天舟－1空間科學與應用任務

張偉 （中國科學院空間應用工程與技術中心）

天舟－1空間科學與應用任務

TZ-1 Space Science and Application Mission

張偉 （中國科學院空間應用工程與技術中心）

2017年4月20日，我國第一艘貨運飛船—天舟－1成功發射。天舟－1主要在軌完成兩大任務：一是考核貨運飛船的功能，并開展在軌推進劑補加關鍵技術驗證，為未來的載人空間站建造奠定基礎；二是開展空間生命科學實驗和空間應用關鍵技術驗證試驗，主要包括4項應用任務，包括微重力對細胞增殖和分化的影響研究、兩相系統實驗平臺關鍵技術研究、非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證和主動隔振關鍵技術驗證。

天舟－1任務空間科學與應用項目

1 微重力對細胞增殖和分化影響研究

本研究項目包括8個研究課題，重點研究微重力環境對干細胞增殖分化、生殖細胞分化及骨組織細胞結構功能的影響，檢驗微重力環境下抗骨質疏松藥物3-羥基丁酸對成骨細胞增殖的影響以及CKIP－1基因對成骨細胞分化的影響。

干細胞是一類具有自我復制能力的多潛能細胞，在一定條件下可以分化成多種功能細胞，具有再生各種組織器官和人體的潛在功能，干細胞生物學是21世紀備受矚目的研究領域之一。近幾年，美國航空航天局（NASA）將空間干細胞培養作為重點研究課題，2015年研究人員公布了空間干細胞生長和組織再生方面的成果。其研究結果表明，太空微重力環境影響了小鼠擬胚體在太空的分化能力，抑制了譜系分化基因的表達。中國科學院動物研究所段恩奎研究員帶領的團隊在天舟－1上搭載了小鼠胚胎干細胞、小鼠擬胚體，通過普通光和熒光顯微成像技術，觀察干細胞在太空中增殖和分化過程。地面同時開展比對實驗，通過天地比對，初步了解空間微重力環境影響干細胞增殖和分化的情況。這將為多能干細胞在組織工程和再生醫學中的應用探索新途徑，為未來利用多能干細胞服務于人類健康提供幫助。

清華大學紀家葵團隊在天舟－1上開展了人生殖細胞的分化過程研究，這是國際上首次在空間微重力環境下誘導胚胎干細胞向生殖細胞分化，其采用一個“知情同意見證”的胚胎干細胞系，不需要犧牲任何新的胚胎，不存在倫理道德爭議。這項研究目的是闡明太空微重力環境下生殖細胞發育與成熟的基本規律，探索胚胎干細胞分化的分子機制，從而為克服空間環境對人類生殖可能帶來的影響提供理論依據和技術支持，并為胚胎干細胞分化研究提供新的實驗模型。

研究和實踐表明，在太空環境下，由于重力消失，航天員骨骼負荷明顯減少，長期空間飛行很容易發生骨質疏松。目前地面條件下研發的藥物，對太空骨質疏松癥療效并不明顯。大量前期研究表明，天然存在于哺乳動物體內的3-羥基丁酸，對于預防骨質疏松效果顯著，它能否成為太空抗骨質疏松的全新候選藥物，需要通過太空實驗來檢驗。在天舟－1搭載的生物反應器中，科學家們用3-羥基丁酸處理骨相關細胞，在微重力環境下借助熒光顯微鏡觀察骨相關細胞形態、數量等指標，進而確定在太空中這些細胞是否健康生長，在細胞水平上觀察其對骨質疏松的治療效果。

近年來大量研究表明，CKIP－1參與骨代謝,是成骨細胞分化和骨形成過程中至關重要的負調控因素,在骨組織增殖、分化過程中起重要作用。“微重力環境下CKIP－1對成骨細胞分化的影響研究”項目是在太空環境下研究CKIP－1對成骨細胞分化的影響及其機制，為對抗太空骨質疏松提供新的思路和方法。

空間生物反應器主要技術指標如下。

1）樣品種類：不少于8種；

2）培養溫度：（36±1）℃；

3）儲液室溫度：4～10℃；

4）培養單元數量：48個；

5）輸出圖像類型：明場顯微圖像、熒光顯微圖像。

2 兩相系統實驗平臺關鍵技術研究

本項目在太空開展流體的蒸發和冷凝實驗，研究重力變化對蒸發與冷凝傳熱傳質過程的影響，探索微重力環境下具有質量交換的相變流體界面的熱質傳輸特殊規律，揭示相變流體傳熱傳質的新現象和新機制，為解決空間高效傳熱工程難題提供解決思路。同時，在軌驗證空間實驗工質供給、氣/液分離等空間氣/液兩相系統關鍵技術，為空間站深入開展兩相流體空間實驗和工程應用奠定技術基礎。

本項目實驗裝置的主要技術指標如下。

1）蒸發臺控溫范圍：+20～+60℃；

2）冷凝臺控溫范圍：-5～+40℃；

3）兩相回路子系統總排熱能力：≥80W。

3 非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證

本項目進行非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證，在軌測試高精度靜電懸浮加速度計的工作性能，研究溫度、力學和電磁等擾動對高精度加速度計性能的影響。高精度靜電懸浮加速度計是空間引力實驗和衛星重力測量的核心關鍵設備，為我國空間站后續開展相對論與引力物理實驗奠定了技術基礎，并為重力梯度和弱作用力測量等未來空間試驗提供重要技術支撐。

其主要技術指標如下。

1）測量頻率范圍：0.001～1Hz；

2）量程：±(2.0±0.2)×10-4m/s2；

3）測量分辨率：3.0×10-10m/（s2·Hz-1/2）。

4 主動隔振關鍵技術驗證

在空間站階段，將支持開展大規模空間流體、空間材料與微重力基礎物理等領域的科學實驗，某些科學實驗要求比航天器平臺高1～2個數量級的微重力環境，這就需要解決航天器上的微振動帶來的不利影響。天舟－1上搭載的主動隔振關鍵技術驗證項目，是國內首次在軌進行六自由度磁懸浮主動隔振關鍵技術驗證，評估六自由度主動隔振控制技術，為空間站高微重力實驗提供解決方案，也將使我國成為繼美國、加拿大之后第三個在軌采用主動隔振控制技術服務于空間微重力實驗的國家。

主動隔振裝置的主要技術指標如下。

1）f≤0.5Hz，微重力加速度＜9×10-5m/s2；

2）0.5Hz＜f≤100Hz，微重力加速度≤1.8f×10-4m/s2；

3）f＞100Hz，微重力加速度＜1.8×10-2m/s2。

5 載人空間站科學與應用任務展望

我國載人空間站將于2019－2022年間進行建造，規劃部署了密封艙內的10余個科學實驗柜和密封艙外的若干重大研究設施，將在軌運行10年以上，支持空間生命科學和生物技術、微重力流體物理與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間天文與天體物理學、空間物理與空間環境、空間地球科學及應用、空間應用新技術試驗等8個研究方向，以及31個研究主題的數百項科學與應用項目滾動實施。通過載人空間站的建造與長期運營，期望在空間科學前沿探索重點方向進入世界先進行列，取得一批具有國際影響的重大發現，使我國空間科學整體水平跨上新臺階；在空間應用領域創新發展，突破和掌握一批戰略性空間應用新技術和關鍵核心技術，引領我國未來空間應用技術發展；面向國家迫切需求的重大應用問題，提供先進解決方案，取得重大應用效益。