2020 年國際空間站科研與應用進展

韓 淋， 王海名， 范唯唯， 楊 帆

(中國科學院科技戰略咨詢研究院， 北京 100190)

1 引言

2020 年，國際空間站實現在軌運行20 周年。國際社會一致認同，國際空間站是持續在近地軌道開展大規模科學研究、驗證深空探索所需技術和能力的最為重要的在軌平臺，同時將空間研究成果源源不斷造福地面。 本文基于NASA 國際空間站計劃網站公布的信息[1]，全面回溯國際空間站2020 年科研與應用活動的總體進展和亮點發現，為中國未來相關科研應用規劃提供參考。

2 2020 年國際空間站科研應用活動概況

2019 年9 月到2020 年10 月，國際空間站第61～63 次長期考察任務在技術開發與驗證、物理科學、生物學與生物技術、人體研究、教育和文化活動及地球與空間科學6 大研究領域共開展318項科學研究實驗。 NASA、ESA、日本宇宙航空研究開發機構JAXA 和加拿大航天機構CSA 在6 大研究領域支持開展的實驗項目數及新實驗的項數如表1 所示。

表1 各航天機構在各研究領域支持開展的實驗項數Table 1 The number of experiments by category ＆ agency

在全部318 項實驗中，NASA 支持開展221項，其中技術實驗最多，其次為生物和物理科學實驗；ESA 和JAXA 總實驗數接近，ESA 支持的物理科學和人體研究實驗相對較多，JAXA 支持的技術和生物實驗相對較多；CSA 支持的人體研究實驗相對較多。 在318 項實驗中有135 項為新實驗，其中111 項由NASA 支持開展，技術、物理和生物領域的新實驗較多。

3 2020 年國際空間站科研應用進展

3.1 技術開發與驗證實驗

技術開發與驗證實驗共計117 項，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖1。NASA 在小衛星及控制技術、航天器及軌道環境、表征實驗硬件方向的實驗數最多，在除空間結構、商業驗證和航天器內微生物群落外的其他研究方向上的實驗項數均有較大領先。 ESA 和JAXA 支持開展了多個方向的實驗項目，CSA 僅開展了1項輻射測量和防護方向的實驗。

圖1 各航天機構在技術開發領域的實驗項數Fig.1 The number of experiments in technology by agency

技術開發與驗證領域共開展了53 項新實驗，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了47 項、5 項和1 項新實驗，小衛星及控制技術、表征實驗硬件研究方向的新實驗最多。 新實驗中，NASA支持開展的Alpha 立方體衛星根據地面指令展開配備4 個芯片衛星的1 m2自由飛行光帆，旨在驗證光帆推進用高逆反射材料的性能以及下一代芯片衛星的定向和GPS 跟蹤等重要功能。 下降實驗包括2 個由總長100 m 的電動系繩連接的立方體衛星，相關技術有望用于近地軌道衛星離軌。變形鏡立方體衛星實驗在軌測試微機電系統變形鏡，驗證空間環境適用性以及對遙遠目標進行主動圖像校正的能力。 空氣懸浮顆粒監測儀是國際空間站上首個基于懸浮顆粒的濃度量化空氣質量的儀器，可測量直徑從10 nm～20 μm 的氣溶膠。航天器火災實驗－4、航天器火災實驗－5 系列實驗旨在天鵝座飛船返程期間開展不同材料和環境條件的火焰蔓延研究，驗證火情探測、監測和火災后清理能力。 機器人控制Astrobee 跳躍機動是一項利用艙內Astrobee 自由飛行器及其機械臂開展的純軟件實驗，演示艙內活動機器人開展跳躍活動的操控方法。 減重力壁虎膠粘劑對接實驗采用微圖案膠粘劑(仿壁虎爪材料)捕獲翻滾的目標物體，利用多個Astrobee 自由飛行器測試追趕衛星與目標衛星的自動對接，驗證空間碎片主動清除新方法。 JAXA 支持開展的日本實驗艙遠紅外相機驗證實驗利用可在無光線條件下拍攝紅外圖像的相機遠程測量包括艙外載荷在內的目標物溫度，助力航天器交會。 H-II 轉移飛行器無線局域網演示實驗旨在驗證航天器與國際空間站之間的實時無線視頻傳輸。 ESA 新實驗冰立方實驗－立方體6－Kirara 旨在測試1 U 大小、配備了溫度控制器的培養箱在微重力下培育高質量蛋白質晶體的能力，為未來日本和歐洲多家企業和機構相關研究鋪平道路。 此外，小型光通信系統驗證、中子場輻射研究－2 等64 項實驗繼續開展。

