太空實驗：無限風(fēng)光在險峰

中國首個真正意義上的空間實驗室“天宮二號”已經(jīng)發(fā)射升空。在這個距地面400公里高的太空實驗室里，科學(xué)家將開展十多項科學(xué)實驗和觀測。有資格登上“天宮二號”的實驗，無疑都屬于最前沿的科技領(lǐng)域。

10月21日，航天員景海鵬和陳冬在“天宮二號”上開啟了人類歷史上首次太空腦機交互實驗。這項實驗可將航天員的思維活動轉(zhuǎn)化為操作指令，并監(jiān)測航天員的腦力負荷等狀態(tài)。受微重力和操作空間狹小等條件制約，航天員在太空中完成復(fù)雜任務(wù)受到極大限制。腦機交互可不依賴外部動作，將航天員的思維活動轉(zhuǎn)化為操作指令，同時又能監(jiān)測航天員的腦力負荷等神經(jīng)功能狀態(tài)，實現(xiàn)人機相互適應(yīng)，減輕作業(yè)負荷，是最理想的人機交互方式。

針對腦機交互技術(shù)太空適用性的研究，曾被解讀為“意念控制”，但實際上，這項研究只是“腦機接口技術(shù)”在太空中的一次嘗試，距離應(yīng)用還很遠。中國航天科研人員認為，腦機接口現(xiàn)在還處于前瞻性的階段，在未來空間站航天員長期駐留時，希望腦控技術(shù)、眼控技術(shù)、手勢識別技術(shù)等新型人機交互技術(shù)都能夠得到使用。

國際空間站：360公里高的實驗室

回顧航天史，在“和平號”空間站墜落后，“天宮”實驗艙上天前，國際空間站曾是太空中唯一的空間站，肩負了大量太空實驗任務(wù)。僅在其建設(shè)期間（1998-2012），就有3100篇科技論文是基于國際空間站而誕生的。

現(xiàn)在的國際空間站擁有美國的“命運號”、歐洲的“哥倫布號”、日本的“希望號”三個大型實驗艙。同時，三個節(jié)點艙也有一些任務(wù)機柜。此外，俄羅斯的“曙光號”和“星塵號”艙段也可以兼職做不少科學(xué)實驗。國際空間站上的多個實驗艙都按照微重力實驗的要求進行了設(shè)計，目的是盡量提供良好的微重力試驗環(huán)境。

利用太空中的微重力、強輻射和超低溫環(huán)境，國際空間站上可以開展許多地面上無法開展的空間科學(xué)實驗。在藥物學(xué)研究方面，由于太空中的微重力減少了地球上的重力對實驗的影響，新型藥物的開發(fā)將在太空中取得長足的發(fā)展，人類能夠在太空中更徹底地了解生命的組成機制，研究人員還將關(guān)注人類在長期處于微重力環(huán)境下產(chǎn)生的變化。在工業(yè)方面，研究人員將研制更堅固、更輕便的金屬，以及功能更強大的計算機芯片。由于失重，使熱氣體或液體上升、冷氣體或液體下降的對流現(xiàn)象在空間站中不復(fù)存在，各種液態(tài)熔融金屬就可以得到更徹底的混合；而液體和火焰在微重力條件下出現(xiàn)的形態(tài)，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點。

由于有人參與，國際空間站在對地觀測和天文觀測方面比其他航天器有更大的優(yōu)勢。站上航天員能利用國際空間站的繞地飛行和多方向性，及時調(diào)整觀測儀器的各種參數(shù)，可以對需要關(guān)注的特定觀測對象取得最佳的觀測效果。在空間科學(xué)實驗方面，站上的航天員一方面是空間生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)的實驗對象之一；另一方面，他們還可以照料空間材料科學(xué)、空間物理學(xué)、微重力流體物理等科學(xué)實驗。

