太空实验室的精密时频系统：探索时间的奥秘

出品：科普中国

作者：中国科普博览

监制：中国科普博览

空间站作为长期在轨的太空实验基地，承载着无数科学梦想与研究任务。从最初的长征五号B运载火箭成功首飞，到天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱的陆续入轨，中国空间站的建设历时三十载，终于迎来了它的辉煌时刻。在这个宏伟的太空中，科学家们正以前所未有的精度探索时间的奥秘，而这一切都离不开空间站内高精度时频系统的支持。

空间站的建设与布局

2020年，长征五号B运载火箭的成功首飞，标志着中国载人航天工程“第三步”任务正式拉开序幕。2021年，天和核心舱的顺利升空，为空间站的组装建造奠定了坚实基础。核心舱由节点舱、生活控制舱和资源舱组成，能够支持3名航天员长期在轨工作生活，并搭载了多个科学实验柜，包括无容器材料实验柜和高微重力实验柜，为科学研究提供了宝贵平台。

2024年刚好是天和核心舱在轨三周年

（图片来源：中国载人航天官方网站）

随后，问天实验舱和梦天实验舱的加入，进一步丰富了空间站的科学实验能力。问天实验舱主要用于支持航天员驻留、出舱活动和开展空间生命科学研究，拥有4个生命科学实验柜。而梦天实验舱则更注重空间科学与应用实验，搭载了8-9个实验柜，涵盖了流体、燃烧、材料、基础物理等多个研究领域。此外，梦天舱还设置了货物气闸舱，支持货物自动进出舱，为舱内外科学实验提供了便捷条件。

问天实验舱发射

（图片来源：中国载人航天官方网站）

高精度时频系统的构建

在空间站的众多科学实验柜中，高精度时频实验柜无疑是一个引人注目的亮点。随着现代科学技术特别是原子物理学和射电微波技术的蓬勃发展，科学家们利用原子超精细结构跃迁能级具有非常稳定的跃迁频率这一特点，发展出了比晶体钟更高精度的原子钟。而空间站上的高精度时频实验柜，正是集成了这些尖端技术的结晶。

天宫二号空间实验室发射成果

（图片来源：新华网）

2016年，天宫二号空间实验室搭载了空间冷原子钟，精度达到了当时的世界最高水平。到了2022年，“天宫”空间站梦天实验舱又搭载了新一代的“冷原子微波钟”，以及全球首台“主动氢原子钟”和全球首套“冷原子锶光钟”，形成了“高精度的原子钟组”。这些原子钟协同工作，能够长期输出超高精度的时间频率信号，为科学研究提供了可靠的时间基准。

高精度时频系统的构建，不仅提升了人类对时间的测量精度，更为科学研究带来了前所未有的机遇。在空间站上，科学家们可以利用这一系统开展相对论及其理论的高精度检验，探索时间的本质与宇宙的奥秘。同时，这一系统还可以提高地面及空间重大科技基础设施的时间同步性能，为导航定位、全球重力位测量等重大应用提供精确的时间基准。

此外，空间站作为一个长期在轨的太空实验基地，未来的15到20年内，将长期开展大规模的科学实验。这些实验涉及天文学、地球观测、空间物理等多个领域，需要高精度的时间频率信号来确保实验数据的准确性和可靠性。因此，高精度时频系统的构建，对于推动空间科学与应用的发展具有重要意义。

结语

从最初的火箭发射到空间站的全面建成，中国载人航天工程走过了不平凡的历程。如今，在空间站这个宏伟的太空中，科学家们正以前所未有的精度探索时间的奥秘。高精度时频系统的构建，不仅提升了人类对时间的测量精度，更为科学研究带来了前所未有的机遇。未来，随着更多科学实验的开展和新技术的应用，中国空间站将继续书写属于中国人的“太空时刻”，为人类探索宇宙、认识世界贡献更多智慧和力量。