搭載十四項應用載荷開展六十餘項空間實驗
天宮二號「回家」帶來不少好消息
本報記者 付毅飛
7月19日晚，天宮二號返回地球。從2016年9月發射至此，它的運行天數，定格在「1036」這個數字上。
作為我國第一個真正意義上的空間實驗室，天宮二號在接近三年的工作時間裡都忙了些啥？
科技日報記者從中科院空間應用中心了解到，天宮二號共搭載14項應用載荷，以及航天醫學實驗設備和在軌維修試驗設備，共開展了60餘項空間科學實驗和技術試驗。
空間冷原子鐘：極度精準的「量天尺」
在基礎物理前沿研究方面，天宮二號搭載了國際首臺在軌運行並開展科學實驗的空間冷原子鐘，成功驗證了在空間環境下高性能冷原子鐘的運行機制，實現了天穩7.210-16的超高精度，相當於3000萬年的誤差小於1秒。
這為空間超高精度時間頻率基準的重大需求，以及未來空間基礎物理前沿研究奠定了堅實的科學與技術基礎，成為國際空間冷原子量子傳感器領域的重要裡程碑。
空間冷原子鐘項目的成功，推動了相關領域的發展。其技術成果直接應用於衛星導航系統，大幅度提高衛星導航系統的性能。並在空間站高精度時頻系統、空間站超冷原子物理實驗櫃，以及探月工程地月空間導航通信等重大項目中產生關鍵作用。也將對未來深空探測、基礎物理研究、精密測量等領域產生深遠的影響。
量子密鑰分配：不可洩露的「天機」
天宮二號搭載的量子密鑰分配試驗空間終端，通過高精度自動跟瞄(ATP)系統與量子密鑰分配地面終端配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，並在此基礎上開展了空—地量子密鑰分配試驗。
該試驗率先在國內突破了量子密鑰分配相關關鍵技術，並得到了在軌驗證。成功實現了天地雙向高精度跟瞄、量子密鑰分配、雷射通信。
同時該試驗也是我國首次實現1.6Gbps碼速率的天地業務數據雷射通信傳輸，為後續空間任務更高容量的數據傳輸打通了道路。
此外，這為載人航天的空地間量子保密通信，以及未來實用化天地一體廣域量子保密通信網絡建設奠定了基礎。
伽馬暴偏振探測儀：捕捉破譯宇宙起源的秘密
伽馬射線暴是一種宇宙大爆炸級別的能量，捕捉到以後，將有助於破譯宇宙起源和演化的秘密。
天宮二號攜帶了國際首臺寬視場、高效率的專用宇宙伽瑪射線暴(GRB)偏振探測儀器，共探測到55個伽馬暴，觀測到蟹狀幸運脈衝星的脈衝信號，並在國內首次利用脈衝星信號實驗定軌，定軌精度約為10公裡，探測到了若干太陽X射線暴。目前我國已完成伽瑪射線暴瞬時輻射的高精度偏振探測，實現了預定科學目標。
熱毛細對流實驗：在太空搭建神奇的液橋
如果你將拇指和食指打溼，捏在一起再微微分開，指間會出現一個小液柱，這叫「液橋」。
地面上的液橋通常只有幾毫米，而在太空微重力環境下，建立起的液橋可以達到驚人尺寸。
當液橋兩端溫度不均時，在液體表面張力作用下會產生熱毛細流動，這是微重力環境下的主要自然對流形式。我國科學家一直夢寐以求揭開熱毛細對流的神秘面紗。
在天宮二號上，我國首次開展了空間微重力條件下的熱毛細對流實驗，研究了在空間微重力環境下熱毛細對流的失穩機理問題，拓展了流體力學的認知領域，取得了具有國際先進水平的研究成果。其使我國突破並掌握了微重力環境下的液橋建橋、液面保持和失穩重建等空間實驗關鍵技術，進一步提升我國微重力流體科學的空間實驗能力和技術水平。
