（中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

天宮-2空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)及進(jìn)展

Progress of Tiangong-2 Space Science and Application Mission

張偉（中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

2016年9月15日，我國(guó)第一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室——天宮—2成功發(fā)射。天宮—2主要在軌完成兩大任務(wù)：一是空間科學(xué)研究與應(yīng)用任務(wù)，即在軌開(kāi)展較大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)；二是載人空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，即進(jìn)行航天員中期駐留、在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加和在軌維修維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，為未來(lái)的載人空間站建造奠定基礎(chǔ)。在該空間實(shí)驗(yàn)室上安排了14項(xiàng)體現(xiàn)科技前沿的科學(xué)研究與應(yīng)用任務(wù)，包括覆蓋基礎(chǔ)物理、空間天文、微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)和地球科學(xué)觀測(cè)及應(yīng)用等幾大領(lǐng)域的研究項(xiàng)目。現(xiàn)在，有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)已取得初步成果。

1 基礎(chǔ)物理研究

空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)

空間冷原子鐘的工作原理是利用激光冷卻和俘獲技術(shù)獲得接近絕對(duì)零度（μK量級(jí)）的超冷原子團(tuán)，并將其沿軸向拋射入微波腔。在空間微重力條件下，原子團(tuán)沒(méi)有地面重力引起的自由下落，可以做超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此在微波腔內(nèi)與微波的相互作用時(shí)間大大延長(zhǎng)。在原子團(tuán)與微波作用后利用原子能級(jí)探測(cè)可獲取不同微波頻率下的原子躍遷概率譜線，該譜線反饋到本地振蕩器即可獲得高精度時(shí)間頻率信號(hào)?？臻g原子鐘實(shí)驗(yàn)的頻率穩(wěn)定度有望達(dá)到10-16量級(jí)的穩(wěn)定度（即每3千萬(wàn)年誤差小于1s），將成為國(guó)際上首次在軌運(yùn)行的空間冷原子鐘。目前，天宮-2空間冷原子鐘在軌實(shí)驗(yàn)正在順利開(kāi)展，已獲得原子拋射速度分別為4m/s、2m/s和1m/s的原子躍遷概率譜線，所對(duì)應(yīng)的日穩(wěn)定度為1.7×10-15。通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

空地量子密鑰分配

該試驗(yàn)采用誘騙態(tài)方法，即對(duì)光量子進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)制生成密鑰，通過(guò)天地雙向高精度動(dòng)態(tài)跟瞄，進(jìn)行空地間超遠(yuǎn)距離的量子密鑰傳輸。同時(shí)開(kāi)展空地激光通信實(shí)驗(yàn)，碼速率為1.6Gbit/s?？臻g捕獲跟瞄系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟瞄精度優(yōu)于10μrad，有效密鑰速率約3kbit/s。通過(guò)該項(xiàng)試驗(yàn)，突破并驗(yàn)證量子密鑰生成、分配、提取、光信道保持等重大關(guān)鍵技術(shù)，保持我國(guó)在先進(jìn)量子調(diào)控科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位；同時(shí)為未來(lái)建立絕對(duì)安全的國(guó)家量子保密通信網(wǎng)絡(luò)、推進(jìn)量子密鑰分配技術(shù)實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。目前，在軌測(cè)試已驗(yàn)證了雙向跟瞄系統(tǒng)的性能，成功實(shí)現(xiàn)捕獲跟瞄，且信標(biāo)光、量子光和同步光均輸出正常，后續(xù)將開(kāi)展量子密鑰傳輸試驗(yàn)。

2 空間天文觀測(cè)—γ暴偏振探測(cè)

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，科學(xué)家已對(duì)γ射線暴進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)研究，但其成因和機(jī)理尚沒(méi)有定論。宇宙γ射線的偏振信息對(duì)研究輻射源性質(zhì)和輻射機(jī)制有重要作用，但難以測(cè)量。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)（UNIGE）合作，采用康普頓散射測(cè)量原理，通過(guò)γ光子康普頓散射產(chǎn)生的反沖電子徑跡方向來(lái)反演γ射線的入射角和偏振度。通過(guò)這種方法可對(duì)宇宙γ暴和太陽(yáng)耀斑高能輻射進(jìn)行高靈敏度的偏振觀測(cè)，該實(shí)驗(yàn)可望開(kāi)辟γ射線天文探測(cè)的新窗口，從而揭示γ暴的本質(zhì)和太陽(yáng)高能活動(dòng)的規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)采用25套探測(cè)器單體，每套由8×8陣列的塑料閃爍體棒組成，共形成40×40的探測(cè)陣列，即1600個(gè)探測(cè)通道。其探測(cè)能區(qū)為50～500keV。目前經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試1600個(gè)通道均可正常探測(cè)，康普頓散射譜符合預(yù)期，并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)暴候選體和蟹狀星云（Crab）脈沖星信號(hào)，后續(xù)通過(guò)繼續(xù)觀測(cè)將有望獲得有重大影響的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)。

