2017年国际空间站科研与应用进展

韩 淋，范唯唯，杨 帆，王海名

（中国科学院科技战略咨询研究院，北京100190）

1 引言

国际空间站是一个拥有现代化科研设备，可开展大规模、多学科的基础和应用科学研究的空间实验室。经过近20年的运营，国际空间站已迎来空间科研应用活动的高峰期，各国航天局都积极谋划在2024年国际空间站计划结束之前，最大限度地发挥其科研应用价值。目前，对国际空间站科研应用活动及产出成果的分析主要包括基于学科领域发展的案例式定性阐述和关于国际空间站整体科研产出统计两种［1-3］。本文基于美国国家航空航天局（NASA）和俄罗斯国家航天集团（Roscosmos）国际空间站计划网站公布的信息［4-5］，全面回溯国际空间站2017年开展的科研实验项目以及其中新实验项目，希望为我国未来相关科研应用规划提供参考。

2 2017年国际空间站科研应用活动概况

国际空间站上的科学实验是按各次长期考察任务（Expedition）来规划进行的。自2016年9月至2017年9月，国际空间站第49／50次和第51／52次长期考察任务在技术开发与验证、人体研究、生物学与生物技术、物理科学、教育和文化活动及地球与空间科学6大研究领域开展了349项科学研究实验。NASA、Roscosmos、欧洲航天局（ESA）、日本航空航天探索局（JAXA）和加拿大航天局（CSA）在6大研究领域支持开展的实验项目数及其中新实验的项数如表1所示。

表1 各航天局在各研究领域支持开展的实验项数Table 1 The number of experiments by category＆agency

在第49～52次长期考察任务开展的全部349项实验中，NASA支持开展195项，其中技术实验最多，其次为生物学与生物技术实验。Roscosmos共支持开展74项实验，其中人体研究最多，生物和技术实验次之。此外，ESA在人体研究和物理科学，JAXA在物理科学、人体研究和生物，以及CSA在人体研究方面支持开展的实验项目数相对较多。在全部349项实验中有149项为新实验，其中114项由NASA支持开展，技术、生物、教育和物理科学领域的新实验较多。

3 2017年国际空间站科研应用进展

3.1 技术开发与验证实验

技术开发与验证实验共计100项，其中48项为新实验，NASA、ESA和Roscosmos分别支持开展了41项、4项和3项新实验，小卫星和控制技术、航电设备和软件、航天器和轨道环境、辐射测量和防护等研究方向的新实验最多。下面重点分析部分有代表性的新实验。

“空间测试计划-休斯敦”是美国国防部通过NASA、利用国际空间站平台开展的系列实验。在第49～52次长期考察任务中，共开展了11项该系列技术开发与验证实验。“高性能可重构计算中心空间处理器”实验研究用于立方体卫星、小型卫星和其他小型航天器系统的微型空间计算机。“SpaceCube-Mini”实验验证该版本混合计算机处理器的性能。“自动化羽流哨兵”实验研究到达的航天器的推进器与国际空间站的相互作用。“无线电掩星和紫外分光光度法共定位”实验研究电离层的结构和变化。“集成微型静电分析仪-再飞行”实验测量等离子体的密度和能量，改进对电离层以及航天器在近地轨道的充电效应的预测。“临边成像电离层和热层极紫外摄谱仪”实验研究热层和电离层，有助于更好理解和预测空间天气。“抗辐射电子存储器实验”研究电子存储器在空间高能粒子辐射下的故障频率。“航天器结构健康监测研究”实验监测空间测试计划设备上的零部件从组装、测试至到达轨道所发生的变化，旨在发现确定设备失效的新方法。“创新涂层实验”研究近地轨道航天器采用的新型涂层长期暴露于空间环境的稳定性。“渡鸦”实验旨在验证航天器自主实时导航系统。“电流体动力学”实验研究一种利用电场泵浦冷却剂的原型泵。

NASA支持开展的“航天器火灾实验-2”和“航天器火灾实验-3”系列实验在“天鹅座”飞船返航期间在空舱内燃烧多种材料的实验样本，结果有助于遴选空间应用的阻燃材料，以及理解火焰是如何在航天器中蔓延的。

ESA支持开展的EveryWear新实验硬件是一个利用可穿戴式传感器的动态数据采集系统，传感器连接着与地面电脑无线同步的国际空间站平板电脑，可记录和传输服务科学和医疗目的的各类生理学数据。

Roscosmos支持开展的“计时器”新实验旨在综合研究空间站的技术运行环境，确定俄罗斯舱段设备运行条件和要求，分析航天员所使用设备的效率和便利性，开发用以评估航天员出舱活动准备情况的自动系统。

