空間科學實驗與探測項目，那在這緊湊的空間里，要塞進多少神器才能完成任務呢？

現在讓我們來列個清單看看。

八卦爐——綜合材料實驗裝置

《西游記》中，金箍棒、九齒釘耙等法寶都出自太上老君的八卦爐。

天宮二號中也有一只神爐，它叫“綜合材料實驗裝置”，由中國科學院上海硅酸鹽研究所牽頭，聯合國家空間科學中心、蘭州技術物理研究所共同研制。

這套多功能的通用型材料科學實驗裝置，由“材料實驗爐”“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”3個單機構成，總重約27.6公斤，最大功耗不到200瓦，卻能實現真空環境下最高950℃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，每個樣品都很有“個性”，對爐子要求都不同。為此，“神爐”引入了多項自主知識產權的創新技術，解決了多溫區加熱、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兩毫米以上的腫瘤病灶，對一些微小早期病灶卻視而不見，而安裝了太空產閃爍晶體的CT探測精度則會大大提升，真正做到上醫治未病。

守護神——天宮二號伴隨衛星

天宮二號伴隨衛星是一顆微納衛星，由中科院微小衛星創新研究院研制，是天宮二號試驗任務的一部分。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。

這個天宮二號的小伙伴，將承擔哪些任務？

伴隨衛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、遠離的華麗動作大戲。同時配合空間站開展多平臺間的協同試驗，拓展空間應用。

伴隨衛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，對主航天器進行工作狀態監測、安全防衛。

伴隨衛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11號飛船組合體進行高分辨率成像，成為“天宮”和“神舟”這對國民CP的自拍神器。

神眼——寬波段成像光譜儀

天宮二號有個高定款數碼相機，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”，由中科院上海技術物理研究所的科學家團隊耗8年心血研制而成。

這款太空相機，將原定的兩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。

一是看海洋。它可以準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，不僅可以準確監測到發生在任何海域的赤潮現象，還可以估計出這片海域的浮游生物量和初級生產力，指導漁民出海作業。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℃的1/40，比我國現有的海洋遙感器的探測靈敏度提高了好幾倍。

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鍵性能參數，對氣象預報、氣候預測有重要價值。簡單點說，它能看霧霾，并輔助專家們分析霧霾！

百變金剛——液橋熱毛細對流實驗裝置

液橋是兩個固體表面之間連接的一段液體。太空微重力環境下，可以建立起很大尺寸的液橋。本次實驗將由科學家們遠程操控，用天宮二號上搭載的液橋熱毛細對流實驗裝置完成。

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”，既可以變得“高大上”，又可以變得“土肥圓”，科學家稱之為“體積比效應”。液橋中的液體在溫差誘導的表面張力驅動下，不同的體積比有不同的熱毛細振蕩現象——液橋會像有了“生命”一樣自由舞蹈，時而旋轉，時而左右橫步。而實驗箱內置了172組預定模式實驗曲線，只要科學家在地面指間一動，就可以輕易地完成液橋“172變”。

它有什么用？該項目主任設計師、中科院力學研究所研究員康琦說：“為生產出高質量的半導體材料，就要科學控制在晶體生長過程中浮力對流、熱毛細對流的影響，而太空特有的微重力環境將使科學家深入剖析熱毛細對流的真實過程。”

采花蜂眼——“天極”望遠鏡

人眼不能分辨光的偏振狀態，蜜蜂對偏振卻很敏感。天宮二號中有一只小蜜蜂，用它的“復眼”捕捉遙遠宇宙中突然發生的伽馬射線暴的偏振性質，它是“天極”伽馬暴偏振探測儀，簡稱“天極”望遠鏡。

