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在空间应用技术领域，突破并掌握一些核心关键技术，为解决国家迫切需求的重大应用问题提供和验证先进的解决方法和手段。
航天员将直接参与“种菜”实验
天宫二号将与拟于10月中下旬发射的神舟十一号载人飞船对接。
航天员将进入天宫二号，参与操作高等植物培养实验和综合材料制备实验。
人类未来要星际旅行、移民外星球，首要任务是解决食物自给、氧气和循环水等问题。
高等植物培养实验就是要研究地球上的植物是否可以克服太空微重力等极端环境影响，在太空环境中正常生长。
高等植物拟南芥和水稻将随天宫二号进入太空，科学家将研究植物种子在太空中萌发、生长、开花、结籽的全过程，从而了解和掌握未来太空农业发展的可能。
航天员将回收部分植物样品供地面进一步分析研究。
综合材料制备实验选用多种新型结构与类型的材料样品进行研究，如新型纳米复合光学材料、高性能热电转换材料、多元复相合金等。
科学家们将揭示这些材料在地面重力环境下难以获知的物理和化学规律和性质。
值得一提的是，研究人员历经三年多研制的综合材料实验装置，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，只用了电水壶功耗的1/9至1/5（不到200W），却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度。
航天员将对材料实验炉进行开盖换样操作，这将是我国首次实现空间材料实验的航天员在轨操作。
“天极”望远镜：
唯一的国际合作项目
“天极”望远镜的全称是“天极”伽玛暴偏振探测仪，由中科院高能物理研究所牵头，瑞士日内瓦大学、瑞士保罗谢尔研究所、波兰核物理研究所等参与，是天宫二号上唯一的国际合作项目。
伽玛暴是宇宙伽玛射线暴的简称，它的起源及相应的物理过程一直是天文学最前沿课题之一。
这十几年来，人们对伽玛暴的研究取得了长足进步，但有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好解决。
作为国际上最灵敏的伽玛暴偏振探测仪，“天极”的探测效率比国际同类仪器高几十倍，它预期运行两年，可以探测到大约100个伽玛射线暴，为更好地理解宇宙中极端天体物理环境下最剧烈的爆发现象的产生机制作出重要贡献。
空间物理学：
有望取得重大突破
天宫二号搭载了多项空间物理实验，如空间冷原子钟实验、空地量子密钥分配试验等，均属国际科学前沿，科学意义重大。
冷原子钟是一种高精度的计时装置。
科学家们将激光冷却原子技术与空间微重力环境相结合研发成功的空间冷原子钟，将成为国际上第一台空间运行的冷原子钟，可以使飞行器自主守时精度提高两个量级。
该实验在原子物理研究方面具有重大意义，在国防安全、高精度星钟等方面具有广泛应用价值。
量子密钥分配试验将在基于载人航天空间平台上实现天－地量子密钥传输试验，以及业务数据天地激光通信。
该实验将为未来建立不可破译的信息安全系统、在国际上率先建立实用化的保密通信网络奠定基础。
对地观测仪器：
全方位“感知”地球
我国载人航天的历次巡天任务都少不了在浩瀚的宇宙中从各个方位“感知”地球。
天宫二号也搭载了多个新一代对地观测遥感器和地球科学研究仪器。
如宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪等，突破了系列关键技术，在资源环境、生态环境、农林应用、海洋环境、大气污染和大气成分监测以及全球变化研究等领域有着广泛应用。
伴随卫星：
天宫二号的守护者
天宫二号飞行期间还将在轨释放一颗伴随卫星。
伴随卫星飞行试验将进一步验证小型高功能密度卫星、在轨释放、驻留伴随飞行等技术，并为未来新型航天器编队飞行技术奠定基础。
这颗伴随卫星搭载了高分辨率全画幅可见光相机，将在空间绕飞试验过程中对天宫二号与神舟十一号组合体进行高分辨率成像，堪称天宫二号和神舟飞船的“自拍神器”。
空间环境监测：