冷原子鐘工作原理示意圖

空地量子密鑰試驗(yàn)裝置

γ暴探測(cè)儀設(shè)計(jì)原理圖

蟹狀星云（Crab）

3 微重力科學(xué)研究

液橋熱毛細(xì)對(duì)流研究

該項(xiàng)目研究在微重力環(huán)境下，不同形狀比（高徑比范圍0.5～1.1）和體積比（0.65～1.1）的大Prandtl數(shù)（高粘性、低熱傳導(dǎo)）液橋熱毛細(xì)對(duì)流的不穩(wěn)定性，包括轉(zhuǎn)捩、二次轉(zhuǎn)捩和溫度振蕩等。其中液橋體積效應(yīng)和大Prandtl數(shù)二次轉(zhuǎn)捩等問(wèn)題研究具有原創(chuàng)科學(xué)思想。液橋?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)自地面采用的單晶拉制技術(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬、空間與地面實(shí)驗(yàn)對(duì)比，期望搞清機(jī)理，并有助于為地面浮區(qū)法晶體材料生長(zhǎng)提供科學(xué)指導(dǎo)，以改進(jìn)地面晶體材料生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)采用的液橋直徑為20mm，實(shí)驗(yàn)裝置具有注液建橋，控制形狀比和體積比，溫度和形貌測(cè)量，以及斷橋再建等功能。該項(xiàng)目在神舟-11返回后開(kāi)始進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)，空間應(yīng)用系統(tǒng)為該項(xiàng)目研發(fā)了遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可在地面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作和監(jiān)測(cè)。

液橋在軌自檢圖像

綜合材料實(shí)驗(yàn)研究

綜合材料實(shí)驗(yàn)研究研制了新型雙溫區(qū)電阻加熱多工位爐，溫度范圍500～950℃，溫度梯度6～45℃/cm，溫度穩(wěn)定度±0.5℃。實(shí)驗(yàn)安排了3批樣品，每批6支共18支樣品，將進(jìn)行半導(dǎo)體材料、光電子材料、金屬合金和亞穩(wěn)材料、新型功能晶體、納米和復(fù)合材料等多種材料加工實(shí)驗(yàn)，其中大部分實(shí)驗(yàn)樣品均為國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)，如新型納米復(fù)合光學(xué)材料，高性能熱電轉(zhuǎn)換材料，多元復(fù)相合金等。在軌研究微重力下材料生長(zhǎng)形成過(guò)程的機(jī)理。航天員負(fù)責(zé)在軌更換樣品，目前兩批樣品已完成實(shí)驗(yàn)，航天員已將這兩批樣品帶回地面由科學(xué)家們進(jìn)行深入分析。

材料實(shí)驗(yàn)樣品

天宮-2材料實(shí)驗(yàn)爐

長(zhǎng)日照水稻、擬南芥可見(jiàn)光圖像

短日照水稻、擬南芥可見(jiàn)光圖像

長(zhǎng)日照擬南芥熒光圖像

4 空間生命科學(xué)研究—高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

研究微重力條件下高等植物從種子到種子的生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律，探索微重力條件下長(zhǎng)日照與短日照植物的光周期誘導(dǎo)開(kāi)花規(guī)律、調(diào)控機(jī)理和基因表達(dá)變化等。實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)日照植物擬南芥和短日照植物水稻作為樣品，專門研制了植物培養(yǎng)箱，其溫度范圍為17～28℃，濕度范圍60%～100%，光照強(qiáng)度和周期可調(diào)。植物生長(zhǎng)中最顯著的變化是從植株到開(kāi)花的過(guò)程，其受到環(huán)境和內(nèi)部傳導(dǎo)信號(hào)的影響，在微重力和節(jié)律變化復(fù)合環(huán)境下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)對(duì)搞清機(jī)理是新的探索。目前已在軌完成了植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，生長(zhǎng)狀況良好，開(kāi)花基因在長(zhǎng)日照培養(yǎng)條件下能夠啟動(dòng)表達(dá)，并且在葉片中積累。航天員已回收樣品并帶回地面。

5 地球科學(xué)觀測(cè)及應(yīng)用

多角度寬波段成像儀

多角度寬波段成像儀是新一代空間光譜成像遙感器。其中多角度偏振成像儀將有效探測(cè)卷云，獲取云頂高度、氣溶膠和大氣水含量等信息，其空間分辨率3km，刈幅770km，偏振測(cè)量精度2%；寬波段成像光譜儀可獲取海洋、大氣、陸地的精細(xì)光譜信息，光譜范圍0.4～10μm，光譜分辨率5～10nm，刈幅300km。多角度寬波段成像儀已在軌開(kāi)展觀測(cè)研究，獲取了一批陸地、海洋和大氣的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，后續(xù)將持續(xù)觀測(cè)并開(kāi)展與全球變化相關(guān)的地球環(huán)境研究，并拓展在環(huán)境、海洋、農(nóng)業(yè)、林業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

三維成像微波高度計(jì)

