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厉害了我的国!“不明觉厉”的太空空间站黑科技

 
 
 

10月17日,是中国航天史上一个值得铭记的日子!中国的太空探索又向前迈出了坚实一步!神舟十一号发射成功,是中国航天又一里程碑性事件

 
 
 

下面一组动图,把你拉回神舟十一号发射的直播现场~

 

 
 

在激动之余,大家心里更是充满了好奇。舟十一号为什么倍受关注?“高大上”的“大国神器”将给你我生活带来哪些改变?未来我国将建设什么样的空间站?等等这一系列的问题必定一直萦绕脑海,就让格格污仔细介绍一下——舟十一号不明觉厉的黑科技吧!

神州十一号三大任务:

 

1、空间站技术验证

为天宫二号空间实验室在轨运营,提供人员和物资天地往返运输服务,考核验证空间站运行轨道的交会对接和载人飞船返回技术。

航天器太空交会技术

 

2、航天员中期驻留

与天宫二号空间实验室对接形成组合体,进行航天员中期驻留,考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力,以及航天员执行飞行任务的能力。


宇航员执行舱外行走任务

 

3、各类实验

开展有人参与航天医学实验、空间科学实验、在轨维修等技术实验,以及科普活动。

天空二号空间实验室示意图

 

中国未来空间站长啥样?

 

2018年前后,我国计划发射空间站核心舱;2022年前后发射20吨级舱段组合的空间站。届时,中国将成为继俄罗斯之后,以一国之力独自完成空间站建设的国家,航天员在空间站驻留可达一年以上。

 

神舟十一号的“黑科技”们

 

1、超高精度空间冷原子钟Cold Atom Clock

 

超高精度空间冷原子钟,这是一台什么“钟”?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。 

人类计时工具的演变

 

而当钟摆等可长时间反复周期运动的振荡器出现后,人们把任何能产生确定的振荡频率的装置,称为时间频率标准,并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟。 1967年第13届国际计量大会将时间进行了重新定义:“1秒为铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间”。


中国第一台铷原子钟

 

自从有了原子钟,人类计时的精度以几乎每十年提高一个数量级的速度飞速发展,20世纪末达到了10^-14量级,即误差约为1/300万年,在此基础上建立的全球定位导航系统(例如美国GPS),覆盖了整个地球98%的表面,将原子钟的信号广泛的应用到了人类活动的各个领域。


时间测量装置的演变图例

 

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1/3亿年,更高精度的冷原子光钟也在飞速发展中。


空间冷原子钟工作原理图

 

人类的活动范围没有极限,对时间测量标准的要求也就没有极限。


空间冷原子钟的典型应用

 

 

2、天宫里的尖端“相机”:宽波段成像光谱仪

 

 

在载人航天的历次巡天任务中,都少不了在浩瀚的宇宙中从各个方位“感知”地球,为我们生活的地球拍照的项目。这台太空实验室定制的一台高性能航天“数码相机”的学名,是“宽波段成像光谱仪”。这台相机有何特殊之处?我们细细来说。

 

结构精简、功力深厚

打开相机的外部“黑匣子”,可以看到它的内部有8台分4层结构精心设计的小相机。其中3台是可见光近红外波段相机,2台是短波红外波段相机,2台热红外波段相机,还有最后一层是可见光波段偏振相机。


宽波段成像光谱仪实物照片

 

三样自主研制的核心“利器”

一个是采用自主研发的新型长线列短波红外探测器,精心集成了1600个“视觉”单元,保证相机看的时间长,目标看得更清晰,使相机拥有穿云透雾的“功力”

其二则是具有800个高灵敏度“视觉”单元的热红外探测器,它可以使相机具有夜视功能,昼夜不间断工作,能够探测到1/40度的温度变化。

其三则是配备一台高性能、高可靠性的灵巧型机械制冷机,用来满足热红外探测器需要的低温要求,保障其稳定工作在低至零下200度的环境。

宽波段成像光谱仪三维模装图

 

任务一:看海洋,观测海洋水色和水温

 

可见光近红外谱段的成像具有“图谱合一”的特点也就是相机既能获得影像信息,也能同时获得物体的光谱特征信息。


地面可见光近红外成像图

 

短波红外辐射由于可以透过薄云层,主要用于可见光近红外探测通道的大气校正。


地面短波红外成像图

 

相机昼夜不间断观测主要靠热红外成像来实现,不论白天、夜晚都可以正常工作,堪称劳动模范!它可以探测水温、海冰和洋流信息,且具备很高的水温变化探测灵敏度,大约是1摄氏度的40分之一,比我国现有的海洋遥感器的探测灵敏度提高了好多倍。

 


地面热红外探测成像图

 

任务二,看大气,优化气象预报

 

相机可以获取被探测对象的偏振信息,它能看到雾霾吗?回答是肯定的。它可以获取到雾霾的位置信息以及严重程度。


云的偏振成像对比(右为偏振图像)

 

大家肯定会关心,精心打造的这台相机在国内国际上处于什么水平?让我们来举个例子。

如果要拍可见光图像,要拍红外图像,要进行光谱成像,要进行偏振成像,我们至少需要4台相机,长枪短炮,没哪吒的三头六臂恐怕Hold不住。而在天宫二号,安装1台宽波段成像光谱仪就能实现在数秒钟内迅速成像30幅。酷吧!

国际上,在一台仪器上开启可见光近红外高光谱成像与短波红外、热红外多光谱成像,同时兼具偏振探测功能的智慧锐眼,这是第一次

 

3.天机不可泄露:量子密钥分配

 

 

人类使用语言以来,通过密钥给信息加密的技术就伴随着人类对通信保密程度的需求而不断发展。密钥的作用就是用来对传输的信息进行加密,防止他人获取信息内容。

 

 

目前我们互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法,即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。


公开密钥加密

 

随着计算能力的不断提升,RSA的安全性受到了挑战。“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”,1984年,物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议,从根本上保证了密钥的安全性。


BB84量子密钥分配协议示意图

 

天宫二号上的载荷“量子密钥分配专项”就是以实现空地间实用化的量子密钥分配为目标通过天上发射一个个单光子并在地面接收,生成“天机不可泄露”的量子密钥。

 

这精准程度就如同在一辆全速行驶的高铁上,把一枚枚硬币准确地投到10公里以外的一个固定的矿泉水瓶里,难度可想而知

 

因此,只要是成功分配的量子密钥,就一定是没有被窃听过的安全密钥,即“天知地知你知我知”的密钥,从而成功做到无法泄漏的天机

 

 

 

我国首个真正意义上的“太空实验室”将在接下来的太空员留驻后开始发挥它的科研作用,囊括地球科学观测及应用、空间科学实验及探测、应用新技术等领域的十余项高精尖的任务。祖国航天科研真的是越来越高大上了,我们不再依靠美国、俄罗斯的技术支持,我们自己就是高科技的鼻祖为祖国的成就喝彩!

 

 
 

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