國際空間站科研應用活動分析與啟示

韓 淋，楊 帆，范唯唯，王海名

(中國科學院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京100190)

1 引言

國際空間站是多國在合作構思、規(guī)劃、運行和使用大型空間研究平臺方面取得的一項史無前例的重要成就，自其初步組裝建設伊始就一直持續(xù)開展多學科的科學研究與應用工作。近年來，隨著建設階段的完成，國際空間站已經(jīng)進入全面應用階段，科研應用規(guī)模持續(xù)擴大，并產(chǎn)生了許多科研成果和應用效益。

本文基于美國國家航空航天局(NASA)和俄羅斯國家航天集團(Roscosmos)國際空間站計劃網(wǎng)站公布的最新信息[1-2]，統(tǒng)計分析國際空間站科研實驗項目，并綜合科研論文、部分亮點成果、應用效益等科研產(chǎn)出情況，力圖描繪國際空間站科研應用活動全貌，希望為我國未來相關科研應用規(guī)劃提供參考。

2 國際空間站科研實驗項目情況

國際空間站實驗項目涉及六大研究領域——生物學與生物技術、技術開發(fā)與驗證、教育活動和推廣、人體研究、物理科學以及地球與空間科學的數(shù)十個研究方向[1]。

1)生物學與生物技術領域：包括動物生物學，植物生物學，微生物學，大分子晶體生長，細胞生物學，疫苗開發(fā)，微膠囊化等研究方向。

2)技術開發(fā)與驗證領域：包括空氣、水和表面監(jiān)測，航電設備和軟件，表征實驗硬件，商業(yè)驗證，通信與導航，艙外活動系統(tǒng)，滅火和探測，食品及服裝系統(tǒng)，成像技術，生保系統(tǒng)和居住，航天器內微生物群落，微重力環(huán)境測量，電力產(chǎn)生及分配系統(tǒng)，輻射測量和防護，維修及加工技術，機器人技術，小衛(wèi)星及控制技術，空間結構，航天器材料，航天器及軌道環(huán)境，熱管理系統(tǒng)等研究方向。

3)教育活動和推廣領域：包括學生開發(fā)的研究項目，教育競賽，教室版本的國際空間站研究項目，教育示范，工程教育，商業(yè)演示，文化活動等研究方向。

4)人體研究領域：包括心血管和呼吸系統(tǒng)，神經(jīng)和前庭系統(tǒng)，綜合生理學和營養(yǎng)，骨骼與肌肉生理學，人類行為和績效，免疫系統(tǒng)，航天員醫(yī)療系統(tǒng)，輻射對人體影響，宜居性和人因研究，視覺，人體微生物組研究，交叉學科等研究方向。

5)物理科學領域：包括燃燒科學，復雜流體，流體物理，材料科學，基礎物理等研究方向。

6)地球與空間科學領域：包括對地觀測，太陽物理，天體物理，近地空間環(huán)境研究，宇宙生物學等研究方向。

國際空間站上的科學實驗是按照長期考察任務來規(guī)劃進行的。截至2018年11月，根據(jù)NASA和Roscosmos公布的數(shù)據(jù)，國際空間站長期考察任務組0(2000年9月～11月)至任務組55/56(2018年3月～10月)共開展了1411項實驗，研究領域分布如圖1所示。從實驗項目數(shù)量來看，生物學與生物技術、技術開發(fā)與驗證實驗項目最多，地球與空間科學實驗項目最少。

圖1 國際空間站實驗項目的研究領域分布Fig.1 Distribution of research areas in ISS experiments

國際空間站各合作國航天機構依據(jù)各自科學研究的總體戰(zhàn)略布局與規(guī)劃，其實驗項目所側重的研究領域各有不同。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)在各研究領域支持開展的實驗項目數(shù)如圖2所示。NASA(871項)遙遙領先，ESA(203項)、Roscosmos(177項)、JAXA(132項)的實驗項數(shù)依次遞減，CSA(34項)開展的實驗最少[1-2]。從研究領域角度來看，在NASA支持開展的實驗中，生物學與生物技術、技術開發(fā)與驗證和教育類實驗最多；ESA以人體研究、物理科學和生物學與生物技術實驗居多；Roscosmos以生物學與生物技術、人體研究和技術開發(fā)與驗證實驗居多；JAXA在生物學與生物技術領域支持開展的實驗項數(shù)遠超其他研究領域；CSA在人體研究領域支持開展的實驗最多。另外，因存在合作項目，圖2中總項目數(shù)小于各航天局項目數(shù)之和。