綜合材料實驗：對尖端材料的了解更加深入
天宮二號上開展的綜合材料實驗，為一群牛氣沖天的尖端材料搭建了舞臺。
其中大部分樣品均為國際上首次實驗，如新型納米複合光學材料、高性能熱電轉換材料、多元復相合金等。
該實驗的主要成果有：
生長出高質量的材料晶體，驗證了新的材料製備工藝，獲得了多項材料科學實驗新發現。
在重要功能晶體等材料方面，空間製備的樣品性能得到明顯提升或微觀組織結構得到改進。
基於空間測量、實驗和地面實驗數據，建立了國內第一個空間材料實驗爐的熱環境仿真計算模型，獲得了空間微重力與地面重力環境下爐膛內氣體壓力對爐膛最高溫度影響的基本規律，使我國空間材料科學實驗的能力得到了明顯提升。
擬南芥和水稻：兩名特殊的「航天員」
光臨過天宮二號的除了景海鵬、陳冬，還有2名特殊的「航天員」——擬南芥和水稻。
科學家選取了這兩種具有代表性的植物開展了培養實驗。
該實驗採用人工光照、高效的水循環、標記蹤跡，6個月便完成了我國首次「從種子到種子」高等植物全周期培養實驗。
實驗中，我國首次發現擬南芥在空間長日條件下開花明顯延遲；首次發現微重力條件下植物壽命比地面對照組植物壽命極大地延長；首次發現空間微重力對於水稻吐水及其向性生長有明顯的影響。同時在國際上首次成功地利用植物開花基因啟動子帶動綠色螢光蛋白表達；首次發現空間微重力環境顯著促進了葉脈網絡的發育。
相關成果為有效利用空間有限資源進行最大化的植物生產提供了重要證據，為人類長期探索空間提供了保障。
空間地球科學及應用：從上帝視角看地球
在距地面近400公裡高度的軌道上，天宮二號藉助多臺遙感設備，以上帝視角俯瞰地球，取得了豐碩的科學成果及顯著應用效益。
其中，多角度寬譜段成像儀是集寬波段光譜和多角度偏振成像的新型綜合遙感器，在國內首次實現了12個多角度光學偏振遙感技術新體制驗證，開拓了獲取重要的陸地、海洋、大氣信息的新途徑。
三維成像微波高度計是國際首個用於海洋觀測的寬刈幅三維雷達成像高度計，採用短基線、小角度幹涉、新型高度跟蹤、孔徑合成結合的創新技術。新一代雷達高度計的發展方向，對於整體提升我國海洋環境監測、預測和預報能力具有重要作用。
多波段紫外臨邊成像儀是我國首個具有紫外臨邊觀測能力的載荷，在國際上首次採用大視場，對全球中層大氣進行紫外環形、前向臨邊輻射特性的同時探測。其獲得了全球大氣密度、臭氧和氣溶膠垂直結構及三維分布，在大氣痕量氣體監測、大氣與環境預報、空間天氣等領域具有廣泛的應用價值。
多項技術驗證：為我國空間站運營奠定基礎
除了科學實驗，天宮二號在任務期間也完成了多項技術驗證。
2016年10月23日，天宮二號釋放伴隨衛星。這是繼神舟七號任務以後，我國第二次在空間飛行器上釋放伴飛衛星。此次成功開展伴星釋放、駐留和伴隨飛行試驗，獲得了清晰的組合體圖像，同時也進行了微小衛星新技術試驗和驗證。
通過開展人機協同的空間精細操作機械臂試驗，我國首次實現人機協同在軌維修任務，建立了集信息管理、手動控制、遙操作和自主控制一體化的人機協同在軌維修系統，形成典型人機協同體制，為未來空間站仿人型機器人研製打下了技術基礎。
此外，天宮二號還與天舟一號貨運飛船配合，首次實現了我國太空飛行器推進劑在軌補加任務，全面突破和掌握了相關技術，對後續空間站階段的推進劑補加進行了完整驗證，並使我國推進劑補加系統性能指標達到世界領先水平。