國際空間站繼續(xù)發(fā)揮在軌科研應用平臺的重要價值?；?span id="kjnyybiipjgu" class="candidate-entity-word" data-gid="6987239916439427958">美國國家航空航天局（NASA）和俄羅斯國家航天集團公司（Roscosmos）國際空間站計劃網站公布的實驗項目和研究設施信息，以及NASA發(fā)布的國際空間站年度成果報告，概述國際空間站2022年科研與應用活動的總體情況，重點分析6大研究領域中代表性的新實驗以反映國際空間站科研應用的新部署，通過分析亮點論文反映國際空間站科研應用的新成果，在此基礎上綜合研判國際空間站科研應用取得的新進展和呈現的新特點。

2022年是中國載人航天工程立項30周年。夢天實驗艙于2022年11月3日成功實現平面轉位，中國空間站“T”字基本構型組裝完成，向著建成空間站的目標邁出了關鍵一步。中國空間站將成為除國際空間站之外，目前在太空之中在軌運行的第2個空間站。這樣一座國家太空實驗室的建成，將使科學家開展在地球上受限的空間科學實驗領域的研究成為可能。接下來，中國空間站將進入為期10a以上的應用與發(fā)展階段，航天員將在空間站長期駐留，開展空間科學實驗和技術試驗，并對空間站進行照料和維護。

國際空間站是當前在軌運行的最大的空間平臺，同時也是一個擁有現代化科研設備，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。國際空間站2011年基本完成組裝建設，此后進入全面科研應用階段，在技術開發(fā)與驗證、生物學與生物技術、物理科學、人體研究、教育和文化活動及地球與空間科學等6大研究領域長期持續(xù)開展豐富多樣的科研實驗項目，并陸續(xù)產生許多重要的科學研究成果，催生重大科學發(fā)現、服務國計民生、推進未來深空探索等應用效益逐漸顯現，同時促進了空間和地面上的創(chuàng)新應用發(fā)展。國際空間站上的科學研究與應用拓展，對于中國空間站的科研規(guī)劃和項目遴選具有很高的借鑒價值。

基于美國國家航空航天局（NASA）和俄羅斯國家航天集團公司（Roscosmos）國際空間站計劃網站公布的實驗項目和研究設施信息，以及NASA發(fā)布的國際空間站年度成果報告，概述國際空間站2022年科研與應用活動的總體情況，重點分析6大研究領域中代表性的新實驗以反映國際空間站科研應用的新部署，通過分析亮點論文反映國際空間站科研應用的新成果，在此基礎上綜合研判國際空間站科研應用取得的新進展和呈現的新特點。

2022年國際空間站科研應用活動概況

國際空間站按長期考察任務批次來規(guī)劃、實施和發(fā)布科研實驗項目情況。根據對NASA和Roscosmos國際空間站計劃網站公布信息的梳理結果，2021年10月至2022年3月開展的國際空間站第66次長期考察任務和2022年3—9月開展的國際空間站第67次長期考察任務在技術開發(fā)與驗證、生物學與生物技術、物理科學、人體研究、教育和文化活動及地球與空間科學6大研究領域共開展了360項科研實驗項目。NASA、Roscosmos、歐洲航天局（ESA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）和加拿大航天局（CSA）在各領域支持開展的實驗項目數量及其中新實驗的項目數量見表1。

表1 各航天機構在各研究領域支持開展的實驗項目數量

在第66~67次長期考察任務開展的全部360項實驗中，NASA支持開展197項，其中技術實驗最多，其次為生物和物理實驗。Roscosmos、ESA和JAXA支持開展實驗項目數接近，Roscosmos的生物實驗、ESA的技術實驗、JAXA的生物實驗相對較多。CSA僅支持開展了人體研究實驗。在全部360項實驗中，154項為新實驗，其中113項由NASA支持開展，NASA在技術領域新實驗的數量最多。

