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從天宮二號上返回地面并開花的擬南芥

天宮二號空間冷原子鐘功能結(jié)構(gòu)與工作原理

伴星拍攝的天宮二號和神舟十一號組合體

有效載荷運(yùn)控中心
　　截至今年9月27日，天宮二號已在軌正常運(yùn)行740天。雖然天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室已達(dá)到兩年在軌設(shè)計(jì)壽命，但目前其平臺及裝載的應(yīng)用載荷功能正常、狀態(tài)良好。為進(jìn)一步發(fā)揮空間應(yīng)用效益，9月20日天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營管理委員會會議研究決定，天宮二號在軌飛行至2019年7月，之后受控離軌。
　　天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室可以被稱為我國“最忙碌”的太空實(shí)驗(yàn)室，上面進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)多達(dá)10余項(xiàng)，是歷次載人航天任務(wù)中應(yīng)用項(xiàng)目最多的一次。那么，“履職”兩年來，天宮二號開展了哪些科學(xué)實(shí)驗(yàn)？取得了哪些科研成果？又有著怎樣的重大意義？
　　把實(shí)驗(yàn)室搬上天
　　2016年9月15日，長征二號運(yùn)載火箭搭載著天宮二號升上太空，國人振奮。
　　而對于盼了多年的科技工作者來說，天宮二號的意義可能更加重大。作為中國第一個真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，天宮二號上搭載的三大領(lǐng)域、八大主題的10余項(xiàng)空間科學(xué)和應(yīng)用任務(wù)，意味著許許多多的“第一次”。
　　如今，兩年過去了，天宮二號上的這些科學(xué)實(shí)驗(yàn)開展得怎么樣了，又取得了哪些成果呢？
　　“在深入研究國際空間科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢的基礎(chǔ)上，空間應(yīng)用系統(tǒng)充分利用天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室平臺支持能力和優(yōu)勢環(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)。”中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員、天宮二號空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師呂從民說。
　　俗話說，人往高處走，水往低處流，可在太空中，水未必能往低處流。在此次天宮二號的液橋熱毛細(xì)對流實(shí)驗(yàn)中，中科院力學(xué)研究所研究員康琦團(tuán)隊(duì)利用空間的微重力環(huán)境，在太空中“玩”起了水。
　　“太空特有的微重力環(huán)境為我們深入剖析熱毛細(xì)對流的真實(shí)過程提供了絕佳條件?！笨电f。他們的團(tuán)隊(duì)利用3年時間，研制出一臺抽屜大小的液橋熱毛細(xì)對流實(shí)驗(yàn)箱，它能夠在空間精準(zhǔn)控制液橋的高度和注入液體的體積，也就是讓液橋一會“高大上”，一會“土肥圓”。
　　借此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了很多新的科學(xué)現(xiàn)象，例如，“瘦”液橋的流體失穩(wěn)強(qiáng)烈地依賴于升溫速率，并會直接表現(xiàn)出不同的失穩(wěn)形態(tài)；而“胖”液橋的流體失穩(wěn)對升溫速率的變化只有量的提前或滯后。
　　其實(shí)，康琦之所以能如此順利地完成這個實(shí)驗(yàn)，還離不開一個“秘密武器”的助力，那就是中國首個基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺。
　　遙科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺是目前國際上支持太空科學(xué)實(shí)驗(yàn)最有效的方式。它能夠把遠(yuǎn)距離的空間實(shí)驗(yàn)與地面上的人連接在一個回路里，科學(xué)家可以一邊觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，一邊遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)。2017年1月，團(tuán)隊(duì)還將天宮二號液橋?qū)嶒?yàn)過程進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)直播，大量的關(guān)注讓科學(xué)家體驗(yàn)了一把當(dāng)“網(wǎng)紅”的感覺。
