國(guó)際空間站俄羅斯艙段20年主要科研活動(dòng)及未來(lái)部署綜述

范唯唯，楊 帆，韓 淋，王海名

(中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院,北京100190)

1 引言

2018年,國(guó)際空間站(International Space Station,ISS)迎來(lái)在軌運(yùn)行20周年。ISS是以美俄為首、多國(guó)合作建設(shè)的、可保障在近地軌道開展基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究的多功能科學(xué)實(shí)驗(yàn)室,為在微重力環(huán)境下開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供了大量實(shí)驗(yàn)載荷和資源,支持人在地球軌道長(zhǎng)期駐留。ISS開展的實(shí)驗(yàn)研究整體上明顯呈現(xiàn)逐年遞增之勢(shì),應(yīng)用活動(dòng)蓬勃發(fā)展,相關(guān)效益日益彰顯。

ISS主要分為美國(guó)部分和俄羅斯部分,俄羅斯艙段占據(jù)整個(gè)ISS的“半壁江山”,目前包括“曙光”號(hào)多功能貨艙、“星辰”號(hào)服務(wù)艙、“碼頭”號(hào)對(duì)接艙、“搜尋”號(hào)和“黎明”號(hào)小型研究模塊共5個(gè)艙段。截至第53/54次長(zhǎng)期考察任務(wù)(2018年2月28日),俄羅斯艙段共執(zhí)行36次考察任務(wù),開展了175項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),取得一系列科研成果,為后續(xù)空間科學(xué)研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。未來(lái)俄羅斯還將建造并發(fā)射3個(gè)艙段,有望在2024年ISS結(jié)束任務(wù)前完成全部7個(gè)俄羅斯艙段的部署,并在新艙段的基礎(chǔ)上,建立獨(dú)立運(yùn)行的本國(guó)軌道空間站,持續(xù)開展科研活動(dòng),擴(kuò)大應(yīng)用效益。

本文就20年來(lái)ISS俄羅斯艙段整體科研情況進(jìn)行綜合分析,梳理各研究領(lǐng)域的重要科研成果,對(duì)具有代表性的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入解讀,并簡(jiǎn)要剖析俄羅斯艙段2024年后的規(guī)劃部署和未來(lái)走向,為我國(guó)規(guī)劃空間站研究活動(dòng)和未來(lái)發(fā)展空間基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展提供借鑒與參考。

2 俄羅斯艙段科研活動(dòng)分析

2.1 主要研究方向

早在正式建設(shè)ISS之前,俄羅斯就已經(jīng)開始規(guī)劃未來(lái)ISS俄羅斯艙段的科學(xué)應(yīng)用研究工作。1994年,在俄羅斯科學(xué)應(yīng)用研究和載人航天實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基礎(chǔ)上,俄羅斯航空航天局(現(xiàn)為俄羅斯航天國(guó)家集團(tuán)公司,Roscosmos)和俄羅斯科學(xué)院共同成立了科學(xué)技術(shù)協(xié)調(diào)委員會(huì),負(fù)責(zé)高效完成載人航天任務(wù)中的科學(xué)應(yīng)用研究計(jì)劃［1］,制定《國(guó)際空間站俄羅斯艙段長(zhǎng)期科學(xué)應(yīng)用研究計(jì)劃》,明確了俄羅斯艙段的研究領(lǐng)域［2］。目前執(zhí)行的是2017年修訂的版本,包括技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、人體研究、教育活動(dòng)與推廣、生物學(xué)與生物技術(shù)、物理科學(xué)及地球與空間科學(xué)等6大研究領(lǐng)域［3］。

截至第53/54次長(zhǎng)期考察任務(wù),俄羅斯艙段共執(zhí)行了36次考察任務(wù),在6個(gè)領(lǐng)域開展175項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),各研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。可以看出,俄羅斯艙段有一半以上的實(shí)驗(yàn)都是人體研究和生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的研究,分別為47和44項(xiàng),其次是開發(fā)與驗(yàn)證和地球與空間科學(xué)領(lǐng)域的研究。

