天宮二號空間實驗室是在天宮一號目標(biāo)飛行器備份產(chǎn)品的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成，全長10.4米，最大直徑3.35米，太陽翼展寬約18.4米，重8.6噸，采用實驗艙和資源艙兩艙構(gòu)型，設(shè)計在軌壽命不小于2年，主要任務(wù)是接受載人飛船和貨運飛船訪問，開展空間科學(xué)實驗和相關(guān)技術(shù)試驗，驗證空間站建造和運營相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

    按計劃，天宮二號空間實驗室發(fā)射升空后，將開展平臺和空間應(yīng)用載荷測試，并于神舟十一號飛船發(fā)射前，做好與神舟十一號飛船交會對接的準(zhǔn)備。因為天宮二號只有一個交會對接口，必須等神舟十一號載人飛船撤離太空后，在明年才會與天舟一號貨運飛船交會對接。天宮二號任務(wù)密度較大，將進(jìn)行在軌維修和空間站技術(shù)驗證等試驗，這將是我國建設(shè)空間站之前進(jìn)行最后一次全面的技術(shù)驗證。

    天宮一號的主要目標(biāo)是驗證交會對接技術(shù)，而天宮二號則將開展較大規(guī)模的空間科學(xué)實驗和空間應(yīng)用試驗以及航天醫(yī)學(xué)實驗，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)。

    天宮二號原本是天宮一號目標(biāo)飛行器的備份產(chǎn)品。中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院天宮二號總設(shè)計師朱樅鵬表示，天宮一號成功發(fā)射后，這個備份產(chǎn)品并沒有被浪費掉，而是把它的設(shè)備用來做天宮二號。

    “因為備份產(chǎn)品在地面上存放已久，我們對設(shè)備和材料進(jìn)行了壽命試驗，更換了一些非金屬材料，對設(shè)備做了延長壽命的處理，確保天宮二號質(zhì)量的可靠性。”朱樅鵬說。

    中國載人航天工程辦公室副主任武平表示，早前發(fā)射的天宮一號已于2016年3月16日全面完成了其歷史使命。天宮一號預(yù)計2017年隕落，大部分結(jié)構(gòu)部件將在隕落過程中燒蝕銷毀，對航空活動以及地面造成危害的概率很低，可能性極小。天宮二號在軌任務(wù)末期，將受控離軌，隕落至太平洋海域，不會成為太空垃圾。

    中國載人航天的“三步走”戰(zhàn)略現(xiàn)正處于第二步第二階段。天宮一號發(fā)射成功，中國載人航天進(jìn)入了空間實驗室階段；天宮二號的發(fā)射成功，標(biāo)志著我國即將邁入空間站時代。空間站建設(shè)是我國載人航天工程戰(zhàn)略的第三步，計劃于2020年左右建成，2022年全面運行。

    空間站是多艙段的飛行器，每艙段的重量可達(dá)20噸，有多個交會對接口，能實現(xiàn)多飛行器同時對接，所以未來空間站的“塊頭”將比天宮二號大很多，將長期在軌運行十幾年，航天員在空間站駐留可能達(dá)到一年以上。空間站建設(shè)涉及航天員長期駐留、微重力環(huán)境下艙內(nèi)外設(shè)備維修、推進(jìn)劑補(bǔ)充加注等一系列關(guān)鍵技術(shù)支持，需要通過先期試驗來掌握。

    天宮二號將在太空完成哪些實驗？

    天宮二號是我國首個真正意義上的空間實驗室，將完成14項空間科學(xué)和應(yīng)用任務(wù)，是載人航天歷次任務(wù)中應(yīng)用項目最多的一次。

    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。

    航天員親身參與兩項實驗

    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。

    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。科學(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，只用了電水壺功耗的1/9至1/5，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)鏡是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(jī)制作出重要貢獻(xiàn)。

    搭載國際第一臺空間運行的冷原子鐘

    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。科學(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)。

    伴隨衛(wèi)星成天宮二號“自拍神器”

    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。

    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(jī)，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)境分系統(tǒng)將實時監(jiān)測輻射環(huán)境

    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(qiáng)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。

    天宮二號為航天員配單車和跑步機(jī)

    天宮二號是我國首個具備補(bǔ)加功能的載人航天科學(xué)實驗空間實驗室，首次實現(xiàn)航天員30天中期駐留、首次應(yīng)用推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)、提前驗證空間站技術(shù)，并開展大量載荷科學(xué)和應(yīng)用試驗。為了使航天員在30天駐留期間生活和工作得舒適愜意，這個約16-18立方米的“大開間”有哪些奧妙之處呢？北京青年報記者走進(jìn)了中國航天科技集團(tuán)公司，一探“大開間”的奧妙。

    配有一個裝有靈巧手的機(jī)械臂

    天宮二號是一個外部真空、內(nèi)部有一個大氣壓的結(jié)構(gòu)。評價安全性的重要指標(biāo)，是漏氣量要非常小。天宮二號是金屬結(jié)構(gòu)，但由于功能需要還有觀察舷窗、開關(guān)艙門等，這些都是容易漏氣的環(huán)節(jié)。航天五院的設(shè)計師根據(jù)各種結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了多種密封結(jié)構(gòu)，其中最為關(guān)鍵的就是密封圈。一般密封圈都存在老化問題，何況太空中溫度變化更加激烈。設(shè)計人員從密封圈的配方、結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計等多方面下手，又通過大量實驗，終于取得了成功。

