天宮二號“兩周歲”碩果纍纍 “上海製造”浩渺太空顯神威

　　兩年前的中秋，伴隨著震耳欲聾的轟鳴，我國第一個空間實驗室天宮二號在長征二號FT2運載火箭的托舉下，在月圓之夜按時赴約，直赴蒼穹。在太空過了“兩周歲”生日的天宮二號目前正運行在平均軌道高度約400公里的近圓軌道，各項功能正常，狀態穩定。為進一步發揮空間應用效益，天宮二號空間實驗室運營管理委員會日前研究決定，天宮二號在軌飛行至2019年7月，之後受控離軌。

　　天宮二號的巡天之旅，肩負著為更好地觀測和認識地球提供絕佳視角的重要使命，它搭載的尖端設備能讓太空活動看得明、辨得清。這其中，凝聚著眾多上海科研人的心血。日前在京舉行的載人航天工程應用成果情況介紹會上，科研人員帶領我們走近這些“小身材大能量”的前沿科技成果。

圖説：高性能航天“數碼相機”，學名叫“多角度寬波段成像儀” 虞慧嫻 攝

　　“數碼相機”感知地球

　　天宮二號對地觀測面的“肚子”上，有一台由中國科學院上海技術物理研究所自主研製的高性能航天“數碼相機”。這臺新型地球觀測儀器的學名叫“多角度寬波段成像儀”，主要任務是觀測大氣、海洋和陸地，它由8台分4層結構精心設計的小相機組成，這些相機拼接組合在一起，能夠同時獲取目標的可見近紅外、短波紅外和熱紅外波段的光譜圖像和多角度偏振信息，在環境與災害預測、資源調查、農林普查和氣象預報等方面發揮著重要作用。

　　這臺航天“數碼相機”本領可不小。它採用了新型多光譜與偏振複合成像技術，探測性能更加出色，1秒鐘可成像30幅。它具有信噪比高的特點，地面解析度達到100米，所看到的地表景物細節更加精細，是當前國際上解析度最高的航天探測儀器。它也在國內率先實現了多角度光學偏振遙感技術新體制，填補了我國天基多角度光學偏振成像的空白。

　　中科院上海技物所的科研團隊用了8年的智慧和心血造就了這臺高性能“數碼相機”。這家以盛産太空“定制”相機而聞名的研究所，先後為我國載人航天工程、氣象衛星、海洋衛星等研發了各种太空“千里眼”。

圖説：空間冷原子鐘 中科院上海光機所供圖

圖説：空間冷原子鐘功能結構與工作原理圖 中科院上海光機所供圖

　　　“定時神針”超高精度

　　兩個月前，天宮二號空間實驗室內搭載的世界首臺太空運行的冷原子鐘完成了全部既定在軌測試任務。在軌期間，冷原子鐘運行正常、狀態良好、性能穩定，成功驗證了在空間環境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性，實現了約3000萬年誤差1秒的超高精度，將目前人類在太空的時間計量精度提高1-2個數量級。要知道在此之前，在太空中運行的原子鐘都是熱原子鐘，精度最高對應300萬年誤差1秒。

圖説：空間冷原子鍾太空運行概覽圖 中科院上海光機所供圖

　　這臺由中國科學院上海光學精密機械研究所研製的“定時神針”，是國際上首臺在軌運行並開展科學實驗的空間冷原子鐘，也是目前在空間運行的最高精度原子鐘。

　　冷原子鐘是把原子某兩個能級之間的躍遷頻率作為參考頻率輸出信號的高精度時鐘，同時利用鐳射使原子溫度降至絕對零度附近，減少原子熱運動的影響，使原子能級躍遷頻率受到更小的外界干擾，從而實現更高精度。在微重力環境下運行高精度原子鐘則有著更重要意義，不僅可以在太空廣域範圍內對基本物理原理開展科學實驗，也可發展更高精度的導航定位系統。