52项实验继续开展，并取得多项亮点成果［6］：航天员开展的“ESA-触觉-1”实验，在空间远程操控位于地面的机器人，并实现触觉反馈，未来该技术有望用于从火星或月球轨道操控行星表面的机器人。革命性的“毕格罗可扩展活动舱（BEAM）”已经在国际空间站展开了一年多的时间，其性能成功获得验证。NASA与毕格罗公司在2017年底签署新合同，将BEAM的测试时间延长至少3年，继续研究其性能。

3.2 人体研究实验

人体研究实验共计66项，其中新实验为11项，NASA、ESA、JAXA和Roscosmos分别资助了4项、3项、2项和2项新实验，涉及免疫系统、神经和前庭系统、乘员医疗保健系统、人类行为和绩效等研究方向，下面介绍部分新实验。

NASA支持开展的“医用耗材跟踪”实验利用无线电识别码跟踪国际空间站上的药品和医疗用品，方便地面人员了解医疗用品的使用和剩余情况；“国际空间站高保真模拟和飞行研究期间测试利用固态照明改善生理适应、睡眠和绩效”实验测试航天员在日间活动期间使用固态发光二极管照明的效果，评估固态照明使用时间规划表对航天员视觉、睡眠、警觉性、昼夜节律以及整体健康状况的影响。

ESA支持开展的GRIP实验研究长期空间飞行对人在操作物体时调节握力和上肢轨迹的能力的影响；“透视”实验利用头盔提供的虚拟现实环境量化航天员对视觉信息的反应，研究人体认知功能适应微重力环境时产生的变化。

JAXA支持开展的“空间生态系统中人体微生物代谢串扰的多组学分析”实验结合对肠道中微生物成分、代谢物概况和免疫系统的测量数据，评估空间环境和益生菌对小鼠免疫功能的影响；“封闭微重力环境下评估持续摄入益生菌对航天员免疫功能和肠道微生物群的影响”实验研究长期空间飞行中摄入干酪乳酸菌代田株能否改善航天员肠道菌群及免疫功能。

Roscosmos支持开展的“预防-2”实验研究在长期空间飞行条件下，不同种类的体育锻炼对航天员身体和生理健康状态的影响与机制；Sarcolab实验研究长期飞行状态下航天员做出规定或受限收缩动作时肌肉肌腱和神经肌肉之间的关系。

55项人体研究实验继续开展，如航天员参与长期开展的“综合阻抗和有氧训练研究”实验，探索利用高强度、低运动量的训练来维持航天员的肌肉、骨骼和心血管健康，更好了解微重力对人体的影响。

3.3 生物学与生物技术实验

生物学与生物技术实验共计66项，其中新实验为38项，NASA、Roscosmos和ESA分别支持开展了34项、3项和1项新实验，细胞生物学、微生物学、动物生物学、植物生物学研究方向的新实验较多，下面介绍部分新实验。

NASA支持开展的“啮齿类动物研究”系列研究开展了3项新实验：“组织再生-骨缺损”实验旨在了解受重力影响的伤口愈合机制；“NELL-1系统治疗骨质疏松症”实验测试一种可以修复骨骼并减缓骨质流失的新药；“空间环境对头部、颈部、膝关节、髋关节以及眼部血液和淋巴管的影响”实验研究微重力对啮齿动物血液、淋巴管、肌肉和骨骼的影响，以及液压对眼部和头部的影响。“空间科学促进中心-蛋白质晶体生长”系列研究开展了2项新实验，分别研究乙酰胆碱酯酶和LRRK2晶体的生长。此外，新实验“心肌细胞生物制造的成熟研究”旨在研究三维生物打印的心脏和血管细胞在微重力环境下的生长和发育；“微重力下干细胞扩增”利用国际空间站平台培育人体干细胞用于临床试验并评估其治疗效果；“微生物跟踪-2-国际空间站致病性病毒、细菌和真菌的微生物观测”将记录和表征国际空间站上潜在的致病微生物，分析样本微生物含量之间的关系以及潜在的健康影响。

此外，还有一项中国实验“纳米机架-北京理工大学-1-空间环境下在PCR反应中DNA错配规律研究”采用美国纳米机架公司提供的小型机架在国际空间站上开展，实验旨在研究空间辐射及微重力环境对抗体编码基因的突变影响，在一个月的空间飞行后机架被顺利送返回地球。

Roscosmos支持开展的3项新实验是：RR实验旨在理解空间飞行中与组织再生／恢复相关的生物和分子过程的特性，在空间飞行条件下评估某些骨诱导剂的疗效；Mikrovir实验研究空间飞行对噬菌体溶菌速度的影响；Probiovit实验旨在开发可在国际空间站上制作益生菌发酵乳的便利技术。

