我国首个空间实验室—天宫-2入轨

我国首个空间实验室—天宫-2入轨

2016年9月15日22：04，天宫-2空间实验室由长征-2F T2运载火箭发射升空，之后准确进入预定轨道，并展开太阳电池翼，此次发射任务取得圆满成功！

天宫-2是我国第一个真正意义上的空间实验室，全长10.4m，最大直径3.35m，太阳电池翼翼展达18.4m，质量8.6t，采用实验舱和资源舱两舱式构型，设计在轨寿命不小于2年。

长征-2F T2火箭与之前的长征-2F T1运载火箭技术状态基本一致，为了进一步提高安全性与可靠性，进行了部分技术状态更改。这是“长征”系列运载火箭的第236次飞行。

1　计划概述

天宫-2空间实验室是我国载人航天第二步第二阶段任务中第一个升空的航天器，主要完成三大任务：

一是接受神舟-11载人飞船的访问，完成航天员30天中期在轨驻留的任务，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；

二是接受我国首艘货运飞船天舟-1的访问，考核验证推进剂在轨补加技术，并成为我国第一个具备太空补加功能的载人航天器；

三是开展大规模空间科学和应用实验，以及在轨维修和空间站技术验证等试验。

天宫-2进行热试验

航天员看电视新闻示意图

由于搭载了较多实验设备，所以为了保持与2011年升空的天宫-1目标飞行器相同的质量，科研人员对设计方案进行了一些调整和改变。在乘组人数方面，这次减少了1位航天员，只有2位，这主要是为了使航天员能够在轨驻留30天，还可以把省出的质量用于多搭载一些实验设备。在燃料方面，这次发射时天宫-2携带的推进剂比天宫-1时要少一些，因为在2017年4月，天宫-2和天舟-1货运飞船对接时，天舟-1还可以为天宫-2补加推进剂。

天宫-2空间实验室发射升空后，先进入近地点200km、远地点350km的初始轨道，之后变轨进入高度约380km的运行轨道，进行在轨测试。在神舟-11载人飞船10月中下旬发射前，天宫-2进入高度为393km的近圆对接轨道，等待与飞船交会对接。

天宫-1与飞船的对接高度约343km。为了验证空间站技术，天宫-2与飞船的对接高度为393km，对星下同一地点的重访周期也从2日增加到3日。这与未来我国空间站运行的轨道高度基本相同，比之前的轨道提高了50km，飞行任务的轨道控制策略与测控模式更加接近未来空间站要求。因为轨道特性不一样，每一圈转的时间也就不一样了，所以设计人员进行了重新分析计算。

按计划，天宫-2发射升空后将开展平台和空间应用载荷测试，并于神舟-11载人飞船发射前做好与神舟-11飞船交会对接的准备。一是进行平台和应用载荷的在轨测试，包括完成平台姿轨控、供配电、信息传输与控制等方面的性能测试，以及交会对接支持、航天员驻留支持等功能检查，完成应用载荷的功能性检查和测试，此后转入独立运行模式，开展部分空间科学实验；二是在神舟-11载人飞船发射前，天宫-2将再次进行状态和功能检查，确认是否满足载人交会对接条件和驻留要求，并将轨道调整至高度为393km的近圆对接轨道。

后续按计划进行，神舟-11载人飞船将于10月中下旬在酒泉发射场发射，入轨后经变轨调相，与天宫-2交会对接构成组合体，航天员进入天宫-2，开展空间科学实验和技术试验。组合体运行第30天时，神舟-11与天宫-2分离，航天员乘返回舱返回四子王旗主着陆场。天宫-2继续在轨飞行。

2017年4月，将用长征-7火箭发射天舟-1货运飞船，天舟-1入轨后经变轨调相，与天宫-2交会对接构成组合体，进行推进剂补加试验等。天舟-1完成组合体停靠任务后与天宫-2分离，开展搭载载荷试验。天宫-2继续在轨飞行，开展空间科学实验与技术试验。

发射天宫-2是全面完成我国空间实验室阶段任务的关键之战，将为我国后续空间站建造和运营奠定坚实基础、积累宝贵经验，对于推进我国载人航天事业持续发展具有十分重要的意义。

