2017年國際空間站科研與應用進展

韓 淋，范唯唯，楊 帆，王海名

（中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京100190）

1 引言

國際空間站是一個擁有現(xiàn)代化科研設備，可開展大規(guī)模、多學科的基礎和應用科學研究的空間實驗室。經過近20年的運營，國際空間站已迎來空間科研應用活動的高峰期，各國航天局都積極謀劃在2024年國際空間站計劃結束之前，最大限度地發(fā)揮其科研應用價值。目前，對國際空間站科研應用活動及產出成果的分析主要包括基于學科領域發(fā)展的案例式定性闡述和關于國際空間站整體科研產出統(tǒng)計兩種［1-3］。本文基于美國國家航空航天局（NASA）和俄羅斯國家航天集團（Roscosmos）國際空間站計劃網站公布的信息［4-5］，全面回溯國際空間站2017年開展的科研實驗項目以及其中新實驗項目，希望為我國未來相關科研應用規(guī)劃提供參考。

2 2017年國際空間站科研應用活動概況

國際空間站上的科學實驗是按各次長期考察任務（Expedition）來規(guī)劃進行的。自2016年9月至2017年9月，國際空間站第49／50次和第51／52次長期考察任務在技術開發(fā)與驗證、人體研究、生物學與生物技術、物理科學、教育和文化活動及地球與空間科學6大研究領域開展了349項科學研究實驗。NASA、Roscosmos、歐洲航天局（ESA）、日本航空航天探索局（JAXA）和加拿大航天局（CSA）在6大研究領域支持開展的實驗項目數(shù)及其中新實驗的項數(shù)如表1所示。

表1 各航天局在各研究領域支持開展的實驗項數(shù)Table 1 The number of experiments by category＆agency

在第49～52次長期考察任務開展的全部349項實驗中，NASA支持開展195項，其中技術實驗最多，其次為生物學與生物技術實驗。Roscosmos共支持開展74項實驗，其中人體研究最多，生物和技術實驗次之。此外，ESA在人體研究和物理科學，JAXA在物理科學、人體研究和生物，以及CSA在人體研究方面支持開展的實驗項目數(shù)相對較多。在全部349項實驗中有149項為新實驗，其中114項由NASA支持開展，技術、生物、教育和物理科學領域的新實驗較多。

3 2017年國際空間站科研應用進展

3.1 技術開發(fā)與驗證實驗

技術開發(fā)與驗證實驗共計100項，其中48項為新實驗，NASA、ESA和Roscosmos分別支持開展了41項、4項和3項新實驗，小衛(wèi)星和控制技術、航電設備和軟件、航天器和軌道環(huán)境、輻射測量和防護等研究方向的新實驗最多。下面重點分析部分有代表性的新實驗。

“空間測試計劃-休斯敦”是美國國防部通過NASA、利用國際空間站平臺開展的系列實驗。在第49～52次長期考察任務中，共開展了11項該系列技術開發(fā)與驗證實驗?！案咝阅芸芍貥嬘嬎阒行目臻g處理器”實驗研究用于立方體衛(wèi)星、小型衛(wèi)星和其他小型航天器系統(tǒng)的微型空間計算機。“SpaceCube-Mini”實驗驗證該版本混合計算機處理器的性能。“自動化羽流哨兵”實驗研究到達的航天器的推進器與國際空間站的相互作用?！盁o線電掩星和紫外分光光度法共定位”實驗研究電離層的結構和變化?！凹晌⑿挽o電分析儀-再飛行”實驗測量等離子體的密度和能量，改進對電離層以及航天器在近地軌道的充電效應的預測。“臨邊成像電離層和熱層極紫外攝譜儀”實驗研究熱層和電離層，有助于更好理解和預測空間天氣?！翱馆椛潆娮哟鎯ζ鲗嶒灐毖芯侩娮哟鎯ζ髟诳臻g高能粒子輻射下的故障頻率?！昂教炱鹘Y構健康監(jiān)測研究”實驗監(jiān)測空間測試計劃設備上的零部件從組裝、測試至到達軌道所發(fā)生的變化，旨在發(fā)現(xiàn)確定設備失效的新方法?！皠?chuàng)新涂層實驗”研究近地軌道航天器采用的新型涂層長期暴露于空間環(huán)境的穩(wěn)定性?！岸渗f”實驗旨在驗證航天器自主實時導航系統(tǒng)?！半娏黧w動力學”實驗研究一種利用電場泵浦冷卻劑的原型泵。

