解密“天宫二号”

耿宜宏

继“长征七号”首飞之后，中国载人航天工程空间实验室阶段任务迎来第二次飞行，之后“天宫二号”空间实验室将开展在轨测试并建立自主运行模式，并与“神舟十一号”载人飞船实现完美对接。中国天宫二号空间实验室于2016年9月15日22时04分发射实现箭体分离，并展开太阳能电池板，成功进入预定轨道；其意义不亚于嫦娥奔月，是载人航天太空实验室前进中的关键一步。

值得一提的是，用于发射载人航天器的长征二号F火箭享有“神箭”的美誉，11次神舟飞船和2次“天宫一号”飞行器，在13次的发射任务中，“神箭”保持着100%的成功率此次进场的长征二号FT2火箭与长征二号FTl火箭，长征二号F遥十一火箭与长征二号F遥十火箭技术状态基本一致，主要在安全性与可靠性方面，做了部分技术状态更改。

长征二号F运载火箭为捆绑式二级液体运载火箭，芯级直径3.35米，捆绑4枚助推器，助推器直径2.25米，它采用了垂直总装垂直测试和垂直转运的三垂模式，这种模式可以保证火箭测试和发射都在火箭竖直的状态下进行。

一、不同于“天宫一号”的“天宫二号”

虽然有着相同的外形，但“天宫二号”绝非“天宫一号”的简单升级版本，它将实现更多“第一次”。据悉，“天宫二号”是中国第一个具备太空补加任务的空间实验室，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等重要的科学实验。

“天宫二号”与“天宫一号”的使命任务有所不同。相比而言，“天宫一号”目标飞行器，主要是配合神舟飞船完成交会对接试验。“天宫二号”是真正意义上的太空实验室。

相比“天宫一号”，“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。“天宫二号”上搭载了全新配套的空间应用系统的科学设备，无论是数量还是安装复杂程度，都创造了历次载人航天器任务之最。

例如，它首次搭建了液体回路验证系统，将验证空间站维修技术；首次搭载了机械臂操作终端试验器，将第一次开展中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。“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，这在国内空间领域也属于首次。

此外，从距离地球393公里的高空发来“邮件”也将在“天宫二号”上得以实现。“天宫一号”目标飞行器仅有电子邮件“上行功能”，而“天宫二号”空间实验室在此基础上增加“下行功能”。也就是说，航天员可以在“天宫二号”舱内收发邮件，假如他们有了任何心得体会，或者想跟亲人分享些什么，可以随时发一封邮件下来，家属就能看到‘来信，这样既方便又人性化。

二、太空中有十余项科学实验

“天宫二号”被称作是目前中国载人飞行时间最长的航天器，它的主要任务自然备受关注。

第—个：航天员从“神舟十一号”飞船交会对接，然后在“天宫二号”工作和生活30天。

第二个：就是要跟明年的货运飞船对接，进行推进剂在轨补加。

第三个：就是为今后空间站开展一些技术实验，包括维修性的一些相关实验。

“天宫二号”任务中有一项非常重要的工作，就是要开展大规模的空间科学和应用试验，这也标志着中国载人航天进入应用发展新阶段。

“天宫二号”上要进行的各类实验达到14项，数量之多史无前例，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，比如“空一地量子密钥分配与激光通信试验”和“伽马暴偏振探测”项目等，其中，有两项需要航天员直接参与操作。有一项是国际合作联合研究的项目。

在“天宫二号”空间实验室将要开展的十多项世界最前沿的实验当中，包括了空间科学核物理领域的重点项目——空间冷原子钟实验，它将有望实现三千万年误差一秒的超高精度，对于卫星定位、导航等生产生活以及引力波探测等空间科学研究都将产生重大影响。

三、“神舟十一号”飞船进入太空与其实现对接

在“天宫二号”空间实验室发射之后，10月17日7时30分“神舟十一号”飞船搭载两名航天员进入太空，与“天宫二号”进行空间交会对接，形成组合体飞行了30天。

“神舟十一号”载人飞船的主要任务是，为“天宫二号”在轨运营提供人员和物资天地往返运输服务，进一步考核载人天地往返运输系统的功能和性能，特别是空间站运行轨道的交会对接技术；与“天宫二号”空间实验室对接后完成航天员中期驻留试验，考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力，以及航天员执行飞行任务的能力。“天宫二号”与“神舟十一号”载人飞船飞行任务，有着鲜明的自身特点和亮点，可以说是“飞得更高、试验更多、时间更长”。