伽馬射線是有很強穿透性的電磁波。恒星臨終時發生劇烈爆炸，產生極強烈的伽馬射線輻射，持續時間長不過幾千秒，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，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的物理過程，一直是天文學家們研究的最前沿課題之一。近十幾年來，對伽馬暴的研究取得了長足進步，但一些基本問題還未解決。科學家推測，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”望遠鏡填補了這個空白，它是國際上最靈敏的伽馬射線暴偏振探測儀器，將高精度且系統性地測量伽馬射線暴的偏振性質，預期運行兩年，探測大約100個伽馬射線暴。

“天極”望遠鏡由中國科學院高能物理研究所牽頭，瑞士日內瓦大學、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等單位參加研制，是天宮二號搭載的所有實驗中唯一的國際合作項目。

迷你溫室——高等植物培養箱

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。

高等植物培養箱是身負重任的微縮版太空溫室，它通過光照周期、溫度、濕度、營養液供給調節等功能為種子的生長發育提供環境保障。本次實驗中，科學家們將通過實時成像技術，記錄微重力條件下擬南芥和水稻從種子萌發、幼苗生長到開花發育的全過程，并下傳圖像進行“全程直播”。同時，特別構建了綠色熒光蛋白標記開花基因的擬南芥植株，將通過熒光圖像技術，在分子水平檢測開花基因在微重力情況下的表達動態。

太空情報站——空間環境分系統

顧名思義，空間環境分系統就是用來收集空間環境相關情報的。在太空中，高能帶電粒子（質子、電子、重離子）組成的輻射環境、航天器軌道高度的大氣環境等都屬于空間環境的要素。能量很高的帶電粒子輻射可能導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，嚴重時甚至有生命危險。

太空很危險，情報太重要！

所以，中國科學院國家空間科學中心空間環境探測研究室就研制了空間環境分系統。這個系統由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環境探測器和空間環境控制單元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，實現艙外16個方向的電子、質子等帶電粒子的強度和能譜監測。軌道大氣環境探測器可以監測軌道大氣密度、成分及其時空變化等，告訴你是誰拖延了天宮的腳步。

空間環境分系統以載人航天工程空間環境保障為主，兼顧空間物理研究。

量天尺——空間冷原子鐘

原子超精細結構躍遷能級具有非常穩定的躍遷頻率，利用這一特點，人們制作出高精度計時裝置原子鐘。當前地面上投入使用的最準確的原子鐘，誤差已降到萬億分之一秒/天。

但在地面上，由于重力作用，自由運動的原子團始終處于變速狀態，原子鐘精度受到限制。而在空間微重力環境下，原子團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家們將激光冷卻原子技術與空間微重力環境相結合，發展出空間超高精度冷原子鐘。他們研制的“空間冷原子鐘”已搭載天宮二號發射升空，這將成為國際上首臺在軌運行并開展科學實驗的“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量級的原子鐘譜線，提高目前原子鐘精度，是原子鐘發展史上又一重大突破。

遙感偵探——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”，是國際上首個實現寬刈幅海面高度測量并能進行三維成像的微波高度計。

傳統海洋微波高度計在海洋觀測中只能獲得星下點3km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35～40km幅寬內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人類社會發展的巨大寶藏，但也是很多重大自然災害發生的源頭。海洋災害的發生，往往伴隨著海洋環境的異常變化，如局部海洋區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微變化。

人類只有深刻地、清晰地了解海洋環境的安全性，才能真正地開發和使用海洋資源。微波高度計項目的實施可為研究全球的海洋動力環境（包括海平面高度，海面風浪和洋流）提供直接的科學觀測數據，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依據。

神秘通信寶——量子密鑰分配專項

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制兩大特性，使得存在竊聽就一定會被發送者察覺并規避，從而保證了信息的安全。

現在，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術，在我國已經逐漸完成了實用化，并形成了一定的產業規模。國際上首個全通型量子通信網絡、首個規模化量子通信網絡、首顆量子通信衛星，都是中國造。

天宮二號上有一個“量子密鑰分配專項”載荷，以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標，通過天上發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。

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一米。用來生成量子密鑰的光子需要精準地打在地面站的望遠鏡上，就如同在一列全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準確地投到10公里以外的一個固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。