太空實(shí)驗(yàn)艙：科學(xué)研究的“制高點(diǎn)”

文/何昳頔

7 月24 日下午，問天實(shí)驗(yàn)艙由長征五號B運(yùn)載火箭成功發(fā)射，在7 月25 日凌晨與空間站天和核心艙完成交會對接。追溯航天史，太空實(shí)驗(yàn)艙已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行了數(shù)十年，人類克服了很多技術(shù)難題，甚至付出了生命代價(jià)，也收獲了很多重要成果。展望未來，人類在太空實(shí)驗(yàn)艙中還可能獲得哪些進(jìn)展？太空實(shí)驗(yàn)艙又會呈現(xiàn)怎樣的面貌呢？

建設(shè)運(yùn)營驚險(xiǎn)不少

拿今天的眼光來看，早期太空實(shí)驗(yàn)艙是在驚險(xiǎn)和犧牲中開創(chuàng)新局面、推進(jìn)太空科研事業(yè)的。

“天空實(shí)驗(yàn)室”被視為美國宇航局建設(shè)的第一個(gè)空間站，也是對太空實(shí)驗(yàn)艙的大膽嘗試。它是在美國宇航局預(yù)算“收緊”的時(shí)期由土星5 號火箭的組件改造的，于1973 年5 月發(fā)射。當(dāng)時(shí)航天專家樂觀地認(rèn)為，“天空實(shí)驗(yàn)室”存儲能力強(qiáng)大，可以在宇宙中運(yùn)行數(shù)十年之久，成為太空綜合實(shí)驗(yàn)基地。

事實(shí)證明，所有人都低估了太空實(shí)驗(yàn)艙的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)射升空僅63秒后，“天空實(shí)驗(yàn)室”的防護(hù)盾就直接掉落了。不久，電池系統(tǒng)脫落，“天空實(shí)驗(yàn)室”損失了大部分電源系統(tǒng)。整個(gè)艙段被高強(qiáng)度紫外線照射著，艙內(nèi)溫度超過50 攝氏度，可想而知航天員要面臨多大的挑戰(zhàn)。萬幸美國飛船很快送去3 名航天員搶修，用遮陽帆擋住了陽光，修復(fù)了電池板，使美國首個(gè)太空實(shí)驗(yàn)艙“起死回生”。

▲ 美國“天空實(shí)驗(yàn)室”

更慘重的犧牲發(fā)生在航天史上首個(gè)空間站——蘇聯(lián)“禮炮1 號”。1971 年6 月6 日，聯(lián)盟11 號飛船發(fā)射，次日與“禮炮1 號”成功對接，3名航天員進(jìn)入太空實(shí)驗(yàn)艙。不幸的是，他們于6 月29 日返回途中，返回艙上平衡閥異常打開而失壓，導(dǎo)致飛船進(jìn)入大氣層后瞬間解體，3 人犧牲。這次事故敲響了警鐘，刺激了空間安全返回技術(shù)飛速發(fā)展。

隨著空間站建設(shè)不斷取得進(jìn)展，太空實(shí)驗(yàn)艙交會對接空間站成為高難度挑戰(zhàn)。兩者交會對接往往采用多種方式，主要由太空實(shí)驗(yàn)艙自行變軌，地面指揮中心密切監(jiān)控，空間站內(nèi)的航天員必要時(shí)介入，手控交會對接。

▲ 蘇聯(lián)“禮炮1 號”

▲ 實(shí)驗(yàn)艙對接國際空間站

▲ 我國航天員在空間站內(nèi)完成干細(xì)胞實(shí)驗(yàn)（來源：央視截屏）

▲ 國際空間站內(nèi)開展太空采礦提取實(shí)驗(yàn)

▲ 國際空間站內(nèi)開展辣椒種植實(shí)驗(yàn)

太空實(shí)驗(yàn)艙完成與空間站對接，往往不是“一次到位”。兩者初步完成對接后，組合體有時(shí)需要大幅度調(diào)整角度，使太空實(shí)驗(yàn)艙充分展開太陽翼，進(jìn)入全功率狀態(tài)。等到組合體完成整體角度調(diào)整后，太空實(shí)驗(yàn)艙往往要在機(jī)械臂的輔助下轉(zhuǎn)位，調(diào)整到合適的對接口，便于后續(xù)工作。在這期間，組合體仍需多次精確地調(diào)整姿態(tài)，航天員和地面指揮中心小心地協(xié)同配合，如履薄冰。盡管如此，國際空間站運(yùn)營期間仍多次遭遇對接事故。