　　在高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，科研人員首次開展了微重力環(huán)境下植物光周期調(diào)控機(jī)理的研究。中科院植物生理生態(tài)研究所研究員鄭慧瓊告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，在天上研究植物，除了科學(xué)意義，還對未來的長期載人航天提供保障。
　　“在空間站這種密閉系統(tǒng)中，能量供給非常有限，要想最大限度地利用現(xiàn)有資源，我們就要把植物的調(diào)控過程給研究清楚。比如調(diào)控植物開花，如果航天員要吃的是植物種子，就讓它早點(diǎn)開花；如果要吃的是植物葉片，就讓它晚點(diǎn)開花?！编嵒郗傉f。
　　此次高等植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)首次證明，光周期對植物開花的誘導(dǎo)確實(shí)會受到微重力的影響?？蒲腥藛T驗(yàn)證了利用植物光周期調(diào)控植物營養(yǎng)與生殖生長的設(shè)計(jì)思路，為有效利用空間資源進(jìn)行最大化的植物生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。
　　除了“吃”的，還有“用”的。在天宮二號飛行任務(wù)中，空間材料生長制備實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成了半導(dǎo)體光電子材料、金屬合金及亞穩(wěn)材料、新型功能單晶、納米及復(fù)合材料等12種樣品的空間制備實(shí)驗(yàn)和后續(xù)科學(xué)研究，并成功實(shí)現(xiàn)了航天員在軌參與實(shí)驗(yàn)。
　　“雖然在這次天宮二號的一次飛行任務(wù)中取得了一系列有價(jià)值的成果，但這些結(jié)果基本是定性的探索型實(shí)驗(yàn)。”中科院物理研究所研究員潘明祥坦言。
　　“未來，我們將從探索型為主的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向規(guī)律性研究的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，希望會獲取更多的原創(chuàng)性科學(xué)成果，貢獻(xiàn)于世界。”他希望，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)転橹袊哔|(zhì)量和尖端材料的制備，指導(dǎo)和設(shè)計(jì)開發(fā)特種材料提供科學(xué)與技術(shù)儲備，幫助中國實(shí)現(xiàn)在外太空制造材料的能力。
　　“高冷”處見真實(shí)力
　　天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室上進(jìn)行的各類實(shí)驗(yàn)多達(dá)10余項(xiàng)，是歷次載人航天任務(wù)中應(yīng)用項(xiàng)目最多的一次。在這些實(shí)驗(yàn)中，有3個空間物理領(lǐng)域的項(xiàng)目，可以說是高、精、尖的典型代表，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均屬于國際科學(xué)前沿，科學(xué)意義重大。
　　原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的核心設(shè)備。但目前應(yīng)用于空間的熱原子鐘性能已接近極限，制約了導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。
　　“我們突破了熱原子鐘的局限，滿足諸如深空探測、基本物理常數(shù)測量、引力波測量等空間科學(xué)探索活動對空間超高精度時間頻率基準(zhǔn)的需求?！敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、空間冷原子鐘分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師劉亮說。
　　近年來，空間冷原子鐘的研制成為各國競爭的焦點(diǎn)。中科院上海光機(jī)所十年一劍，提出了空間冷原子鐘總體技術(shù)路線，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終將冷原子鐘送上了太空。
　　這次天宮二號上搭載的空間冷原子鐘，不僅是唯一成功在軌運(yùn)行的空間冷原子鐘，也是在空間運(yùn)行的精度最高的一臺原子鐘，做到了3000萬年誤差不超過1秒，將飛行器自主守時精度提高了1到2個數(shù)量級。
