2018年國際空間站科研與應(yīng)用進(jìn)展

2019-04-25 08:49:50范唯唯王海名

載人航天 2019年2期

范唯唯，韓淋，楊帆，王海名

(中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京100190)

1 引言

國際空間站是由美、俄牽頭，歐、日、加等多個國家和地區(qū)參與的國際合作項目，于2011年基本建成，可支持6名航天員長期駐留，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驗室，用于開展未來深空探索和載人飛行技術(shù)測試，產(chǎn)生的效益極大地改善了地球上人們的生活。本文基于美國國家航空航天局和俄羅斯“能源”火箭公司國際空間站項目數(shù)據(jù)和分類標(biāo)準(zhǔn)[1-3]，就第53/54次和第55/56次長期考察任務(wù)期間國際空間站空間科學(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，揭示國際空間站科研發(fā)展新動向和新特點。

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，國際空間站第53/54次和第55/56次長期考察任務(wù)在技術(shù)開發(fā)與驗證、人體研究、教育活動和推廣、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)域開展了389項科學(xué)研究實驗[1-3]。美國國家航空航天局(NASA)、俄羅斯國家航天集團(tuán)(Roscosmos)、歐洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)和加拿大航天局(CSA)資助開展的實驗項目數(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(lǐng)域支持開展的實驗項數(shù)Table 1 The number of experiments by category＆ agency

在第53～56次長期考察任務(wù)開展的全部389項實驗中，NASA資助了239項，較2017年有較大提升，各領(lǐng)域的實驗數(shù)均領(lǐng)先于其他幾家機(jī)構(gòu)。其中技術(shù)實驗最多，其次為生物學(xué)與生物技術(shù)實驗。Roscosmos共資助68項實驗，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資助的實驗數(shù)量與2017年基本持平，重點聚焦人體研究。JAXA在除教育活動外的其他5個領(lǐng)域布局均衡。

4次長期考察任務(wù)共開展了157項新實驗，各航天局支持開展的新實驗項數(shù)及與2017年對比見表2。NASA開展的新實驗數(shù)量最多，占任務(wù)期內(nèi)資助實驗數(shù)量的52.3%。Roscosmos和CSA的新實驗數(shù)量較少，以開展延續(xù)性實驗為主。ESA新實驗占比37.5%，與去年基本持平，而JAXA的新實驗比例較2017年有大幅增長，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)開發(fā)與驗證實驗

技術(shù)開發(fā)與驗證在第53～56次長期考察任務(wù)期間開展的實驗數(shù)最多，共計112項實驗，也是二級學(xué)科類別最多的一個研究領(lǐng)域，各航天局資助開展的實驗情況見圖1?？梢钥闯?，NASA幾乎在所有二級學(xué)科領(lǐng)域均占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，在表征實驗硬件、小衛(wèi)星和控制技術(shù)，以及通信和導(dǎo)航領(lǐng)域開展的實驗最多。Roscosmos在絕大多數(shù)二級學(xué)科領(lǐng)域都有布局，且各領(lǐng)域?qū)嶒灁?shù)差距不大。ESA和JAXA開展的實驗項數(shù)相當(dāng)，但聚焦領(lǐng)域各有不同。

圖1 各航天局在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的實驗數(shù)Fig.1 The number of experiments in technology by agency

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

NASA支持開展的商業(yè)演示實驗“微重力下生產(chǎn)光纖”實驗由空間制造公司的首席執(zhí)行官領(lǐng)導(dǎo)，驗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)，有望推動空間商業(yè)活動興起。未來該技術(shù)可用于在微重力下制造那些在重力場下難以制造的光纖。該實驗被評為第7屆國際空間站研究和發(fā)展大會6項最佳創(chuàng)新研究工作之一[4]。

NASA資助的“技術(shù)教育衛(wèi)星”系列實驗旨在測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)和直接阻力測量方法，測試獨立的無線傳感器模塊、精細(xì)調(diào)制控制、實驗指導(dǎo)、導(dǎo)航和控制模塊，以及納衛(wèi)星射頻識別功能。

Roscosmos在4次長期考察任務(wù)期內(nèi)專注開展了2項熱管理系統(tǒng)新實驗。“分割”實驗研究微重力條件下有效從用于航天器機(jī)載系統(tǒng)和動力設(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)果對比?！跋嘧儭睂嶒炘诳臻g條件下測試新型熱管密封和非密封性能，研究微重力對熱管的熱物理和操作性能的影響。

ESA重點開展了通信和導(dǎo)航方面的研究，“MarconISSta”是一個無線電頻譜分析儀有效載荷，在國際空間站上監(jiān)測VHF、UHF、L和S等頻段的使用情況，測量各種軌道上特定頻譜范圍內(nèi)的信號強(qiáng)度，并計算信號強(qiáng)度隨時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支持開展的“環(huán)形熱管散熱器系統(tǒng)演示”新實驗旨在驗證微重力條件下環(huán)形熱管散熱器的傳熱性能，可用于未來衛(wèi)星熱控制系統(tǒng)。

