張雪松

2016年9月15日，中秋之夜，“天宮二號(hào)”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。根據(jù)最新的報(bào)道，“天宮二號(hào)”將執(zhí)行航天員中期駐留、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加、在軌維修技術(shù)試驗(yàn)、空間應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)、航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間站技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)等任務(wù)?！疤鞂m二號(hào)”全長(zhǎng)10.4米，最大直徑3.35米，太陽(yáng)翼展寬約18.4米，重8.6噸。由于具備先進(jìn)的推進(jìn)劑補(bǔ)加功能，“天宮二號(hào)”在發(fā)射時(shí)只攜帶了半艙的推進(jìn)劑，節(jié)省下來(lái)的載重量主要用于攜帶科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷。作為我國(guó)第一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，它將開(kāi)展的太空實(shí)驗(yàn)備受矚目。

巡天查地的能手

“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的眾多太空實(shí)驗(yàn)中，巡天和查地是兩大重頭戲！

巡 天

“天宮二號(hào)”攜帶了中歐合作研制的天極伽馬暴偏振探測(cè)儀，簡(jiǎn)稱(chēng)天極望遠(yuǎn)鏡。天極望遠(yuǎn)鏡的主要作用是通過(guò)對(duì)伽馬射線暴的觀測(cè)，揭開(kāi)恒星演化的奧秘。

伽馬射線是一種比X光波長(zhǎng)更短的電磁波，宇宙中特大恒星塌縮時(shí)會(huì)釋放出極為強(qiáng)烈的伽馬射線。雖然這場(chǎng)絢爛的“煙花”往往只能持續(xù)幾秒鐘，但釋放的能量卻和太陽(yáng)一百億年放出的總能量相當(dāng)，這就是伽馬射線暴，簡(jiǎn)稱(chēng)伽馬暴。

具體來(lái)說(shuō)，天極望遠(yuǎn)鏡由偏振探測(cè)儀和電控箱兩部分組成。偏振探測(cè)儀安裝在艙外，背對(duì)地球，指向太空，用于搜索宇宙中隨機(jī)產(chǎn)生的伽馬暴。目前，它是世界上最靈敏的伽馬暴偏振探測(cè)儀器。按照以往的歷史數(shù)據(jù)推測(cè)，“天宮二號(hào)”在軌運(yùn)行的2年時(shí)間里有望探測(cè)到約100次伽馬暴。

以目前的科學(xué)技術(shù)水平，盡管對(duì)伽馬射線的能量和方向都有較好的探測(cè)辦法，但對(duì)偏振探測(cè)的精度不高，天極望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)則恰恰彌補(bǔ)了這個(gè)缺口。通過(guò)全面系統(tǒng)地測(cè)量伽馬暴的偏振現(xiàn)象而獲得的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以用來(lái)更好地研究伽馬暴的起源和輻射機(jī)制等天文難題，為科學(xué)家們更好地了解恒星的演化作貢獻(xiàn)。

查 地

“天宮二號(hào)”載有一臺(tái)高端的光學(xué)相機(jī)——寬波段成像光譜儀。這臺(tái)“數(shù)碼相機(jī)”的分辨率雖然不是太高，但卻是由4層8臺(tái)小相機(jī)構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，包括3臺(tái)可見(jiàn)光近紅外相機(jī)、2臺(tái)短紅外相機(jī)、2臺(tái)熱紅外相機(jī)和1臺(tái)可見(jiàn)光偏振相機(jī)。它是世界上第一臺(tái)同時(shí)具備可見(jiàn)光、各種紅外波段以及偏振探測(cè)能力的相機(jī)，其最大的特點(diǎn)就是可以同時(shí)拍攝可見(jiàn)光、紅外和偏振等多種圖片，非常實(shí)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(shí)，還能獲得相應(yīng)的光譜特征信息，用于觀測(cè)海洋水色。水色觀測(cè)結(jié)果可以幫助海洋專(zhuān)家監(jiān)測(cè)赤潮等現(xiàn)象，也可用于評(píng)估海洋浮游生物的數(shù)量，從而評(píng)估特定海域供養(yǎng)海洋生物的能力，為漁民出海作業(yè)提供依據(jù)。此外，這臺(tái)光譜儀還能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)海洋的水溫、水冰和洋流信息，對(duì)溫度的敏感精度高達(dá)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(cè)功能同樣大有用處，可以用來(lái)觀測(cè)大氣中各種微粒的濃度和分布。對(duì)于我們深?lèi)和唇^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(jiān)測(cè)和防治霧霾提供依據(jù)。

空間實(shí)驗(yàn)的先鋒

日前，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射升空，并進(jìn)行了一系列的天地通信試驗(yàn)。此次升空的“天宮二號(hào)”也攜帶了量子密鑰分發(fā)設(shè)備，能夠進(jìn)行量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，它將通過(guò)一個(gè)個(gè)單光子生成不可泄漏的“天機(jī)”——量子密鑰。總而言之，“天宮二號(hào)”的量子密鑰分發(fā)設(shè)備將和“墨子號(hào)”一道，加速我國(guó)量子通信技術(shù)的實(shí)用化，進(jìn)一步提高我們的信息安全水平。