有的實(shí)驗(yàn)會(huì)在多次考察任務(wù)中開展,實(shí)驗(yàn)次數(shù)可以反映出研究的持續(xù)性。各研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示,可以看出絕大多數(shù)研究領(lǐng)域的持續(xù)性態(tài)勢(shì)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)比例基本相符,人體研究和生物學(xué)與生物技術(shù)仍是重點(diǎn)關(guān)注的研究領(lǐng)域,其中生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)開展的次數(shù)最多,共計(jì)656次。

按照長(zhǎng)期考察任務(wù)次序統(tǒng)計(jì)各研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)開展情況,如圖3?？梢钥闯?俄羅斯艙段開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)量呈整體上升趨勢(shì),物理科學(xué)、地球與空間科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)基本平穩(wěn),而生物學(xué)與生物技術(shù)、人體研究、技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證等3個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)波動(dòng)幅度較大,教育活動(dòng)和推廣領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)曾中斷很長(zhǎng)時(shí)間,從第15次考察任務(wù)開始才恢復(fù)并保持平穩(wěn)。第35/36至43/44次考察任務(wù)期間,俄羅斯艙段的人體研究領(lǐng)域項(xiàng)目增長(zhǎng)明顯,實(shí)驗(yàn)由5項(xiàng)增至25項(xiàng),此后也繼續(xù)保持平均18項(xiàng)/期的水平。

2.2 重要科研實(shí)驗(yàn)及代表性成果

2.2.1 技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證

技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證旨在發(fā)展并改進(jìn)空間技術(shù)及其組件,開發(fā)新的空間技術(shù)提高艙段利用率,開發(fā)未來(lái)空間基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵組件。俄羅斯艙段主要開展天-地空間系統(tǒng)和航天器技術(shù)開發(fā)、可靠性保障與降低飛行和科研風(fēng)險(xiǎn)等方向的研究。

空間站運(yùn)行維護(hù)方面,俄羅斯艙段重點(diǎn)關(guān)注平臺(tái)各技術(shù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。例如“辨識(shí)”實(shí)驗(yàn),是俄羅斯艙段開展時(shí)間最久的實(shí)驗(yàn),旨在探究空間站處于不同動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)(如對(duì)接、軌道校正和出艙活動(dòng)等),俄羅斯艙段結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)載荷和技術(shù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的加速度水平［4］?！皬澢睂?shí)驗(yàn)累計(jì)開展31次,旨在監(jiān)測(cè)ISS重力環(huán)境,建立空間站重力環(huán)境和對(duì)流過程的數(shù)學(xué)模型,研究“進(jìn)步-M”號(hào)貨運(yùn)飛船在不同載荷模式下的運(yùn)行狀態(tài),確定飛船的微重力環(huán)境參數(shù)［5］。

軌道控制方面,俄羅斯艙段側(cè)重評(píng)估艙段慣量、提高姿態(tài)控制精度。例如“張量”實(shí)驗(yàn)是建站初期曾多次開展的實(shí)驗(yàn),旨在獲取ISS運(yùn)行及導(dǎo)航管理系統(tǒng)傳感器信息和安裝在空間站外部的攝像機(jī)信息,測(cè)定空間站動(dòng)力學(xué)參數(shù)(慣性矩、氣動(dòng)學(xué)參數(shù)和重心位置等),提高空間站控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型精度［6］?！皣?guó)際空間站環(huán)境”實(shí)驗(yàn)累計(jì)開展24次,是一項(xiàng)ISS動(dòng)態(tài)特性綜合研究,考慮空間站結(jié)構(gòu)變形因素,監(jiān)測(cè)科學(xué)儀器和傳感器的空間位置、參數(shù),記錄磁參數(shù)和在軌微重力擾動(dòng)情況［7］。

