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厲害了我的國！“不明覺厲”的太空空間站黑科技

 

 

 

10月17日，是中國航天史上一個值得銘記的日子！中國的太空探索又向前邁出了堅實一步！神舟十一號發射成功，是中國航天又一里程碑性事件！

 

 

 

下面一組動圖，把你拉回神舟十一號發射的直播現場~

 

 

 

在激動之余，大家心里更是充滿了好奇。神舟十一號為什么倍受關注？“高大上”的“大國神器”將給你我生活帶來哪些改變？未來我國將建設什么樣的空間站？等等這一系列的問題必定一直縈繞腦海，就讓格格污仔細介紹一下——神舟十一號不明覺厲的黑科技吧！

一

神州十一號三大任務：

 

1、空間站技術驗證

為天宮二號空間實驗室在軌運營，提供人員和物資天地往返運輸服務，考核驗證空間站運行軌道的交會對接和載人飛船返回技術。

航天器太空交會技術

 

2、航天員中期駐留

與天宮二號空間實驗室對接形成組合體，進行航天員中期駐留，考核組合體對航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執行飛行任務的能力。

宇航員執行艙外行走任務

 

3、各類實驗

開展有人參與航天醫學實驗、空間科學實驗、在軌維修等技術實驗，以及科普活動。

天空二號空間實驗室示意圖

 

二

中國未來空間站長啥樣？

 

2018年前后，我國計劃發射空間站核心艙；2022年前后發射20噸級艙段組合的空間站。屆時，中國將成為繼俄羅斯之后，以一國之力獨自完成空間站建設的國家，航天員在空間站駐留可達一年以上。

 

三

神舟十一號的“黑科技”們

 

1、超高精度空間冷原子鐘Cold Atom Clock

 

超高精度空間冷原子鐘，這是一臺什么“鐘”？一切還得從很久很久以前說起……

 

 

在人類文明進步和科學技術發展的歷史長河中，人們逐漸發明了如日晷、水鐘、沙漏等計時裝置，能夠指示時間按等量間隔流逝，這也標志著人造時鐘開始出現。 

人類計時工具的演變

 

而當鐘擺等可長時間反復周期運動的振蕩器出現后，人們把任何能產生確定的振蕩頻率的裝置，稱為時間頻率標準，并以此為基礎發明了真正可持續運轉的時鐘。 1967年第13屆國際計量大會將時間“秒”進行了重新定義：“1秒為銫原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期所持續的時間”。

中國第一臺銣原子鐘

 

自從有了原子鐘，人類計時的精度以幾乎每十年提高一個數量級的速度飛速發展，20世紀末達到了10^-14量級，即誤差約為1秒/300萬年，在此基礎上建立的全球定位導航系統（例如美國GPS），覆蓋了整個地球98%的表面，將原子鐘的信號廣泛的應用到了人類活動的各個領域。

時間測量裝置的演變圖例

 

隨著激光冷卻原子技術的發展，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時間測量的精度進一步提高，到目前為止，地面上精確度最高的冷原子噴泉鐘誤差已經減小到1秒/3億年，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發展中。

空間冷原子鐘工作原理圖

 

人類的活動范圍沒有極限，對時間測量標準的要求也就沒有極限。

空間冷原子鐘的典型應用

 

 

2、天宮里的尖端“相機”：寬波段成像光譜儀

 

 

在載人航天的歷次巡天任務中，都少不了在浩瀚的宇宙中從各個方位“感知”地球，為我們生活的地球拍照的項目。這臺太空實驗室定制的一臺高性能航天“數碼相機”的學名，是“寬波段成像光譜儀”。這臺相機有何特殊之處？我們細細來說。

 

結構精簡、功力深厚

打開相機的外部“黑匣子”，可以看到它的內部有8臺分4層結構精心設計的小相機。其中3臺是可見光近紅外波段相機，2臺是短波紅外波段相機，2臺熱紅外波段相機，還有最后一層是可見光波段偏振相機。

寬波段成像光譜儀實物照片

 

