科学普及：天宫二号
发表日期：2016/9/18 15:10:19 出处：本站 作者：陶武 有609位读者读过
天宫二号空间实验室，是继天宫一号后中国自主研发的第二个空间实验室，也是中国第一个真正意义上的空间实验室，将用于进一步验证空间交会对接技术及进行一系列空间试验。
天宫二号主要开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验，包括释放伴飞小卫星，完成货运飞船与天宫二号的对接。
天宫二号空间实验室已于2016年9月15日22时04分09秒在酒泉卫星发射中心发射成功。
第二步是空间实验室阶段。在这个阶段要解决组装、交互对接、补给以及循环利用等四大技术。这些技术关系到空间站的组装、宇航员在空间站的生存等关键问题。天宫一号就是中国在第二步计划中为了解决交互对接问题而发射的一个目标飞行器。天宫一号被运往太空之后，通过对接可以被改造成一个短期有人照料的空间实验室。
对接技术成熟之后，就可以发射真正的空间实验室——天宫二号。天宫二号将完成再生式循环系统、有效载荷和应用系统的实验以及其他一些科研项目。经过空间实验室阶段，在中国的载人航天“三步走”计划中，我国最终要建设的是一个基本型空间站，为此，我国会在海南文昌新建继酒泉、太原、西昌之后的第四个航天发射场，主要承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站和深空探测卫星等航天器的发射任务。
2011年9月，中国成功发射了“天宫一号”目标飞行器。“天宫一号”实际上是空间实验室的实验版，采用两舱构型，分别为实验舱和资源舱。之后又成功发射了发射“神舟八号”、“神舟九号”、“神舟十号”。“神九”、“神十”分别是两艘有人的神舟飞船，与“天宫一号”顺利完成了有人及无人自动对接试验。
2014年3月2日，全国政协委员、中国载人航天工程总设计师周建平表示，按照我国载人航天计划，在2020年前后建成空间站之前，将发射天宫二号空间实验室，目标是建成我国正式的空间实验室大系统。[3]
2014年9月10日上午，太空探索者协会第27届年会开幕，中方大会主席杨利伟透露：2016年我国将发射"天宫二号"空间实验室，并发射神舟11号载人飞船和"天舟一号"货运飞船，与"天宫二号"交会对接[4] 。突破和掌握推进剂补加等空间站关键技术，并开展一定规模的空间应用。[3]
2014年9月，天宫二号空间实验室、长征七号运载火箭、天舟货运飞船，以及神舟十一号、长征二号F运载火箭等主要产品已进入研制关键阶段，航天员地面训练和地面设施设备准备工作，包括空间站组成模块中的核心舱和两个实验舱研制工作也正在按计划进行。海南航天发射场已基本完工，具备发射条件。
2014年10月初，天宫二号空间实验室本阶段总装工作开始以来，实验舱、资源舱单舱总装分别完成了空间应用系统配套设备安装、电缆安装等总装工作，充分验证了空间应用系统载荷设备与整器的机械接口匹配性，并顺利完成正样实验舱的质量特性测试，为保证总装交付电测顺利进行，打下了坚实基础。[6-7]
2015年1月，中国航天科技集团公司五院完成天宫二号空间实验室空间应用系统载荷设备安装并交付电测。这是空间实验室本阶段总装的标志性节点。
2016年7月7日，天宫二号空间实验室按流程完成了出厂前所有研制工作，从北京启程，经铁路运输，于同月9日安全运抵酒泉卫星发射中心载人航天发射场，开展发射场区总装和测试工作。这标志着天宫二号与神舟十一号载人飞行任务进入实施阶段。[12-13]
2016年9月15日22:时28分，空间实验室飞行任务总指挥长张又侠宣布：天宫二号空间实验室发射任务取得圆满成功！[17]
天宫二号是在天宫一号目标飞行器备份的基础上，根据天宫一号的任务的需要改装研制而成。规模与天宫一号基本一致，也是一个长期在轨自动运行、短期载人的飞行器，是我国建造空间站之前进行技术验证的重要阶段。天宫二号将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器。这项中国－瑞士合作开展的“伽马暴偏振探测项目”（POLAR）是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分。[18]