除了量子密鑰分發(fā)設(shè)備，“天宮二號(hào)”還攜帶了更具獨(dú)創(chuàng)性的空間冷原子鐘！隨著石英鐘和原子鐘的出現(xiàn)，人類(lèi)的計(jì)時(shí)精度飛速提高，比如現(xiàn)在GPS衛(wèi)星上的原子鐘，其計(jì)時(shí)精度為10-14量級(jí)，能夠達(dá)到300萬(wàn)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?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)更高的精度。也許今后，我們就可以依靠衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)讓汽車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛?！疤鞂m二號(hào)”上的空間冷原子鐘，就是一個(gè)解決方案！人們用激光冷原子技術(shù)制造出了更高精度的冷原子鐘，但對(duì)地面上的冷原子鐘來(lái)說(shuō)，地球重力是個(gè)不小的影響因素。如果將冷原子鐘送上太空，它有望達(dá)到更高的精度。目前各國(guó)都在競(jìng)相研制空間冷原子鐘，而我國(guó)的“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將人類(lèi)第一臺(tái)空間冷原子鐘送上太空，開(kāi)展微重力環(huán)境下的冷原子鐘實(shí)驗(yàn)。這臺(tái)由中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的空間冷原子鐘的精度能夠達(dá)到每3000萬(wàn)年才會(huì)有1秒的誤差，它還可以用于太空中的導(dǎo)航定位，以及空間引力波研究。

“天宮二號(hào)”還把“冶金實(shí)驗(yàn)室”搬上了太空，它攜帶了一個(gè)綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包含一個(gè)材料實(shí)驗(yàn)爐。它是我國(guó)第一個(gè)在軌的有人參與的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置，后期航天員的參與可以為實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更多的靈活性，提高實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜度。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體等具有獨(dú)特作用的材料。毫不夸張地說(shuō)，“天宮二號(hào)”上的這個(gè)“材料鋪?zhàn)印本褪俏磥?lái)我們?cè)诳臻g站或是空間工廠制備各種高性能材料的探路者。

無(wú)農(nóng)不穩(wěn)，“天宮二號(hào)”上也別出心裁地設(shè)計(jì)了高等植物培育實(shí)驗(yàn)。不同于以往的空間育種，這次是植物在太空的生產(chǎn)培育實(shí)驗(yàn)?！疤鞂m二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室上安裝了一個(gè)迷你版的太空溫室——高等植物培育箱?？茖W(xué)家們專(zhuān)門(mén)挑選了水稻和擬南芥的種子運(yùn)上太空，并將在地面遙控開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從種子萌發(fā)、破土、生長(zhǎng)發(fā)育、開(kāi)花到最終結(jié)出種子，完成種子的空間培育實(shí)驗(yàn)。這樣的研究具有獨(dú)特的價(jià)值：如果太空中植物可以正常生長(zhǎng)發(fā)育，那么它們不僅可能構(gòu)成封閉式生命保障系統(tǒng)的一部分，吸收二氧化碳并為航天員提供氧氣，而且能結(jié)出種子和果實(shí)作為航天員的食物，這將構(gòu)成未來(lái)月球基地和火星基地的基礎(chǔ)。

科技與趣味并存

“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室不僅搭載了眾多最新的高科技產(chǎn)品，而且有眾多有趣的設(shè)置。

“天宮二號(hào)”進(jìn)入軌道后將釋放一顆伴星衛(wèi)星，圍繞“天宮二號(hào)”或遠(yuǎn)或近不同角度地伴隨飛行。這顆伴星衛(wèi)星能夠如影隨形地監(jiān)測(cè)“天宮二號(hào)”的狀態(tài)，為“天宮二號(hào)”可能出現(xiàn)的異常預(yù)警。更為有趣的是，這顆有“拍照神器”之稱(chēng)的伴星衛(wèi)星帶有一臺(tái)2500萬(wàn)像素的高分辨率相機(jī)，可以為我們拍攝到“神舟十一號(hào)”載人飛船和“天宮二號(hào)”對(duì)接后的壯觀場(chǎng)面，讓我們大飽眼福。

與此同時(shí)，英國(guó)國(guó)家空間學(xué)院主任安努·奧吉哈表示，他將申請(qǐng)?jiān)凇疤鞂m二號(hào)”上完成一個(gè)英國(guó)設(shè)計(jì)的科普實(shí)驗(yàn)，這同樣是令人萬(wàn)分期待的嘗試。我國(guó)的科普工作者自然不甘示弱，“天宮二號(hào)”執(zhí)行任務(wù)期間，航天員們必定還會(huì)進(jìn)行其他多種多樣的科普教育活動(dòng)。讓我們拭目以待吧！