作为我国真正的空间实验室，天宫二号空间实验室搭载了全新的空间应用载荷设备，载荷数量及规模都超过了以往我国各次载人航天任务。天宫二号装载了空间冷原子钟等14个空间应用载荷，涉及对地观测和空间地球科学、空间天文、微重力基础物理、微重力流体物理及空间材料科学、空间生命科学和空间环境与空间物理等多个领域。这些应用项目大都代表着相关科学技术领域的国际先进水平，有望取得一批重大应用成果，这将有力促进我国空间科学和应用技术发展，引领相关领域科技进步，加快推进创新驱动发展战略的实施。
图1：天宫二号搭载的科学实验设施（图片来源：中国科学院）
天宫二号运行在倾角为43°的近圆非太阳同步轨道上，具有三轴稳定对地、偏航机动等飞行控制模式。为开展各类科学实验提供了极佳的平台。
（一）对地观测和空间地球科学领域
全球气候变化涉及人类生存环境和社会发展。发挥空间地球科学观测的优势，开展局部有特色、有创新、高水平的研究，为解决全球变化重大科学问题和国家在经济社会发展中遇到的重大挑战做出重要贡献。
对地观测和空间地球科学领域规划的任务包括宽波段成像仪、微波成像高度计和紫外临边探测专项等任务。
宽波段成像仪、三维成像微波高度计和多波段紫外临边成像仪为新一代对地观测遥感器和地球科学研究仪器，技术体制创新，技术指标先进，在光谱探测技术、制冷和焦平面技术、大功率微波器件、微波干涉测量技术等方面获取新的技术积累，将在资源环境、农林应用、生态环境、大气污染和微量大气成分监测、海洋气象保障和全球变化等应用和科学研究领域广泛应用并取得显著效益。
宽波段成像光谱仪
宽波段成像光谱仪是新一代宽波段、宽视场和“图谱合一”的光学遥感器，是国内外首次在单台仪器上，实现了可见光高光谱、短波红外和热红外多光谱大视场全推扫成像的组合集成功能。宽波段成像仪在可见近红外具有通道可编程、在短波和热红外谱段具有多光谱探测的推扫式成像仪。
在轨飞行期间，主要针对中等（偏高）地面分辨率、大尺度地物目标监测，适宜开展内陆湖泊、陆地和大气探测，以及对海洋和海岸带水色、水温的观测。
图2：天宫二号高度计天线（图片来源：中国科学院）
三维成像微波高度计
三维成像微波高度计可实现宽刈幅、高精度海洋陆地干涉测量的新一代雷达高度计，能够获得海洋干涉相位图，并由此得到三维海洋形态观测结果，为海平面高度测量、海浪等海洋环境探测提供更有效的手段；在陆地应用时能够获得三维地形信息。
三维成像微波高度计可开展海洋动力环境参数监测、海洋预报等海洋领域应用研究，陆地地形测量，陆地冰川监测、内陆宽水体监测等陆地领域应用研究。
多波段紫外临边成像光谱仪
多波段紫外临边成像光谱仪由紫外环形成像仪和紫外前向光谱仪组成。多波段紫外临边成像光谱仪采用超大视场（360°环形）对全球中层大气的环形临边紫外辐射特性进行探测，以及采用精细光谱分辨率对前向临边大气的紫外、可见光和近红外谱段进行综合探测，为地球大气环境探测提供新的信息源。
通过多波段紫外临边成像光谱仪探测数据，推演全球整层大气密度、臭氧分布和气溶胶等微量成分的垂直结构及三维分布，对于深入理解大气上、下层相互作用的过程，以及太阳活动、空间天气与地球天气气候的关系提供关键的基础数据。
（二）空间天文
空间天文是研究紧密联系着基础物理和宇宙科学的重大问题，空间天文观测覆盖宽广的宇宙辐射波谱，能够得到超精细的观测结果，成为现代天文学发展和突破的先锋，随着观测技术的进步，新的天文发现有井喷的趋势。天宫二号任务安排规划了伽玛暴偏振探测仪，对天体伽玛暴进行偏振探测，研究伽玛暴爆发模型，深化对伽玛暴本质与太阳活动、宇宙结构、起源和演化等方面的研究。
伽玛暴偏振探测仪
伽玛暴偏振探测仪采用创新的康普顿效应的散射角信息探测宇宙伽玛射线偏振状态。具有对天体的剧烈暴发及瞬变现象（主要是伽玛暴和太阳耀斑）偏振测量的功能，以及宽视场、宽能量范围探测和伽玛暴定位能力。
在高能天文领域开辟伽玛射线偏振探测新窗口，对国际天文学热点之一的宇宙伽玛射线暴和高能天文学产生重大影响，获得新发现。为研究伽玛暴本质、宇宙结构、起源和演化等天体物理研究前沿热点领域取得突破开辟新途径。
（三）微重力基础物理
微重力基础物理主要检验现有物理理论，发现新的物理现象和新的物理规律。空间微重力条件下开展基础物理理论的检验和研究有其独特优势，是当今物理科学的重要前沿和热点，是基础科学的重要突破口。
天宫二号任务安排了空间冷原子钟，在微重力环境下，建立将原子气体冷却到PK量级的空间冷原子物理实验平台，进行前沿基础物理研究，争取重大科学突破，带动应用的重大变革和巨大进步。
图3：空间冷原子钟（图片来源：中国科学院）
空间冷原子钟
空间冷原子钟采用激光冷却铷原子并与微波作用，实现频率稳定度10-16的国际领先水平，争取成为国际上第一台空间运行的冷原子钟，抢占国际上空间时频基准研究的制高点，具有重大科学意义，经济和科学应用意义。
