解密“天宮二號”

耿宜宏

繼“長征七號”首飛之后，中國載人航天工程空間實驗室階段任務迎來第二次飛行，之后“天宮二號”空間實驗室將開展在軌測試并建立自主運行模式，并與“神舟十一號”載人飛船實現完美對接。中國天宮二號空間實驗室于2016年9月15日22時04分發射實現箭體分離，并展開太陽能電池板，成功進入預定軌道；其意義不亞于嫦娥奔月，是載人航天太空實驗室前進中的關鍵一步。

值得一提的是，用于發射載人航天器的長征二號F火箭享有“神箭”的美譽，11次神舟飛船和2次“天宮一號”飛行器，在13次的發射任務中，“神箭”保持著100%的成功率此次進場的長征二號FT2火箭與長征二號FTl火箭，長征二號F遙十一火箭與長征二號F遙十火箭技術狀態基本一致，主要在安全性與可靠性方面，做了部分技術狀態更改。

長征二號F運載火箭為捆綁式二級液體運載火箭，芯級直徑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試和垂直轉運的三垂模式，這種模式可以保證火箭測試和發射都在火箭豎直的狀態下進行。

一、不同于“天宮一號”的“天宮二號”

雖然有著相同的外形，但“天宮二號”絕非“天宮一號”的簡單升級版本，它將實現更多“第一次”。據悉，“天宮二號”是中國第一個具備太空補加任務的空間實驗室，要第一次實現航天員30天駐留、第一次試驗推進劑太空補加技術等重要的科學實驗。

“天宮二號”與“天宮一號”的使命任務有所不同。相比而言，“天宮一號”目標飛行器，主要是配合神舟飛船完成交會對接試驗。“天宮二號”是真正意義上的太空實驗室。

相比“天宮一號”，“天宮二號”不僅裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好，搭載的設備也更先進。“天宮二號”上搭載了全新配套的空間應用系統的科學設備，無論是數量還是安裝復雜程度，都創造了歷次載人航天器任務之最。

例如，它首次搭建了液體回路驗證系統，將驗證空間站維修技術；首次搭載了機械臂操作終端試驗器，將第一次開展中國人機協同太空在軌維修試驗，為以后空間站任務提供技術儲備。“天宮二號”的系統設計是模塊化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域也屬于首次。

此外，從距離地球393公里的高空發來“郵件”也將在“天宮二號”上得以實現。“天宮一號”目標飛行器僅有電子郵件“上行功能”，而“天宮二號”空間實驗室在此基礎上增加“下行功能”。也就是說，航天員可以在“天宮二號”艙內收發郵件，假如他們有了任何心得體會，或者想跟親人分享些什么，可以隨時發一封郵件下來，家屬就能看到‘來信，這樣既方便又人性化。

二、太空中有十余項科學實驗

“天宮二號”被稱作是目前中國載人飛行時間最長的航天器，它的主要任務自然備受關注。

第—個：航天員從“神舟十一號”飛船交會對接，然后在“天宮二號”工作和生活30天。

第二個：就是要跟明年的貨運飛船對接，進行推進劑在軌補加。

第三個：就是為今后空間站開展一些技術實驗，包括維修性的一些相關實驗。

“天宮二號”任務中有一項非常重要的工作，就是要開展大規模的空間科學和應用試驗，這也標志著中國載人航天進入應用發展新階段。

“天宮二號”上要進行的各類實驗達到14項，數量之多史無前例，涉及微重力基礎物理、空間材料科學、空間生命科學等多個領域，比如“空一地量子密鑰分配與激光通信試驗”和“伽馬暴偏振探測”項目等，其中，有兩項需要航天員直接參與操作。有一項是國際合作聯合研究的項目。

在“天宮二號”空間實驗室將要開展的十多項世界最前沿的實驗當中，包括了空間科學核物理領域的重點項目——空間冷原子鐘實驗，它將有望實現三千萬年誤差一秒的超高精度，對于衛星定位、導航等生產生活以及引力波探測等空間科學研究都將產生重大影響。

三、“神舟十一號”飛船進入太空與其實現對接

在“天宮二號”空間實驗室發射之后，10月17日7時30分“神舟十一號”飛船搭載兩名航天員進入太空，與“天宮二號”進行空間交會對接，形成組合體飛行了30天。

“神舟十一號”載人飛船的主要任務是，為“天宮二號”在軌運營提供人員和物資天地往返運輸服務，進一步考核載人天地往返運輸系統的功能和性能，特別是空間站運行軌道的交會對接技術；與“天宮二號”空間實驗室對接后完成航天員中期駐留試驗，考核組合體對航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執行飛行任務的能力。“天宮二號”與“神舟十一號”載人飛船飛行任務，有著鮮明的自身特點和亮點，可以說是“飛得更高、試驗更多、時間更長”。