從時間軸看，各長期考察任務組在6個研究領域開展的實驗項目數(shù)如圖3所示。國際空間站在應用規(guī)模上呈現(xiàn)持續(xù)的增長態(tài)勢，特別是自長期考察任務組19/20(2009年4月～2009年10月)開始實現(xiàn)6名航天員長期駐站，使得科研活動愈發(fā)活躍。2018年3月至10月間執(zhí)行任務的長期考察任務組55/56開展的實驗項數(shù)已接近300項[1-2]。

圖2 各航天局在各研究領域的實驗項數(shù)Fig.2 Number of experiments by category＆ agency

圖3 長期考察任務組0～55/56開展實驗情況Fig.3 Number of experiments by expedition

表1對國際空間站長期考察任務組0～55/56期間各研究領域開展的總實驗次數(shù)和項數(shù)進行了比較，可以看出各領域實驗的平均重復次數(shù)差異較大，地球與空間科學實驗的重復次數(shù)最多，其次為人體研究，技術開發(fā)與驗證、物理科學、生物學與生物技術、教育活動和推廣實驗重復次數(shù)相對較少，體現(xiàn)出研究連續(xù)性的學科差異和特點。地球與空間科學實驗通常利用專門的觀測載荷，運行時間往往長達數(shù)年，很多人體研究實驗也需要重復進行測量，因此相比其他學科實驗重復次數(shù)更多。

表1 各研究領域實驗次數(shù)與實驗項數(shù)之比Table 1 Times of experiments to number of experiments by category

總體來看，國際空間站科研活動呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的上升態(tài)勢。在空間站運行的各時間階段均開展了一定規(guī)模的涉及眾多學科、具有不同特色的研究實驗。其中，技術開發(fā)與驗證、生物學與生物技術和人體研究領域的實驗比重一直相對較高，技術實驗比重在近年來呈現(xiàn)出穩(wěn)中有升的趨勢。各國航天機構基于其應用目標，體現(xiàn)出各自的科研規(guī)劃重點，但均優(yōu)先支持“能實現(xiàn)空間探索的研究”和“空間探索能實現(xiàn)的研究”2類科研活動，充分挖掘國際空間站作為深空探索前哨基地和獨特空間研究平臺的應用價值。

3 國際空間站科研產(chǎn)出情況

3.1 論文產(chǎn)出

根據(jù)NASA 2019年3月發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2018年5月，國際空間站科研活動已經(jīng)產(chǎn)出1542篇期刊論文、441篇會議論文和152篇非公開出版的灰色文獻[3]。從論文數(shù)量來看，在期刊論文方面，生物學與生物技術領域的論文最多(略超30%)，人體研究和物理科學領域其次；在會議論文方面，技術開發(fā)與驗證領域的論文最多(約40%)，人體研究和物理科學領域其次；在灰色文獻方面，同樣是技術開發(fā)與驗證領域的論文最多(近50%)，人體研究和物理科學領域其次。

在論文影響力方面，NASA統(tǒng)計了截至2018年5月被引頻次最高的5篇論文[4]如下：

1)基于NASA支持開展的地球與空間科學實驗“阿爾法磁譜儀-02”，于2013年發(fā)表在《物理評論快報》上的一篇論文被引頻次達到489次。該項實驗通過采集并分析數(shù)十億次宇宙線事件，確定其中900萬次為電子或正電子(反物質)，為研究宇宙線和反物質起源提供了數(shù)據(jù)，增進了對銀河系如何形成的理解。

2)基于NASA支持開展的人體研究實驗“長期空間飛行期間中軸骨的骨丟失分區(qū)評估”，于2004年發(fā)表在《骨與礦物質研究雜志》上的一篇論文被引頻次達到381次。該項實驗發(fā)現(xiàn)空間骨丟失主要發(fā)生在骨盆、臀部和腿骨中，在未來載人空間任務中應重點制定相關應對措施。

3)基于NASA支持開展的生物學與生物技術實驗“空間飛行對微生物基因表達和毒力的影響”，于2007年發(fā)表在《分子微生物學》上的一篇論文被引頻次達到232次。該項實驗揭示Hfq(RNA伴侶蛋白)是沙門氏菌基因表達的主要轉錄后調控因子。

4)基于Roscosmos支持開展的生物學與生物技術實驗“空間環(huán)境疫苗”，于2005年發(fā)表在《科學》上的一篇論文被引頻次達到231次。該項實驗表明耶爾森氏菌V抗原的定位在易位過程以及作為鼠疫的主要保護性抗原的效力方面發(fā)揮重要作用。

