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【上海观察】一起来看看天宫二号中的“上海元素”
2017-02-07 08:19:58 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  摘要

  这是中国载人航天工程中第一个真正意义上的空间实验室,将开展10余项空间科学与应用项目,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。

  天宫二号9月15日22时04分在酒泉卫星发射中心成功发射。这是中国载人航天工程中第一个真正意义上的空间实验室,将开展10余项空间科学与应用项目,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。涉及微重力流体物理、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以及新技术试验等多个领域。

  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贡献了他们的智慧,让我们来一睹这些高精尖的设备和实验。

  宽波段成像光谱仪:观海探气的尖端“相机”

  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”,可以看到它的内部有8台小相机。其中3台是可见光近红外波段相机,2台是短波红外波段相机,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。这台相机既能获得影像信息,也能同时获得物体的光谱特征信息。这些“定量化”的图谱信息可用在海洋叶绿素、悬浊物含量、海洋海岸水色等遥感应用中。比如,海水中叶绿素含量增大时,水色一般由蓝色向绿色转变,成像仪提取到海水叶绿素、色素浓度等遥感信息,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,还可以估计出这片海域的浮游生物量和初级生产力,从而指导渔民出海作业等。相机可以探测水温、海冰和洋流信息,且具备很高的水温变化探测灵敏度,大约是1摄氏度的40分之一,比我国现有的海洋遥感器的探测灵敏度提高了好多倍。

  生活中,应用到光的偏振特性的场合很多,如摄影爱好者都熟悉的相机镜头偏振镜用来消除反光,汽车上使用偏振片降低夜晚行车时迎面驶来车辆发射出的刺眼灯光等。这台相机利用光的偏振特性可以获取被探测对象的偏振信息。由于光的偏振特性对大气粒子特性(形状、大小和组成)具有独特敏感性,这个优势可以帮助研究人员对大气气溶胶和云粒子的尺寸大小、形状、光学厚度等微观特性以及云的关键性能参数开展定量化研究,这对气象预报、气候预测具有重要价值。老百姓都关心,它能看到雾霾吗?回答是肯定的。它可以获取到雾霾的位置信息以及严重程度。

  宽波段成像光谱仪

  量子密钥分发:天机不可泄露

  自人类使用语言以来,有些信息就不希望被第三方听到。密钥的作用就是用来对传输的信息进行加密,防止他人获取信息内容。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公里以外的一个固定的矿泉水瓶里。

  1984年,物理学家本奈特和密码学家布拉萨尔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。

  如果把光子比作硬币,那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度,量子密钥的安全性就来自这些偏转角度。BB84协议就好比一共选取 “↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度,并且都对应好二进制编码。密钥分配时,发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。扔一个硬币,双方就通过电话对比一下选的洞,留下洞一样时扔的硬币结果,就生成了二进制量子密钥。如果中间有人窃听,窃听者只能随机的选择“+”和“×”两种洞。测过硬币角度后,如果他不想被发现,需要把硬币再扔给接收方。但是这个硬币已经被他测过了,会有一半的概率改变了角度。此时,接收方再测,最后就会发现硬币的测量结果和发送方有1/4的概率不同,就可以马上知道有窃听者的存在了。于是,发送方和接收方停止密钥分发,换个地方重新来,直到确认没有窃听为止。因此,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“天知地知你知我知”的密钥,从而成功做到无法泄漏的天机。

  BB84量子密钥分配协议

  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。

  超高精度空间冷原子钟: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。

  超高精度空间冷原子钟,这是一台什么“钟”?摆钟的计时误差达到1年1秒,精密的石英钟能做到300年误差1秒,氢原子钟数百万年误差1秒,那么冷原子钟则可以做到三千万年误差1秒。

  “空间冷原子钟”正是将激光冷却技术和空间微重力环境结合,并突破了激光器自动找频和长期稳频等一系列关键技术,将目前人类在太空中的时间计量精度提高了1到2个数量级,这是原子钟发展史上又一个重大突破。

  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,将标志我国具备了在太空中建立超高精度的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。除此之外,“空间冷原子钟”实验项目的成功还将为空间超冷原子物理、空间冷原子干涉仪、空间冷原子陀螺仪等应用奠定技术基础,并且在深空探测、引力红移、引力波探测、基本物理常数测量等一系列重大技术和基础科学发展方面做出重要贡献。

  空间冷原子钟

  综合材料实验装置:炉火纯青,用110瓦电灯泡的能量熔炼“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。八卦炉内有四大天火之一的六丁神火,是一件无上宝物。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。

  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”,这个枪管中最高可加热到950℃的高温,空间材料的制备和处理就是在这个高温“枪管”中完成的。通过控制“枪管”中的温度,可实现材料的熔化和凝固,从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料。