NASA支持開展的“航天器火災實驗-2”和“航天器火災實驗-3”系列實驗在“天鵝座”飛船返航期間在空艙內燃燒多種材料的實驗樣本，結果有助于遴選空間應用的阻燃材料，以及理解火焰是如何在航天器中蔓延的。

ESA支持開展的EveryWear新實驗硬件是一個利用可穿戴式傳感器的動態(tài)數(shù)據采集系統(tǒng)，傳感器連接著與地面電腦無線同步的國際空間站平板電腦，可記錄和傳輸服務科學和醫(yī)療目的的各類生理學數(shù)據。

Roscosmos支持開展的“計時器”新實驗旨在綜合研究空間站的技術運行環(huán)境，確定俄羅斯艙段設備運行條件和要求，分析航天員所使用設備的效率和便利性，開發(fā)用以評估航天員出艙活動準備情況的自動系統(tǒng)。

52項實驗繼續(xù)開展，并取得多項亮點成果［6］：航天員開展的“ESA-觸覺-1”實驗，在空間遠程操控位于地面的機器人，并實現(xiàn)觸覺反饋，未來該技術有望用于從火星或月球軌道操控行星表面的機器人。革命性的“畢格羅可擴展活動艙（BEAM）”已經在國際空間站展開了一年多的時間，其性能成功獲得驗證。NASA與畢格羅公司在2017年底簽署新合同，將BEAM的測試時間延長至少3年，繼續(xù)研究其性能。

3.2 人體研究實驗

人體研究實驗共計66項，其中新實驗為11項，NASA、ESA、JAXA和Roscosmos分別資助了4項、3項、2項和2項新實驗，涉及免疫系統(tǒng)、神經和前庭系統(tǒng)、乘員醫(yī)療保健系統(tǒng)、人類行為和績效等研究方向，下面介紹部分新實驗。

NASA支持開展的“醫(yī)用耗材跟蹤”實驗利用無線電識別碼跟蹤國際空間站上的藥品和醫(yī)療用品，方便地面人員了解醫(yī)療用品的使用和剩余情況；“國際空間站高保真模擬和飛行研究期間測試利用固態(tài)照明改善生理適應、睡眠和績效”實驗測試航天員在日間活動期間使用固態(tài)發(fā)光二極管照明的效果，評估固態(tài)照明使用時間規(guī)劃表對航天員視覺、睡眠、警覺性、晝夜節(jié)律以及整體健康狀況的影響。

ESA支持開展的GRIP實驗研究長期空間飛行對人在操作物體時調節(jié)握力和上肢軌跡的能力的影響；“透視”實驗利用頭盔提供的虛擬現(xiàn)實環(huán)境量化航天員對視覺信息的反應，研究人體認知功能適應微重力環(huán)境時產生的變化。

JAXA支持開展的“空間生態(tài)系統(tǒng)中人體微生物代謝串擾的多組學分析”實驗結合對腸道中微生物成分、代謝物概況和免疫系統(tǒng)的測量數(shù)據，評估空間環(huán)境和益生菌對小鼠免疫功能的影響；“封閉微重力環(huán)境下評估持續(xù)攝入益生菌對航天員免疫功能和腸道微生物群的影響”實驗研究長期空間飛行中攝入干酪乳酸菌代田株能否改善航天員腸道菌群及免疫功能。

Roscosmos支持開展的“預防-2”實驗研究在長期空間飛行條件下，不同種類的體育鍛煉對航天員身體和生理健康狀態(tài)的影響與機制；Sarcolab實驗研究長期飛行狀態(tài)下航天員做出規(guī)定或受限收縮動作時肌肉肌腱和神經肌肉之間的關系。

55項人體研究實驗繼續(xù)開展，如航天員參與長期開展的“綜合阻抗和有氧訓練研究”實驗，探索利用高強度、低運動量的訓練來維持航天員的肌肉、骨骼和心血管健康，更好了解微重力對人體的影響。

3.3 生物學與生物技術實驗

生物學與生物技術實驗共計66項，其中新實驗為38項，NASA、Roscosmos和ESA分別支持開展了34項、3項和1項新實驗，細胞生物學、微生物學、動物生物學、植物生物學研究方向的新實驗較多，下面介紹部分新實驗。

