原標(biāo)題：“天宮二號(hào)”發(fā)射成功！快來(lái)看它帶著哪些酷炫黑科技上天！

22點(diǎn)04分09秒，長(zhǎng)征二號(hào)F-T2火箭將我國(guó)首個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室——天宮二號(hào)，帶向距地面約400公里的運(yùn)行軌道。天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室標(biāo)志我國(guó)載人航天工程進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展新階段。在深入研究國(guó)際空間科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，空間應(yīng)用系統(tǒng)充分利用天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)支持能力和優(yōu)勢(shì)環(huán)境條件，安排了一批體現(xiàn)科學(xué)前沿和戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展方向的科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，主要涉及微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究應(yīng)用以及應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等方面。

這些實(shí)驗(yàn)有的旨在探索宇宙最深處的奧秘，有的為了幫助人類更好地認(rèn)識(shí)地球，有的則為將來(lái)人類的長(zhǎng)期載人航行提供基礎(chǔ)……它們無(wú)一不是在向世界科學(xué)的最前沿發(fā)起挑戰(zhàn)，為中國(guó)科技領(lǐng)跑世界而凝神聚力。

▲“天宮二號(hào)”是中國(guó)首個(gè)真正意義上的太空實(shí)驗(yàn)室，采用實(shí)驗(yàn)艙和資源艙兩艙構(gòu)型，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，設(shè)計(jì)在軌壽命2年

空間冷原子鐘：世界首次在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)

▲人類計(jì)時(shí)工具的演變（劉琪制圖）

在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的諸多設(shè)備中，空間冷原子鐘渾身散發(fā)的高冷“霸氣”，它將開(kāi)拓在太空中超高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)研究。

▲空間冷原子鐘（上海光機(jī)所研制趙侃拍攝）

這座使用銣原子的超高精度空間原子鐘，是人類歷史上第一臺(tái)在軌進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的空間冷原子鐘。在地面上，由于受到重力的作用，自由運(yùn)動(dòng)的原子團(tuán)始終處于變速狀態(tài)，宏觀上只能做類似噴泉的運(yùn)動(dòng)或者是拋物線運(yùn)動(dòng)，但在空間微重力環(huán)境下，原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)則變成超慢速勻速直線運(yùn)動(dòng)--這較之“噴泉運(yùn)動(dòng)”，更容易進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，從而獲得更高精度的原子鐘信號(hào)。可以預(yù)期，空間冷原子鐘將成為目前空間最高精度的原子鐘。

▲空間冷原子鐘工作原理圖（劉琪制圖）

對(duì)于時(shí)間精準(zhǔn)測(cè)量的追求，科學(xué)家似乎總不滿足。繼原子鐘之后，采用更高工作頻率的光鐘，其誤差將小于1秒/50億年。“未來(lái)還可能出現(xiàn)更加精準(zhǔn)的原子核鐘。”中科院上海光機(jī)所中科院量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉亮說(shuō)，科學(xué)家的終極目標(biāo)是制造出在整個(gè)宇宙的生命周期內(nèi)永遠(yuǎn)不會(huì)走偏的時(shí)鐘。

▲時(shí)間測(cè)量裝置的演變圖例（梁哲凱制圖）

早在上世紀(jì)70年代末，激光冷卻氣體原子技術(shù)剛興起，上海光機(jī)所王育竹院士就敏銳認(rèn)識(shí)到冷原子技術(shù)將對(duì)原子鐘的研究帶來(lái)革命性影響。那時(shí)，他就率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研究。正因?yàn)橛辛藥资瓴恍傅淖粉櫤蛨?jiān)持，才有了今天挑戰(zhàn)“世界首次”的實(shí)力。

▲中國(guó)第一臺(tái)銣原子鐘（上海光機(jī)所研制）

利用空間冷原子鐘突破的相關(guān)技術(shù)，可以開(kāi)展諸多前所未有的研究。比如，利用冷原子技術(shù)，可以建造冷原子微波鐘、冷原子干涉儀、冷原子陀螺儀等器件。又如，在太陽(yáng)系中的合適位置放置高精度原子鐘，就可在太陽(yáng)系內(nèi)較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。此外，高精度的時(shí)鐘可以探測(cè)更精細(xì)的時(shí)空變化，為人類探測(cè)暗物質(zhì)的分布、引力場(chǎng)的變化、探測(cè)引力波等，提供更精準(zhǔn)的測(cè)量手段。

此次，“空間冷原子鐘”將開(kāi)展包括激光連續(xù)穩(wěn)頻輸出、激光冷卻原子、冷原子慢速拋射、冷原子與微波相互作用、冷原子鐘閉環(huán)運(yùn)行等首次在太空中進(jìn)行的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)，為未來(lái)進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用等對(duì)超高精度時(shí)間基準(zhǔn)的重大需求奠定基礎(chǔ)。