5)基于JAXA支持開展的地球與空間科學實驗“全天X射線成像監(jiān)測儀”(MAXI)，于2011年發(fā)表在《自然》上的一篇論文被引頻次達到228次。MAXI與NASA雨燕衛(wèi)星(Swift)聯(lián)合觀測到了距地球39億光年遠處，巨大黑洞吞噬一顆恒星的瞬間，有助于更好理解宇宙的現(xiàn)狀和演變。

3.2 亮點成果

2013年9月，NASA發(fā)布“國際空間站10大科研成果”(表2)[5]。評選標準包括4項：成果發(fā)表的科學期刊質量、受其他科學家推薦情況、創(chuàng)新性以及對人類帶來的益處。10大科研成果中，既包含基礎研究(如阿爾法磁譜儀)，也包含目前處于基礎研究階段、未來有應用潛力的研究(如“冷焰”燃燒等)，還包含已真正可利用并為人類帶來益處的應用性研究(如微膠囊藥物、腦部手術機器人助手等)。

自2012年起，美國宇航學會(AAS)、NASA和空間科學促進中心(CASIS)每年聯(lián)合舉辦國際空間站研究和發(fā)展大會，并發(fā)布國際空間站年度亮點研究成果。下面按照6大研究領域例舉近幾年的部分獲獎成果。

1)生物學與生物技術領域，包括利用人造重力系統(tǒng)研究微重力對小鼠影響、測試預防骨丟失新藥、生長蛋白質晶體等亮眼成果。“空間中小鼠的轉錄組分析和生殖細胞發(fā)育分析”研究在國際空間站的多重人造重力系統(tǒng)中生活了一個月的雄性小鼠的基因表達模式變化情況，發(fā)現(xiàn)暴露于微重力下的小鼠對水的消耗更多，肌肉損失更多，骨密度下降程度更大，而處于模擬地球重力下的小鼠則沒有發(fā)生這些變化[6]；“嚙齒類動物研究-5-NELL-1系統(tǒng)治療骨質疏松癥”實驗利用小鼠測試新藥NELL-1，以修復骨骼并預防骨丟失，極具轉化應用潛力[7]；“JAXA蛋白質晶體生長”實驗通過對在國際空間站上生長的高品質蛋白質晶體開展結構分析，成功闡明了牙周病原體轉換能量源的方式，有助于開發(fā)針對牙周病原體的抗菌劑[8]；“用于中子晶體學的蛋白質晶體”實驗生長無機焦磷酸酶晶體，并利用中子衍射研究晶體結構，有助于確定蛋白質的功能及其參與疾病的過程[9]。

表2 NASA評選的國際空間站10大科研成果[5]Table 2 Top 10 ISS research results selected by NASA[5]

2)技術開發(fā)與驗證領域，包括制造光纖、演示商業(yè)超算技術、解決激光通信技術難題、在軌生物測序、部署小衛(wèi)星、測試新型熱管、實現(xiàn)小型模塊化研究平臺、衍生醫(yī)療機器人技術、實現(xiàn)空間3D打印等亮點成果?！拔⒅亓ο律a(chǎn)光纖”實驗驗證了可在微重力下制造氟化物ZBLAN光纖，為大規(guī)模在軌制造高品質光纖奠定了基礎[7]；“國際空間站上的高性能商用現(xiàn)貨計算機系統(tǒng)”實驗利用一年時間驗證該系統(tǒng)可以通過降低功率和速度在高輻射事件期間運行，展示了商業(yè)超算技術[7]；利用自適應光學系統(tǒng)為“激光通信科學光學有效載荷”解決了大氣湍流影響激光傳輸?shù)膯栴}[10]；“生物測序儀”實驗測試利用微型測序儀在空間中開展傳染病診斷、識別微生物并更好了解航天員發(fā)生的遺傳變化[11]；利用“納米機架立方體衛(wèi)星部署器”和“日本實驗艙小衛(wèi)星軌道部署器”已經(jīng)從國際空間站平臺釋放部署多顆小衛(wèi)星[11]；“被動熱交換先進研究”實驗測試幾種采用低毒性流體的新型熱管設計，可降低散熱系統(tǒng)的復雜性并提高效率[11]；國際空間站微重力研究平臺Tangolab-1可最多容納21個獨立實驗自動運行，并可通過互聯(lián)網(wǎng)近實時地將數(shù)據(jù)傳輸給用戶[9]；利用影像引導自動機器人(IGAR)診斷和治療乳腺癌[12]；“零重力下的3D打印技術驗證”實驗利用微重力3D打印機在2014年11月制造出首個空間3D打印物品，驗證了空間制造的潛力[12]。