　　目前，天宮二號空間冷原子鐘在軌運(yùn)行已滿兩年，狀況良好，性能穩(wěn)定，完成了所有計(jì)劃內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成了預(yù)定任務(wù)目標(biāo)。相關(guān)研究成果于7月24日作為亮點(diǎn)文章在線發(fā)表在《自然—通訊》上。
　　天宮二號上另一個“第一次”則是小型化終端的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及彭承志等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組等單位，利用研制安裝在天宮二號上的小型化量子通信與激光通信復(fù)合應(yīng)用終端，在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)了基于小型化終端的星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
　　“載人航天工程幫助我們培育了很多實(shí)用技術(shù)?！敝锌圃涸菏客踅ㄓ钫f，“未來我們可以把終端做得更小、更復(fù)合應(yīng)用，可以搭載到其他衛(wèi)星上，還可以結(jié)合小衛(wèi)星技術(shù)，把終端降低到百公斤級，實(shí)現(xiàn)‘一箭多星’或星座組網(wǎng)，為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)提供可行的低成本方案?！?br/>　　除了上述實(shí)驗(yàn)，天宮二號實(shí)驗(yàn)室上還搭載了一個國際合作項(xiàng)目——“天極”望遠(yuǎn)鏡?！疤鞓O”是一臺專門用于測量伽馬暴偏振的高靈敏度探測器，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭，瑞士、波蘭等國家科研單位參加研制。
　　“這是天宮二號上唯一一臺暴露在艙外的載荷。它背對地球指向天空，可以有效地捕捉到伽馬暴爆發(fā)過程中產(chǎn)生的伽馬光子，并測量它們的偏振性質(zhì)?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T張雙南說。
　　為了測量伽馬射線的偏振，“天極”望遠(yuǎn)鏡采用了1600根塑料閃爍棒組成一個探測器陣列，很像是蜜蜂的復(fù)眼。目前，這只勤勞的“小蜜蜂”已經(jīng)成功探測了55個伽馬暴，超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)。
　　在實(shí)驗(yàn)過程中，科研團(tuán)隊(duì)還“意外”發(fā)現(xiàn)了探測儀的一個新功能——探測脈沖星。
　　雖然脈沖星導(dǎo)航不是其設(shè)計(jì)目標(biāo)，但天宮二號上的伽馬暴偏振探測儀在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了在軌觀測到脈沖星，并成功地實(shí)現(xiàn)了脈沖星導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)，提出了一個脈沖星導(dǎo)航新方法，相關(guān)成果已正式發(fā)表。
　　“衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)雖然已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中必不可少的基礎(chǔ)，但也具有不適用于深空、不能自主運(yùn)行、可被人為摧毀等弱點(diǎn)。”張雙南說，“而脈沖星可以發(fā)出周期穩(wěn)定的脈沖信號，是天然的導(dǎo)航衛(wèi)星。如果航天器能接收脈沖星的脈沖信號，就可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。”
　　換個角度看地球
　　與基礎(chǔ)研究不同的是，技術(shù)試驗(yàn)?zāi)茏尶蒲腥藛T很快知道技術(shù)體系、方法是否可行。因此，在天宮二號這樣的空間實(shí)驗(yàn)室中安排新技術(shù)試驗(yàn)就顯得很有必要，它能夠成為驗(yàn)證國家戰(zhàn)略和核心關(guān)鍵技術(shù)的絕佳平臺。
　　此次隨天宮二號上天的，包括寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計(jì)、紫外臨邊成像光譜儀等新一代對地觀測遙感器和地球科學(xué)研究儀器，同時安排了伴隨衛(wèi)星飛行試驗(yàn)，對飛行器進(jìn)行近距離成像觀測。
　　天宮二號上的三維成像微波高度計(jì)是迄今對地球進(jìn)行成像觀測的電磁波頻率最高的雷達(dá)，自2016年9月22日首次開機(jī)以來，實(shí)現(xiàn)了多方面的技術(shù)突破和創(chuàng)新。