2　温馨的家

天宫-2空间实验室是在天宫-1目标飞行器备份产品的基础上改进研制而成的。与天宫-1相比，天宫-2在外形、结构、尺寸、质量上基本没有变化，但是由于天宫-2执行的任务与天宫-1的明显不同，所以其“内心”有很大的变化，科研人员主要围绕其三大任务开展了很多新的设计工作。可以说天宫-2 比天宫-1飞得更高、实验更多、时间更长。

神舟-11在10月与天宫-2对接后，航天员将在天宫-2驻留30天，加上独立飞行3天，总飞行时间将从神舟-10的15天增加到33天，所以是我国持续时间最长的一次载人飞行任务。为了满足航天员中期驻留需要，对天宫-2的载人宜居环境做了重大改善，进行了“精装修”，以具备支持2名航天员在轨工作、生活30天的能力。科研人员对系统开展了宜居环境设计，集成了内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等宜居技术，改善了就餐和睡眠环境，增加了锻炼设备和娱乐设施，改进了内饰，硬制的、软制的扶手等，为航天员提供了舒适、人性化的空间家居环境。这些变化可以使航天员驻留期间的生活和工作更加舒适、便利和丰富多彩。

例如，在天宫-2上首次使用了可展开的多功能小平台，航天员能在上面写字、吃饭和做科学实验，从而生活工作两不误；在通信方面，为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响；用地板取代了地毯，避免有“一踩一个坑”的感觉；舱内灯光采用米黄色色调，亮度可手动调节，并为每个航天员安装了床前灯；在多个区域增加不少硬质扶手，并引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等设计来解放航天员的双手；在锻炼器材方面，除有动感单车、拉力器外还增加了跑台，并且为航天员量身定制“健身神器”——骨丢失对抗仪。多功能小平台和跑台采用了折叠方式进行收纳，以最大程度地节省空间。借助天地链路，通过地面数据转换，航天员可与地面实现视频互动，还能在轨阅读电子书或期刊。值得一提的是，在天宫-2的睡眠区里，设计师们还专门增加了“云插座”，可供航天员与家人进行私密通话。

航天员在跑台锻炼示意图

通过采取设备分区安装、增设吸能装置、优化消声装置等方法，天宫-2把航天员工作区和生活区的噪音控制在了50dB这一适宜的程度。为了避免夜间天宫-2飞行进出测控区时的语音通报影响航天员睡眠，科研人员还特意设计增加了进出测控区语音通报“使能或禁止功能”，航天员可以根据需要自行决定是否屏蔽测控区的语音通报。另外，天宫-2所携带的热控系统可以将密封舱的空气温度控制在22～24℃，相对湿度控制在45%～55%这样一个人体最舒适的环境。

科研人员为天宫-2漆上了不同的颜色，四周的墙面选择了明亮的米白色，底部选择了深灰色，工作台等面板采用了天蓝色。这一多层次的颜色划分，有望带给航天员一种清爽的感觉。值得一提的是，这种漆是由航天人专门打造的“航天漆”，其首要技术指标就是“环保”，不能含有任何有毒、有害成分。因为在太空环境中没有了重力、气压的束缚，物质的挥发速度是在地面上的数倍，一旦密闭的舱体内使用的涂料含有有毒物质，那将直接危害到航天员的健康。为了保障航天员在太空的空气质量，还专门研制了环控检测装置，它可以同时完成“太空之家”内二氧化碳、乙醛等20多种气体及有害微生物的浓度监测，一旦有害物质含量超过预警值，就会立即报警并指示航天员按照预定方法进行处理，以保证航天员的生命安全。

3　技术试验

我国未来的空间站是长期在轨飞行的，其上的推进剂会不断消耗，所以要定期进行补加。天宫-2的任务之一就是要掌握这项技术，即通过和货运飞船交会对接，把货运飞船的推进剂补加到天宫-2上，这个技术难度还是比较大。为了满足推进剂补加验证试验需要，对天宫-2推进分系统进行了适应性改造，增加了推进剂补加系统，配置了压气机等设备，采用了全新的储箱设计。它与货运飞船将首次应用推进剂在轨补加技术，使我国成为继俄罗斯之后第二个在轨应用补加技术的国家。这一技术研究成果可直接应用于后续空间站工程。天宫-1上天时携带的推进剂足足有1t多。由于可以在轨补加推进剂，所以天宫-2只加了半箱“油”，节省的质量可以携带更多的载荷产品和航天员的生活物资。

