天宫二号中的“上海元素”

来源:解放日报作者:黄海华时间:2016-09-16 点击:

      9月15日22时04分，天宫二号在酒泉卫星发射中心成功发射。来自中科院上海技物所、中国科学技术大学、中科院上海光机所、中科院上海硅酸盐所、中科院微小卫星创新研究院和中科院上海生科院植物生理生态所的科学家们为天宫二号中的高精尖设备和实验贡献了他们的智慧。
　　
      宽波段成像光谱仪：观海探气察雾霾
　　
      载人航天的历次巡天任务都少不了为我们生活的地球拍照，在浩瀚的宇宙中从各个方位“感知”地球。来自中科院上海技物所的科学家用8年时间为本次飞行任务定制了一台宽波段成像光谱仪，就像是为天宫二号配备了一台高性能航天“数码相机”。
　　
      相机被安装在太空实验室对地观测面的“肚子”上。打开相机的外部“黑匣子”，内有8台小相机。其中，3台是可见光近红外波段相机，2台短波红外波段相机，2台热红外波段相机，还有1台可见光波段偏振相机。这些相机通过视场拼接组合在一起，可以“看”得更宽，数秒钟内迅速成像30幅。在一台仪器上开启可见光近红外高光谱成像与短波红外、热红外多光谱成像，同时兼具偏振探测功能的智慧锐眼，这在国际上尚无先例。
　　
      它有两个主要任务：看海和看大气。不仅可以帮助海洋专家准确监测到发生在任何海域的赤潮现象，还可获取雾霾的位置信息以及严重程度。
　　
      量子密钥分发：实现“天机不泄露”
　　
      自人类使用语言以来，有些信息就不希望被第三方听到。密钥的作用就是对信息加密，防止他人获取。天宫二号上由中国科学技术大学主导（研制团队来自中国科学技术大学上海研究院）、中科院上海技物所承担研制的“量子密钥分配专项”载荷就是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。
　　
      天宫二号的轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上，这就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个矿泉水瓶里。只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥，即可做到“天知地知你知我知”，从而成为“无法泄漏的天机”。
　　
      就在不久前，由中国科学技术大学主导（研制团队来自中国科学技术大学上海研究院）的我国第一颗量子实验通讯卫星——“墨子”号实现了第一次天地对话。今年年底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。
　　
      空间冷原子钟：三千万年误差1秒
　　
      随着天宫二号发射升空，中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”成为了国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟，可以做到三千万年误差1秒。
　　
      接下来，“空间冷原子钟”将开展包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、冷原子慢速抛射、冷原子与微波相互作用、冷原子钟闭环运行等首次在太空中进行的前沿科学实验，为未来进行空间科学实验和工程应用等对超高精度时间基准的重大需求奠定基础。
　　
      如果“空间冷原子钟”在轨实验成功，将标志我国具备在太空中建立超高精度时间频率基准的能力。以此为基础建立的空间高精度时频系统，将可以对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准，使得未来基于空间冷原子钟同步的卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。
　　
      综合材料实验装置：熔炼“金银铜铁”
　　
   《西游记》中，孙悟空被太上老君放在八卦炉中炼了49日。如今，一个重约27.6千克，加热器的功耗不到110瓦，却能实现真空环境下最高950℃的“八卦炉”将在太空开展科学实验。这正是由中科院上海硅酸盐所牵头，联合中科院国家空间科学中心、兰州技术物理研究所共同承制的一套综合材料实验装置。在保温设计上，采用了中科院上海硅酸盐所专利技术。
　　
      这套装置的整个结构非常类似于左轮手枪，加热炉单元具有一个直径18毫米的炉膛，像是左轮手枪的“枪管”，最高可加热到950℃的高温。样品管理单元类似于左轮手枪的“弹夹”，本次空间实验中，准备了共计18个样品材料。驻守的航天员将对“炉子”进行两次开盖换样操作，这将是我国首次实现空间材料实验的航天员在轨操作。
　　
      伴随卫星：守护使者+自拍神器
　　
      由中科院微小卫星创新研究院研制的伴随卫星，将“如影随形”伴随天宫二号一路远行，为其预知危险，并记录一路艰辛。
　　
      “火眼金睛”的伴随卫星具备全天时的空间观测能力，可监测空间碎片等对空间站造成潜在危险的空间目标。同时，伴随卫星还搭载了高分辨率全画幅可见光相机，将对“天宫二号”与神舟十一号组合体进行高分辨率成像。
　　
      中科院上海技物所为天宫二号伴星研制了小可见光相机和太阳敏感器。
　　
      拟南芥水稻：“种子到种子”培养
　　
      地球上的绿色植物是否可以在太空中正常生长？由中科院上海生科院植物生理生态研究所的科学家精心设计了实验方案，并挑选了两种典型的受光周期诱导的高等植物，长日照植物拟南芥和短日照植物水稻。这也是天宫二号唯一的生命科学实验。与以往不同的是，这是我国首次在太空环境下开展为期6个月的“从种子到种子”全生命周期培养实验。
　　
      本次高等植物培养实验将在“太空温室”高等植物培养箱中完成，它由中科院上海技术物理研究所主要研制完成。实验过程中部分拟南芥样品将由航天员直接参与回收。

天宫二号中的“上海元素”

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