22点04分09秒，长征二号F-T2火箭将我国首个真正意义上的空间实验室——天宫二号，带向距地面约400公里的运行轨道。天宫二号空间实验室标志我国载人航天工程进入应用发展新阶段。在深入研究国际空间科学和应用技术发展态势的基础上，空间应用系统充分利用天宫二号空间实验室平台支持能力和优势环境条件，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方面。
这些实验有的旨在探索宇宙最深处的奥秘，有的为了帮助人类更好地认识地球，有的则为将来人类的长期载人航行提供基础……它们无一不是在向世界科学的最前沿发起挑战，为中国科技领跑世界而凝神聚力。
▲“天宫二号”是中国首个真正意义上的太空实验室，采用实验舱和资源舱两舱构型，全长10.4米，最大直径3.35米，太阳翼展宽约18.4米，重8.6吨，设计在轨寿命2年（图/视觉中国）
空间冷原子钟：世界首次在轨进行科学实验
▲人类计时工具的演变（刘琪 制图）
在天宫二号空间实验室的诸多设备中，空间冷原子钟浑身散发的高冷“霸气”，它将开拓在太空中超高精度的时间频率基准研究。
▲空间冷原子钟（上海光机所研制 赵侃拍摄）
这座使用铷原子的超高精度空间原子钟，是人类历史上第一台在轨进行科学试验的空间冷原子钟。在地面上，由于受到重力的作用，自由运动的原子团始终处于变速状态，宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动，但在空间微重力环境下，原子团的运动则变成超慢速匀速直线运动--这较之“喷泉运动”，更容易进行精细测量，从而获得更高精度的原子钟信号。可以预期，空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。
▲空间冷原子钟工作原理图（刘琪 制图）
对于时间精准测量的追求，科学家似乎总不满足。继原子钟之后，采用更高工作频率的光钟，其误差将小于1秒/50亿年。“未来还可能出现更加精准的原子核钟。”中科院上海光机所中科院量子光学重点实验室主任刘亮说，科学家的终极目标是制造出在整个宇宙的生命周期内永远不会走偏的时钟。
▲时间测量装置的演变图例（梁哲凯 制图）
早在上世纪70年代末，激光冷却气体原子技术刚兴起，上海光机所王育竹院士就敏锐认识到冷原子技术将对原子钟的研究带来革命性影响。那时，他就率领团队开展相关技术研究。正因为有了几十年不懈的追踪和坚持，才有了今天挑战“世界首次”的实力。
▲中国第一台铷原子钟（上海光机所研制）
利用空间冷原子钟突破的相关技术，可以开展诸多前所未有的研究。比如，利用冷原子技术，可以建造冷原子微波钟、冷原子干涉仪、冷原子陀螺仪等器件。又如，在太阳系中的合适位置放置高精度原子钟，就可在太阳系内较大范围内实现准确定位。此外，高精度的时钟可以探测更精细的时空变化，为人类探测暗物质的分布、引力场的变化、探测引力波等，提供更精准的测量手段。
此次，“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。
▲空间冷原子钟的典型应用（刘琪 制图）
伴飞小卫星：为天宫与神十一拍“合影”
天宫二号真是赶时髦，上天还带了一个“自拍神器”——一颗带着相机的伴飞小卫星。不过，这颗小卫星可并不只为炫酷而来，它既是天宫二号的守护者，又是很多空间新技术的验证平台。
▲未来的伴飞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
在发射时，伴星由一个微型的释放机构牢牢连接在天宫二号上。进入轨道后，它才会被准确释放到太空中，围绕天宫二号或远或近不同角度地伴随飞行。它带有一台2500万像素的高分辨率相机。当下个月神舟十一号载人飞船与天宫二号交会对接后，伴星就将在旁边拍摄下这令人激动的一幕。科研人员已将它戏称为“天宫神舟大婚的摄影师”。