2022年國際空間站科研應用進展

1 技術開發(fā)與驗證實驗

技術開發(fā)與驗證實驗共計113項，其中55項為新實驗，占比近50%，NASA、JAXA、ESA和Roscosmos分別支持開展了40項、8項、6項和1項新實驗（表1）。NASA支持開展的小衛(wèi)星及控制技術新實驗阻力離軌裝置立方體衛(wèi)星，測試一種可以重復展開和收回、具有可控阻力表面的裝置，以調整衛(wèi)星的軌道衰減率，有望提供一種近地軌道航天器更快離軌的替代方案；逃脫特殊被動姿態(tài)控制衛(wèi)星實驗，旨在探究可否利用充氣吊桿，幫助衛(wèi)星停止旋轉、有效穩(wěn)定姿態(tài)。通信與導航新實驗立方體衛(wèi)星激光紅外交叉鏈路-航天器A，利用3U航天器測試建立從航天器到地面小型望遠鏡的10Mbps下行激光通信鏈路；Aexa公司全息傳送行為實驗，利用HoloLens 2頭顯和HoloWizard混合現實應用程序，開展航天員與地面人員之間的360度全息圖像遠程通信。輻射測量和防護新實驗RadMap望遠鏡驗證新型輻射傳感技術在無人和載人航天器中的應用，助力開發(fā)結構更加緊湊的輻射探測器。生保系統和居住新實驗正向滲透膜評估在國際空間站微重力條件下脲酶磷脂反應性正向滲透膜的水回收性能。JAXA支持開展的空氣、水和表面監(jiān)測新實驗IHI-SAT立方體衛(wèi)星旨在驗證先進的船舶自動識別系統接收機，提高在多船舶航行海域的船舶探測率。表征實驗硬件新實驗人造金剛石襯底空間暴露實驗觀察空間惡劣環(huán)境對襯底的影響，助力高性能下一代金剛石半導體器件在未來實現空間應用。航天器材料新實驗木材外空暴露旨在評估原子氧粒子對木材的侵蝕作用以及輻射環(huán)境對木材力學性能的影響，驗證木材是否可用作空間建材。ESA支持開展的機器人技術新實驗表面化身，利用直觀界面開展多化身和多機器人協作實驗評估，用于在未來行星探索任務中開展機器人資產遠程控制的操作程序。生保系統和居住新實驗虛擬現實-機載訓練實驗利用虛擬現實頭顯設備為航天員提供在軌訓練，評估該訓練方式的有效性。Roscosmos防護復合材料實驗收集特定厚度聚合物基復合材料的累積輻射劑量數據。

在新成果方面，ESA支持開展的ESA-觸覺-2實驗（圖1）旨在評估空間站上的航天員利用力反饋實時控制地面上機器人的能力。ESA和Roscosmos的研究人員研究在飛行任務之前、期間和之后的各種觸覺設置如何影響瞄準操作，發(fā)現力反饋操縱桿的低剛度支持微重力條件下的瞄準精度，個人的感覺運動技能有助于操作。該項研究為空間飛行期間安全遠程操作機器人和飛行控制系統提供了關鍵信息。

圖1 航天員在軌開展ESA-觸覺-2實驗 （圖片來源：NASA網站）

2 生物學與生物技術實驗

生物學與生物技術實驗共計67項，其中新實驗有28項，NASA、JAXA、ESA和Roscosmos分別支持開展了24項、2項、1項和1項新實驗（表1）。NASA支持開展的細胞生物學新實驗規(guī)律間隔成簇短回文重復序列（CRISPR）空間診斷，研究測試微重力條件下基于CRISPR的基因檢測方法，并與地面進行比較，有望用于未來長期空間任務中病原體和污染物的準確識別及太空農業(yè)；近地軌道上的腫瘤類器官建模實驗驗證癌前和癌細胞的在軌組織培養(yǎng)、共焦熒光顯微鏡和實時共焦圖像數據傳輸的科學參數和操作過程；微重力下誘導多能干細胞實驗研究空間環(huán)境對誘導多能干細胞（iPSC）和由iPSC產生的神經祖細胞的影響，旨在助力開發(fā)在空間中培育干細胞的相關技術。植物生物學新實驗根在軌測試系統旨在使用水培和氣培技術種植植物，助力在未來的深空任務中大規(guī)模生產農作物。大分子晶體生長新實驗空間科學促進中心蛋白質晶體生長-20-單克隆抗體結晶，研究在微重力下制備可用于有效治療多種癌癥的結晶單克隆抗體pembrolizumab。2項動物生物學方向的嚙齒動物研究系列新實驗，分別研究飛行環(huán)境誘導小鼠視網膜血管網絡重塑和膠質血管通信，以及空間飛行對組織再生的影響。JAXA支持開展的動物生物學新實驗小鼠棲息地單元-7-從器官間通信網絡的角度解釋與年齡相關的肌肉骨骼疾病的可能機制，研究神經血管網絡在與年齡相關的肌肉骨骼疾病的發(fā)病或進展中的作用，以及器官間通信因子分泌型微RNA的表達隨重力變化或衰老而發(fā)生的特異性改變，幫助更好地理解機械應力傳感以及肌肉和骨骼隨年齡變化的新機制。ESA支持開展的動物生物學新實驗加速骨骼肌老化的微重力模型，在微重力環(huán)境下對人造肌肉進行自動電刺激，以誘導收縮，研究有助于確定處于微重力條件下的航天員和地面老年人群的肌肉損失機制。Roscosmos磁性制造實驗使用磁性3D生物打印機制造冠狀病毒蛋白晶體，探究微重力條件下由有機和無機材料控制三維結構形成和制造的可行性。