为天宫二号保驾护航
航天员和航天器进入太空面临着外层空间环境的影响。
在太空中，能量很高的带电粒子辐射可能导致航天器材料性能下降或损坏，也可能破坏航天员的器官组织，严重时甚至有生命危险。
另外大气环境也会对运行其中的航天器产生影响。
天宫二号空间环境分系统由带电粒子辐射探测器、轨道大气环境探测器和空间环境控制单元3台仪器组成。
它们将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。
天宫二号上的“天极”望远镜和它的小目标
作为“天宫一号”的“继承者”，天宫二号上即将进行的各类实验达到了史无前例的14项，堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。
根据计划，天宫二号上将开展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，因此可以说天宫二号也是中国第一个真正意义上的空间实验室。
除此之外，天宫二号还将身负神秘任务，它将携带国际首个专用的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜进入太空展开科学探索实验。
这项由中国－瑞士合作开展的“伽马暴偏振探测项目”（POLAR）是中国空间天文“黑洞探针”计划的组成部分，该计划以黑洞等极端天体作为恒星和星系演化的探针，理解宇宙极端物理过程和规律，解答宇宙组成和演化。
这表示天宫二号上将携带世界上伽马暴和黑洞探测在伽玛射线偏振探测方面能力最专业的设备，极有可能为我国天体物理学的发展带来重要的突破。
更多关于“天极”的专业资讯，我们邀请到了中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南教授来解答。
中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南
伽玛暴
恒星的“生命之花”
天宫二号上即将进行的各类实验达到了史无前例的14项，堪称中国航天史上“最忙碌”的空间实验室。
其携带的高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜，就如同小蜜蜂的“复眼”一般，捕捉遥远宇宙中突然发生的伽玛射线暴（简称伽玛暴）现象。
那么什么是伽马射线？
伽玛暴又是怎样的物理现象？
张双南研究员解释说，伽马射线与我们所熟悉的可见光一样，也是电磁波的一种。
电磁波按波长（即相邻两个波峰的距离）从长到短，可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等等。
因此，伽玛射线是波长最短、能量最高的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。
伽玛暴是伽马射线暴的简称，恒星在演化到最后的时候内部将发生剧烈的爆发，而这种爆发的过程中可能伴随着强烈的伽马射线的爆发。
虽然这种强烈的伽马射线辐射持续时间长则不过几千秒，短则不足百分之一秒，然而其亮度却超过全宇宙其它天体的总和，辐射能量比太阳一生辐射的总能量还多得多，犹如恒星最后的“生命之花”，将一生的辉煌在一瞬间绽放。
另外，当两个黑洞或者中子星最后并合在一起的时候，也会产生强烈的伽马射线的爆发，这种爆发的能量通常比我们一般所知道的超新星爆发它的总能量要高成千上万倍，也被称为是宇宙大爆炸之后最剧烈的天体的爆发现象。
伽玛暴正面示意图
天极
捕捉宇宙中最美的瞬间
从1973年公布发现伽玛暴以来，关于伽玛暴的研究一直是天文学和物理学中一个极其活跃的前沿领域。
自1997年以来，伽玛暴的观测研究四次被美国的《科学》杂志评为年度世界十大科技成就之一。
但是因为技术的限制，对于伽马射线偏振现象的研究一直没有突破性的进步，甚至说仍旧是一个空白的领域。
