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上天的天宮二號,都帶了哪些“法寶”?

天宮二號上天啦!它為我們的航天員在天空中提供了一間真正的科學實驗室。那么,這間“漂浮”在太空中的實驗室里,都有哪些神秘的儀器設備?又會研究哪些課題呢?就讓我們一起探個究竟吧。

天宮二號空間實驗室,我們自主研發的第二個空間實驗室。圖片來源:military.china.com

太空中的“八卦爐”:綜合材料實驗裝置

這套實驗裝置由“材料實驗爐”、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構成。整個裝置共約27.6公斤重,最大功耗不到200瓦(一般電水壺1000~1800瓦,這套裝置只用了電水壺功耗的1/9~1/5,相當于2個100瓦的白熾燈),卻能實現真空環境下最高950攝氏度的爐膛溫度!

航天員將在這個爐子里“煉制”復合材料、金屬材料、有機高分子材料和晶體材料等各種新型材料。比如將要制備的閃爍晶體可以幫助人類探索、認識和利用肉眼無法識別的射線、高能粒子,將其轉化為可識別、可控制的信號(例如可見光)。如果運用在醫療成像領域,就像齊天大圣的火眼金睛,讓腫瘤無所遁形。打個比方,以現在的診療檢測手段,某位病人的某處腫瘤需要長到1毫米量級才能被發現,而安裝了經過太空實驗得到的閃爍晶體的CT,可能在腫瘤1微米時就能被精確定位,真正做到“上醫治未病”。

天宮八卦爐”綜合材料實驗裝置,宇航員可以用這套系統“煉制”新型材料。圖片來源:news.eastday.com

伴隨衛星,天宮“守護者”

天宮二號伴隨衛星是一顆微納衛星,是天宮二號試驗任務的一部分。伴隨衛星采用了小型化、輕量化、功能密度的設計,使衛星結構小、重量輕,卻實現了高功能密度的設計結果。

伴隨衛星將在在軌任務期間開展對空間組合體的伴飛以及多平臺空間協同等試驗,為主航天器的技術試驗提供支持,并進行多項新技術的試驗,拓展空間技術應用。

在未來,未來的伴隨衛星是航天員可以操縱的機器人,搭載VR相機,可以實現更加復雜的空間操作任務。甚至可以個人化,將社交網絡搬到太空。利用伴星和主星,或者釋放多顆伴星組網,還可以實現多星協同工作,完成一顆衛星單獨無法實施的應用任務,提高主星應用效率,擴大應用領域,促進空間新技術的發展和應用。

天宮二號的伴隨衛星將協同天宮二號進行實驗。圖片來源:jiangsu.china.com.cn

“百變金剛”液橋

俗話說,“人往高處走,水往低處流”。可是在太空中,水未必能往低處流。這就是太空中,微重力的神奇所在。它顛覆了地面上的一些常識,航天員到了空間站里就喜歡上了淘氣地“玩水”游戲。“神舟10號”里,王亞平在太空授課,變魔術一般地給我們展示了不可思議的大液膜和大水球。這次,在天宮二號里,科學家們將要首次開展“液橋”熱毛細對流的空間流體物理實驗!

液橋是什么?通俗地講,液橋就是固體間的小液柱。之所以稱之為液橋,是因為“橋”字有連接兩地的含義,液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體。

地面上,由于重力作用,不能建立大尺寸液橋,但是在太空的微重力環境下,可以建立起很大尺寸的液橋。利用大尺寸液橋,就可以開展微重力熱毛細流動的科學實驗。用中國科學院力學研究所康琦研究員的話說:“為生產出高質量的半導體材料,就要科學控制單晶硅在晶體生長過程中浮力對流和熱毛細對流的影響,而太空特有的微重力環境將使科學家深入剖析熱毛細對流的真實過程。”

