太空轨道绽放“科学之花”

张唯诚

太空是一个与地面完全不同的环境，其重要特征就是微重力和高真空。在地面上，人们无法得到无重力环境，而到了空间飞行器上，尽管重力的影响不会完全消失，但和地面相比就到了可以忽略的程度。由于重力消失了，物理规律可能出现不同的表现，这让人们得以进行许多在地球上无法开展的科学实验，这些实验有着地面实验所无法比拟的价值。

正是由于这个原因，人们才萌生了在太空中建立科学实验室的梦想，而这个梦想在太空时代已经变成了现实。

我国的空间站计划开始于2008年，发射的第一个目标飞行器是“天宫一号”，它的主要任务是为后续发射的“神舟系列飞船”提供一个对接的目标。“天宫一号”虽然主要是为了完成对接任务，但也可以说是一个特别的空间实验室，它已经取得了一些太空科学实验成果。例如在太空育种方面，“天宫一号”就已经大显身手。事实上，我国此前已经拥有了一系列经过太空搭载的农作物产品，但“天宫一号”扩大了太空育种的规模，提高了育种质量，为航天工程育种的产业化发展奠定了基础。

又比如“天宫一号”搭载了一个高光谱成像仪，它可以获取诸如大气污染、国家各种自然资源分布、农作物重金属含量等诸多方面的数据。这些实验和研究为我国的太空产业运作和太空科学实验积累了经验，奠定了技术基础。

建在太空轨道上的国家实验室

相较而言，“天宫二号”则是真正意义上的空间实验室，它是在“天宫一号”目标飞行器备份的基础上，根据“天宫二号”的任务需要改装研制而成的，可在太空轨道上进行更具规模的科学实验。比如，“天宫二号”将搭载全球第一台冷原子钟进入太空。利用太空微重力条件，这台冷原子钟可以运行得更精准，能大幅提高北斗卫星定位系统的导航精度。又比如，试验从太空分发量子密钥，这种密钥分发是实现量子通信的关键步骤。从理论上说，量子通信是一种绝对安全的通信方式。

“天宫二号”还将搭载伽马暴探测设备以测量宇宙中的伽马暴射线。伽马暴是宇宙中的一种神秘的爆炸，是宇宙伽马射线突然增强的现象。这种爆炸在数秒钟内产生的能量，差不多等同于把太阳的全部质量都转变成了能量，或者说相当于太阳一年辐射能量的几百亿倍。伽马暴源自大质量天体的剧烈活动，包括大质量恒星的爆炸、两颗致密星发生了碰撞等等。

伽马射线暴的形成原理

伽马暴是宇宙中最奇妙的闪光，研究这种闪光可揭示宇宙，尤其是早期宇宙的大量秘密。为此，科学家们将在“天宫二号”上对伽马暴进行高灵敏度的偏振观测，这样的观测将帮助人们更好地理解伽马暴的爆发机制，从而开辟一个伽马暴探测的新窗口。

前面提到，失重和微重力是一种宝贵的资源，它是太空送给人类科学事业的重要礼物。我国科学家将在“天宫二号”上开展一个名为“热毛细对流”的研究项目。热毛细对流是一种与流体表面相关的热对流现象，研究这种现象对于提高结晶晶体的质量具有重要意义。比如要生产高质量的半导体材料，就要科学地控制单晶硅在晶体生长过程中的热毛细对流，而在太空中研究这种现象就有助于理解这种对流，从而提高产品的质量。

上述项目只是“天宫二号”科学实验项目中的一部分。此外还有其他项目进驻“天宫二号”，其数量多达14项，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等9大领域，很多属于当今世界最前沿的领域。

