空间站，太空的“超级实验室”

原创 常飞 中国航天报

伴随着长征五号B火箭的轰鸣声，天和核心舱进入太空，开启了中国空间站的建设征程。如果按照分类仔细排序，中国空间站算是世界上第三个大型组合式空间站。那么大家可能会好奇，耗资巨大的空间站除了展示一个国家的工业与科技能力之外，还有什么实际意义吗？

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太空的“超级实验室”

从苏联的和平号空间站到国际空间站，它们的主要角色就是扮演飞行在近地轨道上的实验室。美国国家科学院曾经明确提出，要把国际空间站当成美国的国家实验室。

空间站的主要科学实验内容，基本上可以按照生命科学研究、对地观测研究、天文学、基础物理、工程应用、航天医学等几个类别加以划分。

生命科学研究

生命科学是空间站上开展得最多的试验之一。目前，已经上天的动物和植物种类、数量都已不胜枚举。

比如，“和平号”上繁育过100多种植物，甚至还尝试过繁育鹌鹑。从“和平号”上带回地球的植物种子，在航天育种领域发挥了很大作用。

和平号空间站再比如，国际空间站上的动物研究范围更大，曾尝试过在宇宙中饲养老鼠、日本水虎鱼，甚至是水熊虫。结果发现，生活在下水道里的水熊虫，比任何其他高等生物都更能够适应空间环境。

基础物理研究

空间站这个“超级实验室”对基础物理研究来说，简直就是天堂，因为在地球上很难找到一种办法来提供长期的失重环境。

在地球上，无论是微重力塔，还是微重力飞机，所能提供的失重持续时间只能以分钟甚至秒来计算。对于很多实验来说，这点时间完全不够。而在空间站上，局面就彻底改观了。科学家们可以获得近乎于无限的失重时长，来展开关于燃烧、流体、晶体生长等现象的研究。特别是在失重环境下的火焰与地球上的火焰是完全不同的，燃烧施放出的产物也和地球上的大相径庭，这让人们对于火这种工具有了新的认识。

国际空间站上的基础物理还涉及空间、时间、能量和物质的组成部分，涉及对相对论和粒子物理的研究。科学家们设法在国际空间站上对爱因斯坦的一些理论进行了验证，但还没有得到最终的结论。

对地观测研究

空间科学和对地观测研究可能是一个比较令人意外的空间站科学研究方面。

从理论上说，遥感卫星和无人操作的空间望远镜就可以实施这类研究，而且运行成本比载人空间站低得多。但是空间站上的实验表明，有人照料的空间科学和对地观测，能够及时发现一些异常和新奇的科学现象，对新型天文及遥感仪器进行调试，为无人系统的正常工作奠定基础。

例如在空间站上，航天员曾观测到过日地现象及其相互作用、地球电离层和磁层的变化，拍摄了各种恒星、行星的图像，获得了探索天体演化过程和长期连续辐射光谱数据。

在国际空间站上的航天员还可以根据要观察的对象不同，灵活更换窗口观测研究设施的传感器系统和有效载荷。这些都是卫星很难做到的。

国际空间站航天医学研究

航天医学就是把航天员作为实验对象，这可能是空间站科学实验中最基本的一项。

航天员从火箭起飞的那一刻开始，就需要不停地关心和记录自己的健康数据。在空间站上，这方面的实验和研究项目繁多，包括行为健康和表现、骨骼和肌肉生理学、运动对策、心血管生理学、营养学和免疫学等。

美国宇航局还曾开展了一项双胞胎试验，把一对双胞胎中的一人送进太空，另一人留在地球上。这项研究的结果表明，所谓双胞胎心灵感应这种事，只是传说而已。

技术演示验证

技术演示验证是在科学和应用之间搭建的一座桥梁。在空间站上，航天员曾在材料加工和药物制品研究方面做过不少重要实验。比如，利用专门设备拉制出了直径5厘米的高纯度砷化稼晶体，生产出了高纯度的干扰素、抗流感制剂、蛋白晶体等。这些都为将来的“太空工厂”和高价值空间制造业积累了重要的技术基础。

此外，人类在空间站还开展过很多技术演示：空间推进，空间动力和能源，通信和导航，生命支持和居住系统等。特别是近年来，在国际空间站上开展的3D打印实验，为今后大型载人空间设施的在轨自主维修探索了宝贵的经验。

航天员在国际空间站上进行3D打印实验不过，在上述实验的设计和成果取得当中，中国人的参与和收获都是非常有限的。很多领域甚至是零。中国空间站的发射和运行，将为中国的科学家们提供一个属于自己的实验室，所能够获得的科学成果，也必将是丰富而广泛的。

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空间站本身就是个“实验”

美国宇航局在讨论国际空间站和倡议地月轨道空间站时，总谈及这样一个理念：积累知识和技术，为人类飞向更深远的宇宙做准备。

虽然地球上还有大量的问题不曾解决，但人类终究要进入宇宙去寻找更多值得开发和居住的星球。这就需要打造一整套技术和解决方案。其中涉及到几个最基本的问题：人能不能在太空安全健康地生存？人如何在漫漫航程中获取必需的生活资源？需要设计一艘什么样的渡船，才能把人从地球运送到下一个落脚点？

这些问题的回答，只能从近地轨道空间站开始，一点一点地摸索。就像人类要想在大海上航行，必须从独木舟开始，渐渐地发明出越来越大的船只，直到今天的百万吨巨轮。

从这个角度说，今天的空间站或许只能算作一艘近海捕鱼的小船。空间站的基本功能和结构组成，将为远期飞向火星、木星及更远深空的大型飞船探索必要的知识和经验。同时，还需要探索怎样才能提高深空飞行器的寿命与可靠性，怎样在远离地球的地方由船员自主修理和维护等。

国际空间站的很多舱段已开始老化国际空间站已经运行了20多年，很多舱段已经开始老化失修。因此美俄都曾提出，到2024年就不再继续维持今天的国际空间站了。虽尚无最终定论，但距其“寿终正寝”已经不远。然而人类要想飞往太阳系边缘，怎样才能制造出更耐用的空间站，还需要继续寻找答案。

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“天宫”里实验也不少

中国载人航天工程总设计师周建平曾在论文中写道，“我国空间站应用将突出有人操控和空间站大平台的特点，充分借鉴国际成功经验和教训，瞄准空间科学技术前沿，兼顾科学探索和空间资源开发需要，坚持创新驱动原则，推动原始创新。”

中国天宫空间站中国天宫空间站设置了3类实验场所，首先是加压舱内有16台科学实验柜，舱外设有暴露实验平台，另外还要在节点舱上对接专门的光学舱，支持在轨实施空间天文、空间生命科学与生物技术、微重力基础物理、空间材料科学、航天医学等11个学科方向30余个研究主题的数百项科学研究与应用项目。

上面提到的16台实验柜的样机曾在国内多个展会上露面。中科院空间应用工程与技术中心集成技术中心主任王珂介绍说，科学实验柜相当于一个综合性的研究实验室，可以支持开展单学科或多学科交叉的空间科学实验，具体实验设备可由航天员安装操作、维修，并照料实验。

“这就好像把专业的实验室搬到了天上，并让实验设备在严酷的太空环境下正常工作。”王珂表示。

从总体来看，中国的空间站在实验室设置上沿用了国际空间站的模式。但这肯定不是终点，从它身上还能演化迭代出什么新的产物，是值得期待的。

文/常飞

原标题：《空间站：这个太空“城堡”用处多》