2018年國(guó)際空間站科研與應(yīng)用進(jìn)展

范唯唯，韓 淋，楊 帆，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

國(guó)際空間站是由美、俄牽頭，歐、日、加等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)參與的國(guó)際合作項(xiàng)目，于2011年基本建成，可支持6名航天員長(zhǎng)期駐留，是人類歷史上規(guī)模最大的空間設(shè)施和近地軌道太空實(shí)驗(yàn)室，用于開(kāi)展未來(lái)深空探索和載人飛行技術(shù)測(cè)試，產(chǎn)生的效益極大地改善了地球上人們的生活。本文基于美國(guó)國(guó)家航空航天局和俄羅斯“能源”火箭公司國(guó)際空間站項(xiàng)目數(shù)據(jù)和分類標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，就第53/54次和第55/56次長(zhǎng)期考察任務(wù)期間國(guó)際空間站空間科學(xué)與應(yīng)用整體研究情況及各領(lǐng)域研究進(jìn)展和新變化進(jìn)行綜合分析，揭示國(guó)際空間站科研發(fā)展新動(dòng)向和新特點(diǎn)。

2 科學(xué)研究與應(yīng)用概況

2.1 主要研究方向

2017年9月到2018年10月，國(guó)際空間站第53/54次和第55/56次長(zhǎng)期考察任務(wù)在技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證、人體研究、教育活動(dòng)和推廣、生物學(xué)與生物技術(shù)、物理科學(xué)及地球與空間科學(xué)6大研究領(lǐng)域開(kāi)展了389項(xiàng)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)[1-3]。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)、俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)(Roscosmos)、歐洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)和加拿大航天局(CSA)資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)及其中新實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)數(shù)如表1所示。

表1 各航天局在各研究領(lǐng)域支持開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Table 1 The number of experiments by category＆ agency

在第53～56次長(zhǎng)期考察任務(wù)開(kāi)展的全部389項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，NASA資助了239項(xiàng)，較2017年有較大提升，各領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)均領(lǐng)先于其他幾家機(jī)構(gòu)。其中技術(shù)實(shí)驗(yàn)最多，其次為生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)。Roscosmos共資助68項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，較去年略有下降，持續(xù)關(guān)注技術(shù)、生物學(xué)和人體研究。ESA和CSA資助的實(shí)驗(yàn)數(shù)量與2017年基本持平，重點(diǎn)聚焦人體研究。JAXA在除教育活動(dòng)外的其他5個(gè)領(lǐng)域布局均衡。

4次長(zhǎng)期考察任務(wù)共開(kāi)展了157項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，各航天局支持開(kāi)展的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)及與2017年對(duì)比見(jiàn)表2。NASA開(kāi)展的新實(shí)驗(yàn)數(shù)量最多，占任務(wù)期內(nèi)資助實(shí)驗(yàn)數(shù)量的52.3%。Roscosmos和CSA的新實(shí)驗(yàn)數(shù)量較少，以開(kāi)展延續(xù)性實(shí)驗(yàn)為主。ESA新實(shí)驗(yàn)占比37.5%，與去年基本持平，而JAXA的新實(shí)驗(yàn)比例較2017年有大幅增長(zhǎng)，由7%增至28.5%。

2.2 科學(xué)研究與應(yīng)用進(jìn)展

2.2.1 技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證在第53～56次長(zhǎng)期考察任務(wù)期間開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)數(shù)最多，共計(jì)112項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，也是二級(jí)學(xué)科類別最多的一個(gè)研究領(lǐng)域，各航天局資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖1。可以看出，NASA幾乎在所有二級(jí)學(xué)科領(lǐng)域均占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，在表征實(shí)驗(yàn)硬件、小衛(wèi)星和控制技術(shù)，以及通信和導(dǎo)航領(lǐng)域開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)最多。Roscosmos在絕大多數(shù)二級(jí)學(xué)科領(lǐng)域都有布局，且各領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(shù)差距不大。ESA和JAXA開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)相當(dāng)，但聚焦領(lǐng)域各有不同。

