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9月15-20日,“天宫二号”——我国首个真正意义上的“太空实验室”就要择机发射了,它安排了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。

在发射前,让我们先通过一组科普海报,对这些“高大上”的科学任务一睹为快吧。

中国科学院空间应用工程与技术中心承担应用任务规划,工程组织管理,系统设计、集成、测试、有效载荷运行控制、科学及应用数据服务等总体技术支持支撑和保障。

在保证“天宫二号”科学和应用载荷等多个系统平稳运行之外,中科院多家单位分别负责研发的实验载荷将在空间实验室中大显身手,它们有的是在探索宇宙最深处的奥秘,有的是帮助人们更好的认识地球、海洋和大气,有的是在解决将来在星际旅行时食物的问题…下面我们就走进这个在我们头顶400公里的空间实验室里一探究竟吧!

中科院上海光机所研制的“空间冷原子钟”搭载“天宫二号”发射升空,将成为国际上首台在轨运行并开展科学实验的“空间冷原子钟”,同时也是目前在空间运行的最高精度的原子钟。

“空间冷原子钟”将激光冷却技术和空间微重力环境结合,有望实现10^-16量级的超高精度(约3000万年误差1秒),将目前人类在太空中的时间计量精度提高1~2个数量级。

开展大Prandtl数液桥热毛细对流稳定性相关问题的研究,研究在空间微重力环境下热毛细对流的失稳机理问题,拓展流体力学的认知领域,取得具有国际先进水平的研究成果。突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等空间实验关键技术,进一步提升我国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。

该平台此次的任务时研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、纳米以及复合材料等制备基理,揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理化学过程的规律。预期可获得高质量的空间材料样品,作为模型材料的结构、功能、工艺参数等方面获得有价值的科学研究成果。

即将上天的这个炉子就是工程人员历经三年多的攻关,专门研制的一套综合材料实验装置(简称“实验装置”)。

这套实验装置由“材料实验炉”(简称“炉子”)、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6kg重,最大功耗不到200W(而一般电水壶的功率也要1000～1800W),相当于2个100W白炽灯,却能实现真空环境下最高950℃的炉膛温度,是不是令人惊叹?

“天宫二号”三维成像微波高度计是国际上第一次实现宽刈幅海面高度测量并能进行三维成像的微波高度计。它采用小角度、高精度干涉测量技术,能精确获得海面的干涉条纹信息,进而获得三维海面形态,再经过复杂的定标最终获得宽刈幅范围内的海平面高度测量。

“天宫二号”伴随卫星是一颗微纳卫星,是“天宫二号”试验任务的一部分。伴随卫星由上海微小卫星工程中心研制,采用了小型化,轻量化,高功能密度的设计。“天宫二号”伴随卫星搭载多个试验载荷,并具备较强的变轨能力,具备了开展空间任务的灵活性与机动性。

“天宫二号”伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的飞越观测等试验,为主航天器的技术试验提供支持,并拓展空间技术应用。

“天极”望远镜是搭载在“天宫二号”空间实验室上的伽玛射线偏振探测仪,是中欧国际合作项目。

“天极”望远镜的主要科学目标是探测研究遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴现象,并在国际上首次对伽玛暴的偏振性质实现高精度、系统性地测量,从而深入地研究恒星演化、黑洞形成以及伽玛暴爆发的物理机制,为更好地理解极端天体物理环境下产生的这种宇宙中最剧烈的爆发现象做出重要贡献。

空间环境分系统(全称:空间环境监测及物理探测分系统)主要用于实时监测“天宫二号”轨道上的辐射环境和大气环境,实现舱外16个方向的电子、质子等带电粒子的强度和能谱监测,以及轨道大气密度、成分及其时空变化与空间环境污染效应监测等。

随着人类空间活动的深入开展,人类需要飞出地球,在地外空间长期生活和工作。绿色植物可为人类和动物提供必需的食物和氧气。

在“天宫二号”空间实验室中将开展两种代表性的植物——拟南芥和水稻的培养实验,着重探索在太空环境中如何控制植物开花结种的技术与方法,为建立保障人类长期空间生存所必需的生命生态支持系统奠定基础。中国科学院上海技术物理研究所提供的高等植物培养箱具备在轨培养单元和样品返回单元,能够为植物生长提供必需的水分供给以及光照、温度控制,具备实时可见光图像和荧光图像获取功能,构成了现代的迷你太空温室,为研究植物在太空的生长发育提供支持。