在新成果方面，NASA支持開展的微生物跟蹤載荷系列-微生物觀測-1實驗對空間站微生物分布開展監(jiān)測，確定了數百種微生物。Singh等發(fā)現了3種新的農桿菌菌株，這些菌株可適應營養(yǎng)較少的生長環(huán)境，使其比那些需要更豐富營養(yǎng)的菌株更有優(yōu)勢。對微生物的研究為制定應對方法，維護空間飛行中的航天員以及地面人們的安全生活空間提供了支持。JAXA支持開展的利用微重力條件檢驗重力感應器形成的細胞過程和重力感應的分子機制實驗，研究微重力條件下生長的植物是否能感知重力變化。Nakano等發(fā)現，在微重力條件下利用尼龍網培育的擬南芥種子發(fā)育出卷曲的根，與在地球重力條件下相比，根系與網的糾纏程度更高，這一結果表明重力會影響根部卷曲。了解重力如何影響植物生長，有助于開發(fā)在空間中種植植物的新方法，以及在地球上培育出新的植物品種。

3 物理科學實驗

物理科學實驗共計58項，其中新實驗有26項，NASA、JAXA、ESA和Roscosmos分別支持開展了15項、7項、3項和1項新實驗（表1）。NASA支持開展的材料科學新實驗用于原位能力的生物聚合物，研究在空間站利用牛血清白蛋白和二氧化硅混合物制備混凝土替代品，揭示微重力如何影響生物聚合物土壤復合材料的形成過程；國際空間站材料系列實驗開展了2項新實驗，測試空間環(huán)境對嵌入式傳感器、3D打印聚合物、航天器材料、輻射防護生物材料、碳基鈣鈦礦薄膜太陽能電池等各類材料和器件性能的長期影響；寶潔洗滌劑遠程科學研究實驗研究2種洗滌劑在微重力下的去污有效性，以及微重力對洗滌劑外觀和酶穩(wěn)定性的影響。流體物理新實驗流體空間光學，研究微重力如何影響液體在光學元件中的展開和凝固行為，同時對大型液體空間望遠鏡開展概念驗證；非對稱鋸齒和空腔增強成核驅動傳輸實驗，檢測微重力下使用微結構表面電子設備的被動冷卻系統。固體燃料點火和熄滅系列實驗開展了2項燃燒科學新實驗，分別研究厚固體燃料——聚甲基丙烯酸甲酯的火焰生長和熄滅特性，以及通過改變氣流速度、氧氣濃度、壓力和外部輻射水平等參數，研究微重力下的熱輔助燃燒，驗證材料可燃性模型。JAXA支持利用靜電懸浮爐開展多項材料科學新實驗，包括測量各種氧化物的熱物理性質，驗證利用小功率激光清除空間碎片的可行性，觀測懸浮鐵-銅液態(tài)合金的冷卻曲線，測量解聚硅酸鹽熔體黏度和密度的溫度依賴性，研究受質量傳輸特性和成核速率控制的熱能儲存和釋放過程，測試準確測量高溫液態(tài)金屬/合金表面張力的方法等。ESA支持開展的材料科學新實驗混凝土硬化，研究重力如何影響混凝土的硬化過程和性能；透明合金-凝固過程中的柱狀-等軸相變實驗，通過測量透明合金中擴散熱和質量傳輸參數，確定微重力情況下晶體生長機制和物理機制。Roscosmos支持開展的基準計量實驗，旨在研究微重力對鎵、銦、錫、鋅等金屬共晶合金熔化和結晶相變特性的影響。