　　從上世紀60年代開始，中科院上海光機所王育竹院士及其科研團隊就開始了原子鐘方面的研究。2010年，劉亮研究員領導的空間冷原子鐘團隊完成了空間冷原子鐘原理樣機的研製和地面科學試驗論證。2016年，經過近10年的艱苦努力，我國第一台空間冷原子鐘正樣産品研製成功，並“乘上”天宮二號飛往浩渺太空。

圖説：天宮二號與神舟十一號合體 來源/CCTV13截圖

　　“忠實夥伴”如影隨形

　　天宮一號是中國航天史上的“功臣”，但它與神舟係八號、九號、十號飛船的三次對接，都沒能留下合影。這樣的遺憾可不能出現在天宮家族其他成員身上，上天時，天宮二號自帶一顆伴隨衛星——它為天宮二號與神舟十一號組合體留下了寶貴的瞬間。

　　天宮二號伴隨衛星是一顆微納衛星，是天宮二號試驗任務的一部分。伴隨衛星採用了小型化、輕量化、功能密度的設計，使衛星結構小、重量輕，卻實現了高功能密度的設計結果。伴隨衛星搭載了多個試驗載荷，並具備較強的變軌能力和開展空間任務的靈活性與機動性。“伴星有多項應用成果達到國內外先進水準，包括伴星姿態導引及近距動目標跟瞄控制技術、輕小型相機高動態目標高分辨成像技術等。”微小衛星創新研究院伴隨衛星副總師包海超介紹。

　　別以為伴星只會“拍拍拍”，在軌期間，伴隨衛星開展了對空間組合體的伴飛、飛越觀測、紅外觀測以及多平臺空間協同等試驗，為主航天器的技術試驗提供支持。作為主航天器的安全輔助工具，伴星還對主航天器進行工作狀態監測、安全防衛。

　　2014年大年初二，伴星團隊就開始了伴星正樣聯合測試。從那以後，加班成了常態，有不少科研人連續6個月不著家。總體主任設計師吳會英連續咳嗽三個月不停、幼小的孩子也沒法照顧；軌控主任設計師吳宅蓮不顧牙齦腫痛，不做到完美就沒心思吃飯睡覺，她説，伴星是她第一次獨立承擔的重要任務，不允許出一丁點差錯！

　　“天機”當真不可洩露

　　自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術就伴隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用就是用來對傳輸的信息進行加密，防止他人獲取信息內容。天宮二號上的載荷“量子密鑰分配專項”就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標，通過天上發射一個個單光子並在地面接收，生成“天機不可洩露”的量子密鑰。該專項由中科院量子信息與量子科技創新研究院上海分部的多個研究團隊——中國科學技術大學潘建偉及彭承志等組成的研究團隊、中科院上海技術物理研究所王建宇研究團隊等共同承擔。

　　“要建立全球的量子保密網，必須由地面的光纖和天上的衛星組合起來。天宮二號上的試驗，一是為了驗證這一原理，其次也是為了以後做準備。”中科院院士、中科院上海分院院長王建宇表示，“在天宮二號中，我們任務就是研製小型化量子密鑰分配試驗終端，通過高精度自動跟蹤系統與地面終端配合，在地面站與飛行器之間建立了量子信道，並在此基礎上進行天地量子密鑰分配和鐳射業務數據傳輸。”

　　與“墨子”號不同，天宮二號上的載荷“量子密鑰分配”主要從小型化和實用化方面入手，並實現了世界首次小型化空間終端的量子密鑰分配實驗。“我們的目標是密鑰原始成碼率高於每秒100比特，誤碼率小于3.5%，這是檢測是否有人竊聽的關鍵指標。”

　　兩年多來的試驗結果令人欣喜。目前科研人員跟蹤的性能均優於1微弧度，而原本的計劃是3.5個微弧度。“精度越高，證明信道建立的效率越高。”王建宇表示，“打個形象的比方，就是從上海打出的一束鐳射，能準確打到北京指定的一扇窗戶上。”

　　儘管量子通信在我們眼中依舊神秘莫測，但由中國科學技術大學和中科院上海技物所聯手進行的天宮二號量子密鑰分發試驗，讓由量子通信構建的安全的信息世界開始在我們的眼中日漸清晰起來。