先進(jìn)技術(shù)開發(fā)方面,俄羅斯艙段開展了“回路”系列實(shí)驗(yàn)［8］：“回路-1”開發(fā)并研究通過公共網(wǎng)絡(luò)安全操作遠(yuǎn)程機(jī)器人的方法,并考慮無(wú)法預(yù)知的網(wǎng)絡(luò)延遲因素；“回路-2”測(cè)試機(jī)器人遙控技術(shù),服務(wù)未來(lái)太陽(yáng)系探測(cè)任務(wù)。

2.2.2 物理科學(xué)

物理科學(xué)旨在研究微重力環(huán)境下各種物理和化學(xué)過程；空間材料科學(xué),制備在陸地條件下無(wú)法獲取或難以獲取的新物質(zhì)與材料；地面技術(shù)現(xiàn)代化研究；為先進(jìn)載人空間設(shè)施和無(wú)人探測(cè)器開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。俄羅斯艙段主要開展晶體培育、新材料獲取過程、燃燒和合成物理學(xué)、流體物理學(xué)、有序的等離子塵埃結(jié)構(gòu)等方向的研究。

雖然俄羅斯艙段開展的物理科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)不多,但每個(gè)實(shí)驗(yàn)都持續(xù)開展了很長(zhǎng)時(shí)間,體現(xiàn)出目標(biāo)專一的特點(diǎn)。例如“等離子晶體”實(shí)驗(yàn),累計(jì)開展33次,其中4次是和歐洲空間局(ESA)合作進(jìn)行的；重點(diǎn)研究高頻電容放電時(shí)氣體排出的等離子塵埃結(jié)構(gòu)和直流輝光放電時(shí)等離子體中的等離子塵埃結(jié)構(gòu),宇宙輻射紫外線對(duì)宏觀離子的影響,以及太陽(yáng)紫外線、等離子體流和電離輻射的影響下宇宙空間里等離子塵埃的結(jié)構(gòu)［9］。另一項(xiàng)長(zhǎng)期開展的實(shí)驗(yàn)是“晶體皿”實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)探究蛋白質(zhì)結(jié)晶的物理過程,以期得到適用于X射線分析的蛋白質(zhì)單晶結(jié)構(gòu),并用人工外延法分析溶液的生物結(jié)晶膜,開發(fā)大量蛋白質(zhì)晶化的設(shè)備和方法［10］ 。

2.2.3 地球與空間科學(xué)

地球與空間科學(xué)旨在研究地球表面、大氣層和電離層的物理過程。俄羅斯艙段主要開展大氣和下層表面研究、研究并識(shí)別自然和人為災(zāi)害、遙感新方法和新技術(shù)開發(fā)、測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證、信息儲(chǔ)存與數(shù)據(jù)交換新技術(shù)開發(fā)等方向的研究。

地球環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面,俄羅斯艙段開展的一些實(shí)驗(yàn)延續(xù)了和平號(hào)空間站的工作,例如“颶風(fēng)”實(shí)驗(yàn),累計(jì)開展34次,從俄羅斯艙段監(jiān)測(cè)和記錄災(zāi)害性事件的產(chǎn)生發(fā)展,制定分類標(biāo)準(zhǔn),并解析災(zāi)害發(fā)生的特征［11］?！皾O船”實(shí)驗(yàn)利用航天員的觀測(cè)結(jié)果,尋找多種水生生物潛在捕撈區(qū),為創(chuàng)建世界各大洋漁業(yè)資源信息庫(kù)做準(zhǔn)備,并為制定漁業(yè)科學(xué)探索和工業(yè)開發(fā)計(jì)劃提供建議［12］?！拔⒉ㄝ椛溆?jì)”實(shí)驗(yàn)開發(fā)利用分米級(jí)電磁波進(jìn)行地球遙感測(cè)量的方法,測(cè)定土壤含水量、植被覆蓋參數(shù)和海洋鹽度［13］。