  样品管理单元类似于左轮手枪的“弹夹”,它一次能够装6颗“子弹”,即能够依次完成六种材料样品的高温制备和处理。当其中某个样品需要进行生长时,就将该样品的料舱对准“枪管”并慢慢将“子弹”推进“枪管”中,然后枪管加热到高温,按预定工艺实现这个工位所装样品的生长。在本次空间实验中,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。

  18个样品材料,每个对实验装置的要求都各不相同。在保温设计上,采用了中科院上海硅酸盐所专利技术。为了使热量被牢牢地束缚在炉膛内,采用了多层复合结构、高效辐射隔热屏以及上海硅酸盐所自行研制的特种无机涂层材料等技术手段,从而在加热单元只有不足一尺长的空间条件下,可实现将炉膛加热到近一千摄氏度的高温。该温度足以将玻璃或银条熔化掉,而功耗却仅相当于110瓦的白炽灯的功耗。与此同时,炉子外壁的温度接近于人体温度。

  与以往上天的“炉子”相比,这个“炉子”采用多个加热器组合的方式,涵盖了不同类型的温场工作模式,提高了可靠性;设计寿命比之前的提高了一个数量级;一次实验的样品数量达到18支,比过去的翻了3翻。此外,加热炉单元本身设置了多达18个温度传感器,可以全方位地对炉子各点的温度进行有效监控,是目前国内外其他空间高温材料实验装置所不具有的,为空间高温实验设备温场及空间高温传热特性的深入研究开辟了先河。

 

  伴随卫星:守护使者+自拍神器

  天宫二号将在太空书写传奇,谁来一路护航和见证呢?由中科院微小卫星创新研究院研制的伴随卫星,将“如影随行”伴随天宫二号一路远行,为其预知危险,写下一路艰辛。

  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,可对主航天器进行工作状态监测、安全防卫,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。

  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。同时配合空间站开展多平台间的协同试验,拓展空间应用。

  “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。

  伴星未来可用在哪儿?首先是太空VR。未来的伴随卫星是航天员可以操纵的机器人,搭载VR相机,可以实现更加复杂的空间操作任务。其次可形成个性化太空网络。伴随卫星结构小、总量轻,任务配置比较灵活,在运行的主航天器上发射容易实现,节约发射成本,成为一种新的航天器发射模式,可适应特殊任务需要。未来卫星甚至可以个人化,将社交网络搬到太空。伴随卫星灵活机动,可以发挥个人太空创想,实现各种太空创意创新。第三,成为空间站的小伙伴。俗话说,一个好汉三个帮。利用伴星和主星,或者释放多颗伴星组网,可以实现多星协同工作,完成一颗卫星单独无法实施的应用任务,提高主星应用效率,扩大应用领域,促进空间新技术的发展和应用。

  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。

  天宫二号的伴随卫星

  拟南芥和水稻:为航天员寻找食物补给

  所谓“兵马未动,粮草先行”。人类虽然飞出了地球,但在太空中,食物的自给仍是一个问题。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。这两种植物的种子幸运地作为“植物宇航员”进行了一次不平凡的太空之旅,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。它有三个与众不同的特点。第一、全程直播“从种子到种子”。种子在休眠状态下乘坐“保暖箱”随着太空实验室进入轨道,科学家们在地面遥控指挥启动实验过程,种子开始萌发。在其后的一段时间内,培养箱通过温度、湿度、光照、营养供给调节等功能为种子的生长发育提供环境保障,同时通过相机等测量部件进行“全程直播”,记录图像、温度变化等数据,下传到地面供植物学家开展比对分析。第二、在空间微重力环境下,植物生长过程中因蒸腾作用产生的水汽无法凝结回归到土壤,而是附着于生长盒的侧面,还影响成像。为解决这个问题,科学家们通过增加冷凝区的设计,使水汽重新冷凝并导入土壤盒内,实现了太空密闭环境下水的有效循环,也避免了水汽可能产生的不良影响。第三、为基因信息安装“追踪器”。培养箱安装了一台微型荧光相机,并集成一个LED荧光激发光源。部分长日照区培养的拟南芥用绿色荧光蛋白基因标记了开花基因,开花基因一旦表达,就会被LED光源激发出绿色荧光。这台荧光相机便可以捕捉到荧光信号,并下传信息。

  本次实验过程中部分拟南芥样品将由航天员直接参与回收,这也是我国航天员首次参与生物样品的回收,将为植物学家的后续分析提供第一手材料。这些研究为解析微重力条件下高等植物形态建成,以及从种子萌发、营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新的知识,对植物栽培和品种选育等都具有重要意义。

  【上海观察】(2016-09-15 )

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