天宫二号较大的改进是装备更豪华、装载量提高、内部环境更好。值得一提的是，天宫二号的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。
我国最终要建设的基本型空间站，它的规模不会超过国际空间站。基本型空间站大致包括一个核心舱、一架货运飞船、一架载人飞船和两个用于实验等功能的其它舱，总重量在100吨以下。其中的核心舱需长期有人驻守，能与各种实验舱、载人飞船和货运飞船对接。具备20吨以上运载能力的火箭，才有资格发射核心舱。[18]
天宫二号是我国第一个真正意义上的太空实验室，搭载了空间冷原子钟等14项应用载荷，以及失重心血管研究等航天医学实验设备，配备在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端在轨维修试验设备，开展空间科学及技术试（实）验。
“天宫一号”是空间实验室的特例，主要为了完成交会对接任务，而“天宫二号”则完全是小型空间实验室，科学家、航天员们将在里面展开各种工作和试验，“天宫二号”将解决一定规模、短期有人照料的空间应用问题，航天员在天宫二号上生活的时间将比在神舟九号、神舟十号生活的时间更长。
天宫二号上将开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验，是中国第一个真正意义上的空间实验室，发射时释放伴飞小卫星，将有飞船与之对接，将完成验证空间站的技术，也将接受航天员的访问。
将来随着空间实验室体积的增大、可靠性的提高，将逐步发展成为空间站的核心舱或者实验舱，增加太空实验的项目和种类，为建成空间站奠定基础。[20]
空间站可以允许若干个宇航员同时长期驻守太空，吨位可重达20吨。发射这样重的物体需要使用重型火箭，由于使用的火箭直径较大，无法通过铁路运输，所以用海路运往海南航天发射中心发射。同时，海南航天发射场靠近赤道，有利于增强火箭的运载能力。[18]
需要说明的是，天宫二号将成我国最忙碌的空间实验室，各类计划的实验项目达到了史无前例的14项，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等多个领域，其中两项有驻留30天的航天员直接参与操作，一项为国际合作。这些项目中，大多是当前世界最前沿的探索领域。
比如，天宫二号将搭载全球第一台冷原子钟进入太空，并进行相关实验。利用太空微重力条件，这台冷原子钟的稳定度将高达10的负16次方，可以将航天器自主守时精度提高两个数量级，能大幅提高如北斗卫星定位系统的导航精度。
比如，试验从太空分发量子密钥。密钥分发是实现“无条件”安全的量子通信的关键步骤。量子是微观物理世界里不可分割的基本个体。由于作为信息载体的单光子具有不可分割、量子状态不可克隆等特性，密钥分发可以抵御任何形式的窃听，进而保证用其加密的内容不可破译。从原理上来说，这种通信方式就是无条件安全的。
全长2000多公里的“京沪干线”大尺度光纤量子通信骨干网正在收尾，将在2016年下半年建成；全球首颗量子科学实验卫星有望在7月发射。届时，一个天地一体化的量子通信网络的雏形将会形成。在这个过程中，天宫二号可以扮演量子卫星中转的角色，实验远距离量子通信，让信息在地面城市与太空构筑的范围内实现“无条件”的安全传输。
天宫二号还将搭载中国科学院，瑞士保罗谢尔研究所，瑞士日内瓦大学联合研制的伽马暴探测设备，测量宇宙的伽马暴射线和散射状态，以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化。从而研究揭示宇宙结构、起源、演化等问题[21] 。
