《測繪學報》
構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離
天宮二號空間實驗室可以被稱為我國“最忙碌”的太空實驗室，上面進行的各類實驗多達10餘項，是歷次載人航天任務中應用項目最多的一次。那麼，“履職”兩年來，天宮二號開展了哪些科學實驗？取得了哪些科研成果？又有著怎樣的重大意義？ 截至今年9月27日，天宮二號已在軌正常運行740天。雖然天宮二號空間實驗室已達到兩年在軌設計壽命，但目前其平臺及裝載的應用載荷功能正常、狀態良好。為進一步發揮空間應用效益，9月20日天宮二號空間實驗室運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，之後受控離軌。
從天宮二號上返回地面並開花的擬南芥
把實驗室搬上天
2016年9月15日，長征二號運載火箭搭載著天宮二號升上太空，國人振奮。
而對於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驗室，天宮二號上搭載的三大領域、八大主題的10餘項空間科學和應用任務，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實驗開展得怎麼樣了，又取得了哪些成果呢？
“在深入研究國際空間科學和應用技術發展態勢的基礎上，空間應用系統充分利用天宮二號空間實驗室平臺支持能力和優勢環境條件，安排了一批體現科學前沿和戰略高技術發展方向的科學與應用任務。”中國科學院空間應用工程與技術中心研究員、天宮二號空間應用系統副總設計師呂從民說。
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對流實驗中，中科院力學研究所研究員康琦團隊利用空間的微重力環境，在太空中“玩”起了水。
“太空特有的微重力環境為我們深入剖析熱毛細對流的真實過程提供了絕佳條件。”康琦說。他們的團隊利用3年時間，研製出一臺抽屜大小的液橋熱毛細對流實驗箱，它能夠在空間精準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”。
藉此，科學家發現了很多新的科學現象，例如，“瘦”液橋的流體失穩強烈地依賴於升溫速率，並會直接表現出不同的失穩形態；而“胖”液橋的流體失穩對升溫速率的變化只有量的提前或滯後。
其實，康琦之所以能如此順利地完成這個實驗，還離不開一個“秘密武器”的助力，那就是中國首個基於虛擬現實技術建立的遙科學實驗平臺。
遙科學實驗平臺是目前國際上支持太空科學實驗最有效的方式。它能夠把遠距離的空間實驗與地面上的人連接在一個迴路裡，科學家可以一邊觀察實驗現象，一邊遠程控制實驗。2017年1月，團隊還將天宮二號液橋實驗過程進行了網絡直播，大量的關注讓科學家體驗了一把當“網紅”的感覺。
在高等植物培養實驗中，科研人員首次開展了微重力環境下植物光週期調控機理的研究。中科院植物生理生態研究所研究員鄭慧瓊告訴《中國科學報》記者，在天上研究植物，除了科學意義，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中，能量供給非常有限，要想最大限度地利用現有資源，我們就要把植物的調控過程給研究清楚。比如調控植物開花，如果航天員要吃的是植物種子，就讓它早點開花；如果要吃的是植物葉片，就讓它晚點開花。”鄭慧瓊說。
此次高等植物培養實驗首次證明，光週期對植物開花的誘導確實會受到微重力的影響。科研人員驗證了利用植物光週期調控植物營養與生殖生長的設計思路，為有效利用空間資源進行最大化的植物生產提供了重要依據。
除了“吃”的，還有“用”的。在天宮二號飛行任務中，空間材料生長製備實驗團隊完成了半導體光電子材料、金屬合金及亞穩材料、新型功能單晶、納米及複合材料等12種樣品的空間製備實驗和後續科學研究，併成功實現了航天員在軌參與實驗。
“雖然在這次天宮二號的一次飛行任務中取得了一系列有價值的成果，但這些結果基本是定性的探索型實驗。”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驗轉向規律性研究的材料科學實驗，希望會獲取更多的原創性科學成果，貢獻於世界。”他希望，這些實驗能為中國高質量和尖端材料的製備，指導和設計開發特種材料提供科學與技術儲備，幫助中國實現在外太空製造材料的能力。
天宮二號空間冷原子鐘功能結構與工作原理
“高冷”處見真實力
天宮二號空間實驗室上進行的各類實驗多達10餘項，是歷次載人航天任務中應用項目最多的一次。在這些實驗中，有3個空間物理領域的項目，可以說是高、精、尖的典型代表，實驗內容均屬於國際科學前沿，科學意義重大。
原子鐘是衛星導航定位系統的核心設備。但目前應用於空間的熱原子鐘性能已接近極限，制約了導航定位系統性能的進一步提高。
“我們突破了熱原子鐘的侷限，滿足諸如深空探測、基本物理常數測量、引力波測量等空間科學探索活動對空間超高精度時間頻率基準的需求。”中國科學院上海光學精密機械研究所研究員、空間冷原子鐘分系統主任設計師劉亮說。