NASA支持開展的“嚙齒類動物研究”系列研究開展了3項新實驗：“組織再生-骨缺損”實驗旨在了解受重力影響的傷口愈合機制；“NELL-1系統(tǒng)治療骨質疏松癥”實驗測試一種可以修復骨骼并減緩骨質流失的新藥；“空間環(huán)境對頭部、頸部、膝關節(jié)、髖關節(jié)以及眼部血液和淋巴管的影響”實驗研究微重力對嚙齒動物血液、淋巴管、肌肉和骨骼的影響，以及液壓對眼部和頭部的影響?！翱臻g科學促進中心-蛋白質晶體生長”系列研究開展了2項新實驗，分別研究乙酰膽堿酯酶和LRRK2晶體的生長。此外，新實驗“心肌細胞生物制造的成熟研究”旨在研究三維生物打印的心臟和血管細胞在微重力環(huán)境下的生長和發(fā)育；“微重力下干細胞擴增”利用國際空間站平臺培育人體干細胞用于臨床試驗并評估其治療效果；“微生物跟蹤-2-國際空間站致病性病毒、細菌和真菌的微生物觀測”將記錄和表征國際空間站上潛在的致病微生物，分析樣本微生物含量之間的關系以及潛在的健康影響。

此外，還有一項中國實驗“納米機架-北京理工大學-1-空間環(huán)境下在PCR反應中DNA錯配規(guī)律研究”采用美國納米機架公司提供的小型機架在國際空間站上開展，實驗旨在研究空間輻射及微重力環(huán)境對抗體編碼基因的突變影響，在一個月的空間飛行后機架被順利送返回地球。

Roscosmos支持開展的3項新實驗是：RR實驗旨在理解空間飛行中與組織再生／恢復相關的生物和分子過程的特性，在空間飛行條件下評估某些骨誘導劑的療效；Mikrovir實驗研究空間飛行對噬菌體溶菌速度的影響；Probiovit實驗旨在開發(fā)可在國際空間站上制作益生菌發(fā)酵乳的便利技術。

ESA支持開展的新實驗“幼苗生長-3”利用擬南芥研究重力對植物感光的細胞信號轉導機制的影響，以及在微重力環(huán)境下細胞生長和增殖對光刺激的響應。

28項生物學與生物技術實驗繼續(xù)開展，如航天員利用Veggie蔬菜生產系統(tǒng)載荷生長了多種綠葉蔬菜，了解植物對微重力的響應，并改進蔬菜培育技術，從而為長期空間飛行提供新鮮食物。2017年開展的“蔬菜硬件-03”實驗首次實現(xiàn)了在空間中同時生長多種綠葉蔬菜，航天員品嘗了部分蔬菜，其余的送回地面進一步研究。

3.4 物理科學實驗

物理科學實驗共計50項，其中新實驗為20項，ESA、NASA和Roscosmos分別資助了11項、8項和1項新實驗，材料科學和流體物理研究方向的新實驗較多，下面介紹部分新實驗。

ESA支持開展了10項利用電磁懸浮爐的新實驗?！半姶艖腋t連鑄鋼的激冷”實驗研究模擬連鑄產品表面凝固的冷卻工業(yè)合金鋼的表面形態(tài)，并分析獲得的微結構；“銅合金的過冷和分層”實驗研究在地面上難以混溶的銅鈷合金樣品的表面張力和界面張力；“呈現(xiàn)二十面體短程有序的過冷液態(tài)鈦鋯鎳的熱物理性能和凝固行為”實驗研究不同組成的過冷液態(tài)鈦鋯鎳的熱物理特性，并通過研究最大過冷條件下液體的流動效應來評估新的成核模型；“過冷熔體中的成核和相選擇現(xiàn)象研究與模擬：應用于工業(yè)相關磁性合金”實驗利用磁懸浮高速相機觀測鐵、鈷、鎳等磁性合金，研究磁性合金的亞穩(wěn)相形成；“非平衡凝固，工業(yè)合金微結構形成模擬”實驗研究插入液態(tài)鎳鋁合金與鋁銅合金的針棒周圍形成的微觀結構及其生長速度；“電磁對流下包晶合金的快速凝固”實驗研究熔體對流對包晶合金相選擇的影響；“高溫金屬的電阻率測量”實驗將校準和驗證樣品耦合電子器件，并測量鈮鎳合金和鋯鎳合金的電阻率；“微重力下熔融和過冷液態(tài)半導體的熱物理特性”實驗研究液態(tài)硅鍺合金的溫度與熱物理特性之間的關系；“液態(tài)合金的高精度熱物理特性數(shù)據用于模擬工業(yè)凝固過程”實驗研究液態(tài)工業(yè)合金的溫度與熱物理特性之間的關系；“非平衡多次相變：共晶凝固、調幅分解和玻璃形成”實驗研究逐步過冷下從共晶和枝晶凝固至調幅分解和玻璃形成的一系列相變過程。