王亞平在太空中展示奇妙的大水球。圖片來源:china.cnr.cn

“天極”望遠鏡,偏愛伽馬暴的太空小蜜蜂

“天極”可不是普通的光學望遠鏡(比如雙筒望遠鏡、天文愛好者用的牛反、或高大上的哈勃太空望遠鏡),而是探測伽瑪射線的望遠鏡(說到伽瑪射線你就蒙了?別急,醫院檢查身體所用的X光以及地鐵機場安檢用的X光就是它的同類~~)。

“天極”也不是普通的伽瑪射線望遠鏡,它可是探測伽瑪暴所發出的伽瑪射線的偏振的神器。那么什么是伽瑪射線、伽瑪暴和偏振呢?像小蜜蜂一樣勤勞又可愛的“天極”望遠鏡到底怎么回事呢?具體信息請移步這里觀看。?

太空中的迷你溫室

所謂“兵馬未動,糧草先行”,發展空間生命生態支撐系統,實現糧食和果蔬種植,不僅是空間生物學的重要研究課題之一,也是人類長期探索空間的重要保障。盡管目前在空間已經進行了多次植物生長試驗,但是,要在太空條件下成功地實現糧食與蔬菜的生產,為宇航員長期空間生活提供食物來源,還需要解決包括微重力在內的極端環境因子對植物生長發育影響等諸多問題。

天宮二號高等植物培養箱的主要任務就是培育植物。然而此次培養過程與以往不同,它將開展我國首次為期6個月的植物“從種子到種子”全生命周期培養,并且全程直播。

太空中的迷你溫室分為在軌單元和返回單元。在軌單元可提供兩個擬南芥培養單元和兩個水稻培養單元,分別為一個長日照和一個短日照培養條件,返回單元用于培養擬南芥。圖片來源:news.eastday.com

天機不可泄露?空地量子密鑰分配

自人類使用語言以來,通過密鑰給信息加密的技術就伴隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用是用來對傳輸的信息進行加密,防止他人獲取信息內容。信息時代,隨著互聯網的大范圍普及,人類之間的信息傳遞達到了前所未有的數量和頻率,各種隱私信息越來越多地暴露在互聯網上,因此,人類對保密通信的需求也到了前所未有的高度。

1984年,物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”BB84協議,從根本上保證了密鑰的安全性。隨后經過多年的實驗和技術改進,以“量子密鑰分配”為核心的量子保密通信技術已經逐漸完成了實用化,并形成了一定的產業規模。在地面光纖網絡建設上,世界第一條量子保密通信主干線路“京滬干線”即將建成,這將大幅提高我國在軍事國防、銀行、金融系統的信息安全。
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為了更遠距離的量子保密通信,我們除了繼續建設地面光纖網絡以外,還需要借助天上的多個飛行器實現更遠距離,覆蓋光纖無法到達區域的量子密鑰分配。天宮二號上的載荷“量子密鑰分配專項”就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標,通過天上發射一個個單光子并在地面接收,生成“天機不可泄露”的量子密鑰。

量子衛星對空地間實用化的量子密鑰分配進行實驗。圖片來源:sina.com.hk

空間“情報局”

空間環境分系統

大家現在都比較關心全球變暖、自然災害、城市霧霾等問題。宇航員和航天器進入太空同樣面臨著外層空間環境的影響。在太空中,高能帶電粒子(質子、電子、重離子)組成的輻射環境、航天器軌道高度的大氣環境等都屬于空間環境的要素:

  • 能量很高的帶電粒子輻射可能導致航天器材料性能下降或損壞,也可能破壞宇航員的器官組織,嚴重時甚至有生命危險;
  • 大氣阻力可能導致航天器軌道下降甚至壽命降低,大氣的擾動使航天器定軌精度下降;
  • 大氣中的氧原子具有很強的氧化能力,它剝蝕航天器表面材料而使其性能下降;
  • 微小顆粒附著在航天器表面,特別是光學器件表面,會引起器件污染,性能減弱等。