为了后续空间站的建设，安排了在轨维修技术验证和机械臂维修操作验证系统，以满足对空间站的维修体系进行全面验证的需求。因为将来空间站在轨飞行时间更长，很多东西需要进行维修、更换。所以天宫-2配备了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，专门搭建了在轨维修的一套（验证）系统。例如，首次搭建了由机、电、液等部件组成的液体回路验证系统，用于验证空间站维修技术；首次搭载了机械臂操作终端试验器，开展我国人机协同太空在轨维修试验，为以后空间站任务提供技术储备。值得一提的是，天宫-2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。

科研人员通过合并同类项的理念，对天宫-2的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计，打造出了可快速更换的模块单元。就拿智能配电单元来说，整合了产品长寿命、高可靠、操作方便等要求，在我国航天器上首次采用了“插拔式”的结构设计，在地面的模拟试验中，科研人员只需用几分钟就能完成一次维修更换。

天宫-2上新安装的机械臂将测试开展舱外搬运和维修。为了研制这条臂展超10m的“手臂”，突破了16项关键技术，首次采用了自主爬行和双臂组合操作的模式，以实现大范围大负载操作以及局部精细化操作。

为保证仪器设备和结构的温度，同时为航天员提供舒适的温湿度环境，天宫-2拥有一套卓越的“空调系统”。为了节省宝贵的电资源，该“空调系统”无需使用压缩机，而是利用外太空的冷背景和单相流体回路的热量收集和传递功能，将密封舱内的仪器设备产热、化学产热和航天员产热共计几千瓦的热量通过辐射器排散到外太空。而“基于单相流体回路的热总线技术”能将整器需要降温的设备热量收集起来，把这部分废热传递到需要补热的低温结构上，省去了低温结构补热的电加热功耗，实现了天宫-2的热量综合管理和高效利用。据悉，这套“空调系统”功率仅有220W左右，实现了高效节能的空调系统。

此外，针对空间实验室阶段目标的诸多变化，设计师们为热控系统增强了适应能力，实现了压气机温度接口的精确控温和密封舱温度的精确调节。而智能化的热控核心控制设备实现了热控设备在轨故障的自主诊断、隔离和处置，实现了“空调系统”的高可靠性。

同天宫-2一起升空的还有1颗伴随小卫星，它将从天宫-2上释放出去，然后与天宫-2伴飞，开展联合试验。它搭载了多个试验载荷，并具备较强的变轨能力，根据设计，它在开展空间任务时还具有较好的灵活性与机动性。在轨任务期间，它将开展对天宫-2和神舟-11空间组合体的飞越观测等试验，即用高清相机拍摄组合体的对接状态，为空间飞行器交会对接提供直接的影像技术支持，并拓展空间技术应用，包括探测空间碎片。此外，天宫-2伴随卫星使用的是2500万像素全画幅相机，比神舟-7释放的伴随小卫星在分辨率和精细度上实现了新升级。

4　科学实验

为了开展大规模空间科学和应用实验，天宫-2搭载了全新配套的空间应用系统的科学设备，而且无论在数量上还是安装复杂程度上，都创造了我国历次载人航天器任务之最。它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，其中有两项实验是航天员直接参与操作的。它们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8个领域。

这些实验项目绝大多数触及当今世界最前沿的探索领域，有望取得一批重大应用成果，如“空-地量子密钥分配与激光通信实验”、“热毛细对流空间实验”、“微重力下植物全生育发展过程实验”等。同时，天宫-2搭载了全球第一台冷原子钟进入太空，进行相关科学领域的试验验证。其中的γ射线暴偏振探测仪（POLAR）和失重心血管功能研究为国际合作项目。另外，天宫-2上还搭载了香港中学生太空科技设计大赛获奖的双摆实验装置、薄膜成型实验装置、太空养蚕实验装置3个实验项目，用于开展航天科普活动。

