国际空间站科学研究与应用发展动向和重点分析

1、国际空间站科学研究与应用发展动向和重点分析目 录一、国际空间站科学研究与应用发展动向1二、国际空间站各领域科学研究与应用发展动向与重点分析2三、国际空间站科学研究与应用热点分析1314国际空间站科学研究与应用发展动向和重点分析摘要：国际空间站为开展多学科研究提供了理想的空间实验平台。空间站科学研究与应用涉及人体学、生物学、物理学、空间天文学、对地观测研究领域以及空间站技术研发。国际空间站科学研究对长期空间飞行和未来深空探测任务提供了有力支持；空间站长期飞行条件成为开展地球物理科学研究的理想观测平台，为其提供空间观测数据；利用空间站微重力条件开展微重力科学研究，实现基础理论突破、发现物质新特性及

2、其潜在应用前景。通过分析国际空间站历次远征任务中开展的科学实验研究项目揭示空间站科学研究与应用的发展动向和研发重点以及近期热点研究方向。一、国际空间站科学研究与应用发展动向国际空间站科学研究与应用主要涉及以下学科领域：人体学研究、微重力生物学、微重力物理学、对地观测、空间天文学以及空间站技术研发。通过分析国际空间站远征任务（expedition，1-22）中完成的空间科学实验数据，揭示空间站科学研究与应用在每一学科领域的发展动向与研发重点。通过分析历次空间站科学实验数据（expedition 1-22）显示，人体研究与微重力生物学在空间站实验中所占比重最高（图1），该结论与nasa国际空间站计

3、划（2006）中将人类生物医学研究作为最高优先级研究领域的目标是一致的。空间站技术研发也是国际空间站实验项目的重点投资方向，其次是微重力物理学以及对地观测领域。随着近期欧洲哥伦布舱和日本jem舱及其搭载的实验与观测设备的成功发射，空间天文学项目在近期的空间站实验研究中也在迅速增长。图1 国际空间站科学实验研究趋势二、国际空间站各领域科学研究与应用发展动向与重点分析（一）人体学研究1研究领域空间站人体学研究实验项目主要涉及以下领域：宇航员行为与健康研究；人体生理医学研究，包括神经学和前庭系统、骨骼和肌肉生理学、心血管和呼吸系统、免疫系统；微重力环境与辐射问题研究。2研究动向在空间站人体研究实验项

4、目中，宇航员行为与健康研究成为历次实验任务中的重点投资方向，实验项目远高于其它研究方向（图2）。早期空间站实验（expedition 1-13）研究方向主要集中在记录和分析宇航员在空间站微重力以及隔离封闭环境中的行为和心理状态以及生理适应性，后期空间站实验任务（expedition 14-22，尤其是expedition 17-20）则在此基础上研究对抗和医疗措施。人体生理医学研究也是空间站实验任务中连续投资的研究方向，在历次空间站实验任务中具有稳定的投资比例，重点研发方向围绕人体骨骼和肌肉、神经系统、心血管和呼吸系统以及免疫系统，通过研究人体系统在太空失重条件下呈现出的新体征，为提出相应的应

5、对措施以支持人类未来长期深空探测任务提供科学依据。另外，微重力环境与辐射问题对人体的影响方面的研究也在持续进行中，其中的研究包括太空舱外活动中宇航员辐射剂量研究以及微生物在太空环境中的综合特征等。图2 人体学实验研究趋势3重点分析宇航员行为与健康研究是历次空间站实验研究的重点方向，近期的研究重点是研制长期太空飞行任务中的对抗和医疗措施，包括应对宇航员健康的静脉补液、药物与营养成分稳定性研究，以及通过调速轮锻炼设备等改善长期空间站飞行中出现的各种生理机能反应。具体项目涉及监测太空飞行环境中宇航员活动、营养状态评估、新陈代谢研究、心理性失眠研究、失重引发的运动障碍以及心血管与肌肉生理功能等。（二）

6、微重力生物学1研究领域微重力环境中的生物学实验研究主要包括：微生物学、植物生物学、动物生物学、生物工程学和细胞生物学、外空生物学。2研究动向在空间站科学实验研究中，微重力环境下的生物学研究是仅次于人体学研究的重点投资方向。其中，微生物学和植物生物学以及生物工程学和细胞生物学成为该领域的两大研究重点（图3）。微生物学的主要研究方向（expedition 5-22）为微重力环境下菌类（细菌/病菌）的繁殖与传播、微生物药物毒性和微生物基因表达，提供空间站细菌预防和防范措施以及研制疫苗。开展植物生物学研究（expedition 5-22）的一个重要目的是通过解决微重力环境中植物生长问题为长期空间飞行提

7、供高能量、低重量食物支持以及可再生生命支持系统。早期空间站生物工程学实验（expedition 2-4）研究基于空间站上的细胞生物工程技术操作支持系统进行，研究重点是人类遗传、人体免疫系统和疾病的病理学，并利用空间站商业化的生物过程设备研制空间环境中的抗生素产品。在近期空间站实验（expedition 7-22）中研究重点转向微重力环境中的菌株培养以及蛋白质制造。细胞生物学研究在近期空间站实验任务（expedition 16-22）中开展较多，研制疫苗，并为空间站建成后向商业研究开放做准备。空间站实验（expedition 11-22）也开展动物生物学的研究，但是实验比例相对较低，主要研究微重

