天舟－1空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)

張偉 （中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

天舟－1空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)

TZ-1 Space Science and Application Mission

張偉 （中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）

2017年4月20日，我國第一艘貨運(yùn)飛船—天舟－1成功發(fā)射。天舟－1主要在軌完成兩大任務(wù)：一是考核貨運(yùn)飛船的功能，并開展在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，為未來的載人空間站建造奠定基礎(chǔ)；二是開展空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，主要包括4項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)，包括微重力對細(xì)胞增殖和分化的影響研究、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究、非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。

天舟－1任務(wù)空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目

1 微重力對細(xì)胞增殖和分化影響研究

本研究項(xiàng)目包括8個研究課題，重點(diǎn)研究微重力環(huán)境對干細(xì)胞增殖分化、生殖細(xì)胞分化及骨組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的影響，檢驗(yàn)微重力環(huán)境下抗骨質(zhì)疏松藥物3-羥基丁酸對成骨細(xì)胞增殖的影響以及CKIP－1基因?qū)Τ晒羌?xì)胞分化的影響。

干細(xì)胞是一類具有自我復(fù)制能力的多潛能細(xì)胞，在一定條件下可以分化成多種功能細(xì)胞，具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，干細(xì)胞生物學(xué)是21世紀(jì)備受矚目的研究領(lǐng)域之一。近幾年，美國航空航天局（NASA）將空間干細(xì)胞培養(yǎng)作為重點(diǎn)研究課題，2015年研究人員公布了空間干細(xì)胞生長和組織再生方面的成果。其研究結(jié)果表明，太空微重力環(huán)境影響了小鼠擬胚體在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達(dá)。中國科學(xué)院動物研究所段恩奎研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在天舟－1上搭載了小鼠胚胎干細(xì)胞、小鼠擬胚體，通過普通光和熒光顯微成像技術(shù)，觀察干細(xì)胞在太空中增殖和分化過程。地面同時開展比對實(shí)驗(yàn)，通過天地比對，初步了解空間微重力環(huán)境影響干細(xì)胞增殖和分化的情況。這將為多能干細(xì)胞在組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探索新途徑，為未來利用多能干細(xì)胞服務(wù)于人類健康提供幫助。

清華大學(xué)紀(jì)家葵團(tuán)隊(duì)在天舟－1上開展了人生殖細(xì)胞的分化過程研究，這是國際上首次在空間微重力環(huán)境下誘導(dǎo)胚胎干細(xì)胞向生殖細(xì)胞分化，其采用一個“知情同意見證”的胚胎干細(xì)胞系，不需要犧牲任何新的胚胎，不存在倫理道德爭議。這項(xiàng)研究目的是闡明太空微重力環(huán)境下生殖細(xì)胞發(fā)育與成熟的基本規(guī)律，探索胚胎干細(xì)胞分化的分子機(jī)制，從而為克服空間環(huán)境對人類生殖可能帶來的影響提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，并為胚胎干細(xì)胞分化研究提供新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

研究和實(shí)踐表明，在太空環(huán)境下，由于重力消失，航天員骨骼負(fù)荷明顯減少，長期空間飛行很容易發(fā)生骨質(zhì)疏松。目前地面條件下研發(fā)的藥物，對太空骨質(zhì)疏松癥療效并不明顯。大量前期研究表明，天然存在于哺乳動物體內(nèi)的3-羥基丁酸，對于預(yù)防骨質(zhì)疏松效果顯著，它能否成為太空抗骨質(zhì)疏松的全新候選藥物，需要通過太空實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。在天舟－1搭載的生物反應(yīng)器中，科學(xué)家們用3-羥基丁酸處理骨相關(guān)細(xì)胞，在微重力環(huán)境下借助熒光顯微鏡觀察骨相關(guān)細(xì)胞形態(tài)、數(shù)量等指標(biāo)，進(jìn)而確定在太空中這些細(xì)胞是否健康生長，在細(xì)胞水平上觀察其對骨質(zhì)疏松的治療效果。

近年來大量研究表明，CKIP－1參與骨代謝,是成骨細(xì)胞分化和骨形成過程中至關(guān)重要的負(fù)調(diào)控因素,在骨組織增殖、分化過程中起重要作用。“微重力環(huán)境下CKIP－1對成骨細(xì)胞分化的影響研究”項(xiàng)目是在太空環(huán)境下研究CKIP－1對成骨細(xì)胞分化的影響及其機(jī)制，為對抗太空骨質(zhì)疏松提供新的思路和方法。