天宮二號搭載的空間環境分系統(全稱:空間環境監測及物理探測分系統)的主要任務就是實時監測輻射環境和軌道大氣環境,保證天宮二號任務的完成。

帶電粒子輻射探測器身上的十六個小柱子(探頭)可以從16個方向全天候捕獲天宮軌道上的高能帶電粒子。圖片來源:中科院科學傳播局

微波高度計

天宮二號上搭載的微波高度計叫做“三維成像微波高度計”,它是在傳統高度計基礎上發展而來的一種新型微波遙感器,能夠通過小角度、高精度干涉測量技術,精確獲得海面的干涉條紋信息,進而獲得三維海面形態,再經過復雜的定標最終獲得寬刈幅范圍內的海平面高度測量。

浩瀚而又神秘的海洋是人類最大的資源寶庫,蘊藏極為豐富的生物、化學、礦產資源和能源,是人類擴大生存空間、推動經濟發展的重要領域。然而海洋也是很多重大自然災害發生的源頭。海洋災害的發生,往往伴隨著海洋環境的異常變化,例如局部海洋區域的海面高度和海面溫度的異常升高。而海面高度的異常升高,例如“厄爾尼諾現象”,幅度也僅為厘米級,只有微波高度計能夠敏銳地捕捉到這種細微的變化,同時還需要去除赤潮、海嘯和風暴潮的干擾。因此,人類只有深刻地、清晰地了解海洋環境的安全性,才能真正的開發和使用海洋資源。

微波高度計項目的實施可為研究全球的海洋動力環境(包括海平面高度,海面風浪和洋流)提供直接的科學觀測數據,同時也為全球能量交換、氣候變化的研究提供不可或缺的科學依據。

“量天尺”:超高精度空間冷原子鐘

在文明進步和科學技術發展的歷史長河中,人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。從古老的日晷、水鐘、沙漏等原始計時裝置,到工業革命后期出現的機械擺鐘、石英表,再到現代科技利用原子超精細結構發明的原子鐘,測量時間的精度誤差已經降到了萬億分之一秒/天。

如此高精度的計時需求,人們也許是感覺不到的,生活中,貌似一只誤差百分之一秒/天的手表就足夠用了。但事實上,當計時器的誤差超過千分之一秒/天時,人們現在每天賴以生存的電子通信網絡、高速交通管理、金融系統安全、電網并網發電等日常活動就都將陷入混亂;當誤差超過十億分之一秒/天時,衛星導航定位、船只遠海航行、導彈精密打擊等高精準度行為就會不同程度地偏離目標,而諸如開展深空探測、引力波探測、精細結構常數測量、廣義相對論驗證等等對時間精度要求達到極致的科學研究活動就更不要提了。

正因如此,全世界數十個實驗室就建立了幾百臺高精度原子鐘,它們共同組成了世界通用標準時間系統,該系統由國際計量局負責保持,通過網絡、電話、長波、短波、電視等各種通信手段為大眾提供授時服務。
在這套系統中,衛星導航系統已成為高精度授時服務的主要手段。

目前,制約衛星導航系統精度的主要因素是星載原子鐘的精度和大氣層對空地信號同步比對過程的影響,因此,發展空間超高精度原子鐘,提高空間計量守時精度,對全球導航定位系統、基礎物理研究、深空探測等方面都具有非常重大的應用價值。

空間冷原子鐘對全球導航定位系統有著極為重要的作用。圖片來源:kepu.net.cm

天宮二號里的空間冷原子鐘本身具有極高的精度,同時在太空中對其它衛星上的星載原子鐘又可以進行無干擾的時間信號傳遞和校準,避免了大氣和電離層多變狀態的影響,從而使得基于空間冷原子鐘授時的全球衛星導航系統具有更加精確和穩定的運行能力。

空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎,并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。(編輯:Jerruslem)

本文由中國科學院科學傳播局供稿

The End

發布于2016-09-15, 本文版權屬于果殼網(guokr.com),禁止轉載。如有需要,請聯系果殼

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