在新成果方面，Carollo等利用NASA冷原子實驗室設施生成冷原子云，研究原子的基本行為和量子特性，并報告了這些超冷原子氣泡的產生和測量結果。這些數據將為開展微重力條件下凝聚氣泡狀態(tài)的基本性質研究提供信息，加深對量子系統的理解。

4 人體研究實驗

人體研究實驗共計57項，其中新實驗有17項，NASA、CSA和ESA分別支持開展了14項、2項和1項新實驗（表1）。NASA支持開展的骨骼與肌肉生理學新實驗生物制造設施——組裝下一代膠原同種異體移植半月板，評估了使用生物墨水和細胞3D打印半月板或膝蓋軟骨組織的可行性；微重力痛感實驗評估了微重力如何影響航天員疼痛感、生物力學、骨骼生理學和肌肉骨骼系統。輻射對人體影響新實驗AstroRad背心人因和工效研究，評估了防輻射背心的效率和工效。人類行為和績效新實驗壓力監(jiān)測研究了是否可以通過持續(xù)監(jiān)測基本中樞神經系統功能發(fā)現航天員的情緒困擾，結果可用于支持開發(fā)在長期空間任務中，維持航天員健康和績效的早期干預工具。視覺新實驗反射式視力測試，利用平板電腦安裝的測試軟件，在空間飛行之前、期間和之后對視覺功能開展快速可靠的評估，結果有助于更好地了解失重對視覺和其他大腦功能的影響。綜合生理學及營養(yǎng)學新實驗空間尿液分析，利用專用套件和平板電腦在軌開展尿液分析，包括評估腎功能的白蛋白與肌酐比值等。CSA支持開展的視覺新實驗空間飛行相關神經-眼部綜合征-眼壁硬度研究，旨在確定導致航天員在長期空間任務后視力受損的空間飛行相關神經-眼部綜合征是否與眼壁硬度有關。心血管和呼吸系統新實驗國際空間站心肺耦合的因果分析，研究空間飛行期間心臟、呼吸和姿勢對血壓調節(jié)的綜合影響，以及飛行任務后發(fā)生的變化。ESA支持開展的人體微生物組新實驗Ice Cubes #9.2-Maleth 2，研究糖尿病足潰瘍微生物在空間和地面對照實驗中的耐藥性，并以多組學方式開展分析。

在新成果方面，NASA支持開展的國際空間站醫(yī)療監(jiān)測實驗，定期收集在軌航天員的健康數據，以測量空間飛行對人體的影響。ESA和Roscosmos的研究人員利用實驗采集的數據，通過航天員在長期暴露于微重力之前和之后所采集的血液樣本，評估腦組織生物標志物。Eulenburg等發(fā)現，血液中的炎癥生物標志物增加，可能表明長期飛行人員的潛在風險。CSA支持開展的骨髓研究實驗旨在評估空間環(huán)境對骨髓的影響，Trudel等對空間飛行貧血（即紅細胞計數減少）開展研究，利用綜合呼吸和血液樣本精確測量作為血紅蛋白降解直接指標——一氧化碳的新技術，研究發(fā)現在空間飛行任務期間紅細胞的破壞持續(xù)增加，長期暴露于空間環(huán)境會加劇空間貧血。