圖1 各航天局在技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)Fig.1 The number of experiments in technology by agency

技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域共有42項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，NASA、ESA、Roscosmos和 JAXA分別資助了 35項(xiàng)、3項(xiàng)、2項(xiàng)和2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，表征實(shí)驗(yàn)硬件、通信和導(dǎo)航、小衛(wèi)星和控制技術(shù)等研究方向的新實(shí)驗(yàn)最多。下面分析部分有代表性的新實(shí)驗(yàn)。

NASA支持開(kāi)展的商業(yè)演示實(shí)驗(yàn)“微重力下生產(chǎn)光纖”實(shí)驗(yàn)由空間制造公司的首席執(zhí)行官領(lǐng)導(dǎo)，驗(yàn)證了可在微重力下制造氟化物ZBLAN光纖，為大規(guī)模在軌制造高品質(zhì)光纖奠定了基礎(chǔ)，有望推動(dòng)空間商業(yè)活動(dòng)興起。未來(lái)該技術(shù)可用于在微重力下制造那些在重力場(chǎng)下難以制造的光纖。該實(shí)驗(yàn)被評(píng)為第7屆國(guó)際空間站研究和發(fā)展大會(huì)6項(xiàng)最佳創(chuàng)新研究工作之一[4]。

NASA資助的“技術(shù)教育衛(wèi)星”系列實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)試幫助小型航天器有效載荷脫軌的“外構(gòu)剎車”(Exo-Brake)系統(tǒng)，幫助高效地將小型樣本從軌道送返回地球，加速微重力研究進(jìn)程，現(xiàn)已進(jìn)行到第6期?！凹夹g(shù)教育衛(wèi)星6”在“技術(shù)教育衛(wèi)星3-5”基礎(chǔ)上改進(jìn)了軟件系統(tǒng)和直接阻力測(cè)量方法，測(cè)試獨(dú)立的無(wú)線傳感器模塊、精細(xì)調(diào)制控制、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、導(dǎo)航和控制模塊，以及納衛(wèi)星射頻識(shí)別功能。

Roscosmos在4次長(zhǎng)期考察任務(wù)期內(nèi)專注開(kāi)展了2項(xiàng)熱管理系統(tǒng)新實(shí)驗(yàn)。“分割”實(shí)驗(yàn)研究微重力條件下有效從用于航天器機(jī)載系統(tǒng)和動(dòng)力設(shè)備溫度調(diào)節(jié)電路的冷卻劑中去除氣體雜質(zhì)的方法和裝置，并與地面研究結(jié)果對(duì)比?！跋嘧儭睂?shí)驗(yàn)在空間條件下測(cè)試新型熱管密封和非密封性能，研究微重力對(duì)熱管的熱物理和操作性能的影響。

ESA重點(diǎn)開(kāi)展了通信和導(dǎo)航方面的研究，“MarconISSta”是一個(gè)無(wú)線電頻譜分析儀有效載荷，在國(guó)際空間站上監(jiān)測(cè)VHF、UHF、L和S等頻段的使用情況，測(cè)量各種軌道上特定頻譜范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度，并計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的最大值和平均值，以分析衛(wèi)星通信頻段的使用情況和可用性，繪制全球頻譜使用地圖。

JAXA支持開(kāi)展的“環(huán)形熱管散熱器系統(tǒng)演示”新實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證微重力條件下環(huán)形熱管散熱器的傳熱性能，可用于未來(lái)衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)。

2.2.2 生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)

