天宫-2空间科学与应用任务及进展

（中国科学院空间应用工程与技术中心）

天宫-2空间科学与应用任务及进展

Progress of Tiangong-2 Space Science and Application Mission

张伟（中国科学院空间应用工程与技术中心）

2016年9月15日，我国第一个真正意义上的空间实验室——天宫—2成功发射。天宫—2主要在轨完成两大任务：一是空间科学研究与应用任务，即在轨开展较大规模的空间科学实验和应用试验；二是载人空间站关键技术验证，即进行航天员中期驻留、在轨推进剂补加和在轨维修维护等关键技术验证，为未来的载人空间站建造奠定基础。在该空间实验室上安排了14项体现科技前沿的科学研究与应用任务，包括覆盖基础物理、空间天文、微重力科学、空间生命科学和地球科学观测及应用等几大领域的研究项目。现在，有些科学实验已取得初步成果。

1 基础物理研究

空间冷原子钟实验

空间冷原子钟的工作原理是利用激光冷却和俘获技术获得接近绝对零度（μK量级）的超冷原子团，并将其沿轴向抛射入微波腔。在空间微重力条件下，原子团没有地面重力引起的自由下落，可以做超慢速匀速直线运动，因此在微波腔内与微波的相互作用时间大大延长。在原子团与微波作用后利用原子能级探测可获取不同微波频率下的原子跃迁概率谱线，该谱线反馈到本地振荡器即可获得高精度时间频率信号。空间原子钟实验的频率稳定度有望达到10-16量级的稳定度（即每3千万年误差小于1s），将成为国际上首次在轨运行的空间冷原子钟。目前，天宫-2空间冷原子钟在轨实验正在顺利开展，已获得原子抛射速度分别为4m/s、2m/s和1m/s的原子跃迁概率谱线，所对应的日稳定度为1.7×10-15。通过系统参数的进一步优化调整，预计可实现预定目标。

空地量子密钥分配

该试验采用诱骗态方法，即对光量子进行偏振态调制生成密钥，通过天地双向高精度动态跟瞄，进行空地间超远距离的量子密钥传输。同时开展空地激光通信实验，码速率为1.6Gbit/s。空间捕获跟瞄系统的动态跟瞄精度优于10μrad，有效密钥速率约3kbit/s。通过该项试验，突破并验证量子密钥生成、分配、提取、光信道保持等重大关键技术，保持我国在先进量子调控科学技术领域的领先地位；同时为未来建立绝对安全的国家量子保密通信网络、推进量子密钥分配技术实用化奠定基础。目前，在轨测试已验证了双向跟瞄系统的性能，成功实现捕获跟瞄，且信标光、量子光和同步光均输出正常，后续将开展量子密钥传输试验。

2 空间天文观测—γ暴偏振探测

自20世纪60年代以来，科学家已对γ射线暴进行了长期的观测研究，但其成因和机理尚没有定论。宇宙γ射线的偏振信息对研究辐射源性质和辐射机制有重要作用，但难以测量。中国科学院高能物理研究所与瑞士日内瓦大学（UNIGE）合作，采用康普顿散射测量原理，通过γ光子康普顿散射产生的反冲电子径迹方向来反演γ射线的入射角和偏振度。通过这种方法可对宇宙γ暴和太阳耀斑高能辐射进行高灵敏度的偏振观测，该实验可望开辟γ射线天文探测的新窗口，从而揭示γ暴的本质和太阳高能活动的规律。该实验采用25套探测器单体，每套由8×8阵列的塑料闪烁体棒组成，共形成40×40的探测阵列，即1600个探测通道。其探测能区为50～500keV。目前经过在轨测试1600个通道均可正常探测，康普顿散射谱符合预期，并发现了太阳暴候选体和蟹状星云（Crab）脉冲星信号，后续通过继续观测将有望获得有重大影响的科学新发现。

冷原子钟工作原理示意图

空地量子密钥试验装置

γ暴探测仪设计原理图

蟹状星云（Crab）

3 微重力科学研究

液桥热毛细对流研究

该项目研究在微重力环境下，不同形状比（高径比范围0.5～1.1）和体积比（0.65～1.1）的大Prandtl数（高粘性、低热传导）液桥热毛细对流的不稳定性，包括转捩、二次转捩和温度振荡等。其中液桥体积效应和大Prandtl数二次转捩等问题研究具有原创科学思想。液桥实验模型来自地面采用的单晶拉制技术。通过数值模拟、空间与地面实验对比，期望搞清机理，并有助于为地面浮区法晶体材料生长提供科学指导，以改进地面晶体材料生产。实验采用的液桥直径为20mm，实验装置具有注液建桥，控制形状比和体积比，温度和形貌测量，以及断桥再建等功能。该项目在神舟-11返回后开始进行正式实验，空间应用系统为该项目研发了遥科学实验平台，可在地面对实验进行实时操作和监测。

液桥在轨自检图像

综合材料实验研究

综合材料实验研究研制了新型双温区电阻加热多工位炉，温度范围500～950℃，温度梯度6～45℃/cm，温度稳定度±0.5℃。实验安排了3批样品，每批6支共18支样品，将进行半导体材料、光电子材料、金属合金和亚稳材料、新型功能晶体、纳米和复合材料等多种材料加工实验，其中大部分实验样品均为国际上首次实验，如新型纳米复合光学材料，高性能热电转换材料，多元复相合金等。在轨研究微重力下材料生长形成过程的机理。航天员负责在轨更换样品，目前两批样品已完成实验，航天员已将这两批样品带回地面由科学家们进行深入分析。