5 教育和文化活動實驗

教育和文化活動實驗共計36項，其中18項為新實驗（表1）。NASA支持開展了11項新實驗，涉及使用光遺傳學等技術控制鷹嘴豆生長、微重力對細菌降解塑料的影響、腸道微生物群落對抗生素的反應、辣木籽粉和銅片對大腸桿菌培養(yǎng)物的影響、轉染技術對藥物輸送速率的影響、生產益生菌酸奶、航天員與學生交流互動、開展學生編程競賽等豐富內容。JAXA支持開展了5項新實驗，包括機器人編程挑戰(zhàn)賽、國際空間站文化宣傳活動、大學生開展衛(wèi)星技術開發(fā)等。ESA支持開展了2項新實驗。Ice Cubes #11-Code4Space實驗利用一顆配備傳感器的太空彈跳球測量加速度、時間和彈跳次數等，并與地面實驗進行對照。CalliopEO實驗為德國小學生提供在國際空間站運行自己編寫程序的機會。

6 地球與空間科學實驗

地球與空間科學領域共開展了29項實驗，其中10項為新實驗，NASA和JAXA分別支持開展了9項和1項新實驗（表1）。NASA支持開展的對地觀測新實驗BeaverCube使用多種攝像頭拍攝地球海洋地區(qū)的彩色圖像，并檢測云頂和海洋表面的溫度，旨在提高對浮游植物密度的了解；對地觀測實驗利用從國際空間站拍攝的圖像，研究天氣和森林火災/火山爆發(fā)等自然事件，以及農業(yè)和城市化等人文特征，以更好地了解不斷變化的地球環(huán)境；地表礦物塵源調查實驗使用成像光譜儀技術，觀測地球干旱地區(qū)塵埃中礦物的類型和分布情況，旨在提升對礦物塵埃如何影響地球上太陽能平衡的理解；閃電和夜間電現象成像實驗，旨在拍攝雷暴和多種瞬態(tài)發(fā)光事件，并與地面觀測結果結合，以重建瞬態(tài)發(fā)光事件的3D結構，識別閃電的參數，并從不同的范圍和角度跟蹤閃電活動和云照明模式。日球層物理新實驗日間大氣和電離層邊緣成像儀利用立方體衛(wèi)星，在140~180km高度對地球大氣層邊緣進行成像，以確定日間大氣氧的密度變化，為了解高層大氣的動力學提供新信息；使用時域阻抗探針對等離子體密度不規(guī)則性進行空間分辨測量實驗，以米級分辨率測量電離層上層電子的密度變化，旨在研究高層大氣中的湍流不規(guī)則性。JAXA支持開展的宇宙生物學新實驗Tanpopo-日本宇宙生物學-4，通過將苔蘚孢子體、微生物Metallosphaera sedula、氨基酸和肽暴露在空間環(huán)境中6個月，研究生命的起源、運輸和生存，幫助回答生命起源這一重大問題，并助力開發(fā)適應空間環(huán)境的作物。

在新成果方面，NASA支持開展的中子星內部構成探測器（NICER）（圖2）對新發(fā)現的天體SwiftJ1555.2-5402開展觀測并確定其是一顆磁星。磁星是高度磁化的中子星，通過不規(guī)律地爆發(fā)X射線和伽馬射線釋放出大量的磁能。對磁星爆發(fā)的觀測有助于解決天文學領域的很多相關科學問題，增進對宇宙中一些最極端條件的理解。ESA支持開展的暴露-R2-生物學和火星實驗（圖3）將沙漠藍藻暴露于空間和地面的火星模擬環(huán)境條件下，研究地球生物在極端環(huán)境下的生存情況。Napoli等發(fā)現，空間暴露菌株的基因變異沒有增加，表明菌株保留了對輻射暴露導致的、累積DNA損傷的修復能力。藍藻有潛力用于人工生物再生生保系統，在空間任務中提供氧氣和食物。NASA支持開展的國際空間站生態(tài)系統天基熱輻射實驗，通過測量地球表面的溫度，幫助解決有關水資源可用性、植被水壓力和農業(yè)用水的問題。Cooley等利用實驗數據研究了具有不同植物功能類型（如草地和森林）區(qū)域內和區(qū)域間的用水效率值，直接測量了植物碳吸收和水分損失之間的關系，并展示了生態(tài)系統功能是如何隨氣候變化的。