生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)共計(jì)91項(xiàng)，各航天局資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖2。其中NASA資助了62項(xiàng)，占比68%，特別是在植物生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、動(dòng)物生物學(xué)-無(wú)脊椎動(dòng)物和大分子晶體生長(zhǎng)領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)目遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)。Roscosmos在除植物生物學(xué)外的其他二級(jí)學(xué)科領(lǐng)域均有布局，重點(diǎn)開(kāi)展了微生物學(xué)和動(dòng)物生物學(xué)-脊椎動(dòng)物領(lǐng)域的研究。CSA在該任務(wù)期內(nèi)沒(méi)有生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在所有的47項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)中有40項(xiàng)是NASA資助的，Roscosmos僅資助開(kāi)展了1項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，ESA和JAXA聚焦不同的研究方向，各開(kāi)展了3項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。

圖2 各航天局在生物領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)Fig.2 The number of experiments in biology and biotechnology by agency

NASA在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展的新實(shí)驗(yàn)最多，利用空間技術(shù)和先進(jìn)研究系統(tǒng)公司的研究設(shè)備開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)：“生物科學(xué)-5”實(shí)驗(yàn)研究金黃色葡萄球菌在微重力下如何喪失其致病性并發(fā)生顏色變化；“生物科學(xué)-8/變重力環(huán)境下基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)控制”研究微重力環(huán)境對(duì)哺乳動(dòng)物免疫細(xì)胞基因表達(dá)的影響，結(jié)果有助于理解重力是否和在多大程度上影響了細(xì)胞的正常功能，以及細(xì)胞如何適應(yīng)新環(huán)境；“生物科學(xué)-8/免疫系統(tǒng)細(xì)胞在變重力環(huán)境下的功能、適應(yīng)和再適應(yīng)”實(shí)驗(yàn)研究微重力環(huán)境下免疫系統(tǒng)細(xì)胞的激活和功能，包括其對(duì)微重力的功能性適應(yīng)能力和對(duì)火星重力的再適應(yīng)能力，以及對(duì)大麻素受體信號(hào)傳導(dǎo)的作用。

NASA還是唯一在53～56次長(zhǎng)期考察任務(wù)期內(nèi)開(kāi)展了植物生物學(xué)研究的機(jī)構(gòu)。“先進(jìn)植物實(shí)驗(yàn)”是一系列研究空間環(huán)境對(duì)生物系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)[5]：“先進(jìn)植物實(shí)驗(yàn)-5/空間飛行誘導(dǎo)的缺氧-ROS信號(hào)”旨在培育擬南芥各種野生型和突變型，并將其制成冷凍樣本送回地球進(jìn)行詳細(xì)分析，以研究其基因和分子應(yīng)激反應(yīng)系統(tǒng)。“先進(jìn)植物實(shí)驗(yàn)-5/利用二穗短柄草研究單子葉植物的空間環(huán)境適應(yīng)能力”旨在培育二穗短柄草，并將其制成冷凍樣本送回地球進(jìn)行分析，與正常重力環(huán)境生長(zhǎng)的對(duì)照組進(jìn)行詳細(xì)比較，旨在對(duì)比研究二穗短柄草與擬南芥生長(zhǎng)和基因表達(dá)模式差異。

Roscosmos僅資助了1項(xiàng)微生物學(xué)新實(shí)驗(yàn)，“光合反應(yīng)器”利用光生物反應(yīng)器進(jìn)行生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)，在微重力環(huán)境下培養(yǎng)微藻，以期在長(zhǎng)期飛行中幫助航天員獲取食物和氧氣。

ESA資助的新實(shí)驗(yàn)多為微生物學(xué)研究，“國(guó)際空間站培養(yǎng)的節(jié)螺藻的基因表達(dá)和數(shù)學(xué)模型”實(shí)驗(yàn)在國(guó)際空間站培育節(jié)螺藻，監(jiān)控其燈光、溫度、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)和生長(zhǎng)，隨后將樣本送返地球予以檢查并開(kāi)展結(jié)構(gòu)、生理學(xué)及遺傳學(xué)研究，旨在探究通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣的生物過(guò)程是否也能在空間正常開(kāi)展。

