天宮二號配備10米長太空機械臂 測試量子通信

「難忘5年前和家人守在電視機前等待你升空那一刻的激動，難忘你和神舟八號、九號及十號的『天神之吻』。」……上周，中國載人航天工程辦公室宣布天宮一號目標飛行器正式終止數據服務，將墜入大氣層燒毀。不少網友這樣留言，動情揮別我國這個已在軌工作1630天的空間站「先驅」。

「功成身退」的天宮一號值得紀念，今夏接力「上崗」的天宮二號空間實驗室則將開創更多的「第一次」：乘載神舟十一號升空的兩名航天員要在這裡住30天，同時還會進行天地量子密鑰傳輸試驗、激光通信試驗等多項中國首創的空間科學實驗和技術試驗項目。與此相應，包括長征七號/五號火箭、天舟一號貨運飛船等也將在今年發射。

在此基礎上，中國將在2020年前後建成永久性空間站，並在2022年全面運行。有媒體此前發布消息稱，國際空間站將在2020年退役，屆時中國空間站可能將成為唯一一個在軌運行的太空空間站。當年國際空間站項目將中國拒之門外，如今中國卻表示：「我們歡迎國際合作。」

天宮二號有啥新設備

接過天宮一號的接力棒，天宮二號目前已經完成總裝，各系統正在緊張備戰，今年第三季度它將擇機發射。之所以說「接力」，一大原因是技術裝備的提升。

別看天宮二號和天宮一號長得差不多，「里子」變化卻很大。從中國航天科技集團此前發布的消息來看，天宮二號較大的改進是裝備更豪華、裝載量提高、內部環境更好。值得一提的是，天宮二號的系統設計是模塊化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域屬於首創。

其中一個新安裝的設備是機械臂，將測試開展艙外搬運和維修。這個機械臂由中國航天科技集團公司五院自主研發。這種設備目前在國際空間站上已經使用，但在我國航天領域仍處於試驗階段。

空間機械臂是什麼？中國航天科技集團公司五院總體部空間機械臂系統研究所副所長高升說，通俗解釋就是一種典型的空間機器人，同大家熟悉的工業機械臂(機器人)一樣，它能用於空間站在軌組裝、在軌維修、貨物搬運與轉移、輔助航天員出艙活動等，是空間站建設和運營的關鍵裝備。

為了研製這條臂展超10米的「手臂」，我國科學家突破了16項關鍵技術，首次採用自主爬行和雙臂組合操作的模式，以實現大範圍大負載操作以及局部精細化操作。

所謂「自主爬行」，我們可以理解成機械臂一種有趣的「走路方式」，它可以頭尾互換地爬到每一個角落。雖然太空沒有重力，但要在速度快、慣性大的太空里拿起一件東西也不是那麼簡單的；而且萬里之遙的機械臂全靠自己的判斷來選擇採取什麼姿式、用多少勁，這個度很難拿捏。這些都需要在天宮二號上測試。

除了測試裝備，天宮二號還將在明年上半年驗證與天舟一號貨運飛船的對接和資源補給技術，這也是世界範圍內的難題。而且，因為後續要建造長期在軌飛行的永久性空間站，推進劑會不斷消耗，天宮二號還必須要實驗突破補加技術。

天宮二號將做些啥實驗

雖然天宮一號、天宮二號都屬於空間實驗室，但後者更為正規，或者說天宮二號才是真正意義上的空間實驗室。

中國科學院空間應用工程與技術中心高級顧問、中國科學院院士顧逸東認為，天宮一號開創性地突破了交會對接技術、組合體管控以及航天員中期駐留等先期技術驗證，在天宮二號上，這些成熟技術將被用來開展包括空間科學和應用的實驗。

需要說明的是，天宮二號將成我國最忙碌的空間實驗室，各類計劃的實驗項目達到了史無前例的14項，涉及微重力基礎物理、空間材料科學、空間生命科學等多個領域，其中兩項有駐留30天的航天員直接參与操作，一項為國際合作。這些項目中，大多是當前世界最前沿的探索領域。

比如，天宮二號將搭載全球第一台冷原子鐘進入太空，並進行相關實驗。利用太空微重力條件，這台冷原子鐘的穩定度將高達10的負16次方，可以將航天器自主守時精度提高兩個數量級，能大幅提高如北斗衛星定位系統的導航精度。

比如，試驗從太空分發量子密鑰。密鑰分發是實現「無條件」安全的量子通信的關鍵步驟。量子是微觀物理世界裡不可分割的基本個體。由於作為信息載體的單光子具有不可分割、量子狀態不可克隆等特性，密鑰分發可以抵禦任何形式的竊聽，進而保證用其加密的內容不可破譯。從原理上來說，這種通信方式就是無條件安全的。

