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(gè)值得銘記的日子！中國的太空探索又向前邁出了堅(jiān)實(shí)一步！神舟十一號發(fā)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(fā)射的直播現(xiàn)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(guān)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(shè)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(xì)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(wù)：

 

1、空間站技術(shù)驗(yàn)證

為天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室在軌運(yùn)營，提供人員和物資天地往返運(yùn)輸服務(wù)，考核驗(yàn)證空間站運(yùn)行軌道的交會對接和載人飛船返回技術(shù)。

航天器太空交會技術(shù)

 

2、航天員中期駐留

與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室對接形成組合體，進(jìn)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(zhí)行飛行任務(wù)的能力。

宇航員執(zhí)行艙外行走任務(wù)

 

3、各類實(shí)驗(yàn)

開展有人參與航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、在軌維修等技術(shù)實(shí)驗(yàn)，以及科普活動。

天空二號空間實(shí)驗(yàn)室示意圖

 

二

中國未來空間站長啥樣？

 

2018年前后，我國計(jì)劃發(fā)射空間站核心艙；2022年前后發(fā)射20噸級艙段組合的空間站。屆時(shí)，中國將成為繼俄羅斯之后，以一國之力獨(dú)自完成空間站建設(shè)的國家，航天員在空間站駐留可達(dá)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(jìn)步和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史長河中，人們逐漸發(fā)明了如日晷、水鐘、沙漏等計(jì)時(shí)裝置，能夠指示時(shí)間按等量間隔流逝，這也標(biāo)志著人造時(shí)鐘開始出現(xiàn)。 

人類計(jì)時(shí)工具的演變

 

而當(dāng)鐘擺等可長時(shí)間反復(fù)周期運(yùn)動的振蕩器出現(xiàn)后，人們把任何能產(chǎn)生確定的振蕩頻率的裝置，稱為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)明了真正可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)鐘。 1967年第13屆國際計(jì)量大會將時(shí)間“秒”進(jìn)行了重新定義：“1秒為銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間”。

中國第一臺銣原子鐘

 

自從有了原子鐘，人類計(jì)時(shí)的精度以幾乎每十年提高一個(gè)數(shù)量級的速度飛速發(fā)展，20世紀(jì)末達(dá)到了10^-14量級，即誤差約為1秒/300萬年，在此基礎(chǔ)上建立的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（例如美國GPS），覆蓋了整個(gè)地球98%的表面，將原子鐘的信號廣泛的應(yīng)用到了人類活動的各個(gè)領(lǐng)域。

時(shí)間測量裝置的演變圖例

 

隨著激光冷卻原子技術(shù)的發(fā)展，利用激光冷卻的原子制造的冷原子鐘使時(shí)間測量的精度進(jìn)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(jīng)減小到1秒/3億年，更高精度的冷原子光鐘也在飛速發(fā)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(shí)間測量標(biāo)準(zhǔn)的要求也就沒有極限。

空間冷原子鐘的典型應(yīng)用

 

 

2、天宮里的尖端“相機(jī)”：寬波段成像光譜儀

 

 

在載人航天的歷次巡天任務(wù)中，都少不了在浩瀚的宇宙中從各個(gè)方位“感知”地球，為我們生活的地球拍照的項(xiàng)目。這臺太空實(shí)驗(yàn)室定制的一臺高性能航天“數(shù)碼相機(jī)”的學(xué)名，是“寬波段成像光譜儀”。這臺相機(jī)有何特殊之處？我們細(xì)細(xì)來說。

 

結(jié)構(gòu)精簡、功力深厚

打開相機(jī)的外部“黑匣子”，可以看到它的內(nèi)部有8臺分4層結(jié)構(gòu)精心設(shè)計(jì)的小相機(jī)。其中3臺是可見光近紅外波段相機(jī)，2臺是短波紅外波段相機(jī)，2臺熱紅外波段相機(jī)，還有最后一層是可見光波段偏振相機(jī)。

寬波段成像光譜儀實(shí)物照片

 

三樣自主研制的核心“利器”

一個(gè)是采用自主研發(fā)的新型長線列短波紅外探測器，精心集成了1600個(gè)“視覺”單元，保證相機(jī)看的時(shí)間長，目標(biāo)看得更清晰，使相機(jī)擁有穿云透霧的“功力”。

其二則是具有800個(gè)高靈敏度“視覺”單元的熱紅外探測器，它可以使相機(jī)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(jī)械制冷機(jī)，用來滿足熱紅外探測器需要的低溫要求，保障其穩(wěn)定工作在低至零下200度的環(huán)境。

寬波段成像光譜儀三維模裝圖

 

任務(wù)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(diǎn)，也就是相機(jī)既能獲得影像信息，也能同時(shí)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(jī)晝夜不間斷觀測主要靠熱紅外成像來實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)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(wù)二，看大氣，優(yōu)化氣象預(yù)報(bào)

 

相機(jī)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(yán)重程度。

云的偏振成像對比（右為偏振圖像）

 

大家肯定會關(guān)心，精心打造的這臺相機(jī)在國內(nèi)國際上處于什么水平？讓我們來舉個(gè)例子。

如果要拍可見光圖像，要拍紅外圖像，要進(jìn)行光譜成像，要進(jìn)行偏振成像，我們至少需要4臺相機(jī)，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(shí)現(xiàn)在數(shù)秒鐘內(nèi)迅速成像30幅。酷吧！

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(shí)兼具偏振探測功能的智慧銳眼，這是第一次！

 

3.天機(jī)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(shù)就伴隨著人類對通信保密程度的需求而不斷發(fā)展。密鑰的作用就是用來對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密，防止他人獲取信息內(nèi)容。

 

 

目前我們互聯(lián)網(wǎng)使用的加密標(biāo)準(zhǔn)是20世紀(jì)70年代誕生的RSA算法，即利用大數(shù)的質(zhì)因子分解難以計(jì)算來保證密鑰的安全性。

公開密鑰加密

 

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

BB84量子密鑰分配協(xié)議示意圖

 

天宮二號上的載荷“量子密鑰分配專項(xiàng)”就是以實(shí)現(xiàn)空地間實(shí)用化的量子密鑰分配為目標(biāo)，通過天上發(fā)射一個(gè)個(gè)單光子并在地面接收，生成“天機(jī)不可泄露”的量子密鑰。

 

這精準(zhǔn)程度就如同在一輛全速行駛的高鐵上，把一枚枚硬幣準(zhǔn)確地投到10公里以外的一個(gè)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(jī)。

 

 

 

我國首個(gè)真正意義上的“太空實(shí)驗(yàn)室”將在接下來的太空員留駐后開始發(fā)揮它的科研作用，囊括地球科學(xué)觀測及應(yīng)用、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)及探測、應(yīng)用新技術(shù)等領(lǐng)域的十余項(xiàng)高精尖的任務(wù)。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(shù)支持，我們自己就是高科技的鼻祖！為祖國的成就喝彩！