3)教育活動和推廣領域，包括大規(guī)模征集并促進學生實驗項目登上空間站、開展對地觀測和教育競賽等活動。“學生空間飛行實驗計劃”在美國和加拿大征集遴選在國際空間站開展的學生實驗項目，自2010年以來，已有7萬余名學生參與實驗設計，提交了1.6萬余項實驗建議，近200項實驗被送至國際空間站[10]；Magnitude.io公司通過與美國各學區(qū)和空間科學促進中心的合作，提供了經(jīng)濟負擔小、易于參與的微重力研究機會[7]；學生通過遙控安裝在國際空間站上的數(shù)字相機拍攝地球，照片被發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)共享[13]；開展教育競賽，征集學生為國際空間站的“同步位置保持、軌道預定、再定向實驗衛(wèi)星”編寫算法[13]。

4)人體研究領域，包括利用軟件評估疲勞度以及在心血管健康、大腦結構變化、視覺變化研究等方面的亮點成果。“空間飛行對心血管干細胞功能的影響”實驗闡明了在微重力環(huán)境中，干細胞在心臟生物學和組織再生以及老化過程加速中的作用，旨在為心衰患者開發(fā)更好的干細胞療法[6]；“用于空間飛行疲勞評估的個性化實時神經(jīng)認知評估工具包”實驗利用軟件評估與空間飛行相關的身體變化如何影響認知能力，驗證了疲勞測試的靈敏性及其空間應用的有效性[7]；“響應微重力誘發(fā)頭向側體液再分布的腦血管自主調節(jié)和靜脈流出”實驗利用磁共振成像研究空間飛行對航天員大腦結構的影響，發(fā)現(xiàn)開展長期空間飛行后的航天員大腦中央溝頻繁收縮，大腦向上移動，頭部上表面的腦脊液空間變小[6]；“從國際空間站返回時的心腦血管疾病防治”實驗首次直接衡量了日常活動減少與約一半航天員在返回地面時發(fā)生的血壓控制障礙之間的關聯(lián)[10]；“長期空間飛行導致的心血管健康問題”實驗發(fā)現(xiàn)6個月的空間飛行后，頸總動脈硬度增加的程度與正常老化10～20年接近[10]；“一碳”實驗首次發(fā)現(xiàn)了空間飛行導致視覺變化的遺傳傾向[8]。

5)物理科學領域，包括測試人造肌肉、氣泡和膠體研究等方面的亮點成果。通過在國際空間站上驗證電活性聚合物“人造肌肉”的抗輻射能力，未來有望用于開發(fā)更加類人的空間機器人[9]；“約束氣泡”實驗觀測氣泡的形成和熱傳導上升，獲得的數(shù)據(jù)可用于開發(fā)更加高效的微電子冷卻系統(tǒng)[14]；通過“先進膠體實驗-顯微鏡-1”實驗研究懸浮于凝膠和乳霜中的膠體行為，成果可改進消費產(chǎn)品設計，并增進對結構流體的基礎科學認識[13]；在“臨界流體與結晶化研究設備-定向凝固插件-再次飛行”實驗中發(fā)現(xiàn)在某些生長條件下，定向凝固中細胞生長橫截面隨時間震蕩，橫截面積增加和減少的情形類似呼吸過程[13]。

6)地球與空間科學領域，包括開展宇宙線、熱帶氣旋、海洋風、X射線巡天等觀測活動及取得的亮點成果。“量熱儀型電子望遠鏡”直接測量到TeV的高能宇宙線電子和正電子[6]；“阿爾法磁譜儀-02”記錄了超過1000億個高能粒子，并估算出宇宙線的年齡約為1200萬年[10]；“從國際空間站測量氣旋強度”實驗利用自動相機從國際空間站上進行拍攝，實現(xiàn)了可精確、實時測量強烈的熱帶氣旋強度的新技術[11]；通過多項創(chuàng)新實現(xiàn)在國際空間站快速部署RapidScat海洋矢量風散射計，旨在觀測海平面風的速度和方向，優(yōu)化全球數(shù)值天氣預報模型[9]；國際空間站首個天文學有效載荷“全天X射線成像監(jiān)測儀”自2009年8月開始運行，取得多項重要成果[9]。

3.3 科研效益

NASA于2012年、2015年和2019年先后發(fā)布了3版《國際空間站造福人類的效益》報告。根據(jù)2019年的最新版效益報告[15]，NASA將國際空間站科研活動的效益概括為3個方面，如圖4所示。

1)產(chǎn)生重大科學發(fā)現(xiàn)。國際空間站提供了獨特的長期微重力環(huán)境，擁有各種先進科研設備，航天員的參與能確保實驗更好地開展，這些研究優(yōu)勢為孕育重大科學發(fā)現(xiàn)提供了機遇。