太空成果豐碩喜人

為什么要建設(shè)太空實(shí)驗(yàn)艙？因?yàn)樘瘴⒅亓Νh(huán)境非常適合特殊的科學(xué)研究，而這種特別的環(huán)境在地球上難以長期穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)。太空實(shí)驗(yàn)艙為大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了獨(dú)特的機(jī)遇，不僅有助于人類探索更遠(yuǎn)的太空，還能造福人類。

干細(xì)胞被視為“未來醫(yī)學(xué)的圣杯”。理論上，干細(xì)胞能夠幾乎無休止地再生并演化成各種細(xì)胞，還能確保器官具備自我修復(fù)能力。在胚胎或年輕的身體中，干細(xì)胞含量豐富，但隨著年齡增長而失去活力。

在國際空間站上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在失重環(huán)境中，來自人類心臟的干細(xì)胞提高了再生、存活和增殖能力。在中國空間站天和核心艙里，人體尿液中的腎上皮細(xì)胞在國際上首次通過基因重編程方式轉(zhuǎn)化成生機(jī)勃勃的干細(xì)胞，又演變?yōu)樾募〖?xì)胞。這對于研究人體健康、衰老與再生，追求長壽，治愈心臟病，提供了非常好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

早年，科學(xué)家們在地球上生成了物質(zhì)的第五種狀態(tài)，被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚體”，其性質(zhì)與固體、液體、氣體、等離子體完全不同。這是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)基礎(chǔ)研究成果。2018 年，美國宇航局的冷原子實(shí)驗(yàn)室將原子降低到超冷溫度，用地球上不可能的方式研究其性質(zhì)，首次在空間軌道上生成了這種物質(zhì)狀態(tài)。據(jù)說，這項(xiàng)成果可能幫助人類進(jìn)一步深入了解量子力學(xué)基本定律。

芯片是近年來的國際熱點(diǎn)，但傳統(tǒng)電子芯片性能已經(jīng)逼近極限，利用生物力量的組織芯片研究方興未艾。組織芯片由柔性塑料制成，有端口和管道，可為內(nèi)部細(xì)胞提供營養(yǎng)和氧氣，通過比拇指更小的微型設(shè)備驅(qū)動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)人體器官的功能。

美國已發(fā)起“太空組織芯片計(jì)劃”，在國際空間站微重力環(huán)境下研究模擬肺、腎、大腦、腸道等器官的芯片，更好地了解并改善人類健康，爭取早日攻克某些“不治之癥”。

展望未來多姿多彩

太空實(shí)驗(yàn)室仍有很大的改善空間，既包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，還涉及到未來形態(tài)、配置。

▲ 國際空間站內(nèi)女航天員進(jìn)行聲學(xué)診斷實(shí)驗(yàn)

今年，我國將全面完成以天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙為基本構(gòu)型的T 型天宮空間站建造，建成國家太空實(shí)驗(yàn)室，未來太空實(shí)驗(yàn)探索之路令人充滿期待。

據(jù)公開資料顯示，問天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜，能夠支持開展多種類植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)理研究，以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實(shí)驗(yàn)研究，還支持開展不同重力條件下生物體生長機(jī)理的對比研究。

通過規(guī)劃部署的13 個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺及未來共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡，科研人員可以在軌實(shí)施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等8 個(gè)學(xué)科領(lǐng)域、30 余個(gè)研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目。

▲ 空間冷原子鐘工作示意圖

據(jù)悉，計(jì)劃于10 月發(fā)射的夢天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理及航天技術(shù)試驗(yàn)等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜，支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究。

另外，中國科研人員將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時(shí)間頻率系統(tǒng)，開展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測量等前沿科學(xué)研究。

隨著商業(yè)航天發(fā)展如火如荼，國外規(guī)劃的商業(yè)空間站也將設(shè)置太空實(shí)驗(yàn)艙，主要從事有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的太空科研實(shí)驗(yàn)，涉及生物醫(yī)藥、特殊材料、新能源等領(lǐng)域。

未來太空實(shí)驗(yàn)艙的形態(tài)、配置會有什么變化？除了科研設(shè)施更完備外，人員在太空長期工作生活所需將是重要的考慮因素。一方面，太空太陽能發(fā)電站等能源供給設(shè)施有望取得進(jìn)展，緩解能源困境，與太空實(shí)驗(yàn)艙里的研究項(xiàng)目相互促進(jìn)。另一方面，隨著太空環(huán)境精確控制能力進(jìn)步，不排除人造重力部分實(shí)用化，使未來太空實(shí)驗(yàn)艙乃至空間站不同區(qū)域具備不同的重力條件，有助于人員更好地工作生活，太空實(shí)驗(yàn)也有望取得新環(huán)境下的新成果。

▲ 科幻作品暢想空間站大規(guī)模應(yīng)用人造重力