地球高層大氣研究方面,俄羅斯艙段側(cè)重獲取有關(guān)大氣放電現(xiàn)象的新知識(shí),發(fā)展逃逸電子擊穿動(dòng)力學(xué)理論。例如“環(huán)境”實(shí)驗(yàn),利用技術(shù)和儀器手段監(jiān)測(cè)低頻電磁波,測(cè)量電離層最活躍區(qū)域(F2層)的等離子波,建立地球電離層電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),幫助監(jiān)測(cè)和預(yù)防發(fā)生災(zāi)難性變化［14］。俄羅斯艙段還在建站初期和運(yùn)行中期開展了“閃電”系列實(shí)驗(yàn)：“閃電-SM”研究地球大氣層和電離層中與雷暴和地震活動(dòng)相關(guān)的光輻射,統(tǒng)計(jì)全球中、低緯度地區(qū)雷暴活動(dòng)數(shù)據(jù),研究地震活躍區(qū)夜空發(fā)光現(xiàn)象；“閃電-伽馬”研究雷暴活動(dòng)期間的大氣伽馬射線暴和光輻射,成功通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Sprite放電現(xiàn)象和Jet放電現(xiàn)象,證實(shí)Sprite和Jet是高空大氣擊穿時(shí)產(chǎn)生的逃逸電子理論［15］。

空間物理研究方面,俄羅斯艙段重點(diǎn)研究太陽(yáng)活動(dòng)、地球磁層、電離層狀態(tài)及其相互關(guān)系。例如“BTN-中子”實(shí)驗(yàn),累計(jì)開展23次,旨在建立太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生帶電和中性粒子的物理模型和地球大氣層中子反射率物理模型,并考慮氦氣、地球物理環(huán)境、測(cè)量點(diǎn)經(jīng)緯度變化、晝夜時(shí)間、光照條件和大氣狀態(tài)的影響［16］。

2.2.4 人體研究

人體研究是俄羅斯載人航天科研計(jì)劃中最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一,旨在獲取保障載人航天飛行的醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù),包括未來(lái)月球和火星飛行,解決生命科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題。俄羅斯艙段主要開展空間醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、生理心理學(xué)、輻射物理學(xué)、人體各系統(tǒng)、航天員關(guān)系和活動(dòng)等方向的研究。

如何保障航天員執(zhí)行長(zhǎng)期飛行任務(wù)期間的健康狀態(tài)是每次載人任務(wù)需要優(yōu)先考慮的問題。俄羅斯在該領(lǐng)域多次開展系列實(shí)驗(yàn),通過持續(xù)性研究,獲取準(zhǔn)確的人體變化數(shù)據(jù)。例如“章魚”系列實(shí)驗(yàn)［17］：“章魚-MBI”測(cè)定細(xì)胞內(nèi)液與細(xì)胞外液的總量、體液總量、血液總量以及血細(xì)胞占血液的比例；“章魚-2”旨在研究長(zhǎng)期空間飛行條件下人體動(dòng)力學(xué)和體液分布,開發(fā)評(píng)估人體適應(yīng)機(jī)制和預(yù)防失重對(duì)人體造成不利影響的方法［18］?！把乐堋毕盗袑?shí)驗(yàn)［19］：“牙周-1”研究牙周組織狀態(tài),測(cè)定口腔液的免疫球蛋白濃度和口腔微生物抗體與病原體比例,研究牙周微生物特性,探究牙周病預(yù)防方法；“牙周-2”評(píng)估空間飛行條件下牙周微生物檢測(cè)方法及其效果。 “預(yù)防”系列實(shí)驗(yàn)［20］：“預(yù)防-1”探究由失重引發(fā)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病預(yù)防方法的有效性和作用機(jī)理；“預(yù)防-2”研究在長(zhǎng)期空間飛行條件下,不同種類的體育鍛煉對(duì)航天員身體和生理健康狀態(tài)的影響與機(jī)制,測(cè)定不同飛行階段航天員進(jìn)行肌電運(yùn)動(dòng)和自行車訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的能量消耗和肌電值,評(píng)估不同生理監(jiān)測(cè)方法的信息量,研究不同訓(xùn)練模式對(duì)航天員工作效率的影響,開發(fā)監(jiān)測(cè)航天員身體健康的新方法。