目前，全長2000多公里的「京滬幹線」大尺度光纖量子通信骨幹網正在收尾，將在今年下半年建成；全球首顆量子科學實驗衛星有望在7月發射。屆時，一個天地一體化的量子通信網路的雛形將會形成。在這個過程中，天宮二號可以扮演量子衛星中轉的角色，實驗遠距離量子通信，讓信息在地面城市與太空構築的範圍內實現「無條件」的安全傳輸。

此外，天宮二號還選擇了水稻和擬南芥，計劃進行『從種子到種子』的植物全生育發展過程實驗；搭載中國科學院與瑞士日內瓦大學聯合研製的伽馬暴探測設備，測量宇宙的伽馬暴射線和散射狀態，從而研究揭示宇宙結構、起源、演化等問題。

中國空間站將是多面手

按照計劃，中國將在2018年發射三艙空間站也就是長期有宇航員照料的空間站的首艙，組裝工作將於2020年完成，2022年投入全面運行。空間站的軌道高度為340-450公里，設計使用壽命為10年。隨著艙段的增加(最多會有6個艙段)，航天員的數量可能從最初的3名增加到6名。

和天宮一號、天宮二號相比，空間站又有何不同呢？顧逸東介紹說，空間站將是一個全新的階段。天宮一號、天宮二號名字叫空間實驗室，顧名思義，比較小，是單艙室的，重量也就8噸左右；空間站則是一個新系統、組合體。

具體來說，這個組合體初期將有3個艙段，一個核心艙，兩個實驗艙，每個艙段都是20噸級。核心艙有5個對介面，可以對接一艘貨運飛船、兩艘載人飛船和兩個實驗艙，另有一個供航天員出艙活動的出艙口。也就是說，空間站運營期間，最多時整個系統加起來將達90多噸。

要搭建這麼巨大的空間站，天宮二號的角色就顯得極為重要了，其實驗的機械臂操作技術將在這時候派上大用場。天舟貨運飛船把不同的載荷包括小型艙段運輸上太空後，航天員和機械臂要互相配合將其裝配到空間站上。正如中國載人航天工程總設計師周建平所說：「一名航天員在艙內操作機械臂，一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉位、大設備的移動，還是航天員自身的移動，都可以通過機械臂完成。」只有演練好人機配合，中國空間站未來的建造和維修才成為可能。

「空間站的神聖使命是成為太空中的中國國家實驗室，支持科學家從事前沿科學探索、空間技術研究和空間資源的開發和利用。最終目的是為全人類造福。」周建平說，可以預計的是，在空間站里，涉及空間科學和應用的大部分研究都可以進行，另外像空間天文、空間物理和空間環境研究以及從太空對地球觀測，對地球系統進行研究等也都成為了可能。

此外，我國還將發射一個單獨的光學艙，它的功能類似「哈勃」太空望遠鏡，但視場是哈勃的300倍，能拍攝到40%左右的宇宙空間，這將是中國人的「宇宙之眼」。光學艙將與空間站保持一定距離進行共軌飛行，需要補加推進劑或維護升級時，與空間站交會對接，由航天員操作。

中國願意開展太空國際合作

「中國一直本著和平開發利用太空的原則，歡迎並致力於國際合作。」正如周建平所介紹的，天宮二號搭載中瑞聯合研製的伽馬暴探測設備就是中歐科學家合作研究宇宙奧秘的例證。

其實，我們依然記得，國際空間站上世紀90年代開始實施時，由於美國的反對，中國沒有成為國際空間站的啟動方。有媒體猜測，國際空間站將在2020 年完成歷史使命並退役，屆時中國的空間站可能將成為唯一的一個在軌運行的太空空間站。

或許是出於資金風險的現實考慮，一些美國媒體已經在開始反思當初阻攔中國一起建造人類有史以來最大、最酷的一個「樹上小屋」(國際空間站)的愚蠢心理，並敦促美國宇航局和中國航天局進行合作。

不過，俄羅斯和歐洲顯然沒有美國那麼矜持。此前，中國載人航天工程辦公室已經分別與俄羅斯聯邦航天署和歐洲航天局就科學家進入中國空間站達成協議。

現在的問題是，除了乘坐中國的神舟飛船，這些科學家能否乘坐其它國家的飛船對接中國空間站呢？因為此前的太空合作計劃中並沒有中國的名字。

歐洲航天局局長約翰-迪特里希·韋爾納在去年的一次記者招待會上表示，把中國等非傳統夥伴納入更大的人類探索平台舉措是務實的。因為只有讓中國參與制定對接機制的國際標準，來自不同國家的宇宙飛船才能在太空連接在一起。

對此，中國是持歡迎態度的。周建平說：「我認為，我們可以做得更多。」事實上，中國也不是說說而已，空間站為大艙段對接預留的介面，不就是為開展國際合作提供的一個可能嗎？

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