2018年国际空间站科研与应用进展

范唯唯，韩 淋，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

国际空间站是由美、俄牵头，欧、日、加等多个国家和地区参与的国际合作项目，于2011年基本建成，可支持6名航天员长期驻留，是人类历史上规模最大的空间设施和近地轨道太空实验室，用于开展未来深空探索和载人飞行技术测试，产生的效益极大地改善了地球上人们的生活。本文基于美国国家航空航天局和俄罗斯“能源”火箭公司国际空间站项目数据和分类标准[1-3]，就第53/54次和第55/56次长期考察任务期间国际空间站空间科学与应用整体研究情况及各领域研究进展和新变化进行综合分析，揭示国际空间站科研发展新动向和新特点。

2 科学研究与应用概况

2.1 主要研究方向

2017年9月到2018年10月，国际空间站第53/54次和第55/56次长期考察任务在技术开发与验证、人体研究、教育活动和推广、生物学与生物技术、物理科学及地球与空间科学6大研究领域开展了389项科学研究实验[1-3]。美国国家航空航天局(NASA)、俄罗斯国家航天集团(Roscosmos)、欧洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和加拿大航天局(CSA)资助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53～56次长期考察任务开展的全部389项实验中，NASA资助了239项，较2017年有较大提升，各领域的实验数均领先于其他几家机构。其中技术实验最多，其次为生物学与生物技术实验。Roscosmos共资助68项实验，较去年略有下降，持续关注技术、生物学和人体研究。ESA和CSA资助的实验数量与2017年基本持平，重点聚焦人体研究。JAXA在除教育活动外的其他5个领域布局均衡。

4次长期考察任务共开展了157项新实验，各航天局支持开展的新实验项数及与2017年对比见表2。NASA开展的新实验数量最多，占任务期内资助实验数量的52.3%。Roscosmos和CSA的新实验数量较少，以开展延续性实验为主。ESA新实验占比37.5%，与去年基本持平，而JAXA的新实验比例较2017年有大幅增长，由7%增至28.5%。

2.2 科学研究与应用进展

2.2.1 技术开发与验证实验

技术开发与验证在第53～56次长期考察任务期间开展的实验数最多，共计112项实验，也是二级学科类别最多的一个研究领域，各航天局资助开展的实验情况见图1。可以看出，NASA几乎在所有二级学科领域均占据领导地位，在表征实验硬件、小卫星和控制技术，以及通信和导航领域开展的实验最多。Roscosmos在绝大多数二级学科领域都有布局，且各领域实验数差距不大。ESA和JAXA开展的实验项数相当，但聚焦领域各有不同。

图1 各航天局在技术开发领域的实验数Fig.1 The number of experiments in technology by agency

技术开发与验证领域共有42项新实验，NASA、ESA、Roscosmos和 JAXA分别资助了 35项、3项、2项和2项新实验，表征实验硬件、通信和导航、小卫星和控制技术等研究方向的新实验最多。下面分析部分有代表性的新实验。

NASA支持开展的商业演示实验“微重力下生产光纤”实验由空间制造公司的首席执行官领导，验证了可在微重力下制造氟化物ZBLAN光纤，为大规模在轨制造高品质光纤奠定了基础，有望推动空间商业活动兴起。未来该技术可用于在微重力下制造那些在重力场下难以制造的光纤。该实验被评为第7届国际空间站研究和发展大会6项最佳创新研究工作之一[4]。

NASA资助的“技术教育卫星”系列实验旨在测试帮助小型航天器有效载荷脱轨的“外构刹车”(Exo-Brake)系统，帮助高效地将小型样本从轨道送返回地球，加速微重力研究进程，现已进行到第6期。“技术教育卫星6”在“技术教育卫星3-5”基础上改进了软件系统和直接阻力测量方法，测试独立的无线传感器模块、精细调制控制、实验指导、导航和控制模块，以及纳卫星射频识别功能。

Roscosmos在4次长期考察任务期内专注开展了2项热管理系统新实验。“分割”实验研究微重力条件下有效从用于航天器机载系统和动力设备温度调节电路的冷却剂中去除气体杂质的方法和装置，并与地面研究结果对比。“相变”实验在空间条件下测试新型热管密封和非密封性能，研究微重力对热管的热物理和操作性能的影响。

ESA重点开展了通信和导航方面的研究，“MarconISSta”是一个无线电频谱分析仪有效载荷，在国际空间站上监测VHF、UHF、L和S等频段的使用情况，测量各种轨道上特定频谱范围内的信号强度，并计算信号强度随时间变化的最大值和平均值，以分析卫星通信频段的使用情况和可用性，绘制全球频谱使用地图。