中国载人航天团队成功发射天宫一号以来，天宫一号先后与神舟八号、九号和十号飞船完成6次自动和航天员手控空间交会对接。天宫一号已经在轨运行超过四年半时间，目前状态良好，已圆满超额完成了预定的全部任务。[18]
天宫二号为天宫一号目标飞行器的备份器，对其进行微小的改进后，由长征二号F改进型无人运载火箭，或长征七号运载火箭从酒泉卫星发射中心发射升空，即类似天宫一号目标飞行器的发射情况。但因天宫一号消耗燃料较少，飞行寿命延长，成功地完成了中国航天三步走的第二步第一阶段，工程人员决定提高天宫二号的质量，约13吨，和原计划发射的天宫三号同质量级别。如此一来，天宫二号可能是取代了原计划天宫三号的任务，完成三步走第二步的第二阶段。但天宫三号是否被取消，而天宫二号任务结束后是否会直接发射空间站的核心舱尚不明了，相关决定大概取决于天宫二号任务的结果。[18]
2016年10月中下旬，将发射神舟十一号飞船，并搭乘2名航天员，天宫二号飞船将在393公里高空与之对接，进行人在太空中期驻留试验。此外，中国空间天文界还提出了“天体号脉”和“天体肖像”计划。[18] [24-25]
2017年4月中旬，将使用长征七号运载火箭发射天舟一号货运飞船，与天宫二号对接，开展推进剂补加等相关试验。[4-5]
2018年前后发射空间站核心舱进行试验工作。
特点1：舱内设计更宜居方便天宫生活
天宫二号空间实验室发射之后，将会有两名航天员入住天宫，他们将在那里工作和生活30天，验证航天员中期在轨驻留，这也是目前为止我国载人飞行时间最长的一次任务。
在一个失重的环境中生活30天，并不是一件容易的事。为此，天宫二号在内部增加了很多贴心的设计，更加方便航天员的工作和生活。
天宫二号空间实验室总设计师朱枞鹏表示，为给航天员创造一个更好的生活和工作环境，系统地开展了宜居性设计，包括衣食住行，声光、舱内装饰、降低噪音等，并增加了一些辅助设施。
朱枞鹏介绍，这其中一个辅助设施，就是首次在天宫二号空间实验室中使用可展开的多功能小平台。有了它，航天员可以在上面写字、吃饭、做一些科学实验，生活工作两不误。在通信方面，天宫二号上为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响便于天地通讯。
此外，舱内还用地板取代了地毯；舱内灯光则采用米黄色色调，亮度可手动调节，并为每个航天员安装了床前灯。
特点2：天宫二号装备更豪华装载量提高
天宫二号与2011年发射的天宫一号有什么不同？又有哪些技术上的突破？
天宫二号空间实验室是在“天宫一号”基础上研制的航天器，外形完全相同，却承担不同的任务——“天宫一号”是目标飞行器，主要执行的是和载人飞船配合完成空间交会对接试验任务；而“天宫二号”则是我国第一个具备太空补加功能的载人航天实验室，要第一次实现航天员30天驻留、第一次试验推进剂太空补加技术，以及开展大规模的科学实验。
中国航天科技集团公司五院空间实验室系统副总设计师廖建林介绍，“天宫二号”不仅装备更豪华、装载量提高、内部环境更好，搭载的设备也更先进。
值得一提的是，“天宫二号”的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。
特点3：“天宫二号”将进行14项空间科学实验
作为我国首个真正意义上的太空实验室，“天宫二号”空间实验室除了要验证航天员在轨中期驻留，还将开展14项空间科学和应用实验，这也是我国载人航天史上空间科学任务最多的一次。那么，究竟有哪些科学实验进入到了这个空间实验室？又会对我国科研和百姓生活带来哪些影响？
“天宫二号”分为实验舱和资源舱两个舱段，利用其实验室平台的支持能力，空间应用系统安排了一批体现科学前沿和战略高技术发展方向的科学与应用任务。
主要涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用以及应用新技术试验等八个领域。
具体包括空间冷原子钟实验、综合材料制备实验、高等植物培养实验，伽玛暴偏振探测等空间科学实验与探测项目；宽波段成像光谱仪，空地量子密钥分配试验、伴随卫星飞行试验等应用和新技术试验项目等，共计14项。除了伽玛暴偏振探测是与国外科学家合作联合研究外，其余13项科学实验将全部由我国科学家自主完成。