比起为“大婚”摄影，伴星另一个重要任务是对天宫二号表面状态进行检查。随着人类发射的航天器越来越多，太空中的空间碎片也越来越多，随着我国空间站等身躯庞大的航天器在轨时间越来越长，万一和微小的空间碎片有个碰碰擦擦，可能会形成漏热的裂缝，带来巨大的危险。而伴星的相机，它好比一个非接触式的医疗热像仪，天宫二号如果哪里“体温”出现异常，它可以及时发现并报警。
与神舟七号伴飞小卫星相比，天宫二号伴星看上去“瘦”了一圈，体积减小了1/4，但重量却增加了9公斤。伴星总师、上海微小卫星工程中心陈宏宇研究员说，这是因为伴星采取了更多高集成化设计，既节省了空间，又降低了成本。比如，在伴星所携带的单机中，有一个微型测控应答机，在原先的传统卫星上有的重达5千克，现在被压缩到了一块仅重100多克的电路板上。
虽然卫星的功能密度更高，但参加载人航天任务，安全性可靠性方面研制团队不敢丝毫懈怠。伴星按照工程要求，严格采用了很多宇航级的高可靠元器件，并开展了大量安全可靠试验。比如释放卫星的弹簧都是百里挑一选出来的，确保伴星安全准确的释放。
在有限的资源下，为了降低试验成本，研发团队对单机研制要求进行了优化，不少外协单机随整星一起做环境模拟试验，节省了近1/3的成本。为减轻整星重量，研发团队要求所有电子学供货单位把传统的单机外壳全部去掉，只留下电路板，并根据微纳卫星的尺寸特点和接口形式统一制定了标准，重新设计标准电路板模块。陈宏宇还透露了一个花絮，伴星的结构设计师是两位女性，她们用特有的细腻，为伴星设计了镂空刻槽的减重结构板，星体最薄处仅有0.5毫米，其精美程度让装配师傅也惊讶不已。
多出的空间，使伴星可以搭载更多载荷，成为新技术的空间验证平台。陈宏宇说，空间技术的使用一直以可靠稳妥为原则，很多新技术因为缺乏空间使用经验，而难以被广泛应用。有了小卫星这样的试用平台，它们一旦上天成功，就可能立刻得到推广应用。
高等植物箱：探索在太空种粮食
科幻电影《火星救援》中在火星上种土豆的场景，很快就会在天宫二号的空间实验室里再现。这次，中国科学家要完成对水稻和拟南芥“从种子到种子”的全发育过程的观察。此后，随“神十一”进入天宫二号的航天员，会将拟南芥在太空中结出的种子带回地面，让科学家进一步分析。
▲《火星救援》剧照
在太空中种植植物，对人类来说太重要了。植物不仅可以利用光能产生食物，还可以产生氧气，吸收人类代谢的许多废气、废物——人类要进行星际旅行，在可再生的宇航员生命支持系统中，高等绿色植物是物质循环与能量交换的关键。
经过千万年的进化，地球上的植物早就高度适应地球1g的重力环境。早在2006年，中科院上海生科院植物生理生态研究所郑慧琼研究员就曾将青菜随卫星送上太空，观察其开花过程。果然，感受不到地球重力，青菜开花全乱了。美国、俄国在空间站做的实验也显示，植物在微重力环境下，开花结果都出了点岔子。
究竟岔子出在哪里？这次，科学家想先搞明白开花基因的变化。他们用荧光蛋白对开花基因进行标记，在太空植物培养箱里，有特制相机进行拍摄。郑慧琼介绍，选择拟南芥和水稻送上天宫二号，就是因为科学家对它们的基因、发育过程已经了解得非常清楚了，因此它们在天上的任何变化，都可以通过对比得知。
“植物开花就代表成年了，而花本身的经济价值就很高，开花才能结实，所以开花过程对于太空植物发育特别关键。”她说，拟南芥是长日照植物，它的开花基因启动产生成花素，需要每天16小时的连续光照，而水稻则是短日照植物，每天8小时的光照就会启动。这次，它们被放进同一个太空温室中，在世界上还是首次，由于温度、湿度、营养等条件完全相同，科学家做起对比来，更加方便。
共同参与项目的孙卫宁研究员说，能让植物在太空中呆上两个月，完成从种子萌发到开花结实的全过程，是以前从未有过的机会。为此，科研人员想出了很多办法，来解决一些看似简单，却又头疼的难题。比如，太空温室体积有限，普通水稻长成后“身高”至少70厘米，为了适应太空温室的迷你空间，他们特地从中国水稻研究所找来了超级矮个儿的水稻品种——成年植株仅20厘米高。
