天宫二号空间冷原子钟功能结构与工作原理。中科院供图
天宫二号空间实验室上进行的各类实验多达10余项，是历次载人航天任务重应用项目最多的一次。在这些实验中，有3个空间物理领域的项目，可以说是高、精、尖的典型代表，实验内容均属于国际科学前沿，科学意义重大。
原子钟是卫星导航定位系统的核心设备。但目前应用于空间的热原子钟性能已接近极限，制约了导航定位系统性能的进一步提高。
“我们突破了热原子钟的局限，满足诸如深空探测、基本物理常数测量、引力波测量等空间科学探索活动对空间超高精度时间频率基准的需求。”中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、空间冷原子钟分系统主任设计师刘亮说。
近年来，空间冷原子钟的研制成为各国竞争的焦点。中科院上海光机所十年一剑，提出了空间冷原子钟总体技术路线，攻克了多项关键技术，最终将冷原子钟送上了太空。
这次天宫二号上搭载的空间冷原子钟，不但是唯一成功在轨运行的空间冷原子钟，也是在空间运行的精度最高的一台原子钟，做到了3000万年误差不超过1秒，将飞行器自主守时精度提高了1到2个数量级。
目前，天宫二号空间冷原子钟在轨运行已满两年，状况良好，性能稳定，完成了所有计划内科学实验内容，完成了预定任务目标。相关研究成果于2018年7月24日作为亮点文章在线发表在《自然—通讯》上。
天宫二号上另一个“第一次”则是小型化终端的量子密钥分发实验。
中国科学技术大学潘建伟及彭承志等组成的研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组等单位，利用研制安装在天宫二号上的小型化量子通信与激光通信复合应用终端，在国际上首次成功实现了基于小型化终端的星地量子密钥分发实验。
“载人航天工程帮助我们培育了很多实用技术。”中科院院士王建宇说，“未来我们可以把终端做得更小、更复合应用，可以搭载到其他卫星上，还可以结合小卫星技术，把终端降低到百公斤级，实现‘一箭多星’或星座组网，为构建覆盖全球的量子保密通信网络提供可行的低成本方案。”
除了上述实验外，天宫二号实验室上还搭载了一个国际合作项目——“天极”望远镜。“天极”是一台专门用于测量伽马暴偏振的高灵敏度探测器，由中国科学院高能物理研究所牵头，瑞士、波兰等国家科研单位参加研制。
“这是天宫二号上唯一一台暴露在舱外的载荷。它背对地球指向天空，可以有效地捕捉到伽马暴爆发过程中产生的伽马光子，并测量它们的偏振性质。”中科院高能物理研究所研究员张双南说。
为了测量伽马射线的偏振，“天极”望远镜采用了1600根塑料闪烁棒组成一个探测器阵列，很像是蜜蜂的复眼。目前，这只勤劳的“小蜜蜂”已经成功探测了55个伽马暴，超过了设计指标。
在实验过程中，科研团队还“意外”发现了探测仪的一个新功能——探测脉冲星。
虽然脉冲星导航不是其设计目标，但天宫二号上的伽马暴偏振探测仪在国内首次实现了在轨观测到脉冲星，并成功地实现了脉冲星导航技术试验，提出了一个脉冲星导航新方法，相关成果已正式发表。
“卫星导航定位系统虽然已经成为现代生活中必不可少的基础，但也具有不适用于深空、不能自主运行、可被人为摧毁等弱点。”张双南说，“而脉冲星可以发出周期稳定的脉冲信号，是天然的导航卫星。如果航天器能航天器接收脉冲星的脉冲信号，就可以实现自主导航。”