JAXA支持开展的“环形热管散热器系统演示”新实验旨在验证微重力条件下环形热管散热器的传热性能，可用于未来卫星热控制系统。

2.2.2 生物学与生物技术实验

生物学与生物技术实验共计91项，各航天局资助开展的实验情况见图2。其中NASA资助了62项，占比68%，特别是在植物生物学、细胞生物学、动物生物学-无脊椎动物和大分子晶体生长领域，实验数目远超其他机构。Roscosmos在除植物生物学外的其他二级学科领域均有布局，重点开展了微生物学和动物生物学-脊椎动物领域的研究。CSA在该任务期内没有生物学实验。

在所有的47项新实验中有40项是NASA资助的，Roscosmos仅资助开展了1项实验，ESA和JAXA聚焦不同的研究方向，各开展了3项新实验。

图2 各航天局在生物领域的实验数Fig.2 The number of experiments in biology and biotechnology by agency

NASA在细胞生物学领域开展的新实验最多，利用空间技术和先进研究系统公司的研究设备开展了系列实验：“生物科学-5”实验研究金黄色葡萄球菌在微重力下如何丧失其致病性并发生颜色变化；“生物科学-8/变重力环境下基因表达的表观遗传学控制”研究微重力环境对哺乳动物免疫细胞基因表达的影响，结果有助于理解重力是否和在多大程度上影响了细胞的正常功能，以及细胞如何适应新环境；“生物科学-8/免疫系统细胞在变重力环境下的功能、适应和再适应”实验研究微重力环境下免疫系统细胞的激活和功能，包括其对微重力的功能性适应能力和对火星重力的再适应能力，以及对大麻素受体信号传导的作用。

NASA还是唯一在53～56次长期考察任务期内开展了植物生物学研究的机构。“先进植物实验”是一系列研究空间环境对生物系统影响的实验[5]：“先进植物实验-5/空间飞行诱导的缺氧-ROS信号”旨在培育拟南芥各种野生型和突变型，并将其制成冷冻样本送回地球进行详细分析，以研究其基因和分子应激反应系统。“先进植物实验-5/利用二穗短柄草研究单子叶植物的空间环境适应能力”旨在培育二穗短柄草，并将其制成冷冻样本送回地球进行分析，与正常重力环境生长的对照组进行详细比较，旨在对比研究二穗短柄草与拟南芥生长和基因表达模式差异。

Roscosmos仅资助了1项微生物学新实验，“光合反应器”利用光生物反应器进行生物技术实验，在微重力环境下培养微藻，以期在长期飞行中帮助航天员获取食物和氧气。

ESA资助的新实验多为微生物学研究，“国际空间站培养的节螺藻的基因表达和数学模型”实验在国际空间站培育节螺藻，监控其灯光、温度、营养供应和生长，随后将样本送返地球予以检查并开展结构、生理学及遗传学研究，旨在探究通过光合作用产生氧气的生物过程是否也能在空间正常开展。

JAXA侧重动物生物学领域研究，资助的新实验“斑马鱼空间环境敏感基因的鉴定及传感机制的研究”利用国际空间站上的人工1g重力环境，检测斑马鱼基因表达变化是否对微重力或其他因素(如空间辐射)产生响应，研究空间环境下鱼类是否也会发生肌肉萎缩并试图找出其中的原因。

2.2.3 人体研究实验

人体研究是载人航天科研计划中最受关注的研究领域之一，通常以获取连续性载人航天飞行医疗系统数据为研究目的，部分实验延续性较强，新实验比例较低，全部60项实验中仅有13项新实验。

从实验数量上看，Roscosmos在人体研究领域的优势较为明显，几乎在所有二级学科领域都有布局，特别关注人类行为和绩效、心血管和呼吸系统，以及骨骼和肌肉生理学方面的研究，但在53～56次长期考察任务期内未开展新实验。人体研究也是ESA一直以来最为关注的研究领域，在所有6个领域的实验数量最多。各航天局资助开展的实验情况见图3。NASA、ESA和JAXA各资助开展了4项新实验，CSA资助了1项新实验。

图3 各航天局在人体研究领域的实验数Fig.3 The number of experiments in human research by agency

NASA在宜居性和人为因素领域资助开展的“联盟号乘员风险表征”新实验旨在研究联盟号着陆过程中航天员实际受到的损伤数量和类型，确定造成这些损伤的因素。实验结果有助于改进用于当前航天员保护标准中规定的伤害度量，优化未来航天器设计，为航天员提供更好的保护。