▲空間冷原子鐘的典型應(yīng)用（劉琪制圖）

伴飛小衛(wèi)星：為天宮與神十一拍“合影”

天宮二號(hào)真是趕時(shí)髦，上天還帶了一個(gè)“自拍神器”——一顆帶著相機(jī)的伴飛小衛(wèi)星。不過(guò)，這顆小衛(wèi)星可并不只為炫酷而來(lái)，它既是天宮二號(hào)的守護(hù)者，又是很多空間新技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)。

▲未來(lái)的伴飛衛(wèi)星是航天員可以操縱的機(jī)器人，搭載VR相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的空間操作任務(wù)

在發(fā)射時(shí)，伴星由一個(gè)微型的釋放機(jī)構(gòu)牢牢連接在天宮二號(hào)上。進(jìn)入軌道后，它才會(huì)被準(zhǔn)確釋放到太空中，圍繞天宮二號(hào)或遠(yuǎn)或近不同角度地伴隨飛行。它帶有一臺(tái)2500萬(wàn)像素的高分辨率相機(jī)。當(dāng)下個(gè)月神舟十一號(hào)載人飛船與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接后，伴星就將在旁邊拍攝下這令人激動(dòng)的一幕?？蒲腥藛T已將它戲稱為“天宮神舟大婚的攝影師”。

比起為“大婚”攝影，伴星另一個(gè)重要任務(wù)是對(duì)天宮二號(hào)表面狀態(tài)進(jìn)行檢查。隨著人類發(fā)射的航天器越來(lái)越多，太空中的空間碎片也越來(lái)越多，隨著我國(guó)空間站等身軀龐大的航天器在軌時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，萬(wàn)一和微小的空間碎片有個(gè)碰碰擦擦，可能會(huì)形成漏熱的裂縫，帶來(lái)巨大的危險(xiǎn)。而伴星的相機(jī)，它好比一個(gè)非接觸式的醫(yī)療熱像儀，天宮二號(hào)如果哪里“體溫”出現(xiàn)異常，它可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。

與神舟七號(hào)伴飛小衛(wèi)星相比，天宮二號(hào)伴星看上去“瘦”了一圈，體積減小了1/4，但重量卻增加了9公斤。伴星總師、上海微小衛(wèi)星工程中心陳宏宇研究員說(shuō)，這是因?yàn)榘樾遣扇×烁喔呒苫O(shè)計(jì)，既節(jié)省了空間，又降低了成本。比如，在伴星所攜帶的單機(jī)中，有一個(gè)微型測(cè)控應(yīng)答機(jī)，在原先的傳統(tǒng)衛(wèi)星上有的重達(dá)5千克，現(xiàn)在被壓縮到了一塊僅重100多克的電路板上。

雖然衛(wèi)星的功能密度更高，但參加載人航天任務(wù)，安全性可靠性方面研制團(tuán)隊(duì)不敢絲毫懈怠。伴星按照工程要求，嚴(yán)格采用了很多宇航級(jí)的高可靠元器件，并開(kāi)展了大量安全可靠試驗(yàn)。比如釋放衛(wèi)星的彈簧都是百里挑一選出來(lái)的，確保伴星安全準(zhǔn)確的釋放。

在有限的資源下，為了降低試驗(yàn)成本，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)單機(jī)研制要求進(jìn)行了優(yōu)化，不少外協(xié)單機(jī)隨整星一起做環(huán)境模擬試驗(yàn)，節(jié)省了近1/3的成本。為減輕整星重量，研發(fā)團(tuán)隊(duì)要求所有電子學(xué)供貨單位把傳統(tǒng)的單機(jī)外殼全部去掉，只留下電路板，并根據(jù)微納衛(wèi)星的尺寸特點(diǎn)和接口形式統(tǒng)一制定了標(biāo)準(zhǔn)，重新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電路板模塊。陳宏宇還透露了一個(gè)花絮，伴星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師是兩位女性，她們用特有的細(xì)膩，為伴星設(shè)計(jì)了鏤空刻槽的減重結(jié)構(gòu)板，星體最薄處僅有0.5毫米，其精美程度讓裝配師傅也驚訝不已。

多出的空間，使伴星可以搭載更多載荷，成為新技術(shù)的空間驗(yàn)證平臺(tái)。陳宏宇說(shuō)，空間技術(shù)的使用一直以可靠穩(wěn)妥為原則，很多新技術(shù)因?yàn)槿狈臻g使用經(jīng)驗(yàn)，而難以被廣泛應(yīng)用。有了小衛(wèi)星這樣的試用平臺(tái)，它們一旦上天成功，就可能立刻得到推廣應(yīng)用。

