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天宫二号“两周岁”硕果累累 “上海制造”浩渺太空显神威

日期:2018-10-02 16:56:36编辑作者:申博开户网
两年前的中秋,伴随着震耳欲聋的轰鸣,我国第一个空间实验室天宫二号在长征二号FT2运载火箭的托举下,在月圆之夜按时赴约,直赴苍穹。在太空过了“两周岁”生日的天宫二号目前正运行在平均轨道高度约400公里的近圆轨道,各项功能正常,状态稳定。为进一步发挥空间应用效益,天宫二号空间实验室运营管理委员会日前研究决定,天宫二号在轨飞行至2019年7月,之后受控离轨。
 
  天宫二号的巡天之旅,肩负着为更好地观测和认识地球提供绝佳视角的重要使命,它搭载的尖端设备能让太空活动看得明、辨得清。这其中,凝聚着众多上海科研人的心血。日前在京举行的载人航天工程应用成果情况介绍会上,科研人员带领我们走近这些“小身材大能量”的前沿科技成果。
 
 
图说:高性能航天“数码相机”,学名叫“多角度宽波段成像仪” 虞慧娴 摄
 
  “数码相机”感知地球
 
  天宫二号对地观测面的“肚子”上,有一台由中国科学院上海技术物理研究所自主研制的高性能航天“数码相机”。这台新型地球观测仪器的学名叫“多角度宽波段成像仪”,主要任务是观测大气、海洋和陆地,它由8台分4层结构精心设计的小相机组成,这些相机拼接组合在一起,能够同时获取目标的可见近红外、短波红外和热红外波段的光谱图像和多角度偏振信息,在环境与灾害预测、资源调查、农林普查和气象预报等方面发挥着重要作用。
 
  这台航天“数码相机”本领可不小。它采用了新型多光谱与偏振复合成像技术,探测性能更加出色,1秒钟可成像30幅。它具有信噪比高的特点,地面分辨率达到100米,所看到的地表景物细节更加精细,是当前国际上分辨率最高的航天探测仪器。它也在国内率先实现了多角度光学偏振遥感技术新体制,填补了我国天基多角度光学偏振成像的空白。
 
  中科院上海技物所的科研团队用了8年的智慧和心血造就了这台高性能“数码相机”。这家以盛产太空“定制”相机而闻名的研究所,先后为我国载人航天工程、气象卫星、海洋卫星等研发了各种太空“千里眼”。
 
 
  图说:空间冷原子钟 中科院上海光机所供图
 
 
  图说:空间冷原子钟功能结构与工作原理图 中科院上海光机所供图
 
  “定时神针”超高精度
 
  两个月前,天宫二号空间实验室内搭载的世界首台太空运行的冷原子钟完成了全部既定在轨测试任务。在轨期间,冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定,成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性,实现了约3000万年误差1秒的超高精度,将目前人类在太空的时间计量精度提高1-2个数量级。要知道在此之前,在太空中运行的原子钟都是热原子钟,精度最高对应300万年误差1秒。
 
 
图说:空间冷原子钟太空运行概览图 中科院上海光机所供图
 
  这台由中国科学院上海光学精密机械研究所研制的“定时神针”,是国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行的最高精度原子钟。
 
  冷原子钟是把原子某两个能级之间的跃迁频率作为参考频率输出信号的高精度时钟,同时利用激光使原子温度降至绝对零度附近,减少原子热运动的影响,使原子能级跃迁频率受到更小的外界干扰,从而实现更高精度。在微重力环境下运行高精度原子钟则有着更重要意义,不仅可以在太空广域范围内对基本物理原理开展科学实验,也可发展更高精度的导航定位系统。
 
  从上世纪60年代开始,中科院上海光机所王育竹院士及其科研团队就开始了原子钟方面的研究。2010年,刘亮研究员领导的空间冷原子钟团队完成了空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学试验论证。2016年,经过近10年的艰苦努力,我国第一台空间冷原子钟正样产品研制成功,并“乘上”天宫二号飞往浩渺太空。
 
 
图说:天宫二号与神舟十一号合体 来源/CCTV13截图
 
  “忠实伙伴”如影随形
 
  天宫一号是中国航天史上的“功臣”,但它与神舟系八号、九号、十号飞船的三次对接,都没能留下合影。这样的遗憾可不能出现在天宫家族其他成员身上,上天时,天宫二号自带一颗伴随卫星——它为天宫二号与神舟十一号组合体留下了宝贵的瞬间。
 
  天宫二号伴随卫星是一颗微纳卫星,是天宫二号试验任务的一部分。伴随卫星采用了小型化、轻量化、功能密度的设计,使卫星结构小、重量轻,却实现了高功能密度的设计结果。伴随卫星搭载了多个试验载荷,并具备较强的变轨能力和开展空间任务的灵活性与机动性。“伴星有多项应用成果达到国内外先进水平,包括伴星姿态导引及近距动目标跟瞄控制技术、轻小型相机高动态目标高分辨成像技术等。”微小卫星创新研究院伴随卫星副总师包海超介绍。
 
  别以为伴星只会“拍拍拍”,在轨期间,伴随卫星开展了对空间组合体的伴飞、飞越观测、红外观测以及多平台空间协同等试验,为主航天器的技术试验提供支持。作为主航天器的安全辅助工具,伴星还对主航天器进行工作状态监测、安全防卫。
 
  2014年大年初二,伴星团队就开始了伴星正样联合测试。从那以后,加班成了常态,有不少科研人连续6个月不着家。总体主任设计师吴会英连续咳嗽三个月不停、幼小的孩子也没法照顾;轨控主任设计师吴宅莲不顾牙龈肿痛,不做到完美就没心思吃饭睡觉,她说,伴星是她第一次独立承担的重要任务,不允许出一丁点差错!
 
 
图说:2016年10月23日,天宫二号将进行世界首次密钥分发试验 来源/东方IC
 
  “天机”当真不可泄露
 
  自人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就伴随着人类对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用就是用来对传输的信息进行加密,防止他人获取信息内容。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。该专项由中科院量子信息与量子科技创新研究院上海分部的多个研究团队——中国科学技术大学潘建伟及彭承志等组成的研究团队、中科院上海技术物理研究所王建宇研究团队等共同承担。
 
  “要建立全球的量子保密网,必须由地面的光纤和天上的卫星组合起来。天宫二号上的试验,一是为了验证这一原理,其次也是为了以后做准备。”中科院院士、中科院上海分院院长王建宇表示,“在天宫二号中,我们任务就是研制小型化量子密钥分配试验终端,通过高精度自动跟踪系统与地面终端配合,在地面站与飞行器之间建立了量子信道,并在此基础上进行天地量子密钥分配和激光业务数据传输。”
 
  与“墨子”号不同,天宫二号上的载荷“量子密钥分配”主要从小型化和实用化方面入手,并实现了世界首次小型化空间终端的量子密钥分配实验。“我们的目标是密钥原始成码率高于每秒100比特,误码率小于3.5%,这是检测是否有人窃听的关键指标。”
 
  两年多来的试验结果令人欣喜。目前科研人员跟踪的性能均优于1微弧度,而原本的计划是3.5个微弧度。“精度越高,证明信道建立的效率越高。”王建宇表示,“打个形象的比方,就是从上海打出的一束激光,能准确打到北京指定的一扇窗户上。”
 
  尽管量子通信在我们眼中依旧神秘莫测,但由中国科学技术大学和中科院上海技物所联手进行的天宫二号量子密钥分发试验,让由量子通信构建的安全的信息世界开始在我们的眼中日渐清晰起来。

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