天宮二號是我國首個真正意義上的空間實驗室，搭載51件有效載荷，將完成十余項高精尖的實驗任務(wù)，是載人航天歷次任務(wù)中應(yīng)用項目最多的一次。
這些實驗有的是要探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好地認(rèn)識海洋和大氣，有的甚至想要解決將來星際旅行時的食物問題……下面就讓我們一探究竟。
天宮二號效果圖
51件有效載荷：涉及應(yīng)用項目最多
當(dāng)前，我國載人航天工程已進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展新階段。“我們在深入研究國際空間科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展態(tài)勢的基礎(chǔ)上，充分利用天宮二號空間實驗室平臺支持能力和優(yōu)勢環(huán)境條件，安排了一批體現(xiàn)科學(xué)前沿和戰(zhàn)略高技術(shù)發(fā)展方向的科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)。”天宮二號空間應(yīng)用系統(tǒng)總設(shè)計師趙光恒說，這些任務(wù)涉及微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測、空間環(huán)境監(jiān)測、對地觀測及地球科學(xué)研究應(yīng)用以及應(yīng)用新技術(shù)試驗等8個領(lǐng)域。
其中空間科學(xué)實驗與探測項目包括空間冷原子鐘實驗、液橋熱毛細(xì)對流實驗、綜合材料制備實驗、高等植物培養(yǎng)實驗、伽瑪暴偏振探測等；對地觀測及地球科學(xué)研究項目包括寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀；應(yīng)用新技術(shù)試驗項目包括空地量子密鑰分配試驗、伴隨衛(wèi)星飛行試驗等。
“這些應(yīng)用任務(wù)共10余項，直接承研單位28家，裝器有效載荷51件。”趙光恒表示，通過實施這些任務(wù)，期望在空間科學(xué)前沿探索部分重點領(lǐng)域方向進(jìn)入世界先進(jìn)行列，作出具有國際影響的重要發(fā)現(xiàn)；在空間應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，突破并掌握一些核心關(guān)鍵技術(shù)，為解決國家迫切需求的重大應(yīng)用問題提供和驗證先進(jìn)的解決方法和手段。
航天員將直接參與“種菜”實驗
天宮二號將與擬于10月中下旬發(fā)射的神舟十一號載人飛船對接。航天員將進(jìn)入天宮二號，參與操作高等植物培養(yǎng)實驗和綜合材料制備實驗。
人類未來要星際旅行、移民外星球，首要任務(wù)是解決食物自給、氧氣和循環(huán)水等問題。高等植物培養(yǎng)實驗就是要研究地球上的植物是否可以克服太空微重力等極端環(huán)境影響，在太空環(huán)境中正常生長。
高等植物擬南芥和水稻將隨天宮二號進(jìn)入太空，科學(xué)家將研究植物種子在太空中萌發(fā)、生長、開花、結(jié)籽的全過程，從而了解和掌握未來太空農(nóng)業(yè)發(fā)展的可能。航天員將回收部分植物樣品供地面進(jìn)一步分析研究。
綜合材料制備實驗選用多種新型結(jié)構(gòu)與類型的材料樣品進(jìn)行研究，如新型納米復(fù)合光學(xué)材料、高性能熱電轉(zhuǎn)換材料、多元復(fù)相合金等?？茖W(xué)家們將揭示這些材料在地面重力環(huán)境下難以獲知的物理和化學(xué)規(guī)律和性質(zhì)。
值得一提的是，研究人員歷經(jīng)三年多研制的綜合材料實驗裝置，由“材料實驗爐”（簡稱“爐子”）、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構(gòu)成。整個裝置共約27.6kg重，只用了電水壺功耗的1/9至1/5（不到200W），卻能實現(xiàn)真空環(huán)境下最高950攝氏度的爐膛溫度。航天員將對材料實驗爐進(jìn)行開蓋換樣操作，這將是我國首次實現(xiàn)空間材料實驗的航天員在軌操作。