在新亮點研究進展和成果方面，2020 年1 月《基因》上的一篇論文介紹了生物分子測序儀實驗取得的新進展，研究人員開發和測試了一套從樣本到測序全部可以在國際空間站實施的端到端流程，標志著首次完全在地外鑒定出微生物，將極大促進和加速如微生物識別、疾病診斷、采集實時基因數據等在軌科研活動[2]。 2020 年4 月，JAXA 宣布安裝在國際空間站艙外暴露設施的國際空間站小型光鏈路(SOLISS)與日本情報通信研究機構的光學地面站之間成功建立了雙向激光通信鏈路，這是全球首次利用專為小衛星設計的激光通信設備建立起雙向對稱的以太網鏈路[3]。2020 年4 月，在國際空間站經過2 個月的運行，升級版航天員助手移動式航天員互動伙伴－2(CIMON－2)的主要功能已得到初步驗證[4]。 CIMON－2 是一個裝有人工智能系統的球形自由飛行技術演示器，將開展一系列旨在輔助航天員提高工作效率的技術試驗。

3.2 物理科學實驗

物理科學實驗共計63 項，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖2。 NASA 在各研究方向支持開展的實驗項數均處于領先地位，其中材料科學、流體物理、復雜流體方向的實驗最多；ESA 也開展了相當數量的物理科學實驗，特別是在材料科學方向實驗項數較多；JAXA在除復雜流體外的各研究方向都有布局。

圖2 各航天機構在物理科學領域的實驗項數Fig.2 The number of experiments in physical science by agency

物理科學領域共開展了28 項新實驗，其中NASA、ESA 和JAXA 分別支持開展了24 項、3 項和1 項新實驗，材料科學和流體物理研究方向的新實驗最多。 NASA 系列國際空間站材料實驗開展了3 項新實驗，繼續利用國際空間站材料實驗飛行設施定性和定量檢測近地軌道環境對各類材料和器件的影響。 填充床反應器實驗系列開展了2 項新實驗，旨在開發一套可在微重力環境下運行的填充床反應器的指導文件和設計工具，增進對填充床反應器在微重力環境下發生氣體阻塞的認識。 復雜的微生物系統實驗研究空間環境下長期存儲的多組分液體的陳化機理。 基于冷原子實驗室開展了2 項基礎物理新實驗，玻色－愛因斯坦凝聚氣泡動力學實驗將在球形或橢球形結構中形成玻色－愛因斯坦凝聚；零重力少體和多體物理學實驗研究在不同條件下相互作用的超冷原子的動力學。 密閉燃燒實驗研究狹窄空間的火焰蔓延及其傳播原理，特別是火焰蔓延與周圍墻壁之間的相互作用。 ESA 流體科學實驗室軟物質動力學系列實驗開展了2 項新實驗，濕泡沫流體力學研究實驗研究微重力環境下含水和非水泡沫的行為和泡沫粗化原理；致密顆粒介質的壓實和聲音傳輸實驗開展顆粒流變學研究。 JAXA 支持開展的新實驗JAXA 多組分膠體簇實驗旨在研究制造光子材料所需的四面體膠體簇的結晶機理和最佳生產條件。 此外，等離子體晶體－4、烈酒熟化等35 項物理科學實驗繼續開展。

在新亮點的研究進展和成果方面，2020 年4月《先進工程材料》上的一篇論文基于利用國際空間站上的電磁懸浮路開展的系列實驗，分析了3 種商用鎳基高溫合金在地面上難以獲得的高精度熱物理性能數據，包括液體表面張力、粘度、質量密度、比熱容等，將極大助力提高制造效率和產品質量[5]。 2020 年6 月，NASA 噴氣推進實驗室團隊首次在國際空間站冷原子實驗室中實現并觀測到第五種物質狀態——玻色－愛因斯坦凝聚[6]。 玻色－愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時所呈現出的一種物質狀態。 在這樣的低溫下，原子成為具有量子特性的單一實體。 玻色－愛因斯坦凝聚橫跨量子力學支配的微觀世界和經典物理支配的宏觀世界，因此有望提供關于量子力學的基本洞察，這一重大突破有助于揭示量子力學領域最為棘手的一些難題，相關論文發表在《自然》期刊上[7]。

