2016年天宫二号

最详细的中国天宫二号空间实验室全面科普介绍继“长征七号”首飞之后，中国载人航天工程空间实验室阶段任务迎来第二次飞行，之后“天宫二号”空间实验室将开展在轨测试并建立自主运行模式，做好迎接“神舟十一号”载人飞船访问的准备。

中国天宫二号空间实验室于2016年9月15日22时04分发射实现箭体分离，并展开太阳能电池板，成功进入预定轨道；其意义不亚于嫦娥奔月，是载人航天太空实验室前进中的关键一步。

值得一提的是，用于发射载人航天器的长征二号F火箭享有“神箭”的美誉，10次神舟飞船和1次“天宫一号”飞行器，在11次的发射任务中，“神箭”保持着100%的成功率。

此次进场的长征二号F T2火箭与长征二号F T1火箭，长征二号F遥十一火箭与长征二号F 遥十火箭技术状态基本一致，主要在安全性与可靠性方面，做了部分技术状态更改。

长征二号F运载火箭为捆绑式二级液体运载火箭，芯级直径3.35米，捆绑4枚助推器，助推器直径2.25米，它采用了垂直总装垂直测试和垂直转运的三垂模式，这种模式可以保证火箭测试和发射都在火箭竖直的状态下进行。

虽然有着相同的外形，但“天宫二号”绝非“天宫一号”的简单升级版本，它将实现更多“第一次”。

据悉，“天宫二号”是中国第一个具备太空补加任务的空间实验室，要第一次实现航天员30天驻留、第一次试验推进剂太空补加技术等重要的科学实验。

中国载人航天工程办公室副主任武平14日介绍，“天宫二号”与“天宫一号”的使命任务有所不同。

相比而言，“天宫一号”目标飞行器，主要是配合神舟飞船完成交会对接试验。

“天宫二号”是真正意义上的太空实验室。

相比“天宫一号”，“天宫二号”不仅装备更豪华、装载量提高、内部环境更好，搭载的设备也更先进。

“天宫二号”上搭载了全新配套的空间应用系统的科学设备，无论是数量还是安装复杂程度，都创造了历次载人航天器任务之最。

例如，它首次搭建了液体回路验证系统，将验证空间站维修技术；首次搭载了机械臂操作终端试验器，将第一次开展中国人机协同太空在轨维修试验，为以后空间站任务提供技术储备。

“天宫二号”的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域也属于首次。

此外，从距离地球393公里的高空发来“邮件”也将在“天宫二号”上得以实现。

北京航天飞行控制中心副主任李剑曾介绍，“天宫一号”目标飞行器仅有电子邮件“上行功能”，而“天宫二号”空间实验室在此基础上增加“下行功能”。

也就是说，航天员可以在“天宫二号”舱内收发邮件，假如他们有了任何心得体会，或者想跟亲人分享些什么，可以随时发一封邮件下来，家属就能看到‘来信’，这样既方便又人性化。

分类介绍：在太空后开展十余项科学实验“天宫二号”被称作是目前中国载人飞行时间最长的航天器，它的主要任务自然备受关注，航天科技集团五院“天宫二号”空间实验室总设计师朱枞鹏接受采访时曾表示，“它完成的任务主要是中期驻留。

第一个：航天员从神舟十一号飞船交会对接，然后在天宫二号工作和生活30天。

第二个：就是要跟明年的货运飞船对接，进行推进剂在轨补加。

第三个：就是为今后空间站开展一些技术实验，包括维修性的一些相关实验。

”“天宫二号”任务中有一项非常重要的工作，就是要开展大规模的空间科学和应用试验，这也标志着中国载人航天进入应用发展新阶段。

“天宫二号”上要进行的各类实验达到14项，数量之多史无前例，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等多个领域，比如“空—地量子密钥分配与激光通信试验”和“伽马暴偏振探测”项目等，其中，有两项需要航天员直接参与操作。

有一项是国际合作联合研究的项目。

在“天宫二号”空间实验室将要开展的十多项世界最前沿的实验当中，包括了空间科学核物理领域的重点项目——空间冷原子钟实验，它将有望实现三千万年误差一秒的超高精度，对于卫星定位、导航等生产生活以及引力波探测等空间科学研究都将产生重大影响。

“神舟十一号”飞船将进入太空与其实现对接在“天宫二号”空间实验室发射之后，按计划，10月中旬“神舟十一号”飞船将搭载两名航天员进入太空，与“天宫二号”进行空间交会对接，形成组合体飞行30天。

据公开资料显示，“神舟十一号”任务航天员乘组由2名男航天员组成，正在进行任务强化训练，目前，发射场设施设备状态良好，各项准备工作正按计划有序进行。

“神舟十一号”载人飞船的主要任务是，为“天宫二号”在轨运营提供人员和物资天地往返运输服务，进一步考核载人天地往返运输系统的功能和性能，特别是空间站运行轨道的交会对接技术；与“天宫二号”空间实验室对接后完成航天员中期驻留试验，考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力，以及航天员执行飞行任务的能力。

武平介绍说，“天宫二号”与“神舟十一号”载人飞船飞行任务，有着鲜明的自身特点和亮点，可以说是“飞得更高、试验更多、时间更长”。

“这是中国持续时间最长的一次载人飞行任务”，武平指出，“神舟十一号”任务是中国第6次载人航天飞行任务，航天员将乘坐“神舟十一号”飞船与“天宫二号”对接后，在“天宫二号”上生活工作30天，加上飞船独立飞行的3天，总飞行时间将从“神舟十号”任务的15天增加到这次任务的33天，这将是中国目前为止持续时间最长的一次载人飞行任务。