张双南表示，关于伽玛射线偏振的研究之所以进展缓慢，主要是因为伽马射线偏振的测量与一般的测量方法非常不同，除了需要测量光子到达的方向、能量和时间以外，还需要经过伽玛射线探测器中的多个作用过程才能够获取偏振的测量信息，这个在技术上的难度非常大。
但是，偏振信息却是研究伽玛暴现象的重要参考信息，它对于理解伽玛暴的产生原因、产生环境的磁场和几何结构起着关键性作用。
那么作为高灵敏度伽马射线暴偏振测量仪器——“天极”望远镜又有怎样的独特之处呢？
张双南解释说，“天极”探测器与普通的探测器或者望远镜不同，一般的望远镜会有一个镜头，镜头下面就是胶片或者CCD（电荷耦合器件），但是“天极”是由一个阵列的探测器共同组成，一共25个单元，每个单元内都有64个不同的探测器，所以“天极”是由总共1600个敏感元件组成的探测器，这样的组合就如同自然界中蜜蜂等昆虫的“复眼”一般，所以我们给“天极”起了一个小名叫“小蜜蜂”，“天极”望远镜就是利用这么多不同的“眼睛”来“观测”伽马射线的偏振现象的。
▲伽玛暴偏振探测器—OBOX实物图
探索
非同凡响
“天极”望远镜的英文名叫做POLAR，除了具有“极化”的含义之外，它其实也是“Polarization偏振”这个单词的缩写，所谓天极就是天体的极化，而极化就是偏振。
伽玛暴的起源及相应的物理过程一直是天文学家们研究的最前沿课题之一。
它涉及宇宙学距离上的恒星级过程，能够将天体物理中最重要的三个层次-恒星、星系以及宇宙学联系起来。
虽然这十几年来人们对伽玛暴的研究取得了长足的进步，但是有关伽玛暴的一些基本问题还是没有得到很好的解决。
对伽玛暴伽玛射线偏振的研究可以为许多伽玛暴问题提供新的线索。
但是由于仪器能力的限制，目前国际上的观测结果还非常少，而且没有任何一个测量结果达到了科学意义上的确认程度。
也就是严格来说，目前世界上还没有对伽玛暴伽玛射线偏振的有效测量结果。
张双南表示，作为国际上最灵敏的伽玛射线暴偏振探测仪器，“天极”能够获得高精度伽玛射线偏振测量的最大样本，它的主要科学目标是观测伽玛射线暴并且测量伽玛射线暴的偏振性质，预期运行两年“天极”可以探测到大约100个伽玛射线暴。
通过系统地测量伽玛射线暴的偏振，能够从观测上对伽玛射线暴的辐射机制模型加以限制或约束，为更好的理解宇宙中极端天体物理环境下的这种最剧烈的爆发现象产生的机制做出重要的贡献。
伽玛暴偏振探测器—OBOX设计原理图
伴随着天宫二号的发射升空，“天极”望远镜将正式展开伽玛射线偏振性质的测量研究工作，这将为伽玛暴研究打开一扇新的窗口，有望取得新的进展和发现。
作为天宫二号空间实验室（TG-2）搭载的所有实验中唯一的国际合作项目，我们也期待着“天极”将带领人类开辟出天体物理学的一片崭新天地。
中国具备开展载人登月基本能力
天宫二号空间实验室于9月15日22时04分成功发射。
发射前夕，就天宫二号空间实验室以及中国空间站建设等任务情况，采访了中国载人航天工程总设计师周建平。
“天宫二号是真正意义上的空间实验室，肩负着验证中国空间站建造重要技术的重任。
”周建平说，按照载人航天工程“三步走”战略，我国将在2020年前后建成空间站。
“这个国人曾经需要使劲跳才可能够得着的梦想，如今触手可及。
”他说。
对于中国载人航天来说，这是一步步圆梦的过程，更是一步步追梦的征途。
我们与周建平之间的对话，就围绕着梦想展开。
天宫二号空间实验室于9月15日22时04分成功发射
梦之图：
载人航天好戏连台，明年进入“空间站时间”
记者：
天宫二号和神舟十一号载人飞行任务大幕已经开启，业内认为这是载人航天工程“第二步走”关键一环。
如何解读天宫二号在其中的使命和价值？
周建平：
作为我国载人航天工程空间实验室任务的一部分，天宫二号空间实验室的主要任务是：
接受载人飞船和货运飞船访问，考核验证航天员中期驻留、推进剂补加等空间站工程相关关键技术，并开展航天医学、空间科学实验和空间应用技术试验，以及在轨维修试验和空间站技术验证试验。
5年前，天宫一号成功发射，媒体打了一个形象的比喻：
太空有了“中国家”。
如今，太空即将迎来新的“中国家”，请问，这个新“家”新在哪里？