    在兩名航天員進(jìn)入天宮二號后，將全方位對他們進(jìn)行監(jiān)測，對航天員的各類行為進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這些數(shù)據(jù)，將應(yīng)用于今后航天員在太空中長期駐留相關(guān)項目的研制和改進(jìn)。在天宮二號中，有一個裝有靈巧手的機(jī)械臂，它可以按照指令做旋轉(zhuǎn)螺絲、拆卸設(shè)備等動作，開展維修技術(shù)試驗。技術(shù)成熟后，它可代替航天員檢修艙外設(shè)備，從而大大降低維修的風(fēng)險和成本。

    此外，推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)是天宮二號的重要試驗之一，這也是空間站長期飛行必須掌握的重要技術(shù)。如果這次試驗成功，我國將成為繼俄羅斯之后，第二個掌握在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加核心技術(shù)的國家。

    床頭藍(lán)牙音響可接收緊急呼叫

    為了讓航天員在太空中有盡量大的活動空間，天宮二號結(jié)構(gòu)尺寸基本按運載火箭可容許的最大包絡(luò)做設(shè)計。但這給工程人員帶來巨大的挑戰(zhàn)，因為“大開間”在滿足舒適的同時，必須非常輕并且特別結(jié)實。工程人員經(jīng)過反復(fù)計算，研制出了這個直徑3米多的薄壁“大家伙”。此外，噪音也是航天員舒適生活的一大影響因素。為最大限度地減噪，設(shè)計人員在天宮二號里制定出嚴(yán)格的生活區(qū)和儀器區(qū)噪聲控制指標(biāo)，以最大限度地把噪聲控制在最小范圍之內(nèi)。

    “我們有意識地把地板和天花板用顏色進(jìn)行了區(qū)別，墻壁也采用了非常柔和的米白色。為了防止碰撞，天宮一號的地板和墻壁非常柔軟，但航天員從太空回來后，提出還是硬質(zhì)墻壁和地板好，所以在天宮二號中我們進(jìn)行了改變，實驗艙內(nèi)采用了硬材質(zhì)。”中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院天宮二號總設(shè)計師朱樅鵬表示。

    在內(nèi)部設(shè)施方面，天宮二號配備了多功能工作臺，不用時可以折疊，打開后則可以在上面進(jìn)行電腦操作、閱讀、進(jìn)餐等。對通風(fēng)口也進(jìn)行了改造，降低了噪音。在睡眠區(qū)，燈光可以調(diào)節(jié)，廣播也可以關(guān)閉，航天員可以攜帶一些個人物品，如家人的照片等。床頭有一個藍(lán)牙音響，可以接收地面?zhèn)鬏數(shù)木o急呼叫，而航天員的頭戴式耳機(jī)也改成了無線的。

    天宮二號內(nèi)部還加入了很多特色元素，包括中國載人航天工程的標(biāo)志、航天科技集團(tuán)公司的標(biāo)志，另外為紀(jì)念中國航天事業(yè)創(chuàng)建60周年，艙內(nèi)還會有專門設(shè)計的符號。

    為航天員配備筆記本電腦、平板電腦

    天宮一號太空授課的情景讓很多人印象深刻，這歸功于航天人研制的測控與通信子系統(tǒng)中的圖像、話音設(shè)備。它們?yōu)樯裰凼惶栵w船、天宮二號空間實驗室裝上了眼睛和耳朵。天宮二號裝備的艙內(nèi)和艙外攝像機(jī)，使我們能看到航天器內(nèi)外的實時影像；雙向圖像編解碼設(shè)備在保證圖像質(zhì)量的前提下大大節(jié)約了天地通信帶寬；采用高保真編碼體制的話音設(shè)備能夠與航天員進(jìn)行實時通話，就算播放高質(zhì)量的音樂也不在話下，讓地面人員能在幾百公里之外監(jiān)測天宮二號和神舟十一號的一舉一動。

    “考慮到航天員要在天宮二號進(jìn)行中期駐留，我們?yōu)楹教靻T配備了筆記本電腦、平板電腦，航天員不僅可以工作，還可以進(jìn)行娛樂、閱讀；同時，航天員在太空可以收看電視節(jié)目，與家人進(jìn)行短信交流。”朱樅鵬說。

    體能鍛煉方面，為航天員配備了健身單車、跑步機(jī)。當(dāng)然，跑步機(jī)是特制的，需要用兩根橡皮帶從機(jī)器上綁住肩膀才能進(jìn)行跑步。在飲食方面，最大程度地考慮到每名航天員的個人偏好，特制了一批太空食品。個人衛(wèi)生方面，準(zhǔn)備了特制的濕巾和刮胡刀，對集便袋進(jìn)行了改進(jìn)，使其氣壓低于艙內(nèi)，防止氣味擴(kuò)散。