四、天宫二号技术特点

1.量子密钥分配防止他人获取信息

“天宫二号”空间实验室安排了地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务，这些实验有的是在探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好的认识海洋和大气，有的甚至是在解决将来星际旅行时食物的问题。

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“量子密鑰分配”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。

2.捕捉伽马射线暴的“天极”望远镜

“天极”望远镜的全称是“天极”伽马暴偏振探测仪（英文名POLAR），是专门用于测量伽马暴偏振的高灵敏度探测器，是“天宫二号”空间实验室（TG-2）搭载的所有实验中唯一的国际合作項目。

“天极”望远镜2013年8月完成初样的研制，转入正样研制。2015年完成正样研制，2016年9月中旬随“天宫二号”空间实验室发射升空。“天极”望远镜由偏振探测器（OBOX）和电控箱（IBOX）两个单机组成。其中偏振探测器又由低压供电电路、高压供电电路、中心触发电路和探测单体组成，电控箱又由低压模块和主控单元模块组成。

“天极”望远镜的偏振探测器将安装于“天宫二号”空间实验室的舱外，背对地球指向天空，可以有效地捕捉到伽马暴爆发过程中产生的伽马光子，并测量它们的偏振性质。

电控箱将安装于“天宫二号”空间实验室的舱内，主要负责为偏振探测器提供低压电源、控制数据传输以及和卫星平台应用系统之间进行通讯等。

为了测量伽马射线的偏振，“天极”望远镜采用1 600根塑料闪烁棒组成一个探测器阵列，通过测量每个伽马射线光子同时作用的多根塑料闪烁棒的位置分布获取偏振信息。

虽然“天极”望远镜跟小蜜蜂测量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的构造上却有异曲同工之妙！

此外，由于伽马暴是不可预测的随机发生的天文事件，为了最大限度地捕捉伽马暴，“天极”望远镜将在允许的情况下尽量多地开机运行，犹如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。伽马暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次——恒星、星系以及宇宙学联系起来。虽然这十几年来人们对伽马暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽马暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。对伽马暴伽马射线偏振的研究可以为许多伽马暴问题提供新的线索。

虽然对伽马暴伽马射线偏振的测量具有十分重要的意义，但是由于仪器能力的限制，目前国际上的观测结果还非常少，而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。

3.“天宫二号”伴随卫星

“天宫二号”伴随卫星是一颗微纳卫星，它是“天宫二号”试验任务的一部分。

该伴随卫星采用了小型化、轻量化、功能密度的设计，使得卫星结构小、重量轻，却实现了高功能密度的设计结果。此外，它搭载多个实验载荷，并具备较强的变轨能力，具备了开展空间任务的灵活性与机动性。

“天宫二号”伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的伴飞、飞越观测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。“天宫二号”伴随卫星忠实地伴随“师傅”天宫二号，跟着师傅一路远行，助力师傅完成使命，为师傅预知危险，写下一路艰辛，必将取得真经。伴随卫星作为伴随主航天器飞行的航天器，具有处于相对主航天器距离近、实时跟随的位置优势，可以作为主航天器的安全辅助工具，对主航天器进行工作状态监测、安全防卫，可以为航天员出舱活动及空间飞行器交会对接等提供直接的技术支持。

（1）腾云驾雾、如影随形

伴随卫星在轨期间将开展伴飞试验，从“天宫二号”在轨释放，首先实现安全远离，其后通过轨道控制，实现逼近并形成伴随飞行。任务完成后，再安全远离，在空间轻松上演自由贴近、远离的华丽动作大戏。同时配合空间站开展多平台间的协同试验，拓展空间应用。

（2）火眼金睛，预知危险

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。一双火眼金睛，发现各种危险

（3）大礼摄影，记录点滴

同时，伴随卫星还搭载了高分辨率全画幅可见光相机，将在空间绕飞试验过程中对“天宫二号”与“神舟十一号”组合体进行高分辨率成像，可谓是天宫和神舟飞船这对国民CP的自拍神器。