“太空实验”曾经的辉煌

纵观太空科学实验的历史，比较中国和苏美等国在太空实验上的异同，我们可以看到，各国的发展状况和发展道路是不尽相同的。欧美和苏俄起步更早，他们从20世纪70年代起就纷纷在太空中建立了空间站和科学实验室，并从事了大量的科学实验。1971年至1982年间，苏联共发射了7座空间站，被称为“礼炮号”。其中“礼炮”1-5号为第一代，“礼炮”6-7号为第二代。由于有了这些空间站，人们便可以在太空中进行包括宇宙物理学、医学、生物学和地球资源学等大量科学研究。例如，1977年9月29日发射的“礼炮6号”就在太空中飞行了近5年。科学家们在“礼炮6号”上进行了大量半导体、晶体生长实验和金属冶炼实验。他们还首次在太空中熔化了玻璃，这项工作对制造高性能光导纤维具有重大意义。1982年4月19日，“礼炮7号”升空，它接待了28名宇航员，包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅，还有3名宇航员在空间站中创造了237天的飞行纪录。

“联盟号”和“礼炮号”在太空中对接

接下来就是“和平号”轨道空间站，它的主体于1986年2月20日由一枚三级“质子号”运载火箭发射升空，然后开始在太空中组装扩展。“和平号”为太空实验提供了重要平台，宇航员季托夫和马纳罗夫在“和平号”上创造了在太空中逗留364天的历史最高纪录。

美国的空间站被命名为“天空实验室”，它于1973年升空，进行了三次和“阿波罗”飞船的对接。“天空实验室”进行了大量天文、遥感和航天生物医学实验，拍摄了大量太阳活动轨迹照片，还使人们首次在大气层外亲眼目睹了彗星。

“宇宙空间实验室1号”是欧洲空间局建造的空间实验室的名称，是由美国“哥伦比亚号”航天飞机携带进入太空的。这个实验室完成了大量有关大气物理学、天文学、太阳物理学、等离子体物理、医学、生物学和冶金科学等方面的实验。在之后由“挑战者号”航天飞机送上太空的3次航行中，这个空间实验室还进行了特殊材料加工、晶体生长、流体力学、生命科学、大气物理和天文学方面的许多实验，也获得了满意的结果。此后，欧洲空间局还参与了“国际空间站”工程。

“中国轨道”与众不同

可以看出，苏俄的空间站建设和实验具有良好的连续性和继承性。他们的“礼炮号”形成了两代7座系列的空间站，进行的科学实验具备规模性和连续性，加之后续的“和平号”空间站，苏俄的空间站建设和太空实验成为人类历史上最具规模和系列化的太空科研行动，尤其在太空医学和生物学方面更是成绩斐然。

相比较而言，美国更注重先进性和前沿性。由于美国人把更多的力量投入到登月和其他的太空项目上，他们的空间站建设规模远没有苏联那样庞大，但力求进行的实验项目高精尖，在天文和航天生物医学等方面取得了可观的成就。欧洲人的注意力更是放在了合作和效能上，自主性相对较差，但成绩依然是可观的。相比于欧美和苏俄，我国的空间站建设和太空科学实验注重自主性、独创性、前瞻性和实用性。例如前面提到的冷原子钟和从太空分发量子密钥就是最能体现这种特色的太空实验项目。

超高精度原子钟是卫星导航等领域的关键核心技术。20世纪90年代，科学家们发明了激光冷却原子的技术，可以用激光把原子团冷却到近乎绝对零度，这一技术为大幅提高冷原子钟的精度创造了条件，成为保证冷原子钟精确度的关键。但在有重力的环境下，它的效果要大打折扣，所以只有在太空无重力或微重力的环境下，冷原子钟在理论上才能更加精确，这也是“天宫二号”搭载空间冷原子钟的意义所在。假若实验成功，“北斗导航”的精度将达到厘米级。这个实验无论在配套设备数量还是安装复杂度上均达到了历次载人航天器任务的最高水准。

从太空分发量子密钥

至于从太空分发量子密钥，则属世界首次进行的卫星和地面之间的量子通信。假若实验成功，世界上首封绝对不会被拦截、被破解、被复制的密信将宣告诞生。这样的开创性成果极具前瞻性和自主性，无疑也充分彰显了我国太空科学实验所具有的特色。

与此同时，我国的空间站建设和太空科学实验也是注重实际效用的，与国计民生密切相关，且是环环相扣，稳步发展的，因而今日的“天宫二号”虽然还不具备空间站的规模，但却是迈向未来我国真正意义上的载人空间站的重要步骤。届时，中国的太空科学实验将进入一个更加辉煌的时期。