三樣自主研制的核心“利器”

一個是采用自主研發的新型長線列短波紅外探測器，精心集成了1600個“視覺”單元，保證相機看的時間長，目標看得更清晰，使相機擁有穿云透霧的“功力”。

其二則是具有800個高靈敏度“視覺”單元的熱紅外探測器，它可以使相機具有夜視功能，晝夜不間斷工作，能夠探測到1/40度的溫度變化。

其三則是配備一臺高性能、高可靠性的靈巧型機械制冷機，用來滿足熱紅外探測器需要的低溫要求，保障其穩定工作在低至零下200度的環境。

寬波段成像光譜儀三維模裝圖

 

任務一：看海洋，觀測海洋水色和水溫

 

可見光近紅外譜段的成像具有“圖譜合一”的特點，也就是相機既能獲得影像信息，也能同時獲得物體的光譜特征信息。

地面可見光近紅外成像圖

 

短波紅外輻射由于可以透過薄云層，主要用于可見光近紅外探測通道的大氣校正。

地面短波紅外成像圖

 

相機晝夜不間斷觀測主要靠熱紅外成像來實現，不論白天、夜晚都可以正常工作，堪稱勞動模范！它可以探測水溫、海冰和洋流信息，且具備很高的水溫變化探測靈敏度，大約是1攝氏度的40分之一，比我國現有的海洋遙感器的探測靈敏度提高了好多倍。

 

地面熱紅外探測成像圖

 

任務二，看大氣，優化氣象預報

 

相機可以獲取被探測對象的偏振信息，它能看到霧霾嗎？回答是肯定的。它可以獲取到霧霾的位置信息以及嚴重程度。

云的偏振成像對比（右為偏振圖像）

 

大家肯定會關心，精心打造的這臺相機在國內國際上處于什么水平？讓我們來舉個例子。

如果要拍可見光圖像，要拍紅外圖像，要進行光譜成像，要進行偏振成像，我們至少需要4臺相機，長槍短炮，沒哪吒的三頭六臂恐怕Hold不住。而在天宮二號，安裝1臺寬波段成像光譜儀就能實現在數秒鐘內迅速成像30幅?？岚桑?/span>

國際上，在一臺儀器上開啟可見光近紅外高光譜成像與短波紅外、熱紅外多光譜成像，同時兼具偏振探測功能的智慧銳眼，這是第一次！

 

3.天機不可泄露：量子密鑰分配

 

 

自人類使用語言以來，通過密鑰給信息加密的技術就伴隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發展。密鑰的作用就是用來對傳輸的信息進行加密，防止他人獲取信息內容。

 

 

目前我們互聯網使用的加密標準是20世紀70年代誕生的RSA算法，即利用大數的質因子分解難以計算來保證密鑰的安全性。

公開密鑰加密

 

隨著計算能力的不斷提升，RSA的安全性受到了挑戰。“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”，1984年，物理學家Bennett和密碼學家Brassard提出了基于量子力學測量原理的“量子密鑰分配”BB84協議，從根本上保證了密鑰的安全性。

BB84量子密鑰分配協議示意圖

 

天宮二號上的載荷“量子密鑰分配專項”就是以實現空地間實用化的量子密鑰分配為目標，通過天上發射一個個單光子并在地面接收，生成“天機不可泄露”的量子密鑰。

 

這精準程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準確地投到10公里以外的一個固定的礦泉水瓶里，難度可想而知。

 

因此，只要是成功分配的量子密鑰，就一定是沒有被竊聽過的安全密鑰，即“天知地知你知我知”的密鑰，從而成功做到無法泄漏的天機。

 

 

 

我國首個真正意義上的“太空實驗室”將在接下來的太空員留駐后開始發揮它的科研作用，囊括地球科學觀測及應用、空間科學實驗及探測、應用新技術等領域的十余項高精尖的任務。祖國航天科研真的是越來越高大上了，我們不再依靠美國、俄羅斯的技術支持，我們自己就是高科技的鼻祖！為祖國的成就喝彩！