ESA资助的“太空肌张力”新实验旨在研究长期暴露在空间环境中的肌肉的生化特性(如肌肉强直、刚度、弹性等)。实验结果有助于进一步了解人体静息肌张力的原理，进而为康复替代治疗以及未来空间任务制定新的战略。“微重力环境下的时间感知”实验量化了人类长期暴露于微重力环境期间及之后对时间感知的主观变化。

JAXA资助的“利用‘希望号’实验舱研究骨质疏松症和骨质量相关蛋白的医学蛋白组”实验通过分析小鼠在空间飞行后血液、骨骼和骨骼肌中蛋白表达的变化，识别与骨质疏松或骨质流失有关的特定蛋白质。“循环核酸液体活检的基因组和表观基因组分析”实验利用新型血液测试方法分析空间飞行前和期间从航天员血液中采集的脱细胞DNA和RNA分子，帮助理解空间飞行中人体基因水平的变化。

CSA资助了1项神经和前庭系统新实验：“长期空间飞行对人类空间定向能力的危害：行为和神经机制研究”实验研究长期暴露于微重力环境对航天员空间定向能力和神经机制的影响，并探究航天员返回地球后认知和神经系统变化的持续时间。

2.2.4 教育活动和推广实验

教育类实验共计48项，是新实验比例最高的一个领域，有31项新实验，且大部分是学生开发实验。

NASA资助了27项新实验，其中4项利用纳米机架开展，研究内容涉及无线电技术、微生物、细胞生物学和晶体培育等。有13项学生开发实验利用了太空探戈公司立方实验室平台开展，实验内容涉及物理学、微生物、细胞生物学和晶体培育等。实验平台有1U-7U多种尺寸供用户选择，可同时进行21项独立试验并实现网络互联，每个用户都有一个在线“入口”，用于实时访问实验数据。

ESA资助的“ESA-教育有效载荷操作”系列开展了2项新实验：“地球卫士种子”对比研究实验旨在研究被送往国际空间站、随后被送返地球进行培育的野花种子样本，以及地球对照组的生长过程，旨在让学生了解生物多样性和物种保护的重要性，同时激发学生对自然和环境科学的好奇心。“飞行教室2”通过拍摄一系列教育视频，向10～18岁的孩子展示微重力环境与地球环境之间的巨大差异，旨在加强和促进科学教育，激励学生学习计算和编码。

Roscosmos仅资助了1项新实验：“浮萍”实验旨在验证高等植物器官的重力敏感性和光敏感性对生长环境中液相和气相的失重定向机制，比较研究植物对液相和气相产生的不同反应。

2.2.5 物理科学实验

物理科学领域共开展了46项实验，NASA资助开展的实验数最多，占全部实验数的58.7%。Roscosmos、ESA和JAXA资助开展的实验数量相当，侧重点却各有不同：Roscosmos重点开展了材料科学和燃烧科学研究，ESA聚焦基础物理，JAXA更关注材料科学。CSA并没有在该领域开展研究。各航天局资助开展的实验情况见图4。

图4 各航天局在物理科学领域的实验数Fig.4 The number of experiments in physical science by agency

该领域共有16项新实验，NASA和Roscosmos分别资助了12项和2项新实验。ESA和JAXA各开展了1项新实验。

NASA资助了系列“先进胶体实验”复杂流体实验。“温度-2”研究通过调节卡西米尔相互作用将微米级胶体粒子组装为复杂结构，有助于更好地了解复杂的相互作用如何影响复杂结构以及这些结构的生长动力学。“温度-7”研究如何设计与组装胶体粒子以形成三维复杂结构，在不同样本中改变排空元的大小和浓度，观察其对结晶的影响。“温度-9/胶体分子的先进成像、折叠与组装”实验测试对空间生成的胶体分子的显微成像能力，研究胶体二聚体和锁钥粒子的自组装。

Roscosmos资助的2项新实验均为燃烧科学研究：“扩散火焰”实验旨在获取高精度实验数据，研究燃烧剂和氧化剂尾流中扩散火焰的分层；“电火焰”实验旨在研究电场对扩散火焰的影响。

ESA和JAXA资助的新实验均为材料科学研究。ESA的“透明合金-SEBA”实验研究定向凝固的透明二元共晶合金在纯扩散条件下的形态不稳定性，可以以微米尺度分辨率、厘米级空间尺度和数十小时时间尺度来实时观测共晶前结构动力学。JAXA的“高温氧化物液体脆性的起源-制备新型非平衡氧化物材料”实验利用日本实验舱的静电悬浮炉测量高温氧化物熔体的热物理性质。2.2.6 地球与空间科学实验