8、力与宇宙辐射对生物组织结构和功能的影响。外空生物学是欧空局在近期空间站实验（expedition 16-20）中开展的研究项目，主要研究生物在空间环境中的生存问题，包括生存极限、适应能力等，研究在不同空间和行星紫外线条件下微生物分子水平的适应能力、发现太空环境下有机物的进化原理。图3 微重力生物学实验研究趋势3重点分析微生物学和生物工程学实验是微重力生物学研究的重点领域。微生物学实验研究的主要方向有：研究地面细菌、病毒等微生物在空间环境下的各种生命特征；研究宇航员和实验设备表面附着的微生物在空间站中的分布及其产生的影响；研究微重力环境对各种病菌复制、传染性的影响。生物工程学实验近期主要关注空间

9、环境对基因表达的影响，研究重点转向微重力环境中的菌株培养以及蛋白质制造，利用空间环境研究疾病的病理机制，研发疾病治疗方法。（三）空间站技术研发1研究领域 空间站技术研发包括空间站微重力环境特征研究、微小卫星和控制技术、太空飞船材料、太空飞船系统、太空飞船与轨道环境研究。2研究动向空间站微重力环境特征研究一直是空间站技术研发中的投资重点，平均实验次数是其它方向的3-4倍（图4）。主要研究方向包括：实验舱振动及加速度测量、空间站运动状态/磁力/微重力分布测量（expedition 2-20）；空间站封闭生活环境（如，环境空气、微生物、废弃物等）与舱内/舱外辐射环境监测（expedition 1-2

10、2）。微小卫星和控制技术研究低轨自动对接技术（双射频天体动力学gps轨道导航卫星，expedition 19-20）、空间站内航天器自动对接技术（同步定位控制实验卫星，expedition 8-22）以及微型低能耗监测卫星。太空飞船材料研究包括开发空间极端环境下应用的新型材料（expedition 3-22）、材料暴露与退化实验、空间焊接技术、太阳能电池技术等。太空飞船系统研究通讯导航、容错延迟网络、系列网络流量监测系统，用于提高在轨计算机网络数据传输能力（expedition 9-22）；下一代火灾探测设备、阻燃灭火剂方案（expedition 10-22）；航天飞机轨道机动系统排气驱动的等

11、离子体湍流、空间站内系统工作模式与空间站飞行状况的关系（expedition 1-19）。太空飞船与轨道环境的研究将用于提高航天飞机安全性，空间碎片和微流星体演变状况监测将为航天器风险评估和防护罩设计提供必要参考。图4 空间站技术研发趋势3重点分析恒定的微重力条件对许多国际空间站实验是必不可少的。测量空间站微重力环境的实验项目所占比重一直较大，涉及以下研究内容：利用微重力加速测量系统（mams）、空间加速测量系统-ii （sams-ii）对实验舱振动频率和加速度频率进行测量，分析影响敏感实验的振动类型，了解国际空间站上的振动环境；开发高精度空间站运动状态预测系统（vektor-t）分析空间站运

12、动状态；研究空间站动态特性、空间站磁力和微重力分布，确定科学设备等安装位置。监测空间站舱内生活环境以及舱内/舱外辐射环境也是其研究重点，主要监测对象包括空间站空气中32种潜在的气态污染物，如，甲醛、氨气和一氧化碳；检测空间站内溢出或泄入的空气污染物、生物/化学物质，警示健康和安全隐患；以及辐射剂量监测。（四）微重力物理学1研究领域利用空间站微重力环境进行物理学科的研究，历次空间站实验研究主要涉及材料科学、蛋白质晶体培育、流体物理、基础物理、燃烧科学研究领域。2研究动向空间站微重力环境为材料科学研究提供了极大优势。空间站早期实验（expedition 2-10）主要研究胶原质结构、晶体生长以及半

13、导体制造中的凝固过程，其中，胶原质和材料凝固的研究项目持续进行到空间站中期实验（expedition 11-14）中（图5）。空间站近期实验（expedition 15-22）的研究重点转移到对二元胶体合金材料的研究上，且实验次数明显增加，约为此前材料科学实验平均次数的2倍。蛋白质晶体培育是空间站早期实验（expedition 1-5）的研究重点，在该方向上进行的实验次数约为物理学其他方向的2-3倍，其实验目的是利用微重力条件制造高质量的蛋白质晶体，之后的空间站实验（expedition 7-11）在该方向上的研究明显减少，近期已不设计该类实验。流体物理学研究在空间站实验中一直持续进行（exp