部分NASA支持開展的新實驗包括：“先進燃燒微重力實驗”開展5項層流氣體非預混火焰實驗，旨在提高地面實際燃燒的燃料效率同時減少污染，并通過開展材料可燃性創(chuàng)新研究改進航天器防火；“碘化銦晶體非接觸生長”實驗采用非接觸方法生長高質量碘化銦晶體；“難以潤濕的表面”實驗旨在研究微重力對藥物原料溶解性的影響，結果有助于改善藥物遞送，改進空間和地面應用藥物的設計。

Roscosmos支持開展的新實驗“火光”旨在獲取數(shù)據并建立微重力條件下的碳氫燃料燃燒模型，以便在密閉艙體內建立消防安全系統(tǒng)。

30項物理科學實驗繼續(xù)開展。航天員利用安裝在國際空間站集成燃燒機架上的多用戶液滴燃燒裝置開展了“冷焰研究”實驗，有助于更好理解微重力下燃料的燃燒。

3.5 教育和文化活動

教育類實驗共計36項，其中21項為新實驗，NASA、CSA和ESA分別資助了18項、2項和1項新實驗，學生開發(fā)的新實驗最多，下面介紹部分新實驗。

NASA支持開展的新實驗中，13項利用納米機架開展，研究內容涉及動植物、蛋白質、微生物等生物學研究，流體、材料等物理學研究，以及環(huán)境傳感器等技術類研究等?！翱臻g中的基因”開展了3項系列實驗：“空間中的基因-2”實驗利用聚合酶鏈反應（PCR）和miniPCR系統(tǒng)探究是否可以在空間中增強DNA，從而測量和監(jiān)測空間飛行期間DNA的端粒變化；“空間中的基因-3”實驗旨在驗證是否可以在微重力環(huán)境下使用地面常規(guī)方法進行DNA擴增和樣本制備；“空間中的基因-4”實驗利用秀麗隱桿線蟲和小型化DNA檢定系統(tǒng)檢測空間高輻射微重力環(huán)境下熱休克蛋白的基因表達。在2017年底，“空間中的基因-3”實驗首次在國際空間站完成了從微生物樣品制備到基因測序的完整微生物鑒定流程，能夠實時鑒定國際空間站上的微生物而無需將其帶回地面進行鑒定，將革命性地改變空間探索過程中的微生物學研究。在空間中鑒定微生物的能力有助于實時診斷和治療航天員的疾病，并有助于鑒定其他行星上包含DNA的生命，同時國際空間站上的其他實驗也將受益。

CSA支持開展的新實驗包括：“音樂與空間”通過在國際空間站上播放音樂提高公眾關注度；“西紅柿-5”實驗對經歷過國際空間站環(huán)境的和地面上普通的西紅柿種子開展對比種植研究。“西紅柿”系列實驗為美國和加拿大的數(shù)百萬學生提供了親身參與空間科學研究的機會，也有助于相關深空任務研究，并能激發(fā)學生對科學的熱愛。

ESA支持開展的新實驗利用兩臺AstroPi電腦測量國際空間站內部環(huán)境，探測空間站移動狀態(tài)和地球磁場。

15項教育實驗繼續(xù)進行。在“國際空間站上的業(yè)余無線電”教育和推廣計劃下，航天員與地面上的業(yè)余無線電愛好者開展對話，使學生和民眾更好地了解國際空間站上的生活?！巴轿恢帽３?、軌道預定、再定向實驗衛(wèi)星-零-機器人”實驗由學生們?yōu)樵撔l(wèi)星編程并開展競賽，促進教育。

3.6 地球與空間科學實驗

地球與空間科學領域共開展了31項實驗，其中11項為新實驗，NASA和Roscosmos分別資助了9項和2項新實驗，研究方向涉及天體物理學、對地觀測、太陽物理學和日球層物理學，下面介紹部分新實驗。