2.2.2 生物學(xué)與生物技術(shù)實驗

生物學(xué)與生物技術(shù)實驗共計91項，各航天局資助開展的實驗情況見圖2。其中NASA資助了62項，占比68%，特別是在植物生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、動物生物學(xué)-無脊椎動物和大分子晶體生長領(lǐng)域，實驗數(shù)目遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)。Roscosmos在除植物生物學(xué)外的其他二級學(xué)科領(lǐng)域均有布局，重點開展了微生物學(xué)和動物生物學(xué)-脊椎動物領(lǐng)域的研究。CSA在該任務(wù)期內(nèi)沒有生物學(xué)實驗。

在所有的47項新實驗中有40項是NASA資助的，Roscosmos僅資助開展了1項實驗，ESA和JAXA聚焦不同的研究方向，各開展了3項新實驗。

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

NASA在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域開展的新實驗最多，利用空間技術(shù)和先進(jìn)研究系統(tǒng)公司的研究設(shè)備開展了系列實驗：“生物科學(xué)-5”實驗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)境對哺乳動物免疫細(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)”實驗研究微重力環(huán)境下免疫系統(tǒng)細(xì)胞的激活和功能，包括其對微重力的功能性適應(yīng)能力和對火星重力的再適應(yīng)能力，以及對大麻素受體信號傳導(dǎo)的作用。

NASA還是唯一在53～56次長期考察任務(wù)期內(nèi)開展了植物生物學(xué)研究的機(jī)構(gòu)?！跋冗M(jìn)植物實驗”是一系列研究空間環(huán)境對生物系統(tǒng)影響的實驗[5]：“先進(jìn)植物實驗-5/空間飛行誘導(dǎo)的缺氧-ROS信號”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)?！跋冗M(jìn)植物實驗-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)境生長的對照組進(jìn)行詳細(xì)比較，旨在對比研究二穗短柄草與擬南芥生長和基因表達(dá)模式差異。

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

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

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

2.2.3 人體研究實驗

人體研究是載人航天科研計劃中最受關(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，部分實驗延續(xù)性較強(qiáng)，新實驗比例較低，全部60項實驗中僅有13項新實驗。

從實驗數(shù)量上看，Roscosmos在人體研究領(lǐng)域的優(yōu)勢較為明顯，幾乎在所有二級學(xué)科領(lǐng)域都有布局，特別關(guān)注人類行為和績效、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次長期考察任務(wù)期內(nèi)未開展新實驗。人體研究也是ESA一直以來最為關(guān)注的研究領(lǐng)域，在所有6個領(lǐng)域的實驗數(shù)量最多。各航天局資助開展的實驗情況見圖3。NASA、ESA和JAXA各資助開展了4項新實驗，CSA資助了1項新實驗。

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

NASA在宜居性和人為因素領(lǐng)域資助開展的“聯(lián)盟號乘員風(fēng)險表征”新實驗旨在研究聯(lián)盟號著陸過程中航天員實際受到的損傷數(shù)量和類型，確定造成這些損傷的因素。實驗結(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)化未來航天器設(shè)計，為航天員提供更好的保護(hù)。

ESA資助的“太空肌張力”新實驗旨在研究長期暴露在空間環(huán)境中的肌肉的生化特性(如肌肉強(qiáng)直、剛度、彈性等)。實驗結(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)替代治療以及未來空間任務(wù)制定新的戰(zhàn)略。“微重力環(huán)境下的時間感知”實驗量化了人類長期暴露于微重力環(huán)境期間及之后對時間感知的主觀變化。

JAXA資助的“利用‘希望號’實驗艙研究骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)量相關(guān)蛋白的醫(yī)學(xué)蛋白組”實驗通過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”實驗利用新型血液測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項神經(jīng)和前庭系統(tǒng)新實驗：“長期空間飛行對人類空間定向能力的危害：行為和神經(jīng)機(jī)制研究”實驗研究長期暴露于微重力環(huán)境對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)時間。

2.2.4 教育活動和推廣實驗

教育類實驗共計48項，是新實驗比例最高的一個領(lǐng)域，有31項新實驗，且大部分是學(xué)生開發(fā)實驗。

NASA資助了27項新實驗，其中4項利用納米機(jī)架開展，研究內(nèi)容涉及無線電技術(shù)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)和晶體培育等。有13項學(xué)生開發(fā)實驗利用了太空探戈公司立方實驗室平臺開展，實驗內(nèi)容涉及物理學(xué)、微生物、細(xì)胞生物學(xué)和晶體培育等。實驗平臺有1U-7U多種尺寸供用戶選擇，可同時進(jìn)行21項獨立試驗并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，每個用戶都有一個在線“入口”，用于實時訪問實驗數(shù)據(jù)。