2015年3月,Roscosmos與美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)各派出1名航天員合作開展了一年期人體研究項(xiàng)目,以評(píng)估長(zhǎng)期空間飛行對(duì)人體的影響,共包括8項(xiàng)實(shí)驗(yàn)［21］：①“認(rèn)知”實(shí)驗(yàn)研究疲勞對(duì)復(fù)雜神經(jīng)認(rèn)知功能的影響；②“精細(xì)動(dòng)作”實(shí)驗(yàn)研究失重狀態(tài)對(duì)人體感知和運(yùn)動(dòng)功能的影響；③“視覺器官健康”實(shí)驗(yàn)研究顱內(nèi)壓視力障礙的產(chǎn)生機(jī)制及其預(yù)防、治療措施；④“反應(yīng)自檢”實(shí)驗(yàn)研究航天員的心理變化；⑤“睡眠監(jiān)控”實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)、記錄航天員的夢(mèng),研究其與環(huán)境光線的關(guān)系；⑥“協(xié)作實(shí)驗(yàn)-2”研究ISS多國(guó)航天員間的人際和互動(dòng)關(guān)系；⑦“體液轉(zhuǎn)移”實(shí)驗(yàn)研究長(zhǎng)期空間飛行之前、期間和之后體液轉(zhuǎn)移與顱內(nèi)壓和視力損傷的關(guān)系；⑧“飛行員-T”實(shí)驗(yàn)通過記錄航天員完成復(fù)雜操作任務(wù)的情況,評(píng)估和預(yù)測(cè)航天員的專業(yè)可靠性。航天員返回地球后,NASA對(duì)執(zhí)行一年期任務(wù)的航天員進(jìn)行了多項(xiàng)功能性測(cè)試(如肌肉敏捷性、姿勢(shì)控制和保護(hù)穩(wěn)定),初步結(jié)果表明［22］：執(zhí)行一年期任務(wù)的航天員與在軌生活6個(gè)月的航天員的表現(xiàn)不存在顯著差異；但與執(zhí)行6個(gè)月任務(wù)的航天員相比,由于身體行動(dòng)力的變化,執(zhí)行一年期任務(wù)的航天員所需的重力再適應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

2.2.5 生物學(xué)與生物技術(shù)

生物學(xué)與生物技術(shù)是俄羅斯艙段實(shí)驗(yàn)開展次數(shù)最多的研究領(lǐng)域,旨在研究空間飛行狀態(tài)下生物體(動(dòng)物、植物、微生物、細(xì)胞)的生命活動(dòng),生物組織破壞過程,器官和組織再生特性,細(xì)胞間相互作用,生物技術(shù)產(chǎn)品試驗(yàn)性開發(fā),獲取關(guān)于生命科學(xué)基本問題的新認(rèn)識(shí)。俄羅斯艙段主要開展蛋白質(zhì)晶體分析、高純度生物制劑制造、生物對(duì)象所需特性的細(xì)胞培養(yǎng)、在軌制備醫(yī)療和生物技術(shù)產(chǎn)品的生物工藝學(xué)等方向的研究。

微生物學(xué)研究方面,俄羅斯艙段重點(diǎn)關(guān)注與航天生態(tài)安全相關(guān)的問題［23］。例如“生物風(fēng)險(xiǎn)”實(shí)驗(yàn),通過獲取細(xì)菌-真菌團(tuán)、典型微生物群的表型自適性和基因的變化表現(xiàn)(邊界)數(shù)據(jù),證明一些隱生和處于休眠狀態(tài)的生物(細(xì)菌、真菌、動(dòng)物和植物)長(zhǎng)期暴露(2年7個(gè)月)于空間輻射環(huán)境后,仍具有生命力［24］。