天宫二号其实是天宫一号目标飞行器的备份产品，也就是说这个太空新“家”在大小和结构上没有什么变化。
但这个新“家”的“里子”发生了很多变化。
为了适应新的使命需求，科研人员对天宫二号的很多地方进行了改装和优化。
比如，为满足推进剂补加验证试验需要，对天宫二号的推进分系统进行了适应性改造；
为满足中期驻留需要，对载人宜居环境做了重大改善，具备支持2名航天员在轨工作生活30天的能力。
“家”是中国人梦想中最动人的部分，太空“中国家”连着中国梦。
这几年，从实现载人天地往返、突破航天员出舱活动技术到掌握空间飞行器交会对接技术……太空家园的梦想正在紧锣密鼓的脚步声中一次次开花。
可以说是好戏连台。
今年6月25日，长征七号运载火箭在海南首飞。
9月15日，天宫二号发射。
10月，两名男性航天员将乘坐神舟十一号载人飞船进入太空，在天宫二号里面驻留30天。
明年上半年，天舟一号货运飞船将访问天宫二号，为其补加推进剂并验证空间站货物运输系统技术……空间站目前虽然还面临很多挑战，需要突破很多新的技术，但只要明年空间实验室任务一完成，我国就会进入空间站建设阶段，真正进入“空间站时间”。
计划2018年，我国将发射空间站核心舱。
可以预见，到那时，这个“家”将变得越来越大。
未来中国空间站总体构型是3个舱段，一个核心舱、两个实验舱，每个舱都是20吨级，整体呈T字构型。
从体量上看，要比国际空间站规模小一些，最多对接两艘载人飞船和一艘货运飞船。
但我们建造空间站有后发优势，信息技术、再生环保、新能源、自动化和人工智能等先进技术，将综合体现在中国空间站上，不仅信息化程度更高，运行经济性也会更好，届时会大幅降低对地面运输的需求。
空间站建成后，设计额定容纳一个乘组3名航天员。
由于空间站需要连续性驻人，将会采取乘组轮换制，因此空间站里最多能达到6名航天员。
航天员驻留时间也会根据任务情况决定。
此外，我们的空间站是可扩展的，将根据科学研究和国际合作的需要，在现在的构成基础上进一步提高它的能力。
有了空间站，载人航天的梦想会不会进一步延伸？
国际上，科学家和航天工程师都有一个共识——火星是人类应该追求探索的重要目标。
请您谈谈这方面的看法。
火星探索是一个非常复杂的工程。
虽然中国的火星探测器已进入研制阶段，但就现阶段而言，载人登录火星面临巨大的技术挑战，载人登月才是离人类更近的目标。
实现载人登月，将是登陆火星之前必须要走的途径。
目前我国载人航天连战连捷，探月工程已实现了绕落目标，2017年嫦娥五号将进行月球采样返回任务。
当然，载人登月技术更复杂，规模也更大，要实现这一目标，我国在技术上仍然面临许多挑战：
需要更大运载能力的火箭、着陆月球并从其上返回的飞行器和新型飞船……但从技术上讲，中国航天具备了开展载人登月研发的基本能力。
随着中国载人航天更富有想象力梦想的展开，海南文昌航天发射场会不会接力酒泉卫星发射中心成为我国第二个载人航天发射场？
根据计划，中国空间站及货运飞船等，都将在新建成的海南文昌航天发射场发射，这些飞行器在发射时是不载人的。
如果实施载人登月工程，海南文昌航天发射场从技术上是更好的选择，因为其地理纬度较低，但现在的载人航天发射还是选择在酒泉。
“天宫二号”发射成功
这个空间实验室到底有多牛？
在超期服役长达两年半之后，中国第一个空间实验室天宫一号“完成使命”。
而作为升空的接力者——“天宫二号”空间实验室，则将开创更多“第一次”，除了要印证航天员在轨中期驻留，还要开展14项实验，涉及八大领域。
“天宫二号”空间实验室已于北京时间9月15日22时04分发射成功。
今年10月，中国将发射“神舟十一号”载人飞船，与“天宫二号”空间实验室进行对接，进行30天的航天员中期驻留试验；
2017年，“长征七号”火箭将发射“天舟一号”货运飞船，与“天宫二号”进行对接，进行推进剂在轨补加等空间站建造运营关键技术的验证。
其目的是为了中国将在2020年前后建成的永久性空间站。
长征二号F
T2火箭点火，托举着天宫二号空间实验室从酒泉卫星发射中心腾空而起。
“天宫二号”上的新设备