3.3 生物學與生物技術實驗

生物學與生物技術實驗共計56 項，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖3。NASA 在微生物學、植物生物學、細胞生物學方向的實驗最多，并在絕大部分研究方向支持開展的實驗項數均大幅領先其他航天機構；JAXA 在多個研究方向上開展了實驗；ESA 開展的生物實驗數量較少。

圖3 各航天機構在生物學與生物技術領域的實驗項數Fig.3 The number of experiments in biology and biotechnology by agency

生物學與生物技術領域共開展了28 項新實驗，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了22項、4 項和2 項新實驗，微生物學、細胞生物學、植物生物學研究方向的新實驗較多。 NASA 支持開展的微生物學新實驗生物探測有效載荷旨在驗證用于基因組診斷(如測序)的機載納米孔基因測序儀。 微重力下細菌的全基因組適應性實驗研究航天器內有哪些環境因素和過程對細菌的生長最為重要，將幫助控制或防止細菌生長。 細胞生物學新實驗利用器官芯片平臺研究空間對人類腸道生理學的影響以人類神經化腸道芯片為平臺，研究空間環境對人類腸道生理學的影響。 植物生物學新實驗PH－02 空間作物的營養價值和生長參數評估旨在評估空間飛行和種植條件對蘿卜生長、產量、成熟時間和新陳代謝的影響，為種植空間作物做準備。 2 項嚙齒動物研究系列新實驗研究微重力對12 h 生物鐘的干擾以及對廣譜肌生長抑制素的抑制劑防止肌肉和骨丟失的臨床前評價。 JAXA 支持開展的新實驗載人航天器飲用水微生物機載監測系統旨在驗證用于未來載人深空探索任務中的新型機載微生物檢測系統；微重力下轉譯控制的全基因組調查實驗采用核糖體圖譜分析技術，以全基因組調查的方式評估微重力下的轉譯變化。 ESA 支持開展的新實驗輪蟲－B1 實驗研究微重力和空間輻射對近地軌道生物的累積效應；扦插研究暴露于微重力環境對木本枝條在返回地面后扦插成活能力的影響。 此外，JAXA蛋白質晶體生長、成骨細胞基因組學和代謝的重力調節等28 項生物學與生物技術實驗繼續開展。

在新亮點研究進展和成果方面，2020 年3月，NASA 肯尼迪航天中心研究人員發表在《植物學前沿》上的一篇論文介紹了空間站培育的蔬菜質量的最新研究結果，證實在國際空間站培育的萵苣安全可食用[8]。 2020 年3 月，俄羅斯3D 生物打印解決方案實驗室利用安裝在國際空間站上的Organaut 生物打印機成功打印了大腸桿菌，對返回樣本的形態分析發現，大腸桿菌具有抗生素抗性，實驗結果有助于開發新型抗生素[9]。 理解神經退行性疾病機制實驗研究發現，微重力環境下淀粉樣蛋白纖維形成的特征，纖維在微重力環境下的生長速度比在地面慢，表明空間站是研究淀粉樣蛋白的理想環境，可以更好研究其形成機制，有助于開發抑制淀粉樣纖維形成的新藥，預防或治療神經退行性疾病。 該項成果發表在2020年6 月的《npj 微重力》期刊上[10]。

3.4 人體研究實驗

人體研究實驗共計33 項，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖4。 NASA 支持開展的人體研究實驗數最多，ESA 緊隨其后，NASA 和ESA 涉及的研究方向也較多。 JAXA 和CSA 實驗相對較少。 從研究方向來看，骨骼與肌肉生理學、神經和前庭系統、心血管和呼吸系統方向的實驗相對較多。

圖4 各航天機構在人體研究領域的實驗項數Fig.4 The number of experiments in human research by agency

人體研究領域共開展了7 項新實驗，其中NASA、ESA 和JAXA 分別支持開展了5 項、1 項和1 項新實驗。 輻射對人體影響和骨骼與肌肉生理學方向的新實驗各2 項，航天員醫療系統、心血管和呼吸系統以及宜居性和人因研究方向的新實驗各1 項。 NASA 新實驗國際空間站同種異體半月板假體修復研究利用3D 生物制造設備打印半月板組織的可行性。 嚙齒動物研究－23－微重力對眼部血管流體力學的影響實驗測量空間飛行前后小鼠的眼壓、視網膜血流和視網膜的神經結構，有助于制定預防空間站神經－眼睛綜合征的有效措施。 自主醫療支持軟件驗證實驗旨在驗證采用軟件手段指導空間站航天員為同事進行腎臟和膀胱超聲波檢查，并以此降低空間飛行中的醫療風險。AstroRad 防輻射背心評估實驗旨在驗證航天員在穿戴AstroRad 防輻射背心時執行艙外活動的難易及舒適程度，以優化相關設計。 用于航天員異常長期效應系統的光離子探測器實驗通過測量國際空間站上宇宙輻射不同成分能譜幫助航天員實時掌握輻射風險水平。 ESA 新實驗長時間空間飛行對DNA 甲基化的影響收集空間飛行前后5個時間點上受試者的唾液和頰粘膜拭子樣本，確定空間飛行如何影響表觀遺傳學。 JAXA 新實驗微重力下磷酸鹽加速衰老機制旨在驗證微重力環境下骨骼中磷酸鹽供應增加可能加速衰老這一假說，證明骨質疏松和骨量減少不僅是衰老的結果，還是引起衰老的原因。 此外，氣道監測、NASA 生物標本庫等26 項人體研究實驗繼續開展。

