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天宫二号究竟在忙什么?

2019-07-22 10:05:23  来源:科学大院

2019年7月19日,我国第一个真正意义上的太空实验室——天宫二号已完成全部使命,将离开工作1036天的轨道,再入大气层。

同其他航天器一般,天宫二号在天空绚烂绽放之后,将陨落南太平洋预定安全海域,回归地球怀抱。

Ta带“谁”进入太空?

2016年9月15日,天宫二号发射升空,在轨期间开展了10余项空间科学与应用项目,这是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。而为了成功完成这些项目,Ta带了哪些高精尖装备升空呢?

让我们一起数数吧:

让我们一起数数吧:

一把追求极度精准的“量天尺”--空间冷原子钟;

一个“百变金刚”--液桥热毛细对流实验箱;

一个“天宫之炉”--综合材料实验装置;

一堆牛气冲天的系列英雄材料;

一个小伙伴、天宫守护者--天宫二号伴随卫星;

一只小蜜蜂--伽玛暴偏振探测仪;

一台高尖端的“数码相机”;

哦对,还有环境监测装备--空间环境分系统,海洋监测装备--三维成像微波高度计,以及“天机不可泄露”的量子密钥分配;

除了以上装备之外,粮食和蔬菜也是万万不能缺:高等植物—拟南芥、水稻。

这些装备,为宇宙探索贡献着巨大的力量。

Ta在太空“忙”些什么?

成果

在太空的1000多天里,天宫二号开展了多项科学实验任务,它们有的是在探索宇宙最深处的奥秘,有的是帮助人们更好地认识地球、海洋和大气,有的是在解决将来在星际旅行时的食物问题。接下来,就让我们一起看看天宫二号带着它的各项高精尖装备都“忙”出了什么?

1、空间基础物理

超高精度空间冷原子钟

空间冷原子钟(上海光机所研制 赵侃拍摄)

空间冷原子钟(上海光机所研制 赵侃拍摄)

这是国际上首台在轨运行的冷原子钟,根据在轨测试结果推算冷原子钟日稳定度达到7.2×10^-16(误差仅为3000万年一秒),处于国际领先水平;

部分在轨实验结果作为亮点文章发表于《自然·通讯》(Nature Communications),获得了国际同行专家的高度评价。

该冷原子钟成功将为空间高精度时频系统、空间冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等各种量子敏感器奠定技术基础,并且在全球卫星导航定位系统、深空探测、广义相对论验证、引力波测量、地球重力场测量、基本物理常数测量等一系列重大技术和科学发展方面做出重要贡献。

量子密钥分配实验

“量子密钥分配试验空间终端”,以实现世界上首个基于载人航天空间平台的空-地量子密钥分配试验为目标,通过高精度自动跟瞄(ATP)系统与量子密钥分配地面终端配合,在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道,并在此基础上进行空-地量子密钥分配试验。为载人航天的空地间量子保密通信,以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。

试验率先在国内突破了量子密钥分配相关关键技术,并得到了在轨验证,成功实现了天地双向高精度跟瞄、量子密钥分配、激光通信;首次实现超Gbps码速率的天地业务数据激光通信传输,为后续空间任务更高容量数据传输打下了坚实的基础。

2、空间天文

伽马暴偏振探测仪

“天极”望远镜实物图。左:偏振探测仪 右:电控箱

“天极”望远镜实物图。左:偏振探测仪 右:电控箱

伽马射线暴这种宇宙大爆炸级别的能量,捕捉到后,可以破译宇宙起源和演化的秘密。到目前为止,天宫二号上搭载的国际首台宽视场、高效率专用宇宙伽玛射线暴(GRB)偏振探测仪器,共探测到55个伽马暴,观测到蟹状幸运脉冲星的脉冲信号,国内首次利用脉冲星信号实验定轨,定轨精度约为10km,探测到了若干太阳x射线暴。

试验已完成伽玛射线暴瞬时辐射的高精度偏振探测,实现预定科学目标,相关成果于2019年1月14日在线发表在国际重要学术期刊《自然·天文学》。

3、空间科学实验

液桥热毛细对流实验

液桥热毛细对流实验箱

液桥热毛细对流实验箱

液桥热毛细对流实验是我国第一次在空间微重力条件下开展热毛细对流实验。

本实验研究的是大Prandtl数液桥热毛细对流稳定性相关问题,研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题,拓展流体力学的认知领域,取得具有国际先进水平的研究成果。目标是突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术,进一步提升我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。

综合材料实验

综合材料实验装置

综合材料实验装置

“综合材料实验平台”中大部分材料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。

此次实验主要成果有:

1)生长出高质量的材料晶体,验证了新的材料制备工艺,获得了多项材料科学实验新发现;

2)在重要功能晶体等材料方面,空间制备的样品性能得到明显提升或微观组织结构得到改进;

3)基于空间测量、实验和地面实验数据建立了国内第一个空间材料实验炉的热环境仿真计算模型,获得了空间微重力与地面重力环境下炉膛内气体压力对炉膛最高温度影响的基本规律,使我国空间材料科学实验的能力得到了明显提升。