　　“天宮二號高度計(jì)以前所未有的1~8度視角從太空對地球海洋和陸地進(jìn)行雷達(dá)成像觀測，以這一獨(dú)特視角所獲取的觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了很多獨(dú)特現(xiàn)象?！敝袊茖W(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任張?jiān)迫A說，“有一些結(jié)果完全出乎了我們的意料?！?br/>　　從該設(shè)備的角度來觀測，海洋和陸表水體呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的反射，而陸地很暗，能夠?qū)⒁恍┹^小的海島分辨出來，在強(qiáng)雜波的背景下，甚至能觀測到大量不同大小船只的尾跡；而在沙漠中，天宮二號用這只“眼睛”，發(fā)現(xiàn)了一些非常奇特的紋理特征。
　　例如，2016年12月和2017年12月，天宮二號兩次對江蘇如東海岸帶進(jìn)行了觀測，雷達(dá)圖像反映出，這一地區(qū)的海岸帶發(fā)生了明顯的變化。
　　“這些全新的認(rèn)識對科學(xué)研究和后續(xù)應(yīng)用都非常有價(jià)值。”張?jiān)迫A說。其實(shí)，天宮二號高度計(jì)的技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用于國家空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的新一代極軌海洋動力環(huán)境觀測衛(wèi)星的主載荷——寬刈幅成像高度計(jì)中，再次體現(xiàn)了載人航天工程對我國空間技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的引領(lǐng)作用。
　　“你在橋上看風(fēng)景，看風(fēng)景的人在樓上看你。”當(dāng)天宮二號忙著“看”地球時，還有個“小家伙”在一刻不停地看著天宮二號。
　　在此次天宮二號任務(wù)中，由中科院研制的伴隨衛(wèi)星也進(jìn)行了一系列飛行試驗(yàn)。“我們進(jìn)一步驗(yàn)證了小型高功能密度衛(wèi)星在軌釋放、駐留伴隨飛行等技術(shù)，對飛行器進(jìn)行了近距離成像觀測，并開展了微小型部組件空間試驗(yàn)驗(yàn)證?！敝锌圃何⑿⌒l(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、伴隨衛(wèi)星副總師包海超說。
　　在軌運(yùn)行兩年來，這顆尺寸僅有一個打印機(jī)大小的伴隨衛(wèi)星不但實(shí)現(xiàn)了零故障，還為飛行器拍攝了1100多幅紅外圖像、1500多幅可見光圖像，拍攝到飛船大量的特征細(xì)節(jié)信息。
　　2016年初，一名領(lǐng)導(dǎo)來中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院視察后，認(rèn)為伴星的變軌能力完全可以發(fā)揮更大的作用，當(dāng)場決定進(jìn)行飛越組合體的觀測試驗(yàn)，為天宮二號與神舟十一號的組合體拍攝高清照片。
　　伴星項(xiàng)目組積極響應(yīng)，對臨時增加的組合體飛越觀測任務(wù)經(jīng)過幾個月的方案論證和接口協(xié)調(diào)，終于在天宮二號發(fā)射的三個月前確定了飛越方案。
　　2016年10月23日是伴星釋放的日子，而24日是伴隨衛(wèi)星總體主任設(shè)計(jì)師吳會英母親心臟搭橋手術(shù)的日子，面對親情與重大航天使命之間的抉擇，吳會英選擇留在了北京。在伴星成功釋放后，當(dāng)同事們在任務(wù)間隙休息時，吳會英則在焦慮地等待隨時可能從手術(shù)室外打來的電話。
　　“伴星的個頭雖然不大，但也容不得一絲一毫的差錯?！卑３f，“憑著我們所崇尚的載人航天精神，項(xiàng)目組多項(xiàng)工作齊頭并進(jìn)，有條不紊，最終圓滿完成了國家任務(wù)?！?br/>　　伴星拍攝的天宮二號和神舟十一號組合體
　　天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室除了驗(yàn)證航天員中期在軌駐留，還安排了14項(xiàng)體現(xiàn)國際科學(xué)前沿和高新技術(shù)發(fā)展方向的物理學(xué)前沿科學(xué)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間應(yīng)用與技術(shù)試驗(yàn)，共計(jì)51件載荷設(shè)備，是目前我國載人航天工程歷次任務(wù)中開展應(yīng)用項(xiàng)目最多、最繁忙的一次任務(wù)。
　　那么，天宮二號的在軌運(yùn)行安全要如何保障，這些太空實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)驗(yàn)證是如何在幾百公里的太空順利開展，大量寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)又是怎樣更好地為科學(xué)研究服務(wù)的？