近年來，空間冷原子鐘的研製成為各國競爭的焦點。中科院上海光機所十年一劍，提出了空間冷原子鐘總體技術路線，攻克了多項關鍵技術，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行的空間冷原子鐘，也是在空間運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個數量級。
目前，天宮二號空間冷原子鐘在軌運行已滿兩年，狀況良好，性能穩定，完成了所有計劃內科學實驗內容，完成了預定任務目標。相關研究成果於7月24日作為亮點文章在線發表在《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實驗。
中國科學技術大學潘建偉及彭承志等人組成的研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇研究組等單位，利用研製安裝在天宮二號上的小型化量子通信與激光通信複合應用終端，在國際上首次成功實現了基於小型化終端的星地量子密鑰分發實驗。
“載人航天工程幫助我們培育了很多實用技術。”中科院院士王建宇說，“未來我們可以把終端做得更小、更復合應用，可以搭載到其他衛星上，還可以結合小衛星技術，把終端降低到百公斤級，實現‘一箭多星’或星座組網，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡提供可行的低成本方案。”
除了上述實驗，天宮二號實驗室上還搭載了一個國際合作項目——“天極”望遠鏡。“天極”是一臺專門用於測量伽馬暴偏振的高靈敏度探測器，由中國科學院高能物理研究所牽頭，瑞士、波蘭等國家科研單位參加研製。
“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過程中產生的伽馬光子，並測量它們的偏振性質。”中科院高能物理研究所研究員張雙南說。
為了測量伽馬射線的偏振，“天極”望遠鏡採用了1600根塑料閃爍棒組成一個探測器陣列，很像是蜜蜂的複眼。目前，這隻勤勞的“小蜜蜂”已經成功探測了55個伽馬暴，超過了設計指標。
在實驗過程中，科研團隊還“意外”發現了探測儀的一個新功能——探測脈衝星。
雖然脈衝星導航不是其設計目標，但天宮二號上的伽馬暴偏振探測儀在國內首次實現了在軌觀測到脈衝星，併成功地實現了脈衝星導航技術試驗，提出了一個脈衝星導航新方法，相關成果已正式發表。
“衛星導航定位系統雖然已經成為現代生活中必不可少的基礎，但也具有不適用於深空、不能自主運行、可被人為摧毀等弱點。”張雙南說，“而脈衝星可以發出週期穩定的脈衝信號，是天然的導航衛星。如果航天器能接收脈衝星的脈衝信號，就可以實現自主導航。”
伴星拍攝的天宮二號和神舟十一號組合體
換個角度看地球
與基礎研究不同的是，技術試驗能讓科研人員很快知道技術體系、方法是否可行。因此，在天宮二號這樣的空間實驗室中安排新技術試驗就顯得很有必要，它能夠成為驗證國家戰略和核心關鍵技術的絕佳平臺。
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、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研究儀器，同時安排了伴隨衛星飛行試驗，對飛行器進行近距離成像觀測。
天宮二號上的三維成像微波高度計是迄今對地球進行成像觀測的電磁波頻率最高的雷達，自2016年9月22日首次開機以來，實現了多方面的技術突破和創新。
“天宮二號高度計以前所未有的1~8度視角從太空對地球海洋和陸地進行雷達成像觀測，以這一獨特視角所獲取的觀測數據呈現了很多獨特現象。”中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術重點實驗室副主任張雲華說，“有一些結果完全出乎了我們的意料。”
從該設備的角度來觀測，海洋和陸表水體呈現出非常強的反射，而陸地很暗，能夠將一些較小的海島分辨出來，在強雜波的背景下，甚至能觀測到大量不同大小船隻的尾跡；而在沙漠中，天宮二號用這隻“眼睛”，發現了一些非常奇特的紋理特徵。
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行了觀測，雷達圖像反映出，這一地區的海岸帶發生了明顯的變化。
“這些全新的認識對科學研究和後續應用都非常有價值。”張雲華說。其實，天宮二號高度計的技術成果已經應用於國家空間基礎設施規劃的新一代極軌海洋動力環境觀測衛星的主載荷——寬刈幅成像高度計中，再次體現了載人航天工程對我國空間技術領域發展的引領作用。
“你在橋上看風景，看風景的人在樓上看你。”當天宮二號忙著“看”地球時，還有個“小傢伙”在一刻不停地看著天宮二號。
在此次天宮二號任務中，由中科院研製的伴隨衛星也進行了一系列飛行試驗。“我們進一步驗證了小型高功能密度衛星在軌釋放、駐留伴隨飛行等技術，對飛行器進行了近距離成像觀測，並開展了微小型部組件空間試驗驗證。”中科院微小衛星創新研究院研究員、伴隨衛星副總師包海超說。