JAXA側(cè)重動(dòng)物生物學(xué)領(lǐng)域研究，資助的新實(shí)驗(yàn)“斑馬魚(yú)空間環(huán)境敏感基因的鑒定及傳感機(jī)制的研究”利用國(guó)際空間站上的人工1g重力環(huán)境，檢測(cè)斑馬魚(yú)基因表達(dá)變化是否對(duì)微重力或其他因素(如空間輻射)產(chǎn)生響應(yīng)，研究空間環(huán)境下魚(yú)類是否也會(huì)發(fā)生肌肉萎縮并試圖找出其中的原因。

2.2.3 人體研究實(shí)驗(yàn)

人體研究是載人航天科研計(jì)劃中最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一，通常以獲取連續(xù)性載人航天飛行醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)據(jù)為研究目的，部分實(shí)驗(yàn)延續(xù)性較強(qiáng)，新實(shí)驗(yàn)比例較低，全部60項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中僅有13項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)量上看，Roscosmos在人體研究領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)較為明顯，幾乎在所有二級(jí)學(xué)科領(lǐng)域都有布局，特別關(guān)注人類行為和績(jī)效、心血管和呼吸系統(tǒng)，以及骨骼和肌肉生理學(xué)方面的研究，但在53～56次長(zhǎng)期考察任務(wù)期內(nèi)未開(kāi)展新實(shí)驗(yàn)。人體研究也是ESA一直以來(lái)最為關(guān)注的研究領(lǐng)域，在所有6個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)量最多。各航天局資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖3。NASA、ESA和JAXA各資助開(kāi)展了4項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，CSA資助了1項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。

圖3 各航天局在人體研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)Fig.3 The number of experiments in human research by agency

NASA在宜居性和人為因素領(lǐng)域資助開(kāi)展的“聯(lián)盟號(hào)乘員風(fēng)險(xiǎn)表征”新實(shí)驗(yàn)旨在研究聯(lián)盟號(hào)著陸過(guò)程中航天員實(shí)際受到的損傷數(shù)量和類型，確定造成這些損傷的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于改進(jìn)用于當(dāng)前航天員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的傷害度量，優(yōu)化未來(lái)航天器設(shè)計(jì)，為航天員提供更好的保護(hù)。

ESA資助的“太空肌張力”新實(shí)驗(yàn)旨在研究長(zhǎng)期暴露在空間環(huán)境中的肌肉的生化特性(如肌肉強(qiáng)直、剛度、彈性等)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于進(jìn)一步了解人體靜息肌張力的原理，進(jìn)而為康復(fù)替代治療以及未來(lái)空間任務(wù)制定新的戰(zhàn)略。“微重力環(huán)境下的時(shí)間感知”實(shí)驗(yàn)量化了人類長(zhǎng)期暴露于微重力環(huán)境期間及之后對(duì)時(shí)間感知的主觀變化。

JAXA資助的“利用‘希望號(hào)’實(shí)驗(yàn)艙研究骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)量相關(guān)蛋白的醫(yī)學(xué)蛋白組”實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析小鼠在空間飛行后血液、骨骼和骨骼肌中蛋白表達(dá)的變化，識(shí)別與骨質(zhì)疏松或骨質(zhì)流失有關(guān)的特定蛋白質(zhì)?！把h(huán)核酸液體活檢的基因組和表觀基因組分析”實(shí)驗(yàn)利用新型血液測(cè)試方法分析空間飛行前和期間從航天員血液中采集的脫細(xì)胞DNA和RNA分子，幫助理解空間飛行中人體基因水平的變化。

CSA資助了1項(xiàng)神經(jīng)和前庭系統(tǒng)新實(shí)驗(yàn)：“長(zhǎng)期空間飛行對(duì)人類空間定向能力的危害：行為和神經(jīng)機(jī)制研究”實(shí)驗(yàn)研究長(zhǎng)期暴露于微重力環(huán)境對(duì)航天員空間定向能力和神經(jīng)機(jī)制的影響，并探究航天員返回地球后認(rèn)知和神經(jīng)系統(tǒng)變化的持續(xù)時(shí)間。