空间冷原子钟作为在空间的最高精度的原子钟，可以成为空间的时间基准，这种基准可以广泛的应用于在空间运行的各类原子钟，包括导航系统的星载原子钟。同时，能对地面钟实现超高精度的比对，从而实现提高全球的时间同步精度。
（四）微重力流体物理
微重力流体物理深入开展微重力流体物理基本规律，为进一步探索空间环境中流体的宏观、微观运动，扩散过程及传热、传质的基本规律奠定实验研究的基础。天宫二号任务搭载液桥液毛细对流实验，对空间环境流体的流动和耗散机理的基础研究，对人类认识和掌握空间流体的运动规律有重要意义。
图4：天宫二号上的“液桥热毛细对流实验箱”（图片来源：中国科学院）
液桥热毛细对流实验
开展大Prandtl数液桥热毛细对流稳定性相关问题的研究，发现和认识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。
对大Prandtl数液桥热毛细对流问题充分研究，在理论、数值计算、以及实验研究方面开展深入细致的研究和分析，探索热毛细对流如何从定常到规则的振荡、对流模式分岔、及转捩途径和转捩理问题，探讨高径比和体积比对分岔转捩的影响。
（五）空间材料科学
空间材料科学研究紧密结合应用需求，探索和揭示在地面环境下难以认知的材料物理和化学过程规律，丰富、完善和发展材料科学理论，指导和推动地面材料加工工艺的改进与发展；通过试验验证空间应用材料性能，为我国新材料科技发展和产业体系的形成做出显著贡献。
天宫二号任务安排的综合材料实验，在一期工程基础上，进一步提高综合材料实验技术和实验装置的研制能力，实现有航天员参与的空间材料科学实验，提升我国材料科学的空间实验能力。
图5：综合材料实验装置（图片来源：中国科学院）
综合材料实验
通过研究半导体光电子材料、金属合金及亚稳材料、新型功能单晶、纳米及复合材料等材料，揭示在地面重力环境下难以获知的材料物理和化学过程的规律，获得优质材料的空间制备技术和生产工艺，指导地面材料加工工艺的改进与发展。
通过在轨进行3个批次样品实验，其中第一、二批次为材料实验样品安瓿，第三批次为热物性实验样品安瓿；提高综合材料实验技术和实验装置的研制能力，实现有航天员参与的空间材料科学实验，提升我国材料科学的空间实验能力。
（六）空间生命科学
生命是最复杂的物质存在形式。地球生物包括人类的生存和演化一直是在地球上实现的，在空间条件下研究生命的存在和响应，是深刻认识生命现象本质和人类长期太空探索活动的需要，其它途径无法替代。天宫二号任务通过高等植物培养实验研究受控生态支持的基础问题。
高等植物培养实验
通过对两种实验样品在长日照植物和短日照植物的空间生长，获取微重力条件下植物由营养生长向生殖生长转变过程的规律，揭示光周期诱导开花的分子机理、种子贮藏物质积累机制，为阐明重力在高等植物生命活动中的调控作用提供依据。
研究空间密闭生态系统中高等植物的生长发育，从本质上研究植物对空间微重力环境的响应，特别是植物在空间微重力环境中的响应与适应的本质，从而发展从分子水平改造植物的新方法，可为建立受控生态生命保障系统提供依据。
（七）空间环境与空间物理
载人空间站运行寿命长达十年，各种空间环境要素，包括辐射环境，原子氧和紫外辐射，微流星体/空间碎片等对航天器的寿命、航天员长期驻留和出舱活动安全有重要影响，特别是太阳质子事件必须准确预报；等离子体环境容易造成大尺度航天器充电、弧光放电和电流泄漏；轨道大气密度变化对空间站轨道维持的代价影响显著。因此，高水平地开展载人空间站的空间环境保障及相关研究十分重要。
空间环境与物理探测
空间环境与物理探测包含带电粒子探测器和轨道大气探测器，具有监测舱外各个方向的电子、质子等粒子的强度和能谱的能力；具有监测轨道大气密度、成分及其时空分布变化，监测原子氧剥蚀及气体污染效应的能力。
空间环境与物理探测为空间环境预报、空间环境变化机理研究以及空间实验室、飞船和航天员的安全保障提供准实时监测数据。
（八）新技术试验
天宫二号空间实验室作为有人参与的近地空间试验平台，在发展和验证新的空间技术和应用技术方面有显著的优势，可以及时和灵活安排，能够取样返回进行定量分析研究，对空间条件下新技术、新方法的试验效能和可靠性、环境适应性的验证能够得到更确定的结果。天宫二号任务新技术试验安排了空-地量子密钥分配试验。
空-地量子密钥分配试验进行空间实验室与地面终端之间空-地量子密钥分配试验，验证基于偏振态的量子密钥分发技术，检验空-地量子密钥分配的原理；突破并掌握空-地量子信道保持、量子密钥分发和提取等关键技术，突破信息传输安全保障瓶颈。
空地量子密钥分配试验突破并验证量子密钥生成、分配、提取、光信道保持等重大关键技术，发展先进量子调控科学技术，保持我国在该领域的领先地位，为未来建立对国家安全和经济发展极端重要的信息安全系统。