ESA支持开展的新实验“幼苗生长-3”利用拟南芥研究重力对植物感光的细胞信号转导机制的影响，以及在微重力环境下细胞生长和增殖对光刺激的响应。

28项生物学与生物技术实验继续开展，如航天员利用Veggie蔬菜生产系统载荷生长了多种绿叶蔬菜，了解植物对微重力的响应，并改进蔬菜培育技术，从而为长期空间飞行提供新鲜食物。2017年开展的“蔬菜硬件-03”实验首次实现了在空间中同时生长多种绿叶蔬菜，航天员品尝了部分蔬菜，其余的送回地面进一步研究。

3.4 物理科学实验

物理科学实验共计50项，其中新实验为20项，ESA、NASA和Roscosmos分别资助了11项、8项和1项新实验，材料科学和流体物理研究方向的新实验较多，下面介绍部分新实验。

ESA支持开展了10项利用电磁悬浮炉的新实验。“电磁悬浮炉连铸钢的激冷”实验研究模拟连铸产品表面凝固的冷却工业合金钢的表面形态，并分析获得的微结构；“铜合金的过冷和分层”实验研究在地面上难以混溶的铜钴合金样品的表面张力和界面张力；“呈现二十面体短程有序的过冷液态钛锆镍的热物理性能和凝固行为”实验研究不同组成的过冷液态钛锆镍的热物理特性，并通过研究最大过冷条件下液体的流动效应来评估新的成核模型；“过冷熔体中的成核和相选择现象研究与模拟：应用于工业相关磁性合金”实验利用磁悬浮高速相机观测铁、钴、镍等磁性合金，研究磁性合金的亚稳相形成；“非平衡凝固，工业合金微结构形成模拟”实验研究插入液态镍铝合金与铝铜合金的针棒周围形成的微观结构及其生长速度；“电磁对流下包晶合金的快速凝固”实验研究熔体对流对包晶合金相选择的影响；“高温金属的电阻率测量”实验将校准和验证样品耦合电子器件，并测量铌镍合金和锆镍合金的电阻率；“微重力下熔融和过冷液态半导体的热物理特性”实验研究液态硅锗合金的温度与热物理特性之间的关系；“液态合金的高精度热物理特性数据用于模拟工业凝固过程”实验研究液态工业合金的温度与热物理特性之间的关系；“非平衡多次相变：共晶凝固、调幅分解和玻璃形成”实验研究逐步过冷下从共晶和枝晶凝固至调幅分解和玻璃形成的一系列相变过程。

部分NASA支持开展的新实验包括：“先进燃烧微重力实验”开展5项层流气体非预混火焰实验，旨在提高地面实际燃烧的燃料效率同时减少污染，并通过开展材料可燃性创新研究改进航天器防火；“碘化铟晶体非接触生长”实验采用非接触方法生长高质量碘化铟晶体；“难以润湿的表面”实验旨在研究微重力对药物原料溶解性的影响，结果有助于改善药物递送，改进空间和地面应用药物的设计。

Roscosmos支持开展的新实验“火光”旨在获取数据并建立微重力条件下的碳氢燃料燃烧模型，以便在密闭舱体内建立消防安全系统。

30项物理科学实验继续开展。航天员利用安装在国际空间站集成燃烧机架上的多用户液滴燃烧装置开展了“冷焰研究”实验，有助于更好理解微重力下燃料的燃烧。

3.5 教育和文化活动

教育类实验共计36项，其中21项为新实验，NASA、CSA和ESA分别资助了18项、2项和1项新实验，学生开发的新实验最多，下面介绍部分新实验。

NASA支持开展的新实验中，13项利用纳米机架开展，研究内容涉及动植物、蛋白质、微生物等生物学研究，流体、材料等物理学研究，以及环境传感器等技术类研究等。“空间中的基因”开展了3项系列实验：“空间中的基因-2”实验利用聚合酶链反应（PCR）和miniPCR系统探究是否可以在空间中增强DNA，从而测量和监测空间飞行期间DNA的端粒变化；“空间中的基因-3”实验旨在验证是否可以在微重力环境下使用地面常规方法进行DNA扩增和样本制备；“空间中的基因-4”实验利用秀丽隐杆线虫和小型化DNA检定系统检测空间高辐射微重力环境下热休克蛋白的基因表达。在2017年底，“空间中的基因-3”实验首次在国际空间站完成了从微生物样品制备到基因测序的完整微生物鉴定流程，能够实时鉴定国际空间站上的微生物而无需将其带回地面进行鉴定，将革命性地改变空间探索过程中的微生物学研究。在空间中鉴定微生物的能力有助于实时诊断和治疗航天员的疾病，并有助于鉴定其他行星上包含DNA的生命，同时国际空间站上的其他实验也将受益。

CSA支持开展的新实验包括：“音乐与空间”通过在国际空间站上播放音乐提高公众关注度；“西红柿-5”实验对经历过国际空间站环境的和地面上普通的西红柿种子开展对比种植研究。“西红柿”系列实验为美国和加拿大的数百万学生提供了亲身参与空间科学研究的机会，也有助于相关深空任务研究，并能激发学生对科学的热爱。