ESA資助的“ESA-教育有效載荷操作”系列開展了2項新實驗：“地球衛(wèi)士種子”對比研究實驗旨在研究被送往國際空間站、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的生長過程，旨在讓學(xué)生了解生物多樣性和物種保護(hù)的重要性，同時激發(fā)學(xué)生對自然和環(huán)境科學(xué)的好奇心。“飛行教室2”通過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，激勵學(xué)生學(xué)習(xí)計算和編碼。

Roscosmos僅資助了1項新實驗：“浮萍”實驗旨在驗證高等植物器官的重力敏感性和光敏感性對生長環(huán)境中液相和氣相的失重定向機(jī)制，比較研究植物對液相和氣相產(chǎn)生的不同反應(yīng)。

2.2.5 物理科學(xué)實驗

物理科學(xué)領(lǐng)域共開展了46項實驗，NASA資助開展的實驗數(shù)最多，占全部實驗數(shù)的58.7%。Roscosmos、ESA和JAXA資助開展的實驗數(shù)量相當(dāng)，側(cè)重點卻各有不同：Roscosmos重點開展了材料科學(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并沒有在該領(lǐng)域開展研究。各航天局資助開展的實驗情況見圖4。

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

該領(lǐng)域共有16項新實驗，NASA和Roscosmos分別資助了12項和2項新實驗。ESA和JAXA各開展了1項新實驗。

NASA資助了系列“先進(jìn)膠體實驗”復(fù)雜流體實驗。“溫度-2”研究通過調(diào)節(jié)卡西米爾相互作用將微米級膠體粒子組裝為復(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)的生長動力學(xué)?！皽囟?7”研究如何設(shè)計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”實驗測試對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項新實驗均為燃燒科學(xué)研究：“擴(kuò)散火焰”實驗旨在獲取高精度實驗數(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”實驗旨在研究電場對擴(kuò)散火焰的影響。

ESA和JAXA資助的新實驗均為材料科學(xué)研究。ESA的“透明合金-SEBA”實驗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、厘米級空間尺度和數(shù)十小時時間尺度來實時觀測共晶前結(jié)構(gòu)動力學(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”實驗利用日本實驗艙的靜電懸浮爐測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)實驗

地球與空間科學(xué)領(lǐng)域共開展了32項實驗，各航天局在二級學(xué)科領(lǐng)域的布局程度相當(dāng)，各航天局資助開展的實驗情況見圖5。NASA和Roscosmos多開展地球遙感領(lǐng)域?qū)嶒灒琂AXA側(cè)重天體物理學(xué)領(lǐng)域研究。全部8項新實驗中有7項由NASA資助。

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

NASA資助的4項地球遙感實驗中，“國際空間站生態(tài)系統(tǒng)天基熱輻射實驗”首次從空間站對地表開展高時空分辨率熱紅外測量，回答植物中水分的動力學(xué)以及未來生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)等關(guān)鍵科學(xué)問題，包括：陸地生物圈對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)測和優(yōu)化干旱估算能否降低農(nóng)業(yè)脆弱性?！疤柨傒椪胀亢吞柟庾V輻照通量傳感器”實驗由太陽總輻照通量和太陽光譜輻照通量兩個傳感器組成，前者測量所有波段的太陽能量的總和，確定地球的總能量輸入，后者測量每個波段的太陽能量，幫助了解地球大氣層對太陽能量輸出變化的響應(yīng)。兩個傳感器一起為氣候、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項天體物理學(xué)新實驗。“PROPCUBE-Fauna”實驗通過部署立方星對地球大氣層外電場的精確位置、密度和潛在振動進(jìn)行高分辨率測量，幫助降低通過電離層的無線電信號的誤差和延遲，提高信號傳輸效率，優(yōu)化通信系統(tǒng)?！把芯裤y暈熱氣體的立方體衛(wèi)星”旨在通過檢測銀暈中氧原子的X射線，確定銀暈中的物質(zhì)數(shù)量?！癆RISE”實驗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)測器”新實驗旨在研究強(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)高層大氣攝動的雷暴特征。

3 結(jié)論

本文通過對國際空間站2017年9月到2018年10月開展的第53/54次和第55/56次長期考察任務(wù)科研實驗項目以及其中新實驗項目的回溯，得出以下結(jié)論：

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

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

3)美國宇航學(xué)會、空間科學(xué)促進(jìn)中心和NASA聯(lián)合舉辦的第7屆國際空間站研究和發(fā)展大會評選出了2018年極具代表性的科研與應(yīng)用工作和成果，包括：重力對小鼠骨骼肌肉健康的影響，微重力對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”項目直接測量到TeV的高能宇宙線電子和正電子，空間飛行對航天員大腦結(jié)構(gòu)的影響，航天員骨丟失的全身性骨生長療法，微重力下制造氟化物光纖等[4]。