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上天的天宫二号,都带了哪些“法宝”?

2016年09月17日 浏览量: 评论(0) 来源: http://www.guokr.com/article/441728/ 发布者: 环球科技观光团

天宫二号上天啦!它为我们的航天员在天空中提供了一间真正的科学实验室。那么,这间“漂浮”在太空中的实验室里,都有哪些神秘的仪器设备?又会研究哪些课题呢?就让我们一起探个究竟吧。

天宫二号空间实验室,我们自主研发的第二个空间实验室。图片来源:military.china.com

太空中的“八卦炉”:综合材料实验装置

这套实验装置由“材料实验炉”、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6公斤重,最大功耗不到200瓦(一般电水壶1000~1800瓦,这套装置只用了电水壶功耗的1/9~1/5,相当于2个100瓦的白炽灯),却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度!

 

航天员将在这个炉子里“炼制”复合材料、金属材料、有机高分子材料和晶体材料等各种新型材料。比如将要制备的闪烁晶体可以帮助人类探索、认识和利用肉眼无法识别的射线、高能粒子,将其转化为可识别、可控制的信号(例如可见光)。如果运用在医疗成像领域,就像齐天大圣的火眼金睛,让肿瘤无所遁形。打个比方,以现在的诊疗检测手段,某位病人的某处肿瘤需要长到1毫米量级才能被发现,而安装了经过太空实验得到的闪烁晶体的CT,可能在肿瘤1微米时就能被精确定位,真正做到“上医治未病”。

天宫八卦炉”综合材料实验装置,宇航员可以用这套系统“炼制”新型材料。图片来源:news.eastday.com

伴随卫星,天宫“守护者”

天宫二号伴随卫星是一颗微纳卫星,是天宫二号试验任务的一部分。伴随卫星采用了小型化、轻量化、功能密度的设计,使卫星结构小、重量轻,却实现了高功能密度的设计结果。

伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的伴飞以及多平台空间协同等试验,为主航天器的技术试验提供支持,并进行多项新技术的试验,拓展空间技术应用。

在未来,未来的伴随卫星是航天员可以操纵的机器人,搭载VR相机,可以实现更加复杂的空间操作任务。甚至可以个人化,将社交网络搬到太空。利用伴星和主星,或者释放多颗伴星组网,还可以实现多星协同工作,完成一颗卫星单独无法实施的应用任务,提高主星应用效率,扩大应用领域,促进空间新技术的发展和应用。

 

天宫二号的伴随卫星将协同天宫二号进行实验。图片来源:jiangsu.china.com.cn

百变金刚”液桥

俗话说,“人往高处走,水往低处流”。可是在太空中,水未必能往低处流。这就是太空中,微重力的神奇所在。它颠覆了地面上的一些常识,航天员到了空间站里就喜欢上了淘气地“玩水”游戏。“神舟10号”里,王亚平在太空授课,变魔术一般地给我们展示了不可思议的大液膜和大水球。这次,在天宫二号里,科学家们将要首次开展“液桥”热毛细对流的空间流体物理实验!

液桥是什么?通俗地讲,液桥就是固体间的小液柱。之所以称之为液桥,是因为“桥”字有连接两地的含义,液桥就是连接着两个固体表面之间的一段液体。

地面上,由于重力作用,不能建立大尺寸液桥,但是在太空的微重力环境下,可以建立起很大尺寸的液桥。利用大尺寸液桥,就可以开展微重力热毛细流动的科学实验。用中国科学院力学研究所康琦研究员的话说:“为生产出高质量的半导体材料,就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响,而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。”

王亚平在太空中展示奇妙的大水球。图片来源:china.cnr.cn

天极”望远镜,偏爱伽马暴的太空小蜜蜂

“天极”可不是普通的光学望远镜(比如双筒望远镜、天文爱好者用的牛反、或高大上的哈勃太空望远镜),而是探测伽玛射线的望远镜(说到伽玛射线你就蒙了?别急,医院检查身体所用的X光以及地铁机场安检用的X光就是它的同类~~)。

“天极”也不是普通的伽玛射线望远镜,它可是探测伽玛暴所发出的伽玛射线的偏振的神器。那么什么是伽玛射线、伽玛暴和偏振呢?像小蜜蜂一样勤劳又可爱的“天极”望远镜到底怎么回事呢?具体信息请移步这里观看。 

太空中的迷你温室

所谓“兵马未动,粮草先行”,发展空间生命生态支撑系统,实现粮食和果蔬种植,不仅是空间生物学的重要研究课题之一,也是人类长期探索空间的重要保障。尽管目前在空间已经进行了多次植物生长试验,但是,要在太空条件下成功地实现粮食与蔬菜的生产,为宇航员长期空间生活提供食物来源,还需要解决包括微重力在内的极端环境因子对植物生长发育影响等诸多问题。

天宫二号高等植物培养箱的主要任务就是培育植物。然而此次培养过程与以往不同,它将开展我国首次为期6个月的植物“从种子到种子”全生命周期培养,并且全程直播。

 