在新亮點研究進展和成果方面，利用納米粒子治療微重力造成的骨質疏松實驗研究發現，新型藥物輸送系統有助于促進干細胞轉變為成骨細胞，該項成果可用于開發療法應對長期空間飛行造成的骨質退化，并幫助地面上罹患骨質疏松的病人，相關論文發表在《科學報告》期刊上[11]。骨髓研究實驗研究發現，航天員在著陸后會發生貧血，貧血程度和恢復期均與空間任務時長相關，該項成果發表在《美國血液學雜志》期刊上[12]。2020 年9 月，一個國際聯合研究團隊在長期監測執行國際空間站任務的航天員大腦結構后發現，在微重力環境下，大腦的灰質含量減少，而白質和腦脊液含量增加。 返回地面7 個月后，大腦灰質含量會恢復到正常狀態[13]，相關論文發表在《科學進展》期刊上[14]。

3.5 教育和文化活動

教育和文化活動實驗共計27 項，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖5。NASA 支持開展的實驗數大幅領先于其他航天機構。

圖5 各航天機構在教育活動領域的實驗項數Fig.5 The number of experiments in educational activities by agency

教育和文化活動領域共開展了14 項新實驗，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了10 項、3 項和1 項新實驗，學生開發新實驗最多。 NASA支持開展的新實驗涉及研究微重力對動物的影響、空間太陽能電力微波傳輸、空間暴露對SD 存儲卡的影響、衛星間通信、衛星脈沖等離子體推進器技術、藝術展示等豐富內容。 JAXA 的新實驗包括在日本實驗艙內開設節目直播站、空間暴露刻板、開展機器人編程競賽等。 ESA 的新實驗組織開展年度編程競賽。 此外，太空故事時間等13項實驗繼續開展。

3.6 地球與空間科學實驗

地球與空間科學領域共開展了22 項實驗，各航天機構在各研究方向上支持開展的實驗情況見圖6。 其中對地觀測方向的實驗最多。 NASA 支持開展的實驗數大幅領先于其他航天機構；JAXA在對地觀測、天體物理學、天體生物學3 個方向支持開展了實驗；ESA 僅在對地觀測方向支持開展了實驗。

圖6 各航天機構在地球與空間科學領域的實驗項數Fig.6 The number of experiments in earth and space science by agency

地球與空間科學領域共開展了5 項新實驗，其中NASA 和JAXA 分別支持開展了3 項和2 項新實驗，研究方向均為對地觀測。 NASA 的HyperAngular 彩虹偏振儀立方體衛星實驗通過測量氣溶膠的大小和種類以及云中水珠的大小和熱力學相，研究氣溶膠和云中顆粒物的性質。 Phoenix立方體衛星實驗通過簡單、低成本和低風險的方式研究城市熱島效應路徑，為科研人員提供緩解熱島效應的數據。 海洋顏色光譜衛星實驗獲取433～866 nm 的中等分辨率海岸生態和海洋顏色光譜圖像，監測海岸濕地。 JAXA 的高光譜成像儀套件實驗是NASA Terra 衛星上搭載的先進星載熱發射和反射輻射儀的后繼任務，可在較寬的波段范圍內對目標物開展連續的光譜測量，分析目標物的特點和物理性質。 微衛星集成標準成像儀實驗驗證高分辨率光學雙筒望遠鏡成像儀在軌運行性能，實驗數據可幫助開發商用集成標準成像儀。 此外，阿爾法磁譜儀－02、量熱儀型電子望遠鏡等17 項地球與空間科學實驗繼續開展。