2)服務國計民生。國際空間站的科研活動可以激勵空間經(jīng)濟發(fā)展、開發(fā)創(chuàng)新技術、改善地面人類健康、提高對地觀測和災害響應能力以及促進全球教育。

3)推進未來探索。國際空間站是載人深空探索活動的重要基石，利用其獨特的研究環(huán)境，可以全面驗證未來探索所需的各種知識和技術，如人體研究實驗致力于確保航天員在空間中更加健康地生活和高效地工作，技術開發(fā)和驗證實驗研究未來深空探索必需的環(huán)境生保、導航通信、艙內安全、輻射防護、機器人、航天器結構與材料等各項先進技術，生物學與生物技術實驗研究如何在太空生長蔬菜、了解太空中細菌致病性的變化等，物理科學實驗研究微重力下的流體管理、火焰燃燒模式的改變和防火措施等。

圖4 國際空間站科研活動的效益[15]Fig.4 Benefits of ISS scientific research activities[15]

4 結論與啟示

本文通過統(tǒng)計分析國際空間站自2000年至2018年開展長期考察任務以來的所有實驗項目，并綜合分析論文產(chǎn)出、亮點成果、科研效益等科研產(chǎn)出情況，得出以下結論：

1)國際空間站科研活動學科領域寬泛，研究規(guī)模持續(xù)擴大，總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢，各國研究側重各不相同。自2000年航天員長期駐站以來，國際空間站已經(jīng)在6大研究領域開展了1411項實驗。在研究領域分布方面，生物學與生物技術實驗最多，其次為技術開發(fā)與驗證、教育活動和推廣、人體研究、物理科學和地球與空間科學實驗。在各國航天機構支持側重點方面，NASA支持開展的實驗中生物、技術和教育實驗最多；ESA的人體研究、物理和生物實驗居多；Roscosmos的生物、人體研究和技術實驗居多；JAXA在生物領域開展的實驗項數(shù)遠超其他研究領域；CSA在人體研究領域開展的實驗最多。從實驗規(guī)模來看，自2009年實現(xiàn)6名航天員長期駐站以來，科研活動愈發(fā)活躍，長期考察任務組55/56(2018年3月～10月)開展的實驗項數(shù)已逼近300項。

2)國際空間站科研活動的產(chǎn)出形式多樣，亮點紛呈，并在產(chǎn)生重大科學發(fā)現(xiàn)、服務國計民生、推進未來探索3方面獲得效益。截至2018年5月，國際空間站科研活動已經(jīng)產(chǎn)出1542篇期刊論文、441篇會議論文和152篇非公開出版的灰色文獻。國際空間站上開展的大規(guī)?？蒲谢顒右呀?jīng)產(chǎn)生豐碩成果。近年來，在NASA評選的“國際空間站10大科研成果”、國際空間站研究和發(fā)展年度大會和NASA年度工作回顧中凸顯出了國際空間站各領域科研活動所取得的一大批最為亮眼的成果，如高品質蛋白質晶體生長、首次空間DNA測序、天地激光通信、空間3D打印等。

通過對國際空間站科研活動及其成果效益的分析，為未來我國空間站科研活動規(guī)劃與應用提供以下啟示與建議：

1)立足應用效益，統(tǒng)籌規(guī)劃布局。在我國空間站應用規(guī)劃中，可借鑒參考國際空間站的經(jīng)驗和案例，統(tǒng)籌安排以重大科學發(fā)現(xiàn)、造福國計民生、推進未來探索3類應用效益為導向的科研項目，有針對性地設計謀劃我國空間站的建設和應用。

2)遵循科研規(guī)律，靜待效益花開。從NASA發(fā)布的國際空間站重大成就可以看出，無論基礎研究還是應用研究，很多工作都歷經(jīng)數(shù)年積累，從科研活動到產(chǎn)生效益應遵循科學規(guī)律，切忌拔苗助長、急功近利，經(jīng)耐心培育，才有厚積薄發(fā)。

3)提高公眾參與，擴大效益影響。國際空間站的經(jīng)驗表明，通過豐富多彩、妙趣橫生的形式宣傳科研活動、增進公眾認知，對擴大空間站工程的科學和社會影響意義重大。例如各國航天機構紛紛建立專門的官方宣傳平臺，共同編寫、定期發(fā)布《國際空間站造福人類》系列報告，隆重推介年度杰出成果等。我國空間站也可參考相關成功經(jīng)驗，加強應用效益宣傳推廣，激發(fā)吸引政府、學術界、工業(yè)界和民眾的普遍興趣、廣泛支持和積極參與。