太空中的迷你温室分为在轨单元和返回单元。在轨单元可提供两个拟南芥培养单元和两个水稻培养单元,分别为一个长日照和一个短日照培养条件,返回单元用于培养拟南芥。图片来源:news.eastday.com

天机不可泄露?空地量子密钥分配

自人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就伴随着人类对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用是用来对传输的信息进行加密,防止他人获取信息内容。信息时代,随着互联网的大范围普及,人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率,各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上,因此,人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。

1984年,物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议,从根本上保证了密钥的安全性。随后经过多年的实验和技术改进,以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已经逐渐完成了实用化,并形成了一定的产业规模。在地面光纤网络建设上,世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成,这将大幅提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。
 
为了更远距离的量子保密通信,我们除了继续建设地面光纤网络以外,还需要借助天上的多个飞行器实现更远距离,覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标,通过天上发射一个个单光子并在地面接收,生成“天机不可泄露”的量子密钥。

量子卫星对空地间实用化的量子密钥分配进行实验。图片来源:sina.com.hk

空间“情报局”

空间环境分系统

大家现在都比较关心全球变暖、自然灾害、城市雾霾等问题。宇航员和航天器进入太空同样面临着外层空间环境的影响。在太空中,高能带电粒子(质子、电子、重离子)组成的辐射环境、航天器轨道高度的大气环境等都属于空间环境的要素:

  • 能量很高的带电粒子辐射可能导致航天器材料性能下降或损坏,也可能破坏宇航员的器官组织,严重时甚至有生命危险;
  • 大气阻力可能导致航天器轨道下降甚至寿命降低,大气的扰动使航天器定轨精度下降;
  • 大气中的氧原子具有很强的氧化能力,它剥蚀航天器表面材料而使其性能下降;
  • 微小颗粒附着在航天器表面,特别是光学器件表面,会引起器件污染,性能减弱等。

天宫二号搭载的空间环境分系统(全称:空间环境监测及物理探测分系统)的主要任务就是实时监测辐射环境和轨道大气环境,保证天宫二号任务的完成。

带电粒子辐射探测器身上的十六个小柱子(探头)可以从16个方向全天候捕获天宫轨道上的高能带电粒子。图片来源:中科院科学传播局

微波高度计

天宫二号上搭载的微波高度计叫做“三维成像微波高度计”,它是在传统高度计基础上发展而来的一种新型微波遥感器,能够通过小角度、高精度干涉测量技术,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。

浩瀚而又神秘的海洋是人类最大的资源宝库,蕴藏极为丰富的生物、化学、矿产资源和能源,是人类扩大生存空间、推动经济发展的重要领域。然而海洋也是很多重大自然灾害发生的源头。海洋灾害的发生,往往伴随着海洋环境的异常变化,例如局部海洋区域的海面高度和海面温度的异常升高。而海面高度的异常升高,例如“厄尔尼诺现象”,幅度也仅为厘米级,只有微波高度计能够敏锐地捕捉到这种细微的变化,同时还需要去除赤潮、海啸和风暴潮的干扰。因此,人类只有深刻地、清晰地了解海洋环境的安全性,才能真正的开发和使用海洋资源。

微波高度计项目的实施可为研究全球的海洋动力环境(包括海平面高度,海面风浪和洋流)提供直接的科学观测数据,同时也为全球能量交换、气候变化的研究提供不可或缺的科学依据。

量天尺”:超高精度空间冷原子钟

在文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置,到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表,再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟,测量时间的精度误差已经降到了万亿分之一秒/天。

如此高精度的计时需求,人们也许是感觉不到的,生活中,貌似一只误差百分之一秒/天的手表就足够用了。但事实上,当计时器的误差超过千分之一秒/天时,人们现在每天赖以生存的电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱;当误差超过十亿分之一秒/天时,卫星导航定位、船只远海航行、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标,而诸如开展深空探测、引力波探测、精细结构常数测量、广义相对论验证等等对时间精度要求达到极致的科学研究活动就更不要提了。

正因如此,全世界数十个实验室就建立了几百台高精度原子钟,它们共同组成了世界通用标准时间系统,该系统由国际计量局负责保持,通过网络、电话、长波、短波、电视等各种通信手段为大众提供授时服务。
在这套系统中,卫星导航系统已成为高精度授时服务的主要手段。

目前,制约卫星导航系统精度的主要因素是星载原子钟的精度和大气层对空地信号同步比对过程的影响,因此,发展空间超高精度原子钟,提高空间计量守时精度,对全球导航定位系统、基础物理研究、深空探测等方面都具有非常重大的应用价值。

空间冷原子钟对全球导航定位系统有着极为重要的作用。图片来源:kepu.net.cm

天宫二号里的空间冷原子钟本身具有极高的精度,同时在太空中对其它卫星上的星载原子钟又可以进行无干扰的时间信号传递和校准,避免了大气和电离层多变状态的影响,从而使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

空间冷原子钟的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。

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