植物生物學(xué)研究方面,俄羅斯艙段開展了“植物”系列實(shí)驗(yàn),連續(xù)種植了4代豌豆,作為空間生命保障系統(tǒng)的一部分,旨在解決未來(lái)溫室基礎(chǔ)生物學(xué)和優(yōu)化植物栽培模式問題,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明［25］：長(zhǎng)期空間飛行條件下可以種植植物,且繼續(xù)種植植物種子,培育出的下一代植物不會(huì)喪失原有遺傳功能。

動(dòng)物生物學(xué)研究方面,俄羅斯艙段開展了“再生”系列實(shí)驗(yàn),評(píng)估失重對(duì)動(dòng)物受損器官和組織在結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)方面的影響,以及空間飛行中異常情況(在軌飛行、恒溫、超重、輻射、振動(dòng))對(duì)動(dòng)物組織再生的影響［26］。

細(xì)胞生物學(xué)研究方面,俄羅斯艙段開展了“恒量”系列實(shí)驗(yàn)：“恒量-1”測(cè)定空間飛行因素對(duì)特殊培養(yǎng)基里的酶制劑樣品活性的影響,“恒量-2”獲取空間因素對(duì)人類淋巴細(xì)胞和小鼠骨髓細(xì)胞成活率和遺傳組織狀態(tài)影響的新數(shù)據(jù)［27］。

2.2.6 教育活動(dòng)和推廣

教育活動(dòng)與推廣旨在推廣空間研究,宣傳俄羅斯航天取得的成就,開展以教育為目的的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和空間主題課程。

俄羅斯的航天類院校積極利用俄羅斯艙段開展教育活動(dòng)研究,并在空間科學(xué)教育-中小學(xué)科研衛(wèi)星計(jì)劃框架下開展微小衛(wèi)星釋放活動(dòng)。例如“國(guó)際-莫斯科航空學(xué)院-75”實(shí)驗(yàn),將超微型衛(wèi)星“suitsat”安置在廢舊航天服“海鷹-M”上,向莫斯科航空學(xué)院發(fā)送語(yǔ)音信息和圖像,支持通信會(huì)話,方便高校用戶獲取航天器控制方面的經(jīng)驗(yàn)［28］。“齊奧爾科夫斯基國(guó)立技術(shù)大學(xué)-75”實(shí)驗(yàn),視頻演示預(yù)先壓實(shí)的聚氨酯泡沫坯樣品加熱后恢復(fù)和冷卻定型過程,為學(xué)生提供地面實(shí)驗(yàn)室和空間環(huán)境下研究多孔聚合物材料結(jié)構(gòu)的實(shí)踐機(jī)會(huì)［29］。

3 未來(lái)俄羅斯艙段部署

目前國(guó)際空間站共有5個(gè)俄羅斯艙段,包括：“曙光”號(hào)多功能貨艙、“星辰”號(hào)服務(wù)艙、“碼頭”號(hào)對(duì)接艙、“搜尋”號(hào)和“黎明”號(hào)小型研究模塊［30］。2000年7月發(fā)射的“星辰”號(hào)服務(wù)艙是國(guó)際空間站上首個(gè)用于開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)的艙段,時(shí)隔9年后,俄羅斯于2009年11月和2010年5月先后發(fā)射“搜尋”號(hào)和“黎明”號(hào)小型研究模塊用于開展空間實(shí)驗(yàn),“星辰”號(hào)的科研壓力得以部分緩解。但由于“星辰”號(hào)和“黎明”號(hào)艙段空間有限,目前俄羅斯艙段超過50%的實(shí)驗(yàn)仍在“星辰”號(hào)服務(wù)艙完成。