2.2.4 教育活動(dòng)和推廣實(shí)驗(yàn)

教育類實(shí)驗(yàn)共計(jì)48項(xiàng)，是新實(shí)驗(yàn)比例最高的一個(gè)領(lǐng)域，有31項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，且大部分是學(xué)生開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。

NASA資助了27項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中4項(xiàng)利用納米機(jī)架開(kāi)展，研究?jī)?nèi)容涉及無(wú)線電技術(shù)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)和晶體培育等。有13項(xiàng)學(xué)生開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)利用了太空探戈公司立方實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及物理學(xué)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)和晶體培育等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有1U-7U多種尺寸供用戶選擇，可同時(shí)進(jìn)行21項(xiàng)獨(dú)立試驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，每個(gè)用戶都有一個(gè)在線“入口”，用于實(shí)時(shí)訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

ESA資助的“ESA-教育有效載荷操作”系列開(kāi)展了2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)：“地球衛(wèi)士種子”對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)旨在研究被送往國(guó)際空間站、隨后被送返地球進(jìn)行培育的野花種子樣本，以及地球?qū)φ战M的生長(zhǎng)過(guò)程，旨在讓學(xué)生了解生物多樣性和物種保護(hù)的重要性，同時(shí)激發(fā)學(xué)生對(duì)自然和環(huán)境科學(xué)的好奇心?！帮w行教室2”通過(guò)拍攝一系列教育視頻，向10～18歲的孩子展示微重力環(huán)境與地球環(huán)境之間的巨大差異，旨在加強(qiáng)和促進(jìn)科學(xué)教育，激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算和編碼。

Roscosmos僅資助了1項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)：“浮萍”實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證高等植物器官的重力敏感性和光敏感性對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境中液相和氣相的失重定向機(jī)制，比較研究植物對(duì)液相和氣相產(chǎn)生的不同反應(yīng)。

2.2.5 物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)

物理科學(xué)領(lǐng)域共開(kāi)展了46項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，NASA資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)數(shù)最多，占全部實(shí)驗(yàn)數(shù)的58.7%。Roscosmos、ESA和JAXA資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)數(shù)量相當(dāng)，側(cè)重點(diǎn)卻各有不同：Roscosmos重點(diǎn)開(kāi)展了材料科學(xué)和燃燒科學(xué)研究，ESA聚焦基礎(chǔ)物理，JAXA更關(guān)注材料科學(xué)。CSA并沒(méi)有在該領(lǐng)域開(kāi)展研究。各航天局資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖4。

圖4 各航天局在物理科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)Fig.4 The number of experiments in physical science by agency

該領(lǐng)域共有16項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，NASA和Roscosmos分別資助了12項(xiàng)和2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。ESA和JAXA各開(kāi)展了1項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。

NASA資助了系列“先進(jìn)膠體實(shí)驗(yàn)”復(fù)雜流體實(shí)驗(yàn)?！皽囟?2”研究通過(guò)調(diào)節(jié)卡西米爾相互作用將微米級(jí)膠體粒子組裝為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有助于更好地了解復(fù)雜的相互作用如何影響復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及這些結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)?！皽囟?7”研究如何設(shè)計(jì)與組裝膠體粒子以形成三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在不同樣本中改變排空元的大小和濃度，觀察其對(duì)結(jié)晶的影響?！皽囟?9/膠體分子的先進(jìn)成像、折疊與組裝”實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)空間生成的膠體分子的顯微成像能力，研究膠體二聚體和鎖鑰粒子的自組裝。

Roscosmos資助的2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)均為燃燒科學(xué)研究：“擴(kuò)散火焰”實(shí)驗(yàn)旨在獲取高精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究燃燒劑和氧化劑尾流中擴(kuò)散火焰的分層；“電火焰”實(shí)驗(yàn)旨在研究電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散火焰的影響。