　　“我們有效載荷運(yùn)控中心就像太空實(shí)驗(yàn)大管家一樣，負(fù)責(zé)規(guī)劃安排載荷工作窗口，控制載荷在軌運(yùn)行，監(jiān)視載荷健康狀態(tài)，及時響應(yīng)應(yīng)急情況，確保太空各項(xiàng)實(shí)（試）驗(yàn)萬無一失，同時也為科學(xué)家提供數(shù)據(jù)處理與共享發(fā)布服務(wù)，支持各項(xiàng)科學(xué)研究有效開展?！敝袊茖W(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心有效載荷運(yùn)控中心主任郭麗麗說，“能成為‘太空實(shí)驗(yàn)大管家’，我們感到無比榮耀?！?br/>　　作為連接起科學(xué)家與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)的橋梁和紐帶，至今為止，有效載荷運(yùn)控中心值守天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室上的各項(xiàng)科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)700多天，安排任務(wù)2萬余次，控制指令10萬余條，獲取的數(shù)據(jù)有幾百TB，目前整個載荷狀態(tài)良好，取得了豐富的科學(xué)應(yīng)用結(jié)果。
　　為了保障各類實(shí)（試）驗(yàn)有序、高效開展，運(yùn)控中心自主研發(fā)了一套非常先進(jìn)的地面支持系統(tǒng)。例如，天宮二號的各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)、技術(shù)試驗(yàn)的項(xiàng)目多、領(lǐng)域廣、設(shè)備多，卻共用了空間實(shí)驗(yàn)室上各類資源。因此，合理安排時間窗口，最優(yōu)化調(diào)配資源和消解沖突就十分重要。
　　運(yùn)控中心基于人工智能技術(shù)，研發(fā)了一套任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，它能夠像人類的“大腦”一樣，去合理安排、控制載荷的工作，讓這個復(fù)雜的空間實(shí)驗(yàn)室能夠做到忙而不亂。
　　有了地面上的“大管家”，天宮二號各類載荷的運(yùn)行是否就可以高枕無憂了呢？非也。
　　2014年1月，太陽耀斑導(dǎo)致國際空間站貨運(yùn)飛船對接計(jì)劃推遲；2018年4月，天宮一號受軌道大氣阻力影響，再入時間和地點(diǎn)引發(fā)熱議；2018年8月，國際空間站漏氣，管理人員和專家一度懷疑是隕石撞擊造成。
　　“這些案例告訴我們，太空并不是大家想象的真空?！敝锌圃簢铱臻g科學(xué)中心研究員張賢國說，“像太陽耀斑、軌道大氣、隕石碎片這些空間環(huán)境因素，都會影響航天器的運(yùn)行安全；空間的高能帶電粒子可以導(dǎo)致DNA鍵斷裂，直接威脅著宇航員的健康乃至生命?！?br/>　　對應(yīng)于我國載人航天工程三步走，天宮二號的空間環(huán)境探測任務(wù)主要是探測高能粒子、軌道大氣，保宇航員安全和交會對接成功?？蒲腥藛T對空間環(huán)境和物理探測分系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在小型化、綜合化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)指標(biāo)的大幅提升。
　　尤其是前段時間，天宮二號降軌到了300公里的高度，為科研人員獲取寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)提供了一次絕佳機(jī)會。
　　“300公里軌道被稱為臨界軌道，在此高度以下，空氣阻力很大，航天器的在軌壽命非常短，因此這個軌道上的數(shù)據(jù)就顯得非常稀有?！睆堎t國說。
　　例如，在南大西洋的上空，存在著一個磁場異常區(qū)域，這里高能粒子富集，很多低地球軌道衛(wèi)星路過這里的時候會發(fā)生故障，堪稱低軌道衛(wèi)星的“噩夢區(qū)域”。此前，人們關(guān)于這一區(qū)域的三維分布只有理論計(jì)算，從未有過實(shí)測結(jié)果。
　　此次天宮二號的降軌，讓科研人員取得了最接近該異常區(qū)下邊界的探測結(jié)果，為該區(qū)域的三維建模起到了不可替代的作用。張賢國相信，隨著數(shù)據(jù)日趨完善，衛(wèi)星就可以更加精準(zhǔn)地規(guī)避這個區(qū)域，避免更多故障的發(fā)生。
　?。ㄓ浾叨〖巡蓪?中科院供圖）
　　（原載于《中國科學(xué)報(bào)》 2018-09-28 第3版 科普)