材料实验样品

天宫-2材料实验炉

长日照水稻、拟南芥可见光图像

短日照水稻、拟南芥可见光图像

长日照拟南芥荧光图像

4 空间生命科学研究—高等植物培养实验

研究微重力条件下高等植物从种子到种子的生长发育规律，探索微重力条件下长日照与短日照植物的光周期诱导开花规律、调控机理和基因表达变化等。实验采用长日照植物拟南芥和短日照植物水稻作为样品，专门研制了植物培养箱，其温度范围为17～28℃，湿度范围60%～100%，光照强度和周期可调。植物生长中最显著的变化是从植株到开花的过程，其受到环境和内部传导信号的影响，在微重力和节律变化复合环境下开展实验对搞清机理是新的探索。目前已在轨完成了植物培养实验，生长状况良好，开花基因在长日照培养条件下能够启动表达，并且在叶片中积累。航天员已回收样品并带回地面。

5 地球科学观测及应用

多角度宽波段成像仪

多角度宽波段成像仪是新一代空间光谱成像遥感器。其中多角度偏振成像仪将有效探测卷云，获取云顶高度、气溶胶和大气水含量等信息，其空间分辨率3km，刈幅770km，偏振测量精度2%；宽波段成像光谱仪可获取海洋、大气、陆地的精细光谱信息，光谱范围0.4～10μm，光谱分辨率5～10nm，刈幅300km。多角度宽波段成像仪已在轨开展观测研究，获取了一批陆地、海洋和大气的高质量数据，后续将持续观测并开展与全球变化相关的地球环境研究，并拓展在环境、海洋、农业、林业中的广泛应用。

三维成像微波高度计

三维成像微波高度计是国际首次采用融合合成孔径、短基线干涉测量和新型高度跟踪等先进微波遥感体制于一体的新型雷达高度计，可获取海浪、潮汐潮流等海洋动力环境要素、二维海/陆图像和三维海/陆地形，在全球气候与环境变化监测、海洋动力学环境研究等方面将提供重要数据，并可为海洋活动提供保障。该仪器实现宽刈幅30km，分辨率100m，海洋相对测高精度10cm，预计反演的海面风速精度优于±2m/s，风向精度优于15°。该高度计目前已获得了三维海面形态图像和良好的三维海陆交界形态图像等高质量数据。

多波段紫外临边成像光谱仪

海洋及水体观测图像

大气气象观测图像

三维海陆交界形态图像

多波段紫外临边成像仪的环形光谱成像仪工作原理示意图

该成像仪是国际首次采用大视场对全球中层大气进行紫外环形、前向临边辐射特性的准同时探测，突破和验证了紫外临边成像光谱探测关键技术，提升我国紫外光谱大气遥感探测能力，获取全球大气密度、臭氧分布和气溶胶等微量成分的垂直结构及三维动态分布，研究大气各层相互作用及与地球各圈层以及与太阳活动、空间环境的关系。其工作模式是从近地空间对准地球边缘，观测地球大气的紫外及更宽波段的光谱。该仪器包括1台环形成像光谱仪，360°环形全方位观测，三通道中心波长265、295、360nm，像元分辨率4km；另有1台前向成像光谱仪，波长范围280～1000nm，光谱分辨率1.4nm，像元分辨率3km。

环形光谱成像仪获取紫外环形图像数据（295nm通道数据）

6 空间应用新技术试验—伴随卫星-2试验

在天宫-2和神舟-11组合体飞行期间释放了所携带的伴随卫星-2，用于飞越观测组合体，获得有价值的图像，并开展微机电系统（MEMS）惯性测量组件、微型通用星载计算机等新技术试验。伴随卫星-2在太空成功释放后，对组合体进行了伴飞与拍摄，这为未来的新型航天器编队飞行及小卫星的应用奠定技术基础。

伴随卫星-2拍摄的天宫—2与神舟—11组合体图像

7 载人空间站科学与应用任务展望

天宫-2空间实验室空间应用任务的顺利实施将为我国载人空间站的研制与实施奠定基础，并可获取重要经验。我国载人空间站将于2018-2022年间进行建造，规划部署了密封舱内的10余个科学实验柜和密封舱外的若干重大研究设施，将在轨运行10年以上，支持空间生命科学和生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文和天体物理、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、空间应用新技术试验等8个学科领域31个研究主题的数百项科学研究与应用项目滚动实施。通过载人空间站工程的建造与运营，将显著提升我国空间科学研究与应用的水平，有望取得一大批重大科研成果。

1）在国际前沿探索的微重力基础物理、空间生命科学和空间材料科学等领域进入世界先进行列，在高精度时间频率系统、广义相对论验证、超冷原子的量子力学性质等方面取得一批具有国际影响的重大发现，实现空间科学领域的跨越发展。

2）在面向国家重大战略需求的空间信息获取新技术、量子保密通信技术、空间3D打印技术等领域，突破和掌握一批战略性新技术和关键核心技术，达到国际先进水平，为我国科技的创新发展提供强有力的支撑，引领和带动相关领域的技术进步。

3）在空间生物药物设计、半导体光电子先进材料制备和地球观测应用等方面取得重大突破，通过空间科技成果的转移转化和地面应用，促进相关行业的技术变革和产业升级，获取显著的经济和社会效益，为国民经济持续、健康发展提供新的增长点。