航天员搭乘神舟十一号飞船与天宫二号对接后，也将会直接参与操作其中的两项实验，分别是综合材料制备实验和高等植物培养实验。中科院空间应用中心有效载荷运控中心主任郭丽丽介绍，天宫二号也是未来空间站的一个雏形，它是真正意义上一个空间实验室。为充分利用这个实验室的资源，安排了比较丰富的科学应用项目。
空间冷原子钟
有望实现3千万年误差一秒
天宫二号空间实验室将开展的实验中，包括了空间科学物理领域重点项目——空间冷原子钟实验，有望实现3千万年误差一秒的超高精度，对卫星定位导航等生产生活及引力波探测等空间科学研究将产生重大影响。空间冷原子钟可以将航天器自主守时精度提高两个数量级，大幅提高导航定位精度。[28]
发射天宫二号有何目的？
中国载人航天工程办公室副主任武平介绍，发射天宫二号的主要目的是接受神舟十一号载人飞船的访问，完成航天员中期驻留，考核面向长期飞行的乘员生活、健康和工作保障等相关技术；接受天舟一号货运飞船的访问，考核验证推进剂在轨补加技术；开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术，以及在轨维修和空间站技术验证等试验。
与天宫一号有哪些区别？
武平介绍，天宫一号的主要目标是验证交会对接技术，而天宫二号则将开展较大规模的空间科学实验和空间应用试验以及航天医学实验，安排了一批体现科学前沿和战略高技术发展方向的科学与应用任务。
这其中，空间冷原子钟实验、伽玛暴偏振探测、空地量子密钥分配试验是天宫二号14个应用和试验项目中的3个重点项目。
如何从备份舱“转正”的？
“天宫二号原本是天宫一号目标飞行器的备份产品。”中国航天科技集团五院空间实验室系统总设计师朱枞鹏表示，天宫一号成功发射后，这个备份产品并没有被浪费掉，而是把它的设备用来做天宫二号。“我们对设备和材料进行了寿命试验，更换了一些材料，对设备做了延长寿命处理，确保天宫二号质量的可靠性。”
14个应用如何协调？
空间应用系统在天宫二号空间实验室上安排了共14项空间科学和应用任务，30余家单位参与载荷研制，为保证各项任务并行开展，空间应用系统总体部将应用任务进行了科学合理地分解，设置了17个分系统，分系统又分解为科学研究、载荷研制等多个子系统。
天宫二号空间应用系统副总设计师吕从民说，总体部不是将各载荷简单连接，更不是各项应用技术简单堆积，而是采用系统集成的概念，进行了总体设计、系统集成测试、统筹在轨飞行试验，最大限度地利用资源，获取应用效益。
空间应用系统安排了有效载荷运控在轨支持设备对应用项目进行统一的供配电、测控、数据采集管理传输等工作。
“有效载荷运控中心将对运行控制进行统一规划，通过天地链路，进行运行控制和传输。”中科院空间应用中心有效载荷运控中心主任郭丽丽说。
如何保障航天员驻留？
为了保证航天员在太空飞行中能更好地吃饭、睡觉、锻炼、娱乐，天宫二号对饮食居住环境进行改善，为航天员营造家的感觉。
朱枞鹏表示，舱内色彩、光线、降低噪音等都做了人性化的环境布置；航天员可在空间实验室收到地面电视信号，能跟家人进行天地通话和私人通信；为保证航天员在微重力环境下身体机能不衰退，天宫二号配置了力量训练设备，并定期对航天员心血管和身体医学指标进行监测。[29]
任务完成后陨落至何处？
中国对空间碎片问题高度重视，长征七号运载火箭搭载的遨龙一号，就用于开展空间碎片清除关键技术在轨验证试验。天宫二号在轨任务末期，将受控离轨，陨落至太平洋海域，不会成为太空垃圾。
包含哪些交会对接任务？
朱枞鹏说，因为天宫二号只有一个交会对接口，必须等神舟十一号载人飞船撤离太空后，在明年才会与天舟一号货运飞船交会对接。天宫二号任务密度较大，将进行在轨维修和空间站技术验证等试验，这将是我国建设空间站之前进行最后一次全面的技术验证。
离建设空间站还有多远？
空间站建设是我国载人航天工程战略的第三步，计划于2020年左右建成，2022年全面运行。