天宫-2上装载的世界第一台空间冷原子钟，同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟，有望实现10-16秒量级的超高精度，将目前人类在太空的时间计量精度提高1～2个数量级，也就意味着这个钟运行约3000万年才会产生1s的误差，这是该领域的国际领先水平。它将对卫星定位导航、引力波探测等空间科学研究产生重大影响。在地球上，引力的影响可能会造成钟表的偏差。而在太空的飞行器上放置钟表，则会免除引力的因素，达到更高的精度。此外，将冷原子钟放置在太空，还能更方便地对其他卫星上的原子钟进行时频传递和校准。由于从地面向太空发射时间信号时，会受到大气和电离层的种种干扰，难免出现误差。

其上名叫“天极”的γ射线暴偏振探测仪将探测研究遥远宇宙中突然发生的γ射线暴现象和太阳耀斑，并在国际上首次对γ射线暴的偏振性质实现高精度、高灵敏度和系统性地测量，从而深入地研究宇宙结构、恒星演化、黑洞形成以及γ射线暴爆发的物理机制，为更好地理解极端天体物理环境下产生的这种宇宙中最剧烈的爆发现象做出重要贡献。它将填补在当前γ射线暴观测中缺少高灵敏度偏振测量手段的空白。

其上的“量子密钥分配试验空间终端”，将通过高精度自动跟瞄系统与量子密钥分配地面终端配合，在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道，并在此基础上进行空-地量子密钥分配实验。其目标为实现世界上首个基于载人航天空间平台的空-地量子密钥分配演示实验，为载人航天的空地间量子保密通信，以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。

空间冷原子钟

液桥热毛细对流实验

紫外临边成像仪的环形光谱成像仪

其上的宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪等新一代对地观测遥感仪器和地球科学研究仪器，技术体制新，指标先进，这些载荷的应用将会提高我国在全球气候变化研究、大气污染和大气成分监测等领域的技术水平，产生显著的社会经济效益。其中的三维成像微波高度计是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计，它采用小角度、高精度干涉测量技术，能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。

其上的空间环境分系统主要用于实时监测天宫-2轨道上的辐射环境和大气环境，实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测，以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

将开展Prand tl数液桥热毛细对流稳定性相关问题的研究，研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题，拓展流体力学的认知领域，取得具有国际先进水平的研究成果。为生产出高质量的半导体材料，就要科学地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能深入剖析热毛细对流的真实过程。突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术，从而进一步提升我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。

将利用微重力开展包括半导体光电子晶体材料、纳米复合和新型金属基复合材料等在内的12项材料的生长与制备，揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理化学过程的规律。预期可获得高质量的空间材料样品，在模型材料的结构、功能、工艺参数等方面获得有价值的科学研究成果。

高等植物拟南芥、水稻的培养实验

宽波段成像光谱仪

为此，专门研制了一套综合材料实验装置（简称“实验装置”）。这套实验装置由“材料实验炉”（简称“炉子”）、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置质量共约27.6kg，最大功耗不到2 00W（而一般电水壶的功率也要1000～1800W），相当于2个100W白炽灯，却能实现真空环境下最高950℃的炉膛温度。

计划通过“实验装置”进行18个样品的空间实验，其分三批次进行，每批次6个。第一批次样品随材料实验炉发射升空后直接在舱内进行实验，待交会对接之后由航天员进行材料实验炉的开盖换样品操作，这将是中国航天员首次进行在轨操作的空间材料科学实验。航天员在轨将完成两次开盖换样品的操作，之后将完成实验的两批样品带回地面，供科学家解剖分析研究。第三批次的6个样品将留轨进行装置热特性测量的实验，数据传回地面进行分析研究。

其上将开展两种代表性的植物——拟南芥和水稻的培养实验，分别提供长日照和短日照的培养条件，这也是国际上首次在同一空间培养箱中同时实现长日与短日植物的培养与实时观察。该实验着重探索在太空环境中如何控制植物开花结种的技术与方法，为建立保障人类长期空间生存所必需的生命生态支持系统奠定基础。

随着天宫-2的发射，我国就具备了开展较大规模空间实验和空间应用的条件，从而使我国载人航天事业开始进入应用发展的新阶段。

宗核/文

China’s First Space Laboratory TG-2 Entered Orbit