以上這些實驗是在空間站內(nèi)部進行的，有些實驗則是在空間站的外部進行的。對國際空間站外部溫度和微小隕石的研究，將促進工程師對航天器外殼設(shè)計的改善。在國際空間站中的研究，還將創(chuàng)造出更先進的天氣預(yù)報系統(tǒng)、更精確的原子計時器等先進技術(shù)。太空研究還將開發(fā)出新的產(chǎn)品和服務(wù)。這些創(chuàng)新最終將為人類在地球和太空中提供新的就業(yè)機會。

目前，國際空間站計劃的主要參與國在科學(xué)研究方面各有側(cè)重。美國利用國際空間站加強航天飛行技術(shù)的創(chuàng)新概念研究與發(fā)展，演示推進劑在軌加注、自主交會對接、閉環(huán)生命支持系統(tǒng)等技術(shù)與能力，以降低未來太空探索的費用，并擴展探索活動的能力。俄羅斯一直把國際空間站視為實現(xiàn)深空探測目標的跳板。未來，俄羅斯將利用國際空間站進一步論證深空探測的可行性，同時努力挖掘國際空間站為社會經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)的潛力，從而為其載人航天的長遠發(fā)展提供動力。

十大奇特太空實驗

航天員在“天宮二號”上開展的腦機交互實驗，無疑在科技上十分重要，也很有趣。在航天史上，有用且有趣的太空實驗數(shù)不勝數(shù)，下面就來梳理一下歷史上十個奇特的太空實驗：

1.不怕真空與輻射的“水熊蟲”

太空環(huán)境飛行中，失重并不是唯一發(fā)生變化的環(huán)境因素。動物在太空中還會承受大量宇宙輻射。科學(xué)家早已知道，苔蘚和細菌等低等生物能夠在高真空和強輻射的太空環(huán)境中幸存，但地球上竟然還存在著一種奇特的動物，能夠幸存于惡劣的太空環(huán)境中，這就是用顯微鏡才能看到的無脊椎動物“水熊蟲”，它們是緩步類動物家族成員之一。2007年，在一次歐洲火箭實驗中，一些緩步類動物暴露于太陽強紫外線輻射和真空環(huán)境下，實驗結(jié)果顯示，少數(shù)緩步類動物能幸存于輻射狀態(tài)下，而多數(shù)均能夠適應(yīng)真空環(huán)境。

2.馬蘭哥尼對流效應(yīng)

在微重力狀態(tài)下，表面張力是流體力學(xué)特征的主要因素。在國際空間站進行的實驗表明，從一個金屬環(huán)中延伸出的水流就好像被一個無形的湯匙攪動。這種攪動效應(yīng)是使用一個手電筒不均勻加熱水造成的，所形成的溫差誘導(dǎo)液體水表面張力失衡，導(dǎo)致液體水發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種表面張力實驗叫作“馬蘭哥尼對流效應(yīng)”，該現(xiàn)象很少出現(xiàn)在地球上，但存在于諸如熔鋼冷卻池等環(huán)境中。該研究可用于飛船液體燃料補加、太空冶金等領(lǐng)域。

3.失重狀態(tài)下的火焰

在失重狀態(tài)下更容易形成外形圓滑、溫度更低的火焰。與地球環(huán)境狀態(tài)不同的是，在失重狀態(tài)下，低密度熱空氣并不會上升。在失重狀態(tài)下，粒子從高溫至低溫區(qū)域占據(jù)主控地位。研究失重燃燒現(xiàn)象將揭示這種現(xiàn)象背后的基礎(chǔ)物理原理，有助于開發(fā)航天器火災(zāi)撲滅技術(shù)，以及改進火箭發(fā)動機燃燒室的設(shè)計。

4.失重時植物怎么生長

在地球上，重力控制著植物的生長方向。科學(xué)家猜測，在微重力的太空，苔蘚應(yīng)該毫無阻力地四處生長，然而結(jié)果令人大跌眼鏡。苔蘚細胞按照順序相繼長出，形成了一種很有規(guī)律的螺旋形狀。看來，重力掩蓋了苔蘚的自主生長模式，這種模式只有在重力消失的情況下才能顯現(xiàn)出來。