“天極”望遠(yuǎn)鏡：唯一的國際合作項目
“天極”望遠(yuǎn)鏡的全稱是“天極”伽瑪暴偏振探測儀，由中科院高能物理研究所牽頭，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士保羅謝爾研究所、波蘭核物理研究所等參與，是天宮二號上唯一的國際合作項目。
伽瑪暴是宇宙伽瑪射線暴的簡稱，它的起源及相應(yīng)的物理過程一直是天文學(xué)最前沿課題之一。這十幾年來，人們對伽瑪暴的研究取得了長足進(jìn)步，但有關(guān)伽瑪暴的一些基本問題還是沒有得到很好解決。
作為國際上最靈敏的伽瑪暴偏振探測儀，“天極”的探測效率比國際同類儀器高幾十倍，它預(yù)期運行兩年，可以探測到大約100個伽瑪射線暴，為更好地理解宇宙中極端天體物理環(huán)境下最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象的產(chǎn)生機制作出重要貢獻(xiàn)。
空間物理學(xué)：有望取得重大突破
天宮二號搭載了多項空間物理實驗，如空間冷原子鐘實驗、空地量子密鑰分配試驗等，均屬國際科學(xué)前沿，科學(xué)意義重大。
冷原子鐘是一種高精度的計時裝置?？茖W(xué)家們將激光冷卻原子技術(shù)與空間微重力環(huán)境相結(jié)合研發(fā)成功的空間冷原子鐘，將成為國際上第一臺空間運行的冷原子鐘，可以使飛行器自主守時精度提高兩個量級。該實驗在原子物理研究方面具有重大意義，在國防安全、高精度星鐘等方面具有廣泛應(yīng)用價值。
量子密鑰分配試驗將在基于載人航天空間平臺上實現(xiàn)天－地量子密鑰傳輸試驗，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)天地激光通信。該實驗將為未來建立不可破譯的信息安全系統(tǒng)、在國際上率先建立實用化的保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。
對地觀測儀器：全方位“感知”地球
我國載人航天的歷次巡天任務(wù)都少不了在浩瀚的宇宙中從各個方位“感知”地球。天宮二號也搭載了多個新一代對地觀測遙感器和地球科學(xué)研究儀器。
如寬波段成像光譜儀、三維成像微波高度計、紫外臨邊成像光譜儀等，突破了系列關(guān)鍵技術(shù)，在資源環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)林應(yīng)用、海洋環(huán)境、大氣污染和大氣成分監(jiān)測以及全球變化研究等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
伴隨衛(wèi)星：天宮二號的守護者
天宮二號飛行期間還將在軌釋放一顆伴隨衛(wèi)星。伴隨衛(wèi)星飛行試驗將進(jìn)一步驗證小型高功能密度衛(wèi)星、在軌釋放、駐留伴隨飛行等技術(shù)，并為未來新型航天器編隊飛行技術(shù)奠定基礎(chǔ)。
這顆伴隨衛(wèi)星搭載了高分辨率全畫幅可見光相機，將在空間繞飛試驗過程中對天宮二號與神舟十一號組合體進(jìn)行高分辨率成像，堪稱天宮二號和神舟飛船的“自拍神器”。
空間環(huán)境監(jiān)測：為天宮二號保駕護航
航天員和航天器進(jìn)入太空面臨著外層空間環(huán)境的影響。在太空中，能量很高的帶電粒子輻射可能導(dǎo)致航天器材料性能下降或損壞，也可能破壞航天員的器官組織，嚴(yán)重時甚至有生命危險。另外大氣環(huán)境也會對運行其中的航天器產(chǎn)生影響。
天宮二號空間環(huán)境分系統(tǒng)由帶電粒子輻射探測器、軌道大氣環(huán)境探測器和空間環(huán)境控制單元3臺儀器組成。它們將實時監(jiān)測天宮二號軌道上的輻射環(huán)境和大氣環(huán)境，實現(xiàn)艙外16個方向的電子、質(zhì)子等帶電粒子的強度和能譜監(jiān)測，以及軌道大氣密度、成分及其時空變化與空間環(huán)境污染效應(yīng)監(jiān)測等。