NASA支持開展的“平流層氣溶膠和氣體實驗-III”于2017年2月運抵國際空間站，旨在通過對地球臭氧層、其他氣體、氣溶膠和大氣中的微小顆粒進行長期測量，幫助人類了解和保護地球大氣層；“中子星內部構成探測器”于2017年6月運抵國際空間站，旨在開展中子星測量，檢驗中子星內部物理學相關理論和模型，并測試X射線授時和導航技術；“國際空間站宇宙線能量和質量”實驗于2017年8月運抵國際空間站，旨在測量高能粒子，研究宇宙線的起源及歷史，深入了解宇宙基本結構。

美國國防部通過NASA開展了2項“空間測試計劃”系列新實驗：“法布里-珀羅甲烷光譜儀”實驗旨在驗證開發(fā)、建造和運行一種新型天基甲烷測量儀器，有助于解決甲烷分布、通量和趨勢等關鍵科學問題；“閃電成像傳感器”實驗旨在測量閃電的數(shù)量、速度和能量，提高對閃電及其與天氣的關系的認識。

Roscosmos支持開展的2項新實驗是：“場景”利用國際空間站上的遙感設備記錄地球上的災害現(xiàn)象，并根據觀查結果開發(fā)評估地球災害、潛在危險及環(huán)境問題的方法；“晨昏線”研究中層大氣上部和熱層底部的大氣分層結構。

此外，“阿爾法磁譜儀-02”、“量能器型電子望遠鏡”、“沿海海洋超光譜成像儀”等20項實驗繼續(xù)開展?！皬膰H空間站測量氣旋強度”實驗開展的天基風暴研究，利用自動相機從國際空間站上進行拍攝，測量風暴中心旋眼外的云頂高度，并通過結合其他數(shù)據，實現(xiàn)了可精確、實時測量強烈的熱帶氣旋強度的新技術。

4 結論

作為迄今最大型的空間科研與應用平臺，國際空間站正在充分發(fā)揮其重要價值。本文通過對國際空間站2016年9月至2017年9月開展的第49～52次長期考察任務科研應用活動的回溯，得出以下結論。

1）當前，國際空間站科研與應用活動非常活躍，實驗規(guī)模持續(xù)擴大，新實驗比例較高，科研應用成果亮點紛呈。自2015年起，國際空間站每年的4次長期考察任務都開展了超過300項實驗。在第49～52次長期考察任務中，6大研究領域共計開展了349項實驗，其中新實驗為149項，占實驗總數(shù)的43%。大規(guī)模的科研與應用活動已經產生各類成果。據NASA統(tǒng)計，截至2017年9月，國際空間站科研與應用活動已經產生1455篇期刊論文和426篇會議論文［3］?！爱吀窳_可擴展活動艙”性能成功獲得驗證、對冷焰燃燒現(xiàn)象開展深入研究、驗證在空間中鑒定微生物的可行性并建立完整流程、在空間遠程操控地面機器人、在空間生長多種綠葉蔬菜、優(yōu)化航天員在軌鍛煉方法等都是2017年極具代表性的科研與應用工作和成果。

2）各國航天局各有側重的研究領域，NASA支持開展的實驗數(shù)量最多。在第49～52次長期考察任務開展的全部349項實驗中，NASA實驗達195項，占實驗總數(shù)的56%，其中以技術開發(fā)、生物實驗為最多。NASA支持開展的新實驗共計114項，占NASA實驗總數(shù)的58%，占全部新實驗數(shù)（149項）的 77%。除 NASA外，Roscosmos、ESA、JAXA、CSA支持開展的實驗項數(shù)依次遞減。Roscosmos在人體研究、生物、技術開發(fā)，ESA在人體研究、物理科學、技術開發(fā)，JAXA在物理科學、人體研究、生物，以及CSA在人體研究方面支持開展的實驗數(shù)相對較多。

目前各國均已承諾將支持國際空間站至少運行至2024年，關于2024年后的規(guī)劃也在加緊醞釀中。在2017年9月召開的第68屆國際宇航大會上，NASA代理局長表示正在與各方合作伙伴探討在2024年后繼續(xù)運營國際空間站的可能性，JAXA局長稱現(xiàn)階段應重點關注如何充分利用國際空間站，以獲取更大收益。2017年9月，國際空間站美國艙段首次實現(xiàn)4人駐站，使航天員有更多時間開展科研活動?？梢灶A見，各國還將繼續(xù)加強國際空間站上的科研應用活動。