高等植物培养实验

高等植物培养箱

高等植物培养箱

天宫二号空间实验室中两种代表性的植物——拟南芥和水稻幸运地作为“植物宇航员”进行培养实验。

此次进行的培养实验,采用人工光照、高效的水循环,标记踪迹,6个月便完成了我国首次“从种子到种子”高等植物全周期培养实验,为人类长期探索空间提供重要保障。

该实验成果颇多:

1)国内首次实现植物在空间密闭环境中“从种子到种子”全过程生长周期实验;

2)首次发现拟南芥在空间长日条件下开花明显延迟;

3)国际上首次成功地利用植物开花基因启动子带动绿色荧光蛋白表达;

4)首次发现微重力条件下植物寿命比地面对照组植物寿命极大地延长;

5)国际上首次发现空间微重力环境显著促进了叶脉网络的发育;

6)首次发现空间微重力对于水稻吐水及其向性生长有明显的影响。

此次进行的培养实验,采用人工光照、高效的水循环,标记踪迹,6个月便完成了我国首次“从种子到种子”高等植物全周期培养实验,为人类长期探索空间提供重要保障。

4、空间地球科学及应用

三维成像微波高度计

天宫二号高度计天线、大功率固态功率放大器及天线安装位置示意图

天宫二号高度计天线、大功率固态功率放大器及天线安装位置示意图

天宫二号三维成像微波高度计是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。它采用小角度、高精度干涉测量技术,能精确获得海面的干涉条纹信息,进而获得三维海面形态,再经过复杂的定标最终获得宽刈幅范围内的海平面高度测量。

它的成功在轨运行,将是我国星载微波遥感技术的一次重大突破,可为我国新一代的海洋动力环境观测卫星提供达到国际先进水平的微波载荷。

宽波段成像仪

宽波段成像光谱仪三维模装图

宽波段成像光谱仪三维模装图

它是我国新一代海洋水色遥感器,作为国内首个在轨运行的多角度偏振成像仪器,填补了我国天基多角度光学偏振成像的空白。

作为太空实验室里的尖端“数码相机”,宽波段成像光谱仪拥有相当深厚的“内力”。相机被安装在太空实验室对地观测面的“肚子”上,有了它,“天宫二号”可谓拥有了“火眼金睛”的本领,能够实现跟随太空实验室的飞行角度变化从多个方位对地成像,国内首次实现了空间多角度偏振成像。在空间应用领域,获得了国内外同类仪器中最高的热红外探测器灵敏度。

这台“数码相机”能够获取广域覆盖的海洋、大气、陆地等高幅度、多谱段影像,在海洋、地球环境监测、农业、林业、地质灾害等领域取得广泛应用效益。

多波段紫外临边成像光谱仪

天宫二号搭载的多波段紫外临边成像光谱仪,是我国第一个具有紫外临边观测能力的载荷,是国际上首次采用大视场对全球中层大气进行紫外环形、前向临边辐射特性同时探测。

其结合前向光谱仪和环形成像仪,获得了10~60km臭氧的垂直分布和空间分布,得到中间层和低热层的臭氧、大气密度以及其他大气微量气体的垂直结构和三维动态分布,从而为大气科学研究和大气环境监测提供信息支撑。

5、空间环境与空间物理

空间环境与空间物理探测

空间环境分系统(全称:空间环境监测及物理探测分系统)主要用于实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境,实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测,以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

空间环境探测已连续获得了天宫二号飞行轨道的电子、质子的空间分布及其强度和能谱;获得了相应轨道的大气成分、大气密度,为空间环境预报、轨道预报、空间环境变化机理研究提供了可靠的准实时观测数据。

综合精密定轨实验

该实验获取了高精度的航天器轨道状态与时间信息,定轨精度达到厘米级,其提供精密的位置与轨道信息,保障了其他载荷工作精准高效。

6、新技术

伴随卫星

2016年10月23日,天宫二号释放伴随卫星,该伴随卫星作为伴随主航天器飞行的航天器,是主航天器的安全辅助工具,对主航天器进行工作状态监测、安全防卫,可以为航天员出舱活动及空间飞行器交会对接等提供直接的技术支持。除此之外,将对“天宫二号”高分辨成像,记录航天器的工作状态并提前发现危险。

在轨陪伴期间,伴随卫星成功开展了伴星释放、驻留和伴随飞行试验,获得了清晰的天宫二号和神舟11号组合体的图像。在未来,伴星还可能会在太空VR、个性化太空网络、帮助主星组网等方面发挥更大的作用。

7、空间站

中国空间站

中国空间站

天宫二号空间实验室成功“飞天”,标志着我国迈进空间站时代,将来的中国空间站将成为国家级太空实验室,全面开启中国空间科学研究与应用的新时代,在稳步推进空间站建设的同时,我们也为走向更遥远深空展开谋划。

。。。。。。

今天,天宫二号已累计绕地运行16211圈,顺利完成了多项实验,功成身退。

今夜,它与我们说再见,心有不舍却自豪无比。这个承载了我们宇宙探索梦想的“天二”,见证与完成了很多我国航天事业的第一次。它做出的卓越贡献以及承载的探索精神将不断激励着我们继续向航天强国迈进!

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