“天宫二号”空间实验室上的太空实验

张雪松

2016年9月15日，中秋之夜，“天宫二号”从酒泉卫星发射中心发射升空。根据最新的报道，“天宫二号”将执行航天员中期驻留、推进剂在轨补加、在轨维修技术试验、空间应用科学实验、航天医学实验和空间站技术验证试验等任务。“天宫二号”全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨。由于具备先进的推进剂补加功能，“天宫二号”在发射时只携带了半舱的推进剂，节省下来的载重量主要用于携带科学实验载荷。作为我国第一个空间实验室，它将开展的太空实验备受瞩目。

巡天查地的能手

“天宫二号”空间实验室开展的众多太空实验中，巡天和查地是两大重头戏！

巡 天

“天宫二号”携带了中欧合作研制的天极伽马暴偏振探测仪，简称天极望远镜。天极望远镜的主要作用是通过对伽马射线暴的观测，揭开恒星演化的奥秘。

伽马射线是一种比X光波长更短的电磁波，宇宙中特大恒星塌缩时会释放出极为强烈的伽马射线。虽然这场绚烂的“烟花”往往只能持续几秒钟，但释放的能量却和太阳一百亿年放出的总能量相当，这就是伽马射线暴，简称伽马暴。

具体来说，天极望远镜由偏振探测仪和电控箱两部分组成。偏振探测仪安装在舱外，背对地球，指向太空，用于搜索宇宙中随机产生的伽马暴。目前，它是世界上最灵敏的伽马暴偏振探测仪器。按照以往的历史数据推测，“天宫二号”在轨运行的2年时间里有望探测到约100次伽马暴。

以目前的科学技术水平，尽管对伽马射线的能量和方向都有较好的探测办法，但对偏振探测的精度不高，天极望远镜的出现则恰恰弥补了这个缺口。通过全面系统地测量伽马暴的偏振现象而获得的高精度观测数据，可以用来更好地研究伽马暴的起源和辐射机制等天文难题，为科学家们更好地了解恒星的演化作贡献。

查 地

“天宫二号”载有一台高端的光学相机——宽波段成像光谱仪。这台“数码相机”的分辨率虽然不是太高，但却是由4层8台小相机构成的复合系统，包括3台可见光近红外相机、2台短红外相机、2台热红外相机和1台可见光偏振相机。它是世界上第一台同时具备可见光、各种红外波段以及偏振探测能力的相机，其最大的特点就是可以同时拍摄可见光、红外和偏振等多种图片，非常实用。

宽波段成像光谱仪主要用于“看”海和“看”大气，在获得海洋影像的同时，还能获得相应的光谱特征信息，用于观测海洋水色。水色观测结果可以帮助海洋专家监测赤潮等现象，也可用于评估海洋浮游生物的数量，从而评估特定海域供养海洋生物的能力，为渔民出海作业提供依据。此外，这台光谱仪还能够用来监测海洋的水温、水冰和洋流信息，对温度的敏感精度高达1/40摄氏度。

除了千里眼的功能，宽波段成像光谱仪的偏振观测功能同样大有用处，可以用来观测大气中各种微粒的浓度和分布。对于我们深恶痛绝的雾霾，它可以直接获取雾霾的位置和浓度等信息，为更好地监测和防治雾霾提供依据。

空间实验的先锋

日前，“墨子号”量子科学实验卫星已经发射升空，并进行了一系列的天地通信试验。此次升空的“天宫二号”也携带了量子密钥分发设备，能够进行量子密钥分发实验，它将通过一个个单光子生成不可泄漏的“天机”——量子密钥。总而言之，“天宫二号”的量子密钥分发设备将和“墨子号”一道，加速我国量子通信技术的实用化，进一步提高我们的信息安全水平。

除了量子密钥分发设备，“天宫二号”还携带了更具独创性的空间冷原子钟！随着石英钟和原子钟的出现，人类的计时精度飞速提高，比如现在GPS卫星上的原子钟，其计时精度为10-14量级，能够达到300万年只差1秒的精度。如果能研制出更高精度的原子钟，GPS和北斗等全球导航定位系统就可以实现更高的精度。也许今后，我们就可以依靠卫星导航定位系统让汽车实现自动驾驶。“天宫二号”上的空间冷原子钟，就是一个解决方案！人们用激光冷原子技术制造出了更高精度的冷原子钟，但对地面上的冷原子钟来说，地球重力是个不小的影响因素。如果将冷原子钟送上太空，它有望达到更高的精度。目前各国都在竞相研制空间冷原子钟，而我国的“天宫二号”空间实验室已经将人类第一台空间冷原子钟送上太空，开展微重力环境下的冷原子钟实验。这台由中国科学院上海光学精密机械研究所研制的空间冷原子钟的精度能够达到每3000万年才会有1秒的误差，它还可以用于太空中的导航定位，以及空间引力波研究。

“天宫二号”还把“冶金实验室”搬上了太空，它携带了一个综合材料实验平台，包含一个材料实验炉。它是我国第一个在轨的有人参与的空间材料实验装置，后期航天员的参与可以为实验带来更多的灵活性，提高实验的复杂度。实验中将制备更轻更硬的单晶金属合金，还将制备磁性和热电半导体等具有独特作用的材料。毫不夸张地说，“天宫二号”上的这个“材料铺子”就是未来我们在空间站或是空间工厂制备各种高性能材料的探路者。

无农不稳，“天宫二号”上也别出心裁地设计了高等植物培育实验。不同于以往的空间育种，这次是植物在太空的生产培育实验。“天宫二号”空间实验室上安装了一个迷你版的太空温室——高等植物培育箱。科学家们专门挑选了水稻和拟南芥的种子运上太空，并将在地面遥控开展实验，从种子萌发、破土、生长发育、开花到最终结出种子，完成种子的空间培育实验。这样的研究具有独特的价值：如果太空中植物可以正常生长发育，那么它们不仅可能构成封闭式生命保障系统的一部分，吸收二氧化碳并为航天员提供氧气，而且能结出种子和果实作为航天员的食物，这将构成未来月球基地和火星基地的基础。

科技与趣味并存

“天宫二号”空间实验室不仅搭载了众多最新的高科技产品，而且有众多有趣的设置。

“天宫二号”进入轨道后将释放一颗伴星卫星，围绕“天宫二号”或远或近不同角度地伴随飞行。这颗伴星卫星能够如影随形地监测“天宫二号”的状态，为“天宫二号”可能出现的异常预警。更为有趣的是，这颗有“拍照神器”之称的伴星卫星带有一台2500万像素的高分辨率相机，可以为我们拍摄到“神舟十一号”载人飞船和“天宫二号”对接后的壮观场面，让我们大饱眼福。

与此同时，英国国家空间学院主任安努·奥吉哈表示，他将申请在“天宫二号”上完成一个英国设计的科普实验，这同样是令人万分期待的尝试。我国的科普工作者自然不甘示弱，“天宫二号”执行任务期间，航天员们必定还会进行其他多种多样的科普教育活动。让我们拭目以待吧！