在軌運行兩年來，這顆尺寸僅有一個打印機大小的伴隨衛星不但實現了零故障，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徵細節信息。
2016年初，一名領導來中科院微小衛星創新研究院視察後，認為伴星的變軌能力完全可以發揮更大的作用，當場決定進行飛越組合體的觀測試驗，為天宮二號與神舟十一號的組合體拍攝高清照片。
伴星項目組積極響應，對臨時增加的組合體飛越觀測任務經過幾個月的方案論證和接口協調，終於在天宮二號發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日是伴隨衛星總體主任設計師吳會英母親心臟搭橋手術的日子，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。在伴星成功釋放後，當同事們在任務間隙休息時，吳會英則在焦慮地等待隨時可能從手術室外打來的電話。
“伴星的個頭雖然不大，但也容不得一絲一毫的差錯。”包海超說，“憑著我們所崇尚的載人航天精神，項目組多項工作齊頭並進，有條不紊，最終圓滿完成了國家任務。”
有效載荷運控中心
伴星拍攝的天宮二號和神舟十一號組合體
天宮二號空間實驗室除了驗證航天員中期在軌駐留，還安排了14項體現國際科學前沿和高新技術發展方向的物理學前沿科學、空間科學實驗、空間應用與技術試驗，共計51件載荷設備，是目前我國載人航天工程歷次任務中開展應用項目最多、最繁忙的一次任務。
那麼，天宮二號的在軌運行安全要如何保障，這些太空實驗和新技術驗證是如何在幾百公里的太空順利開展，大量寶貴的科學數據又是怎樣更好地為科學研究服務的？
“我們有效載荷運控中心就像太空實驗大管家一樣，負責規劃安排載荷工作窗口，控制載荷在軌運行，監視載荷健康狀態，及時響應應急情況，確保太空各項實（試）驗萬無一失，同時也為科學家提供數據處理與共享發佈服務，支持各項科學研究有效開展。”中國科學院空間應用工程與技術中心有效載荷運控中心主任郭麗麗說，“能成為‘太空實驗大管家’，我們感到無比榮耀。”
作為連接起科學家與空間科學實驗、技術試驗的橋樑和紐帶，至今為止，有效載荷運控中心值守天宮二號空間實驗室上的各項科學實（試）驗700多天，安排任務2萬餘次，控制指令10萬餘條，獲取的數據有幾百TB，目前整個載荷狀態良好，取得了豐富的科學應用結果。
為了保障各類實（試）驗有序、高效開展，運控中心自主研發了一套非常先進的地面支持系統。例如，天宮二號的各類科學實驗、技術試驗的項目多、領域廣、設備多，卻共用了空間實驗室上各類資源。因此，合理安排時間窗口，最優化調配資源和消解衝突就十分重要。
運控中心基於人工智能技術，研發了一套任務規劃系統，它能夠像人類的“大腦”一樣，去合理安排、控制載荷的工作，讓這個複雜的空間實驗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行是否就可以高枕無憂了呢？非也。
2014年1月，太陽耀斑導致國際空間站貨運飛船對接計劃推遲；2018年4月，天宮一號受軌道大氣阻力影響，再入時間和地點引發熱議；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，太空並不是大家想象的真空。”中科院國家空間科學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境因素，都會影響航天器的運行安全；空間的高能帶電粒子可以導致DNA鍵斷裂，直接威脅著宇航員的健康乃至生命。”
對應於我國載人航天工程三步走，天宮二號的空間環境探測任務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。科研人員對空間環境和物理探測分系統進行了改進，在小型化、綜合化的基礎上實現了技術指標的大幅提升。
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數據提供了一次絕佳機會。
“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據就顯得非常稀有。”張賢國說。
例如，在南大西洋的上空，存在著一個磁場異常區域，這裡高能粒子富集，很多低地球軌道衛星路過這裡的時候會發生故障，堪稱低軌道衛星的“噩夢區域”。此前，人們關於這一區域的三維分佈只有理論計算，從未有過實測結果。
此次天宮二號的降軌，讓科研人員取得了最接近該異常區下邊界的探測結果，為該區域的三維建模起到了不可替代的作用。張賢國相信，隨著數據日趨完善，衛星就可以更加精準地規避這個區域，避免更多故障的發生。
文字:丁佳 中科院供圖 來源於《中國科學報》 (2018-09-28 第3版 科普)
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《測繪學報》2018年第8期網刊發佈
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