地球与空间科学领域共开展了32项实验，各航天局在二级学科领域的布局程度相当，各航天局资助开展的实验情况见图5。NASA和Roscosmos多开展地球遥感领域实验，JAXA侧重天体物理学领域研究。全部8项新实验中有7项由NASA资助。

图5 各航天局在地球科学领域的实验数Fig.5 The number of experiments in earth and space science by agency

NASA资助的4项地球遥感实验中，“国际空间站生态系统天基热辐射实验”首次从空间站对地表开展高时空分辨率热红外测量，回答植物中水分的动力学以及未来生态系统对气候变化的响应等关键科学问题，包括：陆地生物圈对水资源可利用量变化的响应，日间植被水分胁迫的变化如何影响全球碳循环，以及先进的农业用水消耗监测和优化干旱估算能否降低农业脆弱性。“太阳总辐照通量和太阳光谱辐照通量传感器”实验由太阳总辐照通量和太阳光谱辐照通量两个传感器组成，前者测量所有波段的太阳能量的总和，确定地球的总能量输入，后者测量每个波段的太阳能量，帮助了解地球大气层对太阳能量输出变化的响应。两个传感器一起为气候、大气、化学以及辐射传输模型提供了基本边界条件。

NASA还资助了3项天体物理学新实验。“PROPCUBE-Fauna”实验通过部署立方星对地球大气层外电场的精确位置、密度和潜在振动进行高分辨率测量，帮助降低通过电离层的无线电信号的误差和延迟，提高信号传输效率，优化通信系统。“研究银晕热气体的立方体卫星”旨在通过检测银晕中氧原子的X射线，确定银晕中的物质数量。“ARISE”实验旨在研究由小颗粒碰撞引发的摩擦带电现象，帮助理解和预测地球上的闪电暴和火山暴的成因。

ESA资助的“大气-空间相互作用监测器”新实验旨在研究强雷暴现象及其在地球大气和地球气候中的作用，确定可有效引发高层大气摄动的雷暴特征。

3 结论

本文通过对国际空间站2017年9月到2018年10月开展的第53/54次和第55/56次长期考察任务科研实验项目以及其中新实验项目的回溯，得出以下结论：

1)与2017年相比，国际空间站开展的实验项数继续增加，6大研究领域共计开展了389项实验，其中新实验为157项，占实验总数的40%。NASA在总实验数量和新实验数量方面遥遥领先于其他航天局：4次长期考察任务期间NASA共开展了239项实验，是其他航天局实验数总和的一倍还多；新实验125项，约占所有新实验数量的80%。Roscosmos和CSA的新实验数量较少，以开展延续性实验为主。ESA新实验比例与去年基本持平，而JAXA的新实验比例较2017年有大幅增长，由7%增至28.5%。

2)在6大研究领域中，技术开发与验证实验数量最多，二级学科类别也最多。其次为生物学与生物技术实验，与去年相比，该领域实验数量增幅最明显。各国航天局侧重的研究领域各有不同：NASA在技术开发、生物学领域实验最多；Roscosmos资助的实验数量较去年略有下降，持续关注技术开发、生物学和人体研究。ESA和CSA资助的实验数量与2017年基本持平，侧重人体研究。JAXA在除教育活动外的其他5个领域布局均衡。

3)美国宇航学会、空间科学促进中心和NASA联合举办的第7届国际空间站研究和发展大会评选出了2018年极具代表性的科研与应用工作和成果，包括：重力对小鼠骨骼肌肉健康的影响，微重力对新生儿和成人心血管干细胞分化的影响，“量热仪型电子望远镜”项目直接测量到TeV的高能宇宙线电子和正电子，空间飞行对航天员大脑结构的影响，航天员骨丢失的全身性骨生长疗法，微重力下制造氟化物光纤等[4]。

2018年是国际空间站在轨运行的第20年，各主要参与国积极部署国际空间站的未来科研应用。NASA在特朗普政府《空间政策一号令》的指导下推出“探索行动”计划，利用国际空间站开展科学研究仍是近地轨道的核心目标，未来将重点拓展商业和国际近地轨道活动的广度和深度，确保美国在近地轨道的长期存在[6]。俄罗斯总统普京在致国际空间站建站20周年贺电中表示，有必要充分利用国际空间站的科学技术储备，实施新的、大规模的空间探索相关科研计划，特别是深空探测和载人航天[7]。国际空间探索协调工作组在2018年2月发布的第三版《全球探索路线图》中，仍将国际空间站列为未来近地轨道任务的关键实施平台，提出利用其验证深空探索所需的技术和能力，持续开展科学研究[8]。未来国际空间站的研究效益有望进一步提高。