作为太空实验室里的尖端“数码相机”,宽波段成像光谱仪拥有相当深厚的“内力”。相机被安装在太空实验室对地观测面的“肚子”上,有了它,“天宫二号”可谓拥有了“火眼金睛”的本领,看海洋,看大气,样样精通。

研制“天宫二号”载荷“量子密钥分配试验空间终端”。通过高精度自动跟瞄(ATP)系统与量子密钥分配地面终端配合,在地面站与目标飞行器之间建立起量子信道,并在此基础上进行空-地量子密钥分配试验。

目标为实现世界上首个基于载人航天空间平台的空-地量子密钥分配演示实验。为载人航天的空地间量子保密通信,以及未来的实用化天地一体广域量子保密通信网络建设打下基础。

如何“玩转”以上高难度载荷任务并保障它们有序、安全地运行下去呢?这就不得不提我们的太空实验大管家——“空间应用天地支持系统”,它是由有效载荷运控中心统筹规划、集中管理,统一控制,天基有效载荷网络接收地面指令后,调度有效载荷有序运行,两者构成天地一体信息大回路平台。

针对“天宫二号”液桥热毛细对流实验中天地实时交互和精细控制的实验需求和特点,空间应用中心研制了目前我国首个基于虚拟现实技术和基于高速总线网络的天地一体沉浸式遥科学实验支持系统,极大提高科学家开展空间科学实验的效率。

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十个简单的科学小实验如下:

1、云和雨滴

步骤:在一个玻璃杯里装入蓝色的水,用来模拟“雨”,另一个玻璃杯装入棉球,用以模拟“云”。邀请小朋友用夹子夹起棉球在蓝色雨水中浸泡,模拟云吸收水分。用小手从吸饱了水分的棉球中把雨水挤出来,这个模拟“下雨”的过程可以锻炼小朋友的精细动作,享受玩水的乐趣。

2、沉下去&浮上来

步骤:收集一些物体,有些会浮起来,有些沉下去。请孩子预测哪些东西会沉,哪些会浮。把物体放到水里,看看孩子的预测是否准确。

3、植物生长

步骤:教孩子拿几粒豌豆,放在厨房纸巾上然后轻轻包起来,再用喷雾瓶将豌豆和纸喷湿。提醒孩子每天用纸喷水,保持种子湿润。每天观察种子的发芽生长情况,提示:可以使用放大镜。发芽的种子可以教孩子移植到装满盆栽土的小花盆,提醒孩子,土壤也要保持湿润。

4、叶子吸水

步骤:将两种颜色的食用色素分别滴入盛了水的杯子里。将2片大白菜的叶子分别浸入染过不同颜色的水里静置一个晚上,就能看到白菜叶子明显地染上了色素的颜色。

6、磁性&非磁性

步骤:找出一些小物件,确认有些物体的成分里含铁的材质,能被磁铁吸起来。让孩子使用磁铁,检查哪些物体可以被吸起来,哪些不能被吸起来。把有磁性的物体分为一类,没有磁性的分为一类。

7、水和油

步骤:让孩子使用磁铁,检查哪些物体可以被吸起来,哪些不能被吸起来。把有磁性的物体分为一类,没有磁性的分为一类。让小朋友观察油能否被染色,然后极尽可能充分搅拌,看油能否在努力下被染色不管小朋友多努力,油都是不可能被染色的,因为水与油不能融合,同时由于油比水的密度低,所以它会浮在上面。

8、跳舞的葡萄干

步骤:让小朋友观察油能否被染色,然后极尽可能充分搅拌,看油能否在努力下被染色。可以同时在一杯白开水中放入葡萄干,观察会不会有相同的反应。

9、火山喷发

步骤:将双氧水倒入塑料瓶,滴入食用色素,加入少量洗洁精。1勺酵母用温水溶解后倒入塑料瓶。接下来,就和小朋友一起观察超级有趣的喷发效果吧!泡沫会涌出瓶口,请小朋友做好观察。

10、植物的蒸腾作用

步骤:把透明塑料袋套到植物上,用胶带固定好不透气。等待20-30分钟(实际操作,根据地区情况,可能还有更久些)。接下来,就和小朋友一起观察塑料袋壁有无一层水珠!