“天宫二号”与“天宫一号”相同，均为长期在轨自动运行、短期载人的飞行器，是为未来的长期性空间站建设做准备。
但两者相比，“内在”的变化很大。
天宫二号空间实验室与长征二号F
T2火箭垂直转运至发射塔架。
从中国航天科技集团此前发布的消息来看，“天宫二号”较大的改进是装备更豪华、装载量提高、内部环境更好。
值得一提的是，“天宫二号”的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。
此外，为了方便航天员太空生活，“天宫二号”在内部增加了很多贴心的设计。
中国航天科技集团五院“天宫二号”空间实验室总设计师朱枞鹏在接受采访时介绍说：
“我们要以人为本，给航天员创造一个更好的生活和工作环境。
”
“天宫二号”首次使用可展开的多功能小平台，航天员可以在上面写字、吃饭、做科学实验，生活工作两不误；
通信方面为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响；
用地板取代了地毯；
舱内灯光采用米黄色色调，亮度可手动调节，并为每个航天员安装了床前灯。
事实上，30天的太空驻留不仅是对航天员本身的考验，也是对中国载人航天技术全新的挑战。
如何长时间提供适合人生活的环境，如何长时间提供包括水在内的物资供给，都将在“天宫二号”任务中得到验证。
“天宫二号”上的新实验
虽然“天宫一号”、“天宫二号”都属于空间实验室，但后者更为正规，或者说“天宫二号”才是真正意义上的空间实验室。
6月2日，中国科学院空间应用工程与技术中心高级顾问顾逸东院士介绍了“天宫二号”的部分空间科学任务。
比如“空—地量子密钥分配与激光通信试验”，密钥分发是实现“无条件”安全的量子通信的关键步骤，这项试验将验证量子密钥分发的核心环节，在天地间传输密钥。
再如“伽马暴偏振探测”项目，将对伽马暴和太阳耀斑进行高灵敏度偏振观测。
“可望开辟伽玛射线偏振探测天文新窗口。
”顾逸东说。
“天宫二号”搭载的伽马暴探测设备由中国科学院与瑞士日内瓦大学联合研制，这台设备比过去国际上类似仪器的探测效率高数十倍，中欧科学家合作研究揭示宇宙结构、起源、演化问题。
此外，“天宫二号”还搭载全球首台冷原子钟，开展“液桥热毛细对流实验研究”、“多样品材料空间生长实验”、“空间高等植物培养实验”等项目。
“天宫二号”热毛细对流空间实验项目主任设计师、中国科学院力学研究所研究员康琦解释，为生产出高质量的半导体材料，就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响，而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。
这次飞行中，“天宫二号”还将释放一颗伴随卫星，这是一颗微纳卫星，搭载多个试验载荷，并具备较强的变轨能力，具备开展空间任务的灵活性与机动性。
伴随卫星将在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。
空间实验室与空间站的区别
空间实验室是建造在太空中的实验室，这种特殊的实验室需要先发射无人空间实验室，然后再用运载火箭将载人飞船送入太空，与停留在轨道上的无人空间实验室交会对接。
接下来，航天员从飞船中进入空间实验室，开展工作，完成工作后再乘飞船返回地球。
因此，中国在发射“天宫二号”后，还将发射“神舟十一号”载人飞船，与“天宫二号”对接，从而完成空间实验室的建造。
而空间站是指可供多名航天员巡访、长期工作和居住生活的载人航天器。
空间站最大的特点就是规模和体积庞大、在轨运行的时间久，比如由美国、俄罗斯、日本、加拿大、巴西和欧洲空间局共同建造的国际空间站，已经为人类工作了16个年头。
空间实验室像是空间站的前身，为发展空间站，从载人飞船过渡到载人航天基础设施的试验性航天器。
前者是为建造复杂程度更高的空间站所做准备工作。
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