ESA支持开展的新实验利用两台AstroPi电脑测量国际空间站内部环境，探测空间站移动状态和地球磁场。

15项教育实验继续进行。在“国际空间站上的业余无线电”教育和推广计划下，航天员与地面上的业余无线电爱好者开展对话，使学生和民众更好地了解国际空间站上的生活。“同步位置保持、轨道预定、再定向实验卫星-零-机器人”实验由学生们为该卫星编程并开展竞赛，促进教育。

3.6 地球与空间科学实验

地球与空间科学领域共开展了31项实验，其中11项为新实验，NASA和Roscosmos分别资助了9项和2项新实验，研究方向涉及天体物理学、对地观测、太阳物理学和日球层物理学，下面介绍部分新实验。

NASA支持开展的“平流层气溶胶和气体实验-III”于2017年2月运抵国际空间站，旨在通过对地球臭氧层、其他气体、气溶胶和大气中的微小颗粒进行长期测量，帮助人类了解和保护地球大气层；“中子星内部构成探测器”于2017年6月运抵国际空间站，旨在开展中子星测量，检验中子星内部物理学相关理论和模型，并测试X射线授时和导航技术；“国际空间站宇宙线能量和质量”实验于2017年8月运抵国际空间站，旨在测量高能粒子，研究宇宙线的起源及历史，深入了解宇宙基本结构。

美国国防部通过NASA开展了2项“空间测试计划”系列新实验：“法布里-珀罗甲烷光谱仪”实验旨在验证开发、建造和运行一种新型天基甲烷测量仪器，有助于解决甲烷分布、通量和趋势等关键科学问题；“闪电成像传感器”实验旨在测量闪电的数量、速度和能量，提高对闪电及其与天气的关系的认识。

Roscosmos支持开展的2项新实验是：“场景”利用国际空间站上的遥感设备记录地球上的灾害现象，并根据观查结果开发评估地球灾害、潜在危险及环境问题的方法；“晨昏线”研究中层大气上部和热层底部的大气分层结构。

此外，“阿尔法磁谱仪-02”、“量能器型电子望远镜”、“沿海海洋超光谱成像仪”等20项实验继续开展。“从国际空间站测量气旋强度”实验开展的天基风暴研究，利用自动相机从国际空间站上进行拍摄，测量风暴中心旋眼外的云顶高度，并通过结合其他数据，实现了可精确、实时测量强烈的热带气旋强度的新技术。

4 结论

作为迄今最大型的空间科研与应用平台，国际空间站正在充分发挥其重要价值。本文通过对国际空间站2016年9月至2017年9月开展的第49～52次长期考察任务科研应用活动的回溯，得出以下结论。

1）当前，国际空间站科研与应用活动非常活跃，实验规模持续扩大，新实验比例较高，科研应用成果亮点纷呈。自2015年起，国际空间站每年的4次长期考察任务都开展了超过300项实验。在第49～52次长期考察任务中，6大研究领域共计开展了349项实验，其中新实验为149项，占实验总数的43%。大规模的科研与应用活动已经产生各类成果。据NASA统计，截至2017年9月，国际空间站科研与应用活动已经产生1455篇期刊论文和426篇会议论文［3］。“毕格罗可扩展活动舱”性能成功获得验证、对冷焰燃烧现象开展深入研究、验证在空间中鉴定微生物的可行性并建立完整流程、在空间远程操控地面机器人、在空间生长多种绿叶蔬菜、优化航天员在轨锻炼方法等都是2017年极具代表性的科研与应用工作和成果。

2）各国航天局各有侧重的研究领域，NASA支持开展的实验数量最多。在第49～52次长期考察任务开展的全部349项实验中，NASA实验达195项，占实验总数的56%，其中以技术开发、生物实验为最多。NASA支持开展的新实验共计114项，占NASA实验总数的58%，占全部新实验数（149项）的 77%。除 NASA外，Roscosmos、ESA、JAXA、CSA支持开展的实验项数依次递减。Roscosmos在人体研究、生物、技术开发，ESA在人体研究、物理科学、技术开发，JAXA在物理科学、人体研究、生物，以及CSA在人体研究方面支持开展的实验数相对较多。

目前各国均已承诺将支持国际空间站至少运行至2024年，关于2024年后的规划也在加紧酝酿中。在2017年9月召开的第68届国际宇航大会上，NASA代理局长表示正在与各方合作伙伴探讨在2024年后继续运营国际空间站的可能性，JAXA局长称现阶段应重点关注如何充分利用国际空间站，以获取更大收益。2017年9月，国际空间站美国舱段首次实现4人驻站，使航天员有更多时间开展科研活动。可以预见，各国还将继续加强国际空间站上的科研应用活动。