隨著俄羅斯《2016－2025聯(lián)邦航天計(jì)劃》的逐步落實(shí),未來(lái)俄羅斯空間站規(guī)劃日益清晰。未來(lái)三年,俄羅斯還將向國(guó)際空間站發(fā)射“科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙(以取代“碼頭”號(hào)對(duì)接艙［31］)、“系留”號(hào)節(jié)點(diǎn)艙和科學(xué)動(dòng)力艙3個(gè)艙段［32-33］,《2016－2025聯(lián)邦航天計(jì)劃》為這三個(gè)艙段提供106億盧布(約合1.8億美元)撥款。俄羅斯擬在2024年ISS結(jié)束任務(wù)前完成全部7個(gè)俄羅斯艙段的部署,并確保其正常運(yùn)行。此后,在這3個(gè)新艙段的基礎(chǔ)上,建立本國(guó)空間軌道站,示意圖如圖4所示［34］。根據(jù)《2024年前國(guó)際空間站俄羅斯艙段長(zhǎng)期科學(xué)應(yīng)用研究計(jì)劃》,“科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙將作為安置科研設(shè)備的重要艙段,承擔(dān)大部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究任務(wù),保障俄羅斯艙段的高效利用。

3.1 “科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙

“科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙的研究工作始于1995年,最初被當(dāng)作“曙光”號(hào)多功能貨艙的備用艙,后于2004年作為獨(dú)立的科學(xué)艙進(jìn)行研發(fā),并計(jì)劃于2007年發(fā)射。出于種種原因,“科學(xué)”號(hào)的發(fā)射被不斷推遲。2013年12月,“科學(xué)”號(hào)推進(jìn)系統(tǒng)管道出現(xiàn)堵塞,送回赫魯尼切夫國(guó)家航天科研生產(chǎn)中心進(jìn)行檢修,并停放至今?！翱茖W(xué)”號(hào)設(shè)計(jì)質(zhì)量超過20 t,可以安裝3 t的科學(xué)設(shè)備,其主要功能包括：為運(yùn)輸飛船(“聯(lián)盟-TM”型載人飛船、“進(jìn)步-M”型貨運(yùn)飛船及其改型飛船)和研究模塊提供對(duì)接泊位；從“進(jìn)步-M”型貨運(yùn)飛船向“星辰”號(hào)服務(wù)艙和“曙光”號(hào)多功能貨艙運(yùn)輸燃料；利用其推進(jìn)裝置控制ISS傾斜姿態(tài)；提供存儲(chǔ)空間；維護(hù)部分生命保障功能；安置歐洲機(jī)械臂ERA并保障其運(yùn)行；配置并保障科學(xué)設(shè)備運(yùn)行。根據(jù)俄媒最新消息,“科學(xué)”號(hào)可能于2019年發(fā)射［35］。

3.2 “系留”號(hào)節(jié)點(diǎn)艙

“系留”號(hào)節(jié)點(diǎn)艙于2014年開始制造,提供6個(gè)對(duì)接泊位,可與“科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙、科學(xué)動(dòng)力艙、“聯(lián)盟-TMA”型載人飛船和“進(jìn)步-M”型貨運(yùn)飛船對(duì)接［33］。

3.3 科學(xué)動(dòng)力艙

科學(xué)動(dòng)力艙主要用于開展空間站實(shí)驗(yàn),并保障俄羅斯艙段的電力供應(yīng)。目前,俄羅斯艙段的電力資源需從美國(guó)艙段購(gòu)買,美國(guó)艙段的太陽(yáng)能電池板可以產(chǎn)生32 kW的電能。未來(lái),科學(xué)動(dòng)力艙將提供不少于18 kW的電能,可以滿足全部俄羅斯艙段的電力需求。此外,科學(xué)動(dòng)力艙還可使俄羅斯航天員的居住空間擴(kuò)展近1/3［33］。