圖2 安裝在國際空間站艙外的中子星內部構成探測器 （圖片來源：NASA網站）

圖3 暴露-R2飛行硬件 （圖片來源：NASA網站）

7 新科研設施

在第66~67次長期考察任務期間，4項新的科研設施投入使用。由NASA支持開發(fā)的固體燃料點火與滅火硬件是一項物理科學領域的科研設施，將作為燃燒集成機架的一個插件，為開展各類固體材料燃燒和滅火研究提供樣品架、流量控制、外部輻射加熱、點火器等通用基礎設施。由JAXA支持開發(fā)的暴露設施單元適配器2是一項技術開發(fā)與驗證領域的艙外暴露科研設施，尺寸為720mm×500mm×390mm，重100kg，最多可容納2個有效載荷，并提供電力和通信支持。由JAXA支持開發(fā)的小型載荷支持設備是一項多用途的艙外暴露科研設施，最多可容納8個立方體衛(wèi)星級別的載荷，并提供電力和通信支持。由NASA支持開發(fā)的BioServe離心機是一項多用途科研設施，能夠分離細胞培養(yǎng)物、DNA、蛋白質、血液、沉淀樣品等不同密度的物質，支持生命、物理、材料科學等多領域研究工作。

結論

從實驗項目和研究成果2個方面反映出1年來國際空間站科研與應用活動的新進展和新特點。

1）在科研實驗項目方面，國際空間站科研與應用活動繼續(xù)保持活躍的發(fā)展態(tài)勢。在2021年10月—2022年9月開展的國際空間站第66~67次長期考察任務中，NASA、Roscosmos、ESA、JAXA和CSA在6大研究領域支持開展了360項實驗，其中在國際空間站首次開展的新實驗有154項，占比高達43%。從機構統計來看，NASA支持開展197項實驗，其中113項為新實驗，2項指標均繼續(xù)遙遙領先其他機構。NASA支持開展的技術實驗最多，其后依次為生物和物理實驗。Roscosmos、ESA和JAXA支持開展實驗項目數接近，Roscosmos的生物實驗、ESA的技術實驗、JAXA的生物實驗相對較多。CSA僅支持開展了人體研究實驗。此外，4項新的科研設施投入使用將進一步增強國際空間站的科研能力。

2）在科研應用成果方面，2021年10月—2022年9月，基于國際空間站科研應用活動共發(fā)表400余篇論文，亮點科研成果頻現，涌現出在軌控制地面機器人、發(fā)現在軌微生物菌株、揭示重力會影響根部卷曲、在軌產生和研究超冷氣泡、分析航天員大腦的生物標志物、研究空間飛行貧血、觀測磁星、探究藍藻在極端環(huán)境下的生存、在軌觀測水資源利用等多項突出新成果。

總體判斷，當前國際空間站正處于科研應用的高峰期，結合相關規(guī)劃部署，未來一段時間國際空間站有望繼續(xù)通過開展各研究領域的新穎實驗項目，產生更多造福空間和地面的科研應用新成果。

國際空間站的科研應用活動實踐，也為中國空間站開展相關規(guī)劃提供了豐富的案例參考和經驗啟發(fā)。（1）空間站科研應用規(guī)劃方面，要堅持充分發(fā)揮應用效益，統籌安排以推動重大科學發(fā)現、造福國計民生、使能未來探索為目標的科研項目，針對航天強國建設的總體戰(zhàn)略需求和優(yōu)先事項系統設計謀劃中國空間站的科研應用藍圖。（2）在空間站科研應用部署方面，要形成項目梯隊和序列，有序推進研究實施，兼顧系列實驗的持續(xù)深入和各領域研究的協調與平衡，支持新概念、新技術研究，重視研究支撐能力的建設和更新，重視國際合作。（3）在空間站科研應用成果和影響評價方面，要遵循科研規(guī)律，充分認識到從基礎研究或技術開發(fā)到實現應用效益是一個長期過程，要耐心培育研究，爭取厚積薄發(fā)。

本文作者：韓淋、王海名、范唯唯、李國鵬、楊帆

作者簡介：韓淋，中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，副研究員，研究方向為空間科技戰(zhàn)略情報；楊帆（通信作者），中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，研究員，研究方向為空間科技戰(zhàn)略情報。

原文發(fā)表于《科技導報》2023年第13期，歡迎訂閱查看。