ESA和JAXA資助的新實(shí)驗(yàn)均為材料科學(xué)研究。ESA的“透明合金-SEBA”實(shí)驗(yàn)研究定向凝固的透明二元共晶合金在純擴(kuò)散條件下的形態(tài)不穩(wěn)定性，可以以微米尺度分辨率、厘米級(jí)空間尺度和數(shù)十小時(shí)時(shí)間尺度來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)共晶前結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。JAXA的“高溫氧化物液體脆性的起源-制備新型非平衡氧化物材料”實(shí)驗(yàn)利用日本實(shí)驗(yàn)艙的靜電懸浮爐測(cè)量高溫氧化物熔體的熱物理性質(zhì)。2.2.6 地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)

地球與空間科學(xué)領(lǐng)域共開(kāi)展了32項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，各航天局在二級(jí)學(xué)科領(lǐng)域的布局程度相當(dāng)，各航天局資助開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)情況見(jiàn)圖5。NASA和Roscosmos多開(kāi)展地球遙感領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)，JAXA側(cè)重天體物理學(xué)領(lǐng)域研究。全部8項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)中有7項(xiàng)由NASA資助。

圖5 各航天局在地球科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)數(shù)Fig.5 The number of experiments in earth and space science by agency

NASA資助的4項(xiàng)地球遙感實(shí)驗(yàn)中，“國(guó)際空間站生態(tài)系統(tǒng)天基熱輻射實(shí)驗(yàn)”首次從空間站對(duì)地表開(kāi)展高時(shí)空分辨率熱紅外測(cè)量，回答植物中水分的動(dòng)力學(xué)以及未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，包括：陸地生物圈對(duì)水資源可利用量變化的響應(yīng)，日間植被水分脅迫的變化如何影響全球碳循環(huán)，以及先進(jìn)的農(nóng)業(yè)用水消耗監(jiān)測(cè)和優(yōu)化干旱估算能否降低農(nóng)業(yè)脆弱性?！疤?yáng)總輻照通量和太陽(yáng)光譜輻照通量傳感器”實(shí)驗(yàn)由太陽(yáng)總輻照通量和太陽(yáng)光譜輻照通量?jī)蓚€(gè)傳感器組成，前者測(cè)量所有波段的太陽(yáng)能量的總和，確定地球的總能量輸入，后者測(cè)量每個(gè)波段的太陽(yáng)能量，幫助了解地球大氣層對(duì)太陽(yáng)能量輸出變化的響應(yīng)。兩個(gè)傳感器一起為氣候、大氣、化學(xué)以及輻射傳輸模型提供了基本邊界條件。

NASA還資助了3項(xiàng)天體物理學(xué)新實(shí)驗(yàn)?！癙ROPCUBE-Fauna”實(shí)驗(yàn)通過(guò)部署立方星對(duì)地球大氣層外電場(chǎng)的精確位置、密度和潛在振動(dòng)進(jìn)行高分辨率測(cè)量，幫助降低通過(guò)電離層的無(wú)線電信號(hào)的誤差和延遲，提高信號(hào)傳輸效率，優(yōu)化通信系統(tǒng)。“研究銀暈熱氣體的立方體衛(wèi)星”旨在通過(guò)檢測(cè)銀暈中氧原子的X射線，確定銀暈中的物質(zhì)數(shù)量。“ARISE”實(shí)驗(yàn)旨在研究由小顆粒碰撞引發(fā)的摩擦帶電現(xiàn)象，幫助理解和預(yù)測(cè)地球上的閃電暴和火山暴的成因。

ESA資助的“大氣-空間相互作用監(jiān)測(cè)器”新實(shí)驗(yàn)旨在研究強(qiáng)雷暴現(xiàn)象及其在地球大氣和地球氣候中的作用，確定可有效引發(fā)高層大氣攝動(dòng)的雷暴特征。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)際空間站2017年9月到2018年10月開(kāi)展的第53/54次和第55/56次長(zhǎng)期考察任務(wù)科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及其中新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的回溯，得出以下結(jié)論：