高等植物箱：探索在太空種糧食

科幻電影《火星救援》中在火星上種土豆的場(chǎng)景，很快就會(huì)在天宮二號(hào)的空間實(shí)驗(yàn)室里再現(xiàn)。這次，中國(guó)科學(xué)家要完成對(duì)水稻和擬南芥“從種子到種子”的全發(fā)育過(guò)程的觀察。此后，隨“神十一”進(jìn)入天宮二號(hào)的航天員，會(huì)將擬南芥在太空中結(jié)出的種子帶回地面，讓科學(xué)家進(jìn)一步分析。

▲《火星救援》劇照

在太空中種植植物，對(duì)人類來(lái)說(shuō)太重要了。植物不僅可以利用光能產(chǎn)生食物，還可以產(chǎn)生氧氣，吸收人類代謝的許多廢氣、廢物——人類要進(jìn)行星際旅行，在可再生的宇航員生命支持系統(tǒng)中，高等綠色植物是物質(zhì)循環(huán)與能量交換的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化，地球上的植物早就高度適應(yīng)地球1g的重力環(huán)境。早在2006年，中科院上海生科院植物生理生態(tài)研究所鄭慧瓊研究員就曾將青菜隨衛(wèi)星送上太空，觀察其開(kāi)花過(guò)程。果然，感受不到地球重力，青菜開(kāi)花全亂了。美國(guó)、俄國(guó)在空間站做的實(shí)驗(yàn)也顯示，植物在微重力環(huán)境下，開(kāi)花結(jié)果都出了點(diǎn)岔子。

究竟岔子出在哪里？這次，科學(xué)家想先搞明白開(kāi)花基因的變化。他們用熒光蛋白對(duì)開(kāi)花基因進(jìn)行標(biāo)記，在太空植物培養(yǎng)箱里，有特制相機(jī)進(jìn)行拍攝。鄭慧瓊介紹，選擇擬南芥和水稻送上天宮二號(hào)，就是因?yàn)榭茖W(xué)家對(duì)它們的基因、發(fā)育過(guò)程已經(jīng)了解得非常清楚了，因此它們?cè)谔焐系娜魏巫兓?，都可以通過(guò)對(duì)比得知。

“植物開(kāi)花就代表成年了，而花本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值就很高，開(kāi)花才能結(jié)實(shí)，所以開(kāi)花過(guò)程對(duì)于太空植物發(fā)育特別關(guān)鍵?！彼f(shuō)，擬南芥是長(zhǎng)日照植物，它的開(kāi)花基因啟動(dòng)產(chǎn)生成花素，需要每天16小時(shí)的連續(xù)光照，而水稻則是短日照植物，每天8小時(shí)的光照就會(huì)啟動(dòng)。這次，它們被放進(jìn)同一個(gè)太空溫室中，在世界上還是首次，由于溫度、濕度、營(yíng)養(yǎng)等條件完全相同，科學(xué)家做起對(duì)比來(lái)，更加方便。

共同參與項(xiàng)目的孫衛(wèi)寧研究員說(shuō)，能讓植物在太空中呆上兩個(gè)月，完成從種子萌發(fā)到開(kāi)花結(jié)實(shí)的全過(guò)程，是以前從未有過(guò)的機(jī)會(huì)。為此，科研人員想出了很多辦法，來(lái)解決一些看似簡(jiǎn)單，卻又頭疼的難題。比如，太空溫室體積有限，普通水稻長(zhǎng)成后“身高”至少70厘米，為了適應(yīng)太空溫室的迷你空間，他們特地從中國(guó)水稻研究所找來(lái)了超級(jí)矮個(gè)兒的水稻品種——成年植株僅20厘米高。

由于微重力環(huán)境中，水氣凝結(jié)后不會(huì)象地球上那樣自動(dòng)滴回土壤中，因此土壤濕度監(jiān)測(cè)就變得很重要?？茖W(xué)家曾想過(guò)在溫室里放一套儀器，可由于空間有限，根本放不下。怎么辦？鄭慧瓊在練書(shū)法時(shí)，突然想到了水寫(xiě)紙——有水就變黑，無(wú)水就發(fā)白，相機(jī)容易識(shí)別，覆在土壤表面做指示，既清晰，又不耗能，還不占地方。這會(huì)否是第一張進(jìn)入太空的水寫(xiě)紙？