空間生物反應(yīng)器主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）樣品種類：不少于8種；

2）培養(yǎng)溫度：（36±1）℃；

3）儲液室溫度：4～10℃；

4）培養(yǎng)單元數(shù)量：48個；

5）輸出圖像類型：明場顯微圖像、熒光顯微圖像。

2 兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究

本項(xiàng)目在太空開展流體的蒸發(fā)和冷凝實(shí)驗(yàn)，研究重力變化對蒸發(fā)與冷凝傳熱傳質(zhì)過程的影響，探索微重力環(huán)境下具有質(zhì)量交換的相變流體界面的熱質(zhì)傳輸特殊規(guī)律，揭示相變流體傳熱傳質(zhì)的新現(xiàn)象和新機(jī)制，為解決空間高效傳熱工程難題提供解決思路。同時，在軌驗(yàn)證空間實(shí)驗(yàn)工質(zhì)供給、氣/液分離等空間氣/液兩相系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，為空間站深入開展兩相流體空間實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）蒸發(fā)臺控溫范圍：+20～+60℃；

2）冷凝臺控溫范圍：-5～+40℃；

3）兩相回路子系統(tǒng)總排熱能力：≥80W。

3 非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

本項(xiàng)目進(jìn)行非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，在軌測試高精度靜電懸浮加速度計(jì)的工作性能，研究溫度、力學(xué)和電磁等擾動對高精度加速度計(jì)性能的影響。高精度靜電懸浮加速度計(jì)是空間引力實(shí)驗(yàn)和衛(wèi)星重力測量的核心關(guān)鍵設(shè)備，為我國空間站后續(xù)開展相對論與引力物理實(shí)驗(yàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并為重力梯度和弱作用力測量等未來空間試驗(yàn)提供重要技術(shù)支撐。

其主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）測量頻率范圍：0.001～1Hz；

2）量程：±(2.0±0.2)×10-4m/s2；

3）測量分辨率：3.0×10-10m/（s2·Hz-1/2）。

4 主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

在空間站階段，將支持開展大規(guī)?？臻g流體、空間材料與微重力基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)要求比航天器平臺高1～2個數(shù)量級的微重力環(huán)境，這就需要解決航天器上的微振動帶來的不利影響。天舟－1上搭載的主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，是國內(nèi)首次在軌進(jìn)行六自由度磁懸浮主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，評估六自由度主動隔振控制技術(shù)，為空間站高微重力實(shí)驗(yàn)提供解決方案，也將使我國成為繼美國、加拿大之后第三個在軌采用主動隔振控制技術(shù)服務(wù)于空間微重力實(shí)驗(yàn)的國家。

主動隔振裝置的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

1）f≤0.5Hz，微重力加速度＜9×10-5m/s2；

2）0.5Hz＜f≤100Hz，微重力加速度≤1.8f×10-4m/s2；

3）f＞100Hz，微重力加速度＜1.8×10-2m/s2。

5 載人空間站科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)展望

我國載人空間站將于2019－2022年間進(jìn)行建造，規(guī)劃部署了密封艙內(nèi)的10余個科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜和密封艙外的若干重大研究設(shè)施，將在軌運(yùn)行10年以上，支持空間生命科學(xué)和生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間天文與天體物理學(xué)、空間物理與空間環(huán)境、空間地球科學(xué)及應(yīng)用、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等8個研究方向，以及31個研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目滾動實(shí)施。通過載人空間站的建造與長期運(yùn)營，期望在空間科學(xué)前沿探索重點(diǎn)方向進(jìn)入世界先進(jìn)行列，取得一批具有國際影響的重大發(fā)現(xiàn)，使我國空間科學(xué)整體水平跨上新臺階；在空間應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展，突破和掌握一批戰(zhàn)略性空間應(yīng)用新技術(shù)和關(guān)鍵核心技術(shù)，引領(lǐng)我國未來空間應(yīng)用技術(shù)發(fā)展；面向國家迫切需求的重大應(yīng)用問題，提供先進(jìn)解決方案，取得重大應(yīng)用效益。