三維成像微波高度計(jì)是國(guó)際首次采用融合合成孔徑、短基線干涉測(cè)量和新型高度跟蹤等先進(jìn)微波遙感體制于一體的新型雷達(dá)高度計(jì)，可獲取海浪、潮汐潮流等海洋動(dòng)力環(huán)境要素、二維海/陸圖像和三維海/陸地形，在全球氣候與環(huán)境變化監(jiān)測(cè)、海洋動(dòng)力學(xué)環(huán)境研究等方面將提供重要數(shù)據(jù)，并可為海洋活動(dòng)提供保障。該儀器實(shí)現(xiàn)寬刈幅30km，分辨率100m，海洋相對(duì)測(cè)高精度10cm，預(yù)計(jì)反演的海面風(fēng)速精度優(yōu)于±2m/s，風(fēng)向精度優(yōu)于15°。該高度計(jì)目前已獲得了三維海面形態(tài)圖像和良好的三維海陸交界形態(tài)圖像等高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

多波段紫外臨邊成像光譜儀

海洋及水體觀測(cè)圖像

大氣氣象觀測(cè)圖像

三維海陸交界形態(tài)圖像

多波段紫外臨邊成像儀的環(huán)形光譜成像儀工作原理示意圖

該成像儀是國(guó)際首次采用大視場(chǎng)對(duì)全球中層大氣進(jìn)行紫外環(huán)形、前向臨邊輻射特性的準(zhǔn)同時(shí)探測(cè)，突破和驗(yàn)證了紫外臨邊成像光譜探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)紫外光譜大氣遙感探測(cè)能力，獲取全球大氣密度、臭氧分布和氣溶膠等微量成分的垂直結(jié)構(gòu)及三維動(dòng)態(tài)分布，研究大氣各層相互作用及與地球各圈層以及與太陽(yáng)活動(dòng)、空間環(huán)境的關(guān)系。其工作模式是從近地空間對(duì)準(zhǔn)地球邊緣，觀測(cè)地球大氣的紫外及更寬波段的光譜。該儀器包括1臺(tái)環(huán)形成像光譜儀，360°環(huán)形全方位觀測(cè)，三通道中心波長(zhǎng)265、295、360nm，像元分辨率4km；另有1臺(tái)前向成像光譜儀，波長(zhǎng)范圍280～1000nm，光譜分辨率1.4nm，像元分辨率3km。

環(huán)形光譜成像儀獲取紫外環(huán)形圖像數(shù)據(jù)（295nm通道數(shù)據(jù)）

6 空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)—伴隨衛(wèi)星-2試驗(yàn)

在天宮-2和神舟-11組合體飛行期間釋放了所攜帶的伴隨衛(wèi)星-2，用于飛越觀測(cè)組合體，獲得有價(jià)值的圖像，并開(kāi)展微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性測(cè)量組件、微型通用星載計(jì)算機(jī)等新技術(shù)試驗(yàn)。伴隨衛(wèi)星-2在太空成功釋放后，對(duì)組合體進(jìn)行了伴飛與拍攝，這為未來(lái)的新型航天器編隊(duì)飛行及小衛(wèi)星的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

伴隨衛(wèi)星-2拍攝的天宮—2與神舟—11組合體圖像

7 載人空間站科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)展望

天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室空間應(yīng)用任務(wù)的順利實(shí)施將為我國(guó)載人空間站的研制與實(shí)施奠定基礎(chǔ)，并可獲取重要經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)載人空間站將于2018-2022年間進(jìn)行建造，規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的10余個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和密封艙外的若干重大研究設(shè)施，將在軌運(yùn)行10年以上，支持空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文和天體物理、空間物理與空間環(huán)境、空間地球科學(xué)及應(yīng)用、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8個(gè)學(xué)科領(lǐng)域31個(gè)研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目滾動(dòng)實(shí)施。通過(guò)載人空間站工程的建造與運(yùn)營(yíng)，將顯著提升我國(guó)空間科學(xué)研究與應(yīng)用的水平，有望取得一大批重大科研成果。

1）在國(guó)際前沿探索的微重力基礎(chǔ)物理、空間生命科學(xué)和空間材料科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)入世界先進(jìn)行列，在高精度時(shí)間頻率系統(tǒng)、廣義相對(duì)論驗(yàn)證、超冷原子的量子力學(xué)性質(zhì)等方面取得一批具有國(guó)際影響的重大發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)空間科學(xué)領(lǐng)域的跨越發(fā)展。

2）在面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的空間信息獲取新技術(shù)、量子保密通信技術(shù)、空間3D打印技術(shù)等領(lǐng)域，突破和掌握一批戰(zhàn)略性新技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)科技的創(chuàng)新發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐，引領(lǐng)和帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

3）在空間生物藥物設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體光電子先進(jìn)材料制備和地球觀測(cè)應(yīng)用等方面取得重大突破，通過(guò)空間科技成果的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化和地面應(yīng)用，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，獲取顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)。