14、edition 7-22），通过对流体系统的毛细管流动、粘滞性、扩散、混沌与湍流转换过程的实验研究，为设计更轻便可靠的流体系统，包括燃料槽、冷冻剂储存系统、热控制系统以及液态材料加工等，提供实验依据，成为开展流体物理实验研究的一个重要目的，并将应用于改进未来飞船中的流体转移系统，同时也将促进未来太空制造过程和工业材料加工过程。基础物理学研究在近期的空间站实验（expedition 16-22）中有所增加，利用微重力环境中的超声波矩阵系统制造高品质的新材料。空间基础物理实验将引导先进材料制造业的发展，在半导体、光电子、陶瓷和复合材料领域具有重要的应用价值。燃烧科学研究在空间站实验中一直持续进行（

15、expedition10-20），重点关注燃烧系统设计的改进和未来飞船用材料的选择。通过对同向流动氧化剂的烟点（碳微粒）性质、空间燃烧室中火焰扩散等过程的研究，用于改进空间站引擎燃烧室、预警热辐射及火焰形成，并为选择下一代飞船材料规范易燃标准。图5 微重力物理学实验研究趋势3重点分析微重力材料科学研究成为近期空间站实验任务的研究重点之一，该领域的研究方向目前集中在对二元胶体合金材料性质的研究上。通过设计系列实验，研究超临界流体的潜在应用价值、新型胶体合金材料在通讯和光纤网络中的潜在应用以及用于低辐射材料的胶体粒子。该系列实验将促进胶体工程领域的发展，开创基于胶体粒子新特性的新型材料，并有助于新

16、药物、清洁电力和行星际运输燃料（如，作为未来火箭发动机推进剂的超临界流体）的研制，开发微重力新型材料在未来通讯、光纤网络、行星际运输燃料等方面的重要应用前景。（五）对地观测1研究领域空间站上进行的对地观测实验研究主要涉及环境监测、大气观测、生态资源调查研究领域。2研究动向利用空间站长期飞行条件进行环境监测的实验研究一直在持续进行，为地球科学研究提供空间实验数据（图6）。如，拍摄地球植被区图像以及拍摄风暴、洪水、火灾、火山爆发等事件引起的地球表面变化（expedition 1-22）；拍摄地球极地区域现象（expedition 14-18），为2007-2009年期间研究地球极地区域的国际合作提

17、供支持。近期空间站实验（expedition 19-22）的研究方向转向对海洋地球物理特征以及地球大气层和电离层组成及性质的研究。利用空间站进行大气观测，早期的实验（expedition 4-16）主要研究航天器飞行中与地球高层大气之间的相互作用。近期空间站实验（expedition 17-22）主要测定地球大气中二氧化碳和甲烷含量、臭氧变化，地震监测，监测近地空间环境的高能粒子流也是近期的实验研究方向。生态资源调查研究（expedition 9-20）利用长期太空飞行中记录的地球区域环境图像数据评估工业活动区域的生态学效应；海洋渔业资源富集区域形态特征研究。图6 对地观测实验研究趋势3重点分

18、析利用空间站进行地球物理观测是空间站科学研究的一个重要组成部分。海洋地球物理观测、地球大气层与电离层研究成为近期实验研究方向，主要利用海洋超光谱成像仪（hico）和海洋远程大气/电离层探测系统（raids）。利用脉冲等离子源进行电离层探空，研究人造等离子体流对空间环境的干扰以及该干扰效应对无线电波传播造成的影响。在空间站轨道上测量空间环境（中子、等离子体、重离子、高能辐射粒子、原子氧、宇宙尘埃）以及材料和电子设备与空间环境的相互作用。另外，大气观测研究的近期实验（expedition 19-22）中，利用具有最高灵敏度的超导亚毫米波limb声探测器（smiles），绘制全球大气同温层示踪气体，

19、观测低/中纬度区域和北极圈区域，并建立对流层上层区域和同温层下层区域的臭氧变化数据库，用于分析自然过程和人类活动对地球大气的影响。（六）空间天文学1研究领域空间天文学研究主要涉及太阳辐射探测、宇宙线监测、空间站等离子体环境的研究。2研究动向空间天文学研究在近期空间站科学实验任务（expedition 14-22）中迅速增加，其中太阳辐射探测研究成为研究重点方向（图7）。利用空间站太阳监测观测台（solar）研究太阳光谱（具有空前的高精度，计划观测持续2年，expedition 16-20，欧空局）。宇宙线监测研究包括：利用空间站全天x-射线成像监测仪（maxi）进行全天x-射线长期和短期变化研

20、究，监测1000个以上的x射线源（监测能级0.5-30 kev，expedition 19-22，日本）；利用高速热中子流测量仪（btn-m1），测量来自太阳耀斑的中子及射线，研究空间站环境电离辐射特征，建立空间站环境中子背景辐射的物理模型，并记录空间射线暴（expedition 14-20，俄罗斯）。 空间站等离子体环境实验是利用地基观测设备（plasma-progress）测量在轨液体燃料推进器引擎运行中引发的太空飞船周围环境中的大尺度等离子体特征（expedition 15-20，俄罗斯）。图7 空间天文学实验研究趋势3重点分析太阳辐射探测是目前空间站实验的一个重点研究方向。哥伦布实验舱搭载的太阳监测观测台（solar）计划