此外，科學(xué)家還想出來(lái)用糯米紙來(lái)當(dāng)生物膠水，將種子固定在培養(yǎng)箱中的辦法，以防止火箭發(fā)射時(shí)的劇烈震動(dòng)對(duì)種子產(chǎn)生不良影響。孫衛(wèi)寧說(shuō)，別小看糯米紙，它略有濕潤(rùn)時(shí)有粘性，遇到大量水時(shí)就可化為營(yíng)養(yǎng)液，用在這里，可以說(shuō)是最理想的生物膠水了。

>>>鏈接

天宮二號(hào)上更多的前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)

空地量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)：將開(kāi)展天-地超遠(yuǎn)距離量子密鑰傳輸，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)天地激光通信。該實(shí)驗(yàn)突破并驗(yàn)證量子密鑰生成、分配、提取、光信道保持等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行體制驗(yàn)證，保持我國(guó)在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，為未來(lái)建立不可破譯的信息安全系統(tǒng)，在國(guó)際上率先建立實(shí)用化的保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計(jì)、紫外臨邊成像光譜儀：新一代對(duì)地觀測(cè)遙感器和地球科學(xué)研究?jī)x器，技術(shù)體制創(chuàng)新，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，突破并掌握了光譜和偏振探測(cè)、焦平面制冷、大功率微波器件、短基線干涉測(cè)量等核心關(guān)鍵技術(shù)，將會(huì)在資源環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)林應(yīng)用、海洋環(huán)境、大氣污染和大氣成分監(jiān)測(cè)以及全球變化研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并取得顯著效益。據(jù)悉，在國(guó)際上，在一臺(tái)儀器上從可見(jiàn)近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外、偏振成像的，寬波段成像光譜儀是首次實(shí)現(xiàn)。

伽瑪暴偏振探測(cè)：它是天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上唯一的國(guó)際合作項(xiàng)目，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、保羅謝爾研究所和波蘭核物理研究所等單位參加研制。該實(shí)驗(yàn)采用康普頓散射效應(yīng)測(cè)量方法，高靈敏度宇宙伽馬射線偏振態(tài)，拓展伽馬射線探測(cè)新窗口，為揭示伽瑪暴本質(zhì)、宇宙結(jié)構(gòu)、起源和演化等天體物理研究前沿?zé)狳c(diǎn)取得突破開(kāi)辟新的途徑，獲得新的發(fā)現(xiàn)。探測(cè)效率比國(guó)際同類儀器高幾十倍，將對(duì)國(guó)際天文學(xué)熱點(diǎn)之一的宇宙伽瑪暴研究和高能天文學(xué)產(chǎn)生重大影響。

▲左：伽瑪暴的正面示意圖；右：伽瑪暴的側(cè)面示意圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

綜合材料制備實(shí)驗(yàn)：天宮二號(hào)任務(wù)綜合材料實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)是在一期工程基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置的研制能力，實(shí)現(xiàn)有航天員在軌參與的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升我國(guó)材料科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。綜合材料制備實(shí)驗(yàn)選用多種新型結(jié)構(gòu)與類型的材料實(shí)驗(yàn)樣品，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，航天員將多次操作更換并回收實(shí)驗(yàn)樣品供地面進(jìn)一步分析研究?？蒲腥藛T設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的爐子，可以在同一個(gè)爐子里，“煉制”各種需要不同合成條件的材料。

▲整個(gè)“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”分為三部分，裝置主體為材料實(shí)驗(yàn)爐，除此之外，還有電控箱和樣品袋

液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)：該項(xiàng)目主要研究液橋高徑比和體積比對(duì)熱毛細(xì)對(duì)流臨界過(guò)程的影響，在此基礎(chǔ)上探討二次轉(zhuǎn)捩等其它問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)在空間微重力環(huán)境下熱毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)理問(wèn)題，拓展流體力學(xué)的認(rèn)知領(lǐng)域，為浮區(qū)法晶體材料生長(zhǎng)提供科學(xué)指導(dǎo)，取得具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果。同時(shí)，該項(xiàng)目旨在突破并掌握微重力環(huán)境下的液橋建橋、液面保持和失穩(wěn)重建等空間實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升我國(guó)微重力流體科學(xué)的空間實(shí)驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)水平。

▲天宮二號(hào)上的“液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱”

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)：天宮二號(hào)搭載的空間環(huán)境分系統(tǒng)就是用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻射環(huán)境和軌道大氣環(huán)境的。帶電粒子輻射探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)空間實(shí)驗(yàn)室艙外多個(gè)方向的電子、質(zhì)子等粒子的強(qiáng)度和能譜、軌道大氣環(huán)境探測(cè)器監(jiān)測(cè)軌道大氣密度、成分、微質(zhì)量及其時(shí)空變化，原子氧及其它空間環(huán)境污染效應(yīng)等。