5.太空“連連看”

1992年“亞特蘭蒂斯號”和1996年“哥倫比亞號”航天飛機執(zhí)行任務(wù)時，都進行了一個大膽的實驗——部署一顆衛(wèi)星，上面連著一條21公里長的太空繩，然后拉繩子拖著衛(wèi)星在太空中移動。實驗的目的是為了展示太空繩在劃過地球磁場時是否能夠產(chǎn)生電流。在1992年的那次實驗中，太空繩伸出256米，而1996年那次，繩子卻突然斷裂。

6.太空玫瑰花

1998年，“發(fā)現(xiàn)者號”航天飛機將兩朵玫瑰帶到國際空間站。玫瑰氣味的變化取決于在哪里生長，所以土壤、光照、溫度和濕度非常重要。在失重狀態(tài)下，玫瑰的香氣更加甜美，更有神秘感。一家化妝品公司根據(jù)“太空玫瑰”的香氣，開發(fā)出了新型香水。

7.回旋鏢、飛毯、疊衣服和滴眼藥水

2008年，日本航天員在太空中拋出了一支回旋鏢，從而驗證這支回旋鏢是否能夠沿原路徑返回。實驗表明，回旋鏢之所以能夠沿著環(huán)形路徑返回，是由于該曲線結(jié)構(gòu)的不均勻受力造成的，而不是受到重力影響所致。2009年初，另一位日本航天員完成了一系列零重力實驗，向觀看直播的公眾表明：在太空中能夠完成模擬“飛毯”飛行、疊衣服和滴眼藥水等活動。

8.太空狀態(tài)下晶體體積更大

在失重狀態(tài)下，晶體的體積會更大一些。在地球環(huán)境中，低密度液體在上方漂浮，在實驗器皿中形成對流，從而形成低密度和高密度液體的分層。這限制了晶體的體積大小，而且這種現(xiàn)象在失重狀態(tài)下是不存在的。生成更大、更純凈的晶體有助于揭示材料更多的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和性能。太空中制造的硅酸鹽晶體上布滿微小孔隙，可用于過濾和存儲礦物質(zhì)，還可以用于未來燃料電池的氫儲存。

9.沙門氏菌毒性倍增

一種能夠引起人和動物食物中毒的沙門氏菌兩次搭乘航天飛機進入太空。令人驚訝的是，這種細菌在太空中比在地球上的毒性增強了3到7倍。在太空中放置12天后，沙門氏菌被注入老鼠體內(nèi)，只有10%的老鼠活下來，而在地球上進行類似實驗，有40%的老鼠幸存。 “太空沙門氏菌”的DNA中有167個基因和73個蛋白質(zhì)產(chǎn)生了變化。科學(xué)家由此確認了這些病菌的基因在微重力下發(fā)生變異的途徑。基于此，一家美國的生物公司開發(fā)出一種沙門氏菌疫苗。

10.迷你人造衛(wèi)星

國際空間站上有一些迷你人造衛(wèi)星，僅有足球大小，名為“同步方位保持適應(yīng)再定向試驗衛(wèi)星（SPHERES）”。該裝置可用于測試真正人造衛(wèi)星的控制程序，使衛(wèi)星在不用人為干預(yù)的情況下實現(xiàn)最佳飛行姿態(tài)。通過實驗開發(fā)出的新型控制程序，可確保飛船與國際空間站實現(xiàn)自動對接，也可以更好地完成軌道儀器設(shè)備的裝配工作。

無名英雄：太空實驗動物

在人進入太空之前，先是用火箭將動物發(fā)射到太空，以此來了解在沒有地球環(huán)境保護的情況下，生物體是否可以生存。1951年9月，蘇聯(lián)發(fā)射的一枚生物探空火箭中載有1只猴子和11只老鼠，這是第一次有動物進入太空。1957年11月3日，蘇聯(lián)發(fā)射了第二顆人造衛(wèi)星，一只名叫“萊卡”的狗成為首個環(huán)繞地球飛行的動物。動物在太空飛行時，儀器監(jiān)測它們在發(fā)射、失重和返回時的生理反應(yīng)，科學(xué)家們從動物的太空飛行中積累了很多經(jīng)驗。實驗動物的飛行為載人航天鋪平了道路。