1)與2017年相比，國(guó)際空間站開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)繼續(xù)增加，6大研究領(lǐng)域共計(jì)開(kāi)展了389項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中新實(shí)驗(yàn)為157項(xiàng)，占實(shí)驗(yàn)總數(shù)的40%。NASA在總實(shí)驗(yàn)數(shù)量和新實(shí)驗(yàn)數(shù)量方面遙遙領(lǐng)先于其他航天局：4次長(zhǎng)期考察任務(wù)期間NASA共開(kāi)展了239項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，是其他航天局實(shí)驗(yàn)數(shù)總和的一倍還多；新實(shí)驗(yàn)125項(xiàng)，約占所有新實(shí)驗(yàn)數(shù)量的80%。Roscosmos和CSA的新實(shí)驗(yàn)數(shù)量較少，以開(kāi)展延續(xù)性實(shí)驗(yàn)為主。ESA新實(shí)驗(yàn)比例與去年基本持平，而JAXA的新實(shí)驗(yàn)比例較2017年有大幅增長(zhǎng)，由7%增至28.5%。

2)在6大研究領(lǐng)域中，技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)量最多，二級(jí)學(xué)科類別也最多。其次為生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)，與去年相比，該領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(shù)量增幅最明顯。各國(guó)航天局側(cè)重的研究領(lǐng)域各有不同：NASA在技術(shù)開(kāi)發(fā)、生物學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)最多；Roscosmos資助的實(shí)驗(yàn)數(shù)量較去年略有下降，持續(xù)關(guān)注技術(shù)開(kāi)發(fā)、生物學(xué)和人體研究。ESA和CSA資助的實(shí)驗(yàn)數(shù)量與2017年基本持平，側(cè)重人體研究。JAXA在除教育活動(dòng)外的其他5個(gè)領(lǐng)域布局均衡。

3)美國(guó)宇航學(xué)會(huì)、空間科學(xué)促進(jìn)中心和NASA聯(lián)合舉辦的第7屆國(guó)際空間站研究和發(fā)展大會(huì)評(píng)選出了2018年極具代表性的科研與應(yīng)用工作和成果，包括：重力對(duì)小鼠骨骼肌肉健康的影響，微重力對(duì)新生兒和成人心血管干細(xì)胞分化的影響，“量熱儀型電子望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目直接測(cè)量到TeV的高能宇宙線電子和正電子，空間飛行對(duì)航天員大腦結(jié)構(gòu)的影響，航天員骨丟失的全身性骨生長(zhǎng)療法，微重力下制造氟化物光纖等[4]。

2018年是國(guó)際空間站在軌運(yùn)行的第20年，各主要參與國(guó)積極部署國(guó)際空間站的未來(lái)科研應(yīng)用。NASA在特朗普政府《空間政策一號(hào)令》的指導(dǎo)下推出“探索行動(dòng)”計(jì)劃，利用國(guó)際空間站開(kāi)展科學(xué)研究仍是近地軌道的核心目標(biāo)，未來(lái)將重點(diǎn)拓展商業(yè)和國(guó)際近地軌道活動(dòng)的廣度和深度，確保美國(guó)在近地軌道的長(zhǎng)期存在[6]。俄羅斯總統(tǒng)普京在致國(guó)際空間站建站20周年賀電中表示，有必要充分利用國(guó)際空間站的科學(xué)技術(shù)儲(chǔ)備，實(shí)施新的、大規(guī)模的空間探索相關(guān)科研計(jì)劃，特別是深空探測(cè)和載人航天[7]。國(guó)際空間探索協(xié)調(diào)工作組在2018年2月發(fā)布的第三版《全球探索路線圖》中，仍將國(guó)際空間站列為未來(lái)近地軌道任務(wù)的關(guān)鍵實(shí)施平臺(tái)，提出利用其驗(yàn)證深空探索所需的技術(shù)和能力，持續(xù)開(kāi)展科學(xué)研究[8]。未來(lái)國(guó)際空間站的研究效益有望進(jìn)一步提高。