天舟一号：太空补给排头兵
出品：科普中国制作：胡桃夹子工作室 中国科普博览监制：中国科学院计算机网络信息中心在最新型的运载火箭、载人飞船和系列空间实验室相继亮相之后，我国全新设计的「天舟」系列货运飞船正式出道。2017 年 4 月 20 日，天舟一号成功发射。它起飞质量 13 吨，物资运输能力 6 吨，是目前我国体积最大、重量最重的航天器，运载能力十分强大。考验货运飞船的运载能力，有一个重要的指标，叫“载货比”，即运载货物的质量与货运飞船船体本身的质量之比。天舟一号的载货比高达 0.48，比日本、欧洲的现役货运飞船都要高，运载能力跻身世界前列。 除了送货上天，天舟一号还有一个重要的使命，那就是实现“太空加油”。天舟一号与天宫二号对接之后，将通过一些特有的接口将燃料加注到天宫二号中，维持天宫二号的轨道高度。另外，天舟一号会验证一个全新的技术，叫做自主快速交会对接。这个试验要求天舟一号与天宫二号在 6 小时之内对接，是之前神舟十一号与天宫二号对接的时间的八分之一。天舟一号的成功发射，标志着中国空间站的长期运转有了物资保障。2024 年，国际空间站退役，中国空间站将延续人类在近地空间常态化驻留的进程，到时，天舟货运飞船将频繁“上天送货”，为我们走向星辰大海提供后援。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
天舟一号发射进入倒计时，将与天宫二号对接
出品：科学大院作者：中国科学院上海光机所、中国科学院物理研究所监制：中国科学院计算机网络信息中心 中国科普博览“天舟一号”货运飞船将于4月中下旬在文昌航天发射场发射，并开展货物运输补给、推进剂在轨补加、自主快速交会对接等多项关键技术试验。届时，天舟一号将与天宫二号空间实验室交会对接，实施推进剂在轨补加、开展空间科学实验和技术试验等。其实，服役不到一年的天宫二号，作为中国第一个真正意义上的空间实验室，也一直承担着地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验的功能。同时，也是载人航天历次任务中应用项目最多的一次。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。此间，我们将再次回顾“天宫二号”的一系列精简设备：“精”益求“精”：从日晷到冷原子钟超高精度空间冷原子钟，这是一台什么“钟”？它在“天宫二号”空间实验中扮演着什么角色？又将对我们的生活产生什么影响呢？一切还得从很久很久以前说起……在人类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。很久很久以前，我们的祖先记录时间是利用天体的周期性运动。他们日出而作，日落而息，通过观察自然现象，例如太阳和月亮相对自己的位置等来模糊的定义时间，这样的时间被称为自然钟。后来，人们逐渐发明了如日晷、水钟、沙漏等计时装置，能够指示时间按等量间隔流逝，这也标志着人造时钟开始出现。20世纪40年代开始，现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术蓬勃发展，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，发展出比晶体钟更高精度的原子钟。随着激光冷却原子技术的发展，利用激光冷却的原子制造的冷原子钟使时间测量的精度进一步提高，到目前为止，地面上精确度最高的冷原子喷泉钟误差已经减小到1秒/3亿年，更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。人类计时工具的演变（刘琪 制图）总而言之，“时间”成为现代科学技术中测量准确度最高的基本物理量，通过各种物理转化，可以提高长度、磁场、电场、温度等其它基本物理量的测量精度，是现代物理计量的基础。那些未来世界的“英雄材料”“天宫二号”太空实验室史无前例地承载了10余项太空实验，其中好比科幻英雄的“综合材料”实验就藏在其中。为了方便大家记忆，这里我们根据材料的特点和漫威人物对应了起来，虽然性能不会非常一致，但力求有相关性，希望你们喜欢。多晶碲化锌(ZnTe)：这种太赫兹材料未来将帮助我们实现建造更为高效且灵敏的外太空探测器的梦想。银盘侠：光溜溜的冲浪板和光溜溜的我，光溜溜的我从光溜溜的冲浪板里冒出来~在“天宫二号”空间实验室，通过“碲溶剂法”用综合材料实验装置进行微重力下ZnTe:Cu晶体生长的科学实验。探索微重力下生长晶体的组分分布均匀性、缺陷浓度，研究揭示微重力下“碲溶剂法”生长高质量晶体的过程和机制，用以有效地指导地面晶体生长，提高材料质量，也为空间材料加工积累经验。目标是在“天宫二号”上完成晶体生长的实验，以期获得组分更为均匀、缺陷浓度低的晶体样品。介孔基纳米复合材料：期待更加完美的光通信材料。雷神：看我胳膊上的大小一致还闪闪发光的铠甲，是不是很有科技感，如果是纳米科技的就更给力啦~在微重力下，通过对组装有纳米颗粒的有序介孔复合材料（Au/m-SiO2）进行高温处理，制备一类第二相纳米粒子尺寸一致且高度分散的、具有增强的非线性光学响应性能的新型纳米复合材料；通过地基与空间合成材料的实验对比及理论分析，揭示材料显微结构与非线性光学响应之间的关系。单晶金属合金：更轻更硬更完美的未来合金材料。魔形女：你喜欢什么类型的女生？我给你变啊~在空间和地面同样工艺条件下开展Al-Cu-Mg（铝-铜-镁）单晶合金的定向凝固生长实验，对比研究重力和微重力条件下Al-Cu-Mg（铝-铜-镁）单晶合金凝固微观组织的差异，分析微重力对枝晶形态、元素偏析以及疏松、杂晶和雀斑等的影响及相关规律。铁电薄膜红外焦平面列阵：用热成像看清世界的每一丝细节。美国队长：自从用上了外延生长技术，我的盾牌从此也光溜溜的反光了！快看我的盾牌！哒啦~通过地基、空间对比研究，揭示sol-gel铁电薄膜外延生长的机制，建立铁电薄膜外延生长的工艺，生长出具有优良热释电特性的铁电薄膜材料，为研制性能良好的非制冷红外焦平面提供可靠的材料基础。“科学大家庭”群像说了这么多，其实这些英雄材料在太空中的日子少不了整体平台的支持。什么样的“伐木累”才能hold住这么一群有着洪荒之力的材料英雄们呢？下面一一介绍。中科院空间应用中心作为空间应用系统总体部，对12项太空实验设备结构、热控、系统设计及研发，空间电子学、空间计算机和空间信息工程方面全系统提供技术支持，保障实验进行过程中“机、电、热”稳稳的进行。综合材料实验是由中科院物理所和中科院上海硅酸盐所共同牵头负责，和院内外6个研究所和大学共同承担的材料科学实验项目。其中，物理所作为该项目的行政指挥与主任设计师单位，主要负责项目空间实验的总体技术与科学研究内容实现的总体设计、任务的组织与调度、实验装置与科学实验样品的系统集成与地面试验等工作。上海硅酸盐所作为行政副指挥和副主任设计师单位，主要负责空间实验方案的技术实现、空间装置的研制，项目的质量管理，与物理所一起共同组织实验装置与科学实验样品的系统集成和地面试验等工作。承担项目的装置研制和科学实验任务的单位还有航天科技集团510所，西北工业大学，中科院国家空间科学中心、上海技术物理研究所、上硅所、半导体所和金属所。最后感谢这些单位对本文提供宝贵资料与指导。