在新亮點研究進展和成果方面，2020 年1月，NASA 發布首批全球生態系統動力學研究(Global Ecosystem Dynamics Investigation ，GEDI)測量數據供研究人員使用[15]。 GEDI 于2018 年12 月發射至國際空間站，旨在勘測地球上的森林資源，構建詳細的森林冠層高度和枝葉分布三維地圖，幫助了解生物質和森林碳儲量及其受干擾后的損失情況。 2020 年6 月，NASA 報道利用哥倫布艙外部的大氣－空間相互作用監測器(Atmosphere-Space Interactions Monitor ，ASIM)測量了高能地面伽馬線閃光，研究結果有助于揭示該現象的產生機制[16]，相關論文發表在《科學》期刊上[17]。 2017 年從國際空間站部署的天體物理學研究角秒空間望遠鏡是一顆6 U 大小的立方體衛星。 2020 年6 月《天文學雜志》期刊上的一篇論文顯示這顆小衛星實現了首次基于立方體衛星平臺觀測系外行星凌日，證明低廉的航天器也可以產生突破性的成果[18]。

4 分析與結論

通過對國際空間站2019 年9 月至2020 年10月開展的第61～63 次長期考察任務科研應用活動，特別是其中有特色的新實驗的回溯，結合這一時期新取得的有代表性的亮點研究成果，總結國際空間站科研與應用進展特點如下:

1) 國際空間站繼續保持較大的實驗規模，新實驗比例反映出科研與應用活動十分活躍。 各國航天機構在各自側重領域支持開展科研與應用活動，體現不同特色與關注點。 在第61～63 次長期考察任務中，6 大研究領域共計開展了318 項實驗，其中新實驗135 項，占實驗總數的42%。NASA 在實驗規模和新實驗數量方面繼續遙遙領先。 在全部318 項實驗中，NASA 支持開展的實驗有221 項，占實驗總數的69%，其中新實驗有111 項，占NASA 實驗總數的50%，占全部新實驗數(135 項)的82%。 NASA 在技術、生物、物理領域支持開展的實驗最多，這3 個領域的新實驗數量也最多。 ESA 和JAXA 實驗規模相當，其中JAXA 支持開展的新實驗更多。 ESA 更聚焦物理和人體研究領域，JAXA 則更為聚焦技術和生物領域。 CSA 實驗最少，且沒有新實驗，支持的人體研究實驗相對較多。 從新實驗的學科分布來看，技術、物理和生物領域的新實驗最多，各研究領域中新實驗最多的研究方向分別是技術領域的小衛星及控制技術方向、物理領域的材料科學方向、生物領域的微生物學方向、人體研究領域的輻射對人體影響和骨骼與肌肉生理學方向、教育領域的學生開發實驗方向、地球與空間科學領域的對地觀測方向。

2) 迎來在軌運行20 周年的國際空間站正在充分發揮其作為空間科研平臺的重要價值，新的亮點科研成果紛呈，繼續聚焦實現重大科學發現、使能未來深空探索和造福地面生活三大應用主題。 2020 年10 月，NASA 為慶祝國際空間站在軌運行20 周年，總結了國際空間站的20 項重大科技突破，包括:基礎疾病研究造福地面人群，發現冷焰穩定燃燒現象，新型凈水系統實現空間和地面應用，利用蛋白質晶體開展藥物研發，發現防治肌肉萎縮和骨丟失的方法，探索物質第五態，了解人體在微重力下的變化，在軌測試組織芯片，刺激近地軌道經濟，在微重力下生產食物，從空間站部署立方體衛星，從獨特的角度監測地球，收集上千億顆宇宙粒子數據，了解脈沖星和黑洞，為學生提供利用軌道實驗室的機會，識別空間未知微生物，開拓膠體研究領域，推進流體物理學研究，微重力環境3D 打印，助力應對自然災害[19]。 2020 年，各領域也涌現出許多新的亮點成果，如日本利用為小衛星設計的激光通信設備成功驗證國際空間站與地面站間雙向激光通信鏈路，國際空間站冷原子實驗室首次實現玻色－愛因斯坦凝聚，研究人員證實在國際空間站培育的蔬菜質量安全可食用，空間環境會對大腦灰質、白質、腦脊液的含量造成影響，安裝在哥倫布艙外的大氣－空間相互作用監測器拍攝高能地面伽馬線閃光等。

總體來看，國際空間站正處于科研與應用高峰期，新實驗規模可觀，新成果持續涌現，可以預見未來一段時間將繼續保持科研與應用活力，有望產出更多科研與應用成果。