欧华导航:3大领域8个主题 天宫二号上牛逼实验多



商悦传媒   2016-09-16

导读: 在“天宫二号”装载的设备中,有很多是用来开展空间科学实验或者验证一些应用新技术的,这些设备一起被称作空间应用有效载荷。“天宫二号”上要进行的各类实验有10余项之多,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。内容涉及微重力流体物理、空间材料科学

在“天宫二号”装载的设备中,有很多是用来开展空间科学实验或者验证一些应用新技术的,这些设备一起被称作空间应用有效载荷。

“天宫二号”上要进行的各类实验有10余项之多,是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。内容涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。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。

空间应用系统在“天宫二号”空间实验室上规划安排了3大领域8个主题共10余项空间科学和应用任务,涉及微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用和应用新技术试验。

记者独家对话天宫二号副总设计师吕从民、钟红恩博士,请两位科学家来揭秘其中几项高端、有趣又和人类紧密相关的实验。

全球第一台上天的冷原子钟

从古老的日晷、水钟、沙漏等原始计时装置,到工业革命后期出现的机械摆钟、石英表,再到现代科技利用原子超精细结构发明的原子钟……在文明进步和科学技术发展的历史长河中,人类活动所带来的社会需求与时间测量的精度是密不可分的。

地球上最准的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差。

空间冷原子钟

吕从民表示,这样的误差,对日常生活是没有影响。但事实上,当计时器的误差超过千分之一秒/天时,人们现在每天赖以生存的电子通信网络、高速交通管理、金融系统安全、电网并网发电等日常活动就都将陷入混乱;当误差超过十亿分之一秒/天时,卫星导航定位、船只远海航行、导弹精密打击等高精准度行为就会不同程度地偏离目标,而诸如开展深空探测、引力波探测、精细结构常数测量、广义相对论验证等等对时间精度要求达到极致的科学研究活动就更不要提了。

“原子钟是科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点,发展出的比晶体钟更高精度的计时装置。自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,20世纪末达到了10-14量级,即误差约为百亿分之一秒/天。”吕从民说。

空间冷原子钟的应用前景示意图

“在此基础上建立的全球定位导航系统(例如美国GPS、中国的北斗),覆盖了地球98%的表面,将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。”

但是在地面上,由于受到重力的作用,自由运动的原子团始终处于变速状态,宏观上只能做类似喷泉的运动或者是抛物线运动,这使得基于原子量子态精密测量的原子钟在时间和空间两个维度受到一定的限制。而在空间微重力环境下,原子团可以做超慢速匀速直线运动,基于对这种运动的精细测量可以获得较地面上更加精密的原子谱线信息,从而可以获得更高精度的原子钟信号,空间冷原子钟将成为目前空间最高精度的原子钟。

中科院上海光机所的科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合,研制的“空间冷原子钟”实验样机搭载天宫二号发射升空,它将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”

空间冷原子钟应用于全球导航空位系统示意图

空间冷原子钟实验采用激光冷却铷原子并与微波相互作用,实现频率日稳定度10-16量级的国际领先水平——相当于上亿年误差1秒。

这样的精度可使飞行器自主守时精度在目前的基础上再提高两个量级。具有冷原子物理基础研究的重大意义,在国防安全、高精度星钟等方面具有广泛的应用价值。

钟红恩介绍,中国的空间原子钟有80公斤左右,长、宽、高分别是1米、0.5米、0.5米,是非常小型的一台冷原子钟,集成度相当高。

由于空间冷原子钟可以在太空中对其它卫星上的星载原子钟进行无干扰的时间信号传递和校准,从而避免大气和电离层多变状态的影响,使得基于空间冷原子钟授时的全球卫星导航系统具有更加精确和稳定的运行能力。

全球首次天地传输量子密钥

从字母到阴阳符,从摩斯密码到二进制密钥,再到基于量子力学测量原理的量子密钥分配……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。

为了更远距离的量子保密通信,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”设备

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。

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。

钟红恩解释,光量子的物理特性,决定了这种传输方式的绝对安全。

天地量子秘钥传输示意图

“单光子不可被分割、测量。”钟红恩假设,“如果在天上光子打向地面的过程中,被劫了,那么地面上就一定无法再接收到这粒光量子了,这会让接收方及时警惕:情报已被窃取。”

“同时,量子态不可复制。”

处于量子态的粒子,一旦被复制,原来的粒子也就毁了。这保证了信息不可被窃听。

“量子通信方式,从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,可从根本上、永久性解决信息安全问题。”

所以这只是“一把”很酷的钥匙:你知我知、天知地知的秘密钥匙。

首个植物生长全周期实验

电影《火星救援》,主人公孤身一人克服重重困难,通过在火星基地种植土豆的方法补给自身,从而实现重回地球。

在现实中,加强太空环境中植物生长发育研究,突破空间生命生态保障系统的技术瓶颈,构建人类地外长期生存的新天地,人类跨越天疆的梦想一定会在不远的将来成为现实。

我国在航天和空间领域的发展,为空间生命科学研究提供了前所未有的机会。如何建立以绿色高等植物为基础的空间密闭生态循环系统,为航天员长期的空间生活提供补给?这是一个浩大的综合工程。

拟南芥。它又名鼠耳芥、阿拉伯芥,拉丁文名为Arabidopsis thaliala (L.) Heynh,为十字花科植物,具有生育期短、植株个体小及在高等植物中具有最少基因组物种等特点,长期以来作为分子生物学和传统遗传学研究的模式实验材料,所以素来有“植物界的果蝇”之称。

吕从民介绍说:“为了探索太空闭环生态系统技术,天宫二号将进行一项“从种子到种子”的植物全生育发展过程实验,探索太空种粮食的可能性。”

天宫二号中的实验,根据地球上高等植物受光周期诱导的两种典型的反应途径(长日和短日诱导开花途径),以及关键的开花基因的作用机理,选择了长日照植物拟南芥和短日照植物水稻为研究对象。

天宫二号上高等植物培养箱,分为在轨单元和返回单元,在轨单元可提供两个拟南芥培养单元和两个水稻培养单元,分别为一个长日照和一个短日照培养条件,返回单元用于培养拟南芥。

通过实时成像技术,观察微重力条件下拟南芥和水稻从种子萌发、幼苗生长和开花发育全过程。同时,特别构建了绿色荧光蛋白标记开花基因的拟南芥植株,将通过实时荧光图像技术,在分子水平检测开花基因在微重力情况下的表达动态。

这些研究为解析微重力条件下高等植物形态建成,以及从种子萌发、营养生长向生殖生长转变过程的调控机理提供新的知识,对植物栽培和品种选育等都具有重要意义。

同时,本次试验研究过程中部分拟南芥样品将由航天员参与回收,用于后续分析,为我们了解空间微重力条件下高等植物种子发育与营养贮藏提供第一手材料。

天宫二号上的实验

空间科学研究与空间探测领域:空间冷原子钟实验、液桥热毛细对流实验、综合材料制备实验、高等植物培养实验、伽玛暴偏振探测。

对地观测及地球科学研究领域:宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪。

应用新技术试验领域:量子密钥分配试验、伴随卫星飞行试验。


文章标签: 天宫二号 欧华导航


免责声明: 本网所展示的资讯由企业会员转载或媒体会员自行提供,内容的真实性、准确性和合法性由发布方全权负责, 本网对此不承担任何责任。涉及文章侵权问题请联系本网协助删除。投诉/合作QQ:1391144722