由于微重力环境中，水气凝结后不会象地球上那样自动滴回土壤中，因此土壤湿度监测就变得很重要。科学家曾想过在温室里放一套仪器，可由于空间有限，根本放不下。怎么办？郑慧琼在练书法时，突然想到了水写纸——有水就变黑，无水就发白，相机容易识别，覆在土壤表面做指示，既清晰，又不耗能，还不占地方。这会否是第一张进入太空的水写纸？
此外，科学家还想出来用糯米纸来当生物胶水，将种子固定在培养箱中的办法，以防止火箭发射时的剧烈震动对种子产生不良影响。孙卫宁说，别小看糯米纸，它略有湿润时有粘性，遇到大量水时就可化为营养液，用在这里，可以说是最理想的生物胶水了。
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天宫二号上更多的前沿科学实验
空地量子密钥分配实验：将开展天-地超远距离量子密钥传输，以及业务数据天地激光通信。该实验突破并验证量子密钥生成、分配、提取、光信道保持等关键技术，进行体制验证，保持我国在该领域的领先地位，为未来建立不可破译的信息安全系统，在国际上率先建立实用化的保密通信网络奠定基础。
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：新一代对地观测遥感器和地球科学研究仪器，技术体制创新，技术指标先进，突破并掌握了光谱和偏振探测、焦平面制冷、大功率微波器件、短基线干涉测量等核心关键技术，将会在资源环境、生态环境、农林应用、海洋环境、大气污染和大气成分监测以及全球变化研究等领域广泛应用并取得显著效益。据悉，在国际上，在一台仪器上从可见近红外高光谱成像与短波红外、热红外、偏振成像的，宽波段成像光谱仪是首次实现。
伽玛暴偏振探测：它是天宫二号空间实验室上唯一的国际合作项目，由中国科学院高能物理研究所牵头，瑞士日内瓦大学、保罗谢尔研究所和波兰核物理研究所等单位参加研制。该实验采用康普顿散射效应测量方法，高灵敏度宇宙伽马射线偏振态，拓展伽马射线探测新窗口，为揭示伽玛暴本质、宇宙结构、起源和演化等天体物理研究前沿热点取得突破开辟新的途径，获得新的发现。探测效率比国际同类仪器高几十倍，将对国际天文学热点之一的宇宙伽玛暴研究和高能天文学产生重大影响。
▲左：伽玛暴的正面示意图；右：伽玛暴的侧面示意图 （图片来自网络）
综合材料制备实验：天宫二号任务综合材料实验项目的目标是在一期工程基础上，进一步提高综合材料实验装置的研制能力，实现有航天员在轨参与的空间材料科学实验，提升我国材料科学的空间实验能力。综合材料制备实验选用多种新型结构与类型的材料实验样品，如新型纳米复合光学材料、高性能热电转换材料、多元复相合金等，航天员将多次操作更换并回收实验样品供地面进一步分析研究。科研人员设计了一个特殊的炉子，可以在同一个炉子里，“炼制”各种需要不同合成条件的材料。
▲整个“综合材料实验平台”分为三部分，装置主体为材料实验炉，除此之外，还有电控箱和样品袋
液桥热毛细对流实验：该项目主要研究液桥高径比和体积比对热毛细对流临界过程的影响，在此基础上探讨二次转捩等其它问题，发现和认识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，为浮区法晶体材料生长提供科学指导，取得具有国际先进水平的研究成果。同时，该项目旨在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，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。
▲天宫二号上的“液桥热毛细对流实验箱”
空间环境监测：天宫二号搭载的空间环境分系统就是用来实时监测辐射环境和轨道大气环境的。带电粒子辐射探测器实现了监测空间实验室舱外多个方向的电子、质子等粒子的强度和能谱、轨道大气环境探测器监测轨道大气密度、成分、微质量及其时空变化，原子氧及其它空间环境污染效应等。