四、天宮二號技術特點

1.量子密鑰分配防止他人獲取信息

“天宮二號”空間實驗室安排了地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術等領域的十余項高精尖的任務，這些實驗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識海洋和大氣，有的甚至是在解決將來星際旅行時食物的問題。

1984年，物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”BB84協議，從根本上保證了密鑰的安全性。隨后經過多年的實驗和技術改進，以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術已經逐漸完成了實用化，并形成了一定的產業規模。在地面光纖網絡建設上，世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”即將建成，這將大幅提高我國在軍事國防、銀行、金融系統的信息安全。為了更遠距離的量子保密通信，我們除了繼續建設地面光纖網絡以外，還需要借助天上的多個飛行器，實現覆蓋光纖無法到達區域的量子密鑰分配。天宮二號上的載荷“量子密鑰分配專項”就是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。

2.捕捉伽馬射線暴的“天極”望遠鏡

“天極”望遠鏡的全稱是“天極”伽馬暴偏振探測儀（英文名POLAR），是專門用于測量伽馬暴偏振的高靈敏度探測器，是“天宮二號”空間實驗室（TG-2）搭載的所有實驗中唯一的國際合作項目。

“天極”望遠鏡2013年8月完成初樣的研制，轉入正樣研制。2015年完成正樣研制，2016年9月中旬隨“天宮二號”空間實驗室發射升空。“天極”望遠鏡由偏振探測器（OBOX）和電控箱（IBOX）兩個單機組成。其中偏振探測器又由低壓供電電路、高壓供電電路、中心觸發電路和探測單體組成，電控箱又由低壓模塊和主控單元模塊組成。

“天極”望遠鏡的偏振探測器將安裝于“天宮二號”空間實驗室的艙外，背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發過程中產生的伽馬光子，并測量它們的偏振性質。

電控箱將安裝于“天宮二號”空間實驗室的艙內，主要負責為偏振探測器提供低壓電源、控制數據傳輸以及和衛星平臺應用系統之間進行通訊等。

為了測量伽馬射線的偏振，“天極”望遠鏡采用1 600根塑料閃爍棒組成一個探測器陣列，通過測量每個伽馬射線光子同時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”望遠鏡跟小蜜蜂測量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的構造上卻有異曲同工之妙！

此外，由于伽馬暴是不可預測的隨機發生的天文事件，為了最大限度地捕捉伽馬暴，“天極”望遠鏡將在允許的情況下盡量多地開機運行，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的物理過程一直是天文學家們研究的最前沿課題之一。它涉及宇宙學尺度上的恒星級過程，能夠將天體物理中最重要的三個層次——恒星、星系以及宇宙學聯系起來。雖然這十幾年來人們對伽馬暴的研究取得了長足的進步，但是有關伽馬暴的一些基本問題還是沒有得到很好的解決。對伽馬暴伽馬射線偏振的研究可以為許多伽馬暴問題提供新的線索。

雖然對伽馬暴伽馬射線偏振的測量具有十分重要的意義，但是由于儀器能力的限制，目前國際上的觀測結果還非常少，而且沒有任何一個測量結果達到了科學意義上的確認程度。

3.“天宮二號”伴隨衛星

“天宮二號”伴隨衛星是一顆微納衛星，它是“天宮二號”試驗任務的一部分。

該伴隨衛星采用了小型化、輕量化、功能密度的設計，使得衛星結構小、重量輕，卻實現了高功能密度的設計結果。此外，它搭載多個實驗載荷，并具備較強的變軌能力，具備了開展空間任務的靈活性與機動性。

“天宮二號”伴隨衛星將在在軌任務期間開展對空間組合體的伴飛、飛越觀測以及多平臺空間協同等試驗，為主航天器的技術試驗提供支持，并進行多項新技術的試驗，拓展空間技術應用。“天宮二號”伴隨衛星忠實地伴隨“師傅”天宮二號，跟著師傅一路遠行，助力師傅完成使命，為師傅預知危險，寫下一路艱辛，必將取得真經。伴隨衛星作為伴隨主航天器飛行的航天器，具有處于相對主航天器距離近、實時跟隨的位置優勢，可以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，可以為航天員出艙活動及空間飛行器交會對接等提供直接的技術支持。

（1）騰云駕霧、如影隨形

伴隨衛星在軌期間將開展伴飛試驗，從“天宮二號”在軌釋放，首先實現安全遠離，其后通過軌道控制，實現逼近并形成伴隨飛行。任務完成后，再安全遠離，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。

（2）火眼金睛，預知危險

伴隨衛星具備全天時的空間觀測能力，可監測空間碎片等對空間站造成潛在危險的空間目標。一雙火眼金睛，發現各種危險

（3）大禮攝影，記錄點滴

同時，伴隨衛星還搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，將在空間繞飛試驗過程中對“天宮二號”與“神舟十一號”組合體進行高分辨率成像，可謂是天宮和神舟飛船這對國民CP的自拍神器。