【環球報資訊】中國制造最精準光鐘進駐空間站

10月31日15時37分，長征五號B遙四運載火箭托舉夢天實驗艙升空。11月1日凌晨，夢天實驗艙與天和核心艙組合體在數百公里外的太空成功對接。后續，將按計劃實施夢天實驗艙轉位。屆時，夢天實驗艙將與天和核心艙、問天實驗艙形成空間站“T”字基本構型組合體。

(資料圖)

此次發射的夢天實驗艙的意義尤為重要，它使得中國未來能夠向太空運輸最先進的科學實驗設備。此次與夢天實驗艙一同送入太空的世界首個高性能“光原子鐘”（也稱原子鐘、光鐘）就備受關注，光鐘用于更精確地測量時間，而中國也有望建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統。

首個光鐘系統進入太空

夢天實驗艙作為“工作室”，是三艙中支持載荷能力最強的艙段，被譽為空間實驗“夢工場”。

據新華社報道，實驗艙內配置有13個標準載荷機柜工位。此外，為了最大化實現艙外實（試）驗支持能力，艙外配置有37個載荷安裝工位，可為各類科學實驗載荷提供機、電、熱、信息方面的能力支持，確保它們在太空環境下開展各類實（試）驗。

載荷艙還配置有2個展開式暴露平臺和1個固定式暴露平臺，為載荷在軌工作提供機械接口，最大限度地拓展對載荷的支持能力。

中國科學院國家授時中心研究員、我國載人空間站高精度時頻柜副主任設計師常宏對第一財經記者表示：“此次發射的高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜，由兩個艙內科學實驗柜和4臺艙外設備組成一個完整的實驗系統，搭載了由國家授時中心、上海技物所、杭州高研院、國防科大共同研制的鍶原子光鐘，這在全球范圍內也是首次。”

常宏告訴第一財經記者，原子鐘的實驗都是在驗證“小數點后好幾位”，這是世界上最精密的量子測量儀器。他介紹道，最新發射到空間站的高精度時頻實驗柜能夠讓一些原本只能在地面實驗室演示的工作，在技術上和應用場景上更加成熟，為不久的將來光學原子鐘全面走向實際應用奠定技術基礎。

常宏向第一財經記者介紹稱，此次發射的高精度時頻實驗柜主要通過科研人員在地面上發遙控指令，幾乎不需要航天員的操作。他還稱，一些演示性和驗證性的試驗能夠較快地開展，另外一些重要的基礎前沿研究，可能會貫穿空間站的全壽命周期，例如精細結構常數是否隨時間變化的驗證。

光學原子鐘作為時間頻率的精密測量平臺，通常稱為“量子頻標”，是量子科學最早的實際技術應用之一。常宏對第一財經記者表示，中國在2018年，由上海光機所的劉亮團隊首次把冷原子銣微波鐘發射到太空，開創了冷原子鐘的空間應用時代，更早的時候，中國的北斗衛星上就使用了我國國產的星載微波原子鐘，但是這次最新發射的高精度時頻柜的意義大為不同。

“現在的精度至少提高了5個量級，也就是提升了10萬倍以上，可以說是世界上發射到太空的測量精度最高的量子精密測量儀器。”他告訴第一財經記者。

常宏表示，長期以來，在頻標技術方面，我國與國際最先進的技術有較大的差距。“這也是為何我們國家早期沒有建立起自己的導航系統的原因之一，因為原子鐘是導航系統的核心技術之一，而我們直到近二十年來才發展起來國產的高性能原子鐘。”他告訴第一財經記者。

我國首臺原子鐘的研制者、北京大學王義遒教授曾表示：“我國鼓勵知識創新、鼓勵科技創新，就要有選擇地鼓勵能提高生產知識和科技生產力的基礎研究，鼓勵能體現人的科技能力的基礎研究，以追求提高準確度和穩定度為不竭動力的量子頻標研究就是一個極好的課題。因為在這種追求的過程中，人們不僅將實現認識和技術的能力，而且將會誕生許多有實際應用價值的科技碩果。”

解決“從地到天”工程問題

在高精度時頻實驗柜發射之后，“光鐘”能力的展現才剛剛開始。“我們首先要給系統供電，然后測試每一個單機的系統功能和指標，等功能正常發揮之后再開始有針對性地提升性能。”常宏對第一財經記者表示，“就好像先要讓汽車跑起來，然后再去看它能跑得多快。”

常宏帶領的國家授時中心研制出空間光鐘的過程中，如何把這一平臺從地面搬到天上，涉及許多航天技術物理方面的問題。上海技術物理研究所的工程總體團隊幫助國家授時中心實現了“從地到天”的遷移。

上海技術物理研究所研究員、時頻系統副指揮舒嶸對第一財經記者表示：“高精度時頻柜發射到天上去，它的環境和溫度等物理條件都會發生變化波動，這和在地面實驗室的恒溫條件是不同的，涉及熱、力平衡方面的問題，以及工藝和材料方面的選擇，這些技術難題很多是我們給予指導幫助解決的。”

舒嶸團隊曾與中國科學技術大學潘建偉團隊在“墨子號”科學實驗衛星方面進行合作，擁有實戰經驗，包括通過篩選及工藝驗證，使得模塊可搬運，并在極端條件下保持模塊的穩定性。

“不像我們在墨子號里面直接與科學家一起進行產品研制為主，這次高精度時頻柜更主要是做好工程管理工作，我們在不到兩年半的時間內與任務總體單位授時中心一起帶領十余家單位共同完成了這項工程，其間還是克服了不少挑戰。”舒嶸對第一財經記者表示，“時頻柜的發射成功只是一個開端，接下來我們的挑戰才真正開始。”

他還介紹稱，高精度時頻柜后續的科學實驗與“墨子號”衛星也有相似之處，涉及天地一體化試驗。

就在10月5日，潘建偉團隊與上海技術物理研究所、中科院國家授時中心等單位合作，通過發展大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性采樣、高穩定高效率光傳輸等技術，首次在國際上實現百公里級（相距113公里）的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞萬秒穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19。

中國科學技術大學彭承志研究員告訴第一財經記者：“此次實驗提高了時間頻率的比對精度，高精度的時間頻率比對是很多物理實驗的基礎，未來五到十年，我們爭取實現星地時間頻率比對。”

時間的精確測量可以讓人們的生活更便利。例如，衛星的導航精度與計時精度緊密相關，人們的生活早已離不開導航和定位，要想定位更準確，比如精確到米以下，就需要更好的計時精度。

常宏告訴第一財經記者：“高技術的平臺支持下，如果我們的設計指標都能夠完全達到預期，那么這些前沿基礎研究就不僅僅是技術能力的提升，而且未來也具有重大應用意義，能夠帶動電子技術、激光技術、制造業、精密加工和材料等領域的發展。”

他還表示，要實現這些應用，未來光鐘一定要滿足精度高、易便攜、小型化等。“現在的光鐘還在實驗階段，成本太高了，未來要全面應用普及，就必須成本可承擔，在產業鏈方面我們還需要完善。”

標簽： 夢天實驗艙 中國空間站 量子科學