4 結(jié)論

1)俄羅斯艙段實(shí)驗(yàn)別具特點(diǎn),新知識(shí)助力國(guó)家發(fā)展

從1998年國(guó)際空間站第一個(gè)艙段“曙光”號(hào)發(fā)射以來(lái),俄羅斯艙段歷經(jīng)十余年完成建設(shè),目前共有5個(gè)艙段。截至53/54次長(zhǎng)期考察任務(wù),俄羅斯艙段在6個(gè)研究領(lǐng)域累計(jì)開展了175項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),其中以人體研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)最多。俄羅斯艙段的實(shí)驗(yàn)具有目標(biāo)聚焦、累計(jì)開展次數(shù)多、延續(xù)性強(qiáng)的特點(diǎn),一些重要的研究領(lǐng)域,如生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域和人體研究領(lǐng)域,常開展系列實(shí)驗(yàn),且每期實(shí)驗(yàn)的研究重點(diǎn)圍繞總目標(biāo)逐步深入。

從實(shí)際效果看,俄羅斯艙段利用獨(dú)特的微重力環(huán)境不斷獲取和積累各研究領(lǐng)域的新知識(shí),并將研究成果應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn),在促進(jìn)航天技術(shù)發(fā)展的同時(shí),也產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益：技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)旨在完善航天設(shè)備和技術(shù),為未來(lái)深空飛行做準(zhǔn)備；地球與空間科學(xué)、物理科學(xué)領(lǐng)域的研究成果增進(jìn)人們對(duì)地球和宇宙空間環(huán)境的理解與認(rèn)識(shí)；根據(jù)人體研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)成果開發(fā)出的醫(yī)學(xué)檢測(cè)和治療儀器、康復(fù)訓(xùn)練方法等已經(jīng)成功在臨床上得到應(yīng)用；生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的部分成果幫助開發(fā)高效的新型藥物,使民眾受益；在俄羅斯艙段實(shí)施的教育計(jì)劃極大地鼓舞了年輕人投身航天事業(yè),為國(guó)家持續(xù)輸送航天人才。

2)俄羅斯艙段建設(shè)持續(xù)推進(jìn),未來(lái)獨(dú)立運(yùn)行或成定局

2015年,俄羅斯總統(tǒng)普京曾表示,俄羅斯需要利用自己的軌道空間站對(duì)國(guó)家領(lǐng)土進(jìn)行觀測(cè)［36］。2016年 3月,俄羅斯政府批準(zhǔn)《2016－2025聯(lián)邦航天計(jì)劃》,將“完成國(guó)際空間站俄羅斯7個(gè)艙段的部署”列為未來(lái)十年航天計(jì)劃的主要任務(wù)之一,并特別提出“保障在國(guó)際空間站任務(wù)結(jié)束后,仍可在3個(gè)新艙段的基礎(chǔ)上建立俄羅斯軌道空間站”［33］。

目前俄羅斯共有5個(gè)艙段在軌運(yùn)行,其中“星辰”號(hào)服務(wù)艙、“搜尋”號(hào)和“黎明”號(hào)小型研究模塊等3個(gè)艙段可以開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。未來(lái)幾年,俄羅斯還將發(fā)射3個(gè)艙段,持續(xù)推進(jìn)空間站建設(shè),新增“科學(xué)”號(hào)多功能實(shí)驗(yàn)艙和科學(xué)動(dòng)力艙將作為科研艙段,極大提升俄羅斯艙段的利用率。從目前掌握的情況來(lái)看,俄羅斯艙段建設(shè)正在按計(jì)劃進(jìn)行。

與此同時(shí),俄羅斯積極參與空間基礎(chǔ)設(shè)施國(guó)際合作。2015年與國(guó)際空間站各參與國(guó)達(dá)成協(xié)議,同意延長(zhǎng)國(guó)際空間站運(yùn)行時(shí)間至2024年。2017年,Roscosmos與NASA簽署深空探索及開發(fā)聯(lián)合聲明,提出共同建立“深空門戶”近月軌道平臺(tái),在月表和近月軌道開展科學(xué)研究［37］。

總體判斷,俄羅斯采取“兩條腿走路”的務(wù)實(shí)策略,在開展國(guó)際合作的同時(shí),穩(wěn)步推進(jìn)自己的空間站計(jì)劃,未來(lái)獨(dú)立運(yùn)行或成定局。