天宫二号技术特点：一、量子密钥分配防止他人获取信息：“天宫二号”空间实验室安排了地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务，这些实验有的是在探索宇宙最深处的奥秘，有的是帮助人们更好的认识海洋和大气，有的甚至是在解决将来星际旅行时食物的问题…1984年，物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议，从根本上保证了密钥的安全性。

BB84量子密钥分配协议示意图随后经过多年的实验和技术改进，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已经逐渐完成了实用化，并形成了一定的产业规模。

在地面光纤网络建设上，世界第一条量子保密通信主干线路“京沪干线”即将建成，这将大幅提高我国在军事国防、银行、金融系统的信息安全。

为了更远距离的量子保密通信，我们除了继续建设地面光纤网络以外，还需要借助天上的多个飞行器，实现覆盖光纤无法到达区域的量子密钥分配。

天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标，通过天上发射一个个单光子并在地面接收，生成“天机不可泄露”的量子密钥。

天宫二号的轨道飞行高度大约为400多公里，飞行速度约每秒钟8公里，地面站的接收口径约一米。

用来生成量子密钥的光子需要精准地打在地面站的望远镜上（编者注：就在十多天前，我国发射的第一颗量子实验通讯卫星——“墨子”号实现了第一次天地对话，戳这里了解：量子卫星与地面光学站天地对话）。

这精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上，把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里，难度可想而知。

如果把光子比作硬币，那么光子的偏振方向就好比硬币的偏转角度。

量子密钥的安全性就来自这些偏转角度。

BB84协议就好比一共选取“↑”、“→”、“↗”、“↘”四个偏转角度，并且都对应好二进制编码。

密钥分配时，发射端和接收端都随机用“+”和“×”两种洞来让硬币通过。

BB84量子密钥分配协议扔一个硬币，双方就通过电话对比一下选的洞，留下洞一样时扔的硬币结果，就生成了二进制量子密钥。

如果中间有人窃听，窃听者只能随机的选择“+”和“×”两种洞。

测过硬币角度后，如果他不想被发现，需要把硬币再扔给接收方。

但是这个硬币已经被他测过了，会有一半的概率改变了角度。

此时，接收方再测，最后就会发现硬币的测量结果和发送方有1/4的概率不同，就可以马上知道有窃听者的存在了。

于是，发送方和接收方停止密钥分发，换个地方重新来，直到确认没有窃听为止。

因此，只要是成功分配的量子密钥，就一定是没有被窃听过的安全密钥，即“天知地知你知我知”的密钥，从而成功做到无法泄漏的天机。

二、捕捉伽玛射线暴的“天极”望远镜：“天极”望远镜的全称是“天极”伽玛暴偏振探测仪（英文名POLAR），是专门用于测量伽玛暴偏振（如果您还不知道在说啥，请复习上述基础知识）的高灵敏度探测器，是“天宫二号”空间实验室（TG-2）搭载的所有实验中唯一的国际合作项目。

“天极”望远镜2013年8月完成初样的研制，转入正样研制。

2015年完成正样研制，2016年9月中旬随“天宫二号”空间实验室发射升空。

“天极”望远镜的组成“天极”望远镜由偏振探测器（OBOX）和电控箱（IBOX）两个单机组成。

其中偏振探测器又由低压供电电路、高压供电电路、中心触发电路和探测单体组成，电控箱又由低压模块和主控单元模块组成。

“天极”望远镜的偏振探测器将安装于“天宫二号”空间实验室的舱外，背对地球指向天空，可以有效地捕捉到伽玛暴爆发过程中产生的伽玛光子，并测量它们的偏振性质。

电控箱将安装于“天宫二号”空间实验室的舱内，主要负责为偏振探测器提供低压电源、控制数据传输以及和卫星平台应用系统之间进行通讯等。

“天极”望远镜的设计原理图。

左：偏振探测器；右：电控箱“天极”望远镜的实物图。

左：偏振探测器；右：电控箱我们知道，人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。

比如蜜蜂有五只眼：三只单眼、两只复眼，每只复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏振光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂无论外出采蜜还是回巢，都不会迷路。

左：昆虫的复眼（图片来自网络）；右：“天极”望远镜的探测器为了测量伽玛射线的偏振，“天极”望远镜采用1600根塑料闪烁棒（可不是普通的塑料哦，伽玛射线在该材料中可诱发荧光）组成一个探测器阵列（是不是很像小蜜蜂的复眼？），通过测量每个伽玛射线光子同时作用的多根塑料闪烁棒的位置分布获取偏振信息。

虽然“天极”望远镜跟小蜜蜂测量偏振的原理并不相同，但二者在“眼睛”的构造上却有异曲同工之妙！此外，由于伽玛暴是不可预测的随机发生的天文事件，为了最大限度地捕捉伽玛暴，“天极”望远镜将在允许的情况下尽量多地开机运行，犹如辛勤的小蜜蜂，不知疲倦地寻找宇宙中最壮丽的恒星“生命之花”。

伽玛暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。

它涉及宇宙学尺度上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次——恒星、星系以及宇宙学联系起来。

虽然这十几年来人们对伽玛暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。

对伽玛暴伽玛射线偏振的研究可以为许多伽玛暴问题提供新的线索。

虽然对伽玛暴伽玛射线偏振的测量具有十分重要的意义，但是由于仪器能力的限制，目前国际上的观测结果还非常少，而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。