天宫二号空间实验室

定义

天宫二号空间实验室是中国载人航天工程研制并发射的第二艘空间实验室，也是中国首个真正意义上以空间科学实验为主要任务的在轨平台。它全长 10.4 米，最大直径 3.35 米，太阳翼展开宽度约 18.4 米，发射质量 8.6 吨，由实验舱和资源舱两个舱段组成，设计在轨寿命不少于 2 年^[1]。

在中国载人航天工程的序列中，天宫一号被称为“目标飞行器”，主要承担交会对接试验；天宫二号因承担较成规模的空间科学与应用任务，被定位为空间实验室^[3]。它的运行轨道高度约 393 公里，比天宫一号高约 50 公里，与后续中国空间站的轨道高度基本一致^[4]。

原理

天宫二号采用两舱构型：实验舱是航天员生活工作与开展实验的主要空间，资源舱集中安装推进系统、电源等平台设备^[5]。作为长期无人独立飞行、短期有人照料的在轨平台，它依靠自身推进系统维持轨道和姿态，通过变轨调整高度，并具备与载人飞船、货运飞船自动或手动交会对接的能力^[3]。

推进剂在轨补加是它的核心技术验证之一。货运飞船与空间实验室对接后，把推进剂从货船贮箱输送到实验室贮箱，使平台在轨工作寿命得以延长，原理与空中加油相近；由于未来空间站需在轨运行十余年，此项技术对空间站长期运营至为关键^[3]。

微重力环境是舱内实验的基本条件。以空间冷原子钟为例，地面上的自由原子受重力作用只能做类似喷泉的抛体运动，而在微重力条件下原子团可保持缓慢匀速直线运动，便于延长探测时间、提高测量精度^[6]。

发展历程

2014 年 3 月，中国载人航天工程总设计师周建平对外公布中国将实施天宫二号空间实验室任务^[2]。天宫二号原本是天宫一号目标飞行器的备份产品，外形与结构基本一致，科研人员为适应新任务对其进行了改装：改造推进分系统以满足补加试验需求，改善载人宜居环境以支持 2 名航天员在轨生活 30 天^[7]。

2016 年 9 月 15 日 22 时 04 分，天宫二号在酒泉卫星发射中心由长征二号F T2 运载火箭发射升空，约 575 秒后与火箭分离并进入预定轨道^[1]。同年 10 月，神舟十一号载人飞船搭载景海鹏、陈冬 2 名航天员与之对接，两名航天员在舱内工作和生活 30 天，创下当时中国载人飞行时长纪录^[8]。

2017 年 4 月 27 日，中国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号完成自动交会对接，并于当晚实施首次推进剂在轨补加试验，中国由此掌握“太空加油”技术^[5]。天宫二号先后与神舟十一号、天舟一号共完成 4 次交会对接，突破掌握了航天员中期驻留、推进剂在轨补加等关键技术^[2]。

完成既定任务后，天宫二号进入超期服役阶段，在 300 多天里完成了多项拓展试验^[2]。其间它曾被有意识地降低轨道，利用货运飞船补加后富余的推进剂开展对地探测实验，随后又重新抬高至 393 公里^[4]。2019 年 7 月 19 日 21 时 06 分，天宫二号在两次变轨后受控离轨再入大气层，少量残骸落入南太平洋预定安全海域，在轨飞行约 1037 天^[8]。

天宫二号受控再入大气层，标志着中国载人航天工程空间实验室阶段全部任务完成，工程转入空间站建设阶段^[2]。受控离轨是指由地面测控系统主动控制航天器降低近地点，使未烧尽的残骸落入预定海域，这被视为低轨较大型航天器结束任务时的国际惯例做法^[4]。

应用

天宫二号搭载 14 项应用载荷，总重约 600 公斤，开展了 60 余项空间科学实验与技术试验^[2]。这些项目覆盖微重力基础物理、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、对地观测与地球科学研究以及应用新技术试验等领域^[1]。

空间冷原子钟是其中的代表性载荷，以铷原子为工作物质，是国际首台在轨开展科学实验的空间冷原子钟；根据在轨测试结果推算，其日稳定度达到 7.2E-16^[9]。伽玛暴偏振探测仪(POLAR)是中欧联合研制的宽视场、高效率专用宇宙伽玛射线暴偏振探测仪器，由中国科学院高能物理研究所牵头，瑞士、波兰等国研究机构参与，在轨期间探测到 55 个宇宙伽玛暴事例^[10]。

对地观测方面，它携带宽波段成像光谱仪、三维微波高度计、紫外临边成像光谱仪等遥感与地球科学研究仪器^[11]。应用新技术试验方面，开展了空地量子密钥分发和伴随卫星飞行试验，入轨后释放一颗伴随卫星与实验室伴飞^[1]。

科普教育也是任务内容之一。天宫二号和神舟十一号组合体飞行期间，香港中学生太空科技设计大赛的 3 项获奖作品——太空养蚕、双摆实验、水膜反应——由航天员在轨完成，全过程拍摄后传回地面^[10]。此外，它还承担航天医学实验、在轨维修技术试验以及空间站技术验证等任务^[7]。

局限

天宫二号质量约 8 吨，不到后续空间站单个舱段质量的二分之一，其规模只能满足 2 名航天员、30 天量级的中期驻留，无法支撑长期连续有人照料的运行模式^[3]。它作为空间实验室的价值在于验证关键技术，而不是提供长期在轨的研究平台。

设计在轨寿命为 2 年，任务后期依靠超期服役完成拓展试验^[1]。由于低轨航天器再入时无法完全烧蚀，高熔点材料残骸可能落到地面，因此必须进行受控离轨并预先计算落区；这一约束也决定了任务结束后不能任其自由坠落^[4]。

载荷能力与实验机会同样受限。14 项应用载荷中大部分由中方科学家承担，仅伽玛暴偏振探测为中外合作项目，整器机位、供电与数据传输资源有限，实验项目需在有限机时内按计划轮换^[11]。因此，单次飞行的实验规模与后续常态化运营的空间站不可相比。

参见

• 天宫一号 —— 中国首个目标飞行器，天宫二号即在其备份产品基础上改装而成。

• 神舟十一号 —— 与天宫二号对接并实现航天员 30 天中期驻留的载人飞船。

• 天舟一号 —— 中国首艘货运飞船，与天宫二号完成首次推进剂在轨补加试验。

• 中国空间站 —— 天宫二号所验证技术最终服务的工程目标。

• 空间冷原子钟 —— 天宫二号搭载的代表性科学载荷之一。

• 受控再入 —— 天宫二号结束任务时采用的离轨方式。