在加加林完成第一次載人航天飛行之后，實驗動物又承擔了新任務(wù)：獲取失重對生物影響的信息。于是，數(shù)百只白鼠為太空事業(yè)獻出了生命。對這些白鼠機體的研究表明，微重力對生物體的作用大多是不利的：白鼠的肌肉出現(xiàn)萎縮，骨組織生長速度放慢，骨骼堅韌程度下降，機體免疫力有所下降。然而，科學(xué)家們的擔憂很快便被驚喜所代替：他們在解剖一只回到地球25天后的白鼠后發(fā)現(xiàn)，白鼠在1個月的時間里可以恢復(fù)健康，太空飛行對白鼠身體造成的不利影響可以消除。這說明，白鼠完全經(jīng)受住了失重和輻射對其產(chǎn)生的雙重影響。

半個多世紀以來，科學(xué)家們先后把二十多種生物送入太空，其中包括原生動物、多種植物和微生物，以及鵪鶉蛋、蒼蠅、青蛙、甲蟲、烏龜、小魚等。

如果說早期太空實驗動物如犬類、靈長類還能有個富有感情色彩的“名字”的話，那么現(xiàn)在的實驗動物完全是“無名英雄”，只有一串代號，其中就有不起眼的果蠅。果蠅的基因與人類基因有著驚人的相似之處。人類已知的疾病基因中，大約有61%與果蠅的基因編碼相似。果蠅的蛋白質(zhì)序列有50%與哺乳動物的相似。由于果蠅的繁殖能力極強，在短時間內(nèi)可以繁殖很多代，而且它們的基因圖譜已經(jīng)被完全繪制，因此人們常常將果蠅作為實驗對象，進行有關(guān)人類疾病的研究。我國在1990年發(fā)射的第12顆返回式衛(wèi)星上，也搭載了果蠅，實現(xiàn)了果蠅在太空產(chǎn)卵、孵化、生長的全過程。現(xiàn)在，果蠅正在國際空間站參與“太空飛行對航天員基因影響”的研究。

研究成果“接地氣”

目前，空間站的科學(xué)實驗主要涉及微重力醫(yī)學(xué)、微重力生物學(xué)、微重力物理學(xué)、空間天文學(xué)和對地觀測等研究工作。其中，人體微重力實驗主要是圍繞航天員的身體各個系統(tǒng)來展開的，通過空間站上長時間的數(shù)據(jù)收集和研究，提出應(yīng)對太空微重力和輻射環(huán)境的解決方案，為未來諸如載人登月、月球基地建設(shè)、登陸小行星和登陸火星等長時間載人深空探索任務(wù)提供支持。

微重力生物學(xué)研究包括微重力環(huán)境下微生物、植物、動物、生物工程和細胞生物學(xué)等研究方向。微重力生物學(xué)實驗為空間站提供微生物預(yù)防，并試驗和生產(chǎn)地球上不易制造的疫苗和抗生素，為太空制藥的商業(yè)化做好準備。

太空植物生長研究實驗是為了研究植物在太空如何生長，這將為基于生物養(yǎng)殖的封閉式循環(huán)生命保障系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，還將為在太空或其他星球生產(chǎn)糧食蔬菜積累經(jīng)驗。目前的研究發(fā)現(xiàn)，植物離開重力后仍能生長，這對未來的人類太空生活來說是個好消息。

假以時日，從無到有、從小到大的中國空間站也將取得令世人矚目的成就，屆時它不但是夜空中最明亮的人造物體，也會是科研領(lǐng)域的明星。作為人類在太空長期逗留的前哨站，太空實驗將對未來的太空探索產(chǎn)生深遠而持久的影響。

【責任編輯：楊 楓】