我國空間站建造已于今年拉開帷幕，定于2022年在軌建造完畢，實(shí)現(xiàn)中國載人航天工程三步走發(fā)展戰(zhàn)略第三步的任務(wù)目標(biāo)。

早在我國載人航天工程立項(xiàng)初期就流行著一句話：“造船為建站，建站為應(yīng)用”。意思是說，造宇宙飛船是為了給空間站提供天地往返運(yùn)輸服務(wù)，而造空間站則是為了進(jìn)行載人空間應(yīng)用。所以，開展長期有人照料的大規(guī)?？臻g應(yīng)用是建造空間站的最終目的。那么，位于太空的空間站究竟能做些什么？今天我們約請全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩和讀者聊一聊。

計(jì)劃于2022年建成的中國空間站

剝?nèi)ブ亓ρ谏w的新穎物理世界

問：太空微重力環(huán)境下的物理世界，會(huì)呈現(xiàn)哪些新的特點(diǎn)？

答：很多人都看過2013年我國女航天員王亞平在“天宮一號”目標(biāo)飛行器內(nèi)做的5個(gè)物理小實(shí)驗(yàn)，感到很震撼、很神奇，因?yàn)檫@些看似平常的小實(shí)驗(yàn)在地面重力環(huán)境下很難做出來。在地面無法創(chuàng)造出長期的微重力環(huán)境，在空間站上則有得天獨(dú)厚的條件，而且很多物質(zhì)在微重力環(huán)境中都有與眾不同的獨(dú)特現(xiàn)象。

例如，在空間站里水不再往低處流，甚至可以用竹籃打水；液體中密度不同的成分不會(huì)發(fā)生沉淀和對流；水和蠟燭燃燒都會(huì)呈球狀，等等。

在空間站微重力環(huán)境下，地面重力效應(yīng)所掩蓋的一些次級效應(yīng)凸顯，從而導(dǎo)致流體形態(tài)和物理（化學(xué)）過程等發(fā)生顯著變化，影響或改變流動(dòng)和燃燒機(jī)制，也影響到相關(guān)的材料（包括生物材料）加工及制備過程。微重力還會(huì)對一些基礎(chǔ)物理的實(shí)驗(yàn)條件產(chǎn)生重要影響，能夠以更高的指標(biāo)和精度開展實(shí)驗(yàn)，對重要的基礎(chǔ)物理理論進(jìn)行驗(yàn)證。此外，由于各種生物包括人類的生存和進(jìn)化一直是在重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，所以微重力環(huán)境對生物體及其各層次的影響也會(huì)十分顯著。因此，微重力環(huán)境是開展相關(guān)科學(xué)研究獨(dú)特而寶貴的資源。

在空間站內(nèi)，微重力引起的流體擴(kuò)散過程成為主要因素；流體中浮力基本消失，液體的約束力來自于表面張力，潤濕現(xiàn)象（液體在另一種物體表面的擴(kuò)散現(xiàn)象）和毛細(xì)現(xiàn)象加劇，因此，發(fā)展空間站的國家都積極開展微重力物理、微重力生物學(xué)和微重力生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究，同時(shí)還進(jìn)行有關(guān)生產(chǎn)制造和加工工藝試驗(yàn)，大力開展微重力應(yīng)用和試驗(yàn)研究。

研究空間燃燒科學(xué)，能增進(jìn)對燃燒基本原理受重力影響的了解，從而增進(jìn)對在地面上燃燒的認(rèn)識(shí)，這有助于提高燃燒效率，解決污染、大氣變化、全球變暖、火災(zāi)等問題。由于人類社會(huì)主要依靠燃燒獲得能源，提高燃燒效率對社會(huì)的影響是巨大的，石油的燃燒效率每提高1％，全世界每年就可以節(jié)省幾億桶石油。

蠟燭火焰在地面重力環(huán)境中，由于加熱后的周圍氣體密度低而上升、較冷的氣體從下面補(bǔ)充進(jìn)來形成的對流作用，將蠟燭的火焰拉長呈液滴狀，并且由于碳黑來不及充分燃燒就被帶走，使火焰呈紅黃色（左）。在太空失重環(huán)境中，沒有了對流現(xiàn)象，蠟燭火焰呈球狀，碳黑能夠充分燃燒，火焰呈藍(lán)色（右）。

研究生物和航天醫(yī)學(xué)的圣地

問：據(jù)了解，生物工程和航天醫(yī)學(xué)是開展太空科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，能否介紹一下這方面的情況？

答：不少國家都在空間站上開展了生物工程方面的實(shí)驗(yàn)，這是因?yàn)樵诘孛嬗捎谥亓Φ淖饔?，在蛋白質(zhì)溶液中，密度小的會(huì)上浮，密度大的會(huì)下沉，從而形成對流。這種對流在蛋白質(zhì)結(jié)晶過程中產(chǎn)生漩渦，改變了蛋白質(zhì)分子結(jié)晶的方位，造成晶格雜亂，無法獲得足夠高品質(zhì)和足夠大的蛋白質(zhì)結(jié)晶。但在空間站微重力條件下，由于沒有沉淀和對流的影響，所以能夠生產(chǎn)出足夠大的高品質(zhì)的蛋白質(zhì)晶體，為深入研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其功能創(chuàng)造了良好的條件。

空間站上的航天員常把自己作為研究對象，開展航天醫(yī)學(xué)研究，以揭示太空環(huán)境對重要生命現(xiàn)象及生命過程的作用與影響，從而增進(jìn)對生命起源、生命現(xiàn)象和本質(zhì)以及生命活動(dòng)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為發(fā)展地基生物技術(shù)提供理論依據(jù)，并為改善人長期在太空生活質(zhì)量提供依據(jù)。

俄羅斯醫(yī)學(xué)生物問題研究所副所長波利亞科夫博士在“和平號”空間站上創(chuàng)造了連續(xù)逗留438天的世界紀(jì)錄，目的就是要研究長期在太空生活和工作，對人的生理和心理有哪些影響，以便為今后載人登火星做準(zhǔn)備。美國航天員格倫在77歲時(shí)重返太空，是為了研究太空生活對老年人有什么影響。美國還用一對雙胞胎兄弟分別在“國際空間站”上和地面進(jìn)行了為期一年的對比實(shí)驗(yàn)，以研究他們的差異。

我國曾在太空用生物培養(yǎng)箱，進(jìn)行了植物、動(dòng)物、水生生物、微生物、細(xì)胞和細(xì)胞組織等空間環(huán)境生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，從不同層次上研究了不同類別生物體和多元生物封閉系統(tǒng)的空間環(huán)境效應(yīng)，并提供了空間生命過程調(diào)控的新技術(shù)、新思路，獲得和選取了新穎的生物材料；通過小型空間連續(xù)自由電泳儀，開展了細(xì)胞和生物大分子空間分離純化方法和技術(shù)研究，利用空間分離純化實(shí)驗(yàn)考核了有關(guān)方法和技術(shù)，為空間生物樣品分離純化和空間制藥奠定了基礎(chǔ)。

我國首個(gè)女航天員劉洋在“天宮一號”上完成了15項(xiàng)航天醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中最主要的有5項(xiàng)：研究飛行對心血管的影響、微重力時(shí)細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用、空間骨丟失的防護(hù)、采集并分析艙內(nèi)有害氣體、在軌測量人體質(zhì)量。其目的是要首先保證航天員在太空的健康，為后續(xù)載人航天任務(wù)防護(hù)措施的制定提供理論依據(jù)。

這是在太空實(shí)驗(yàn)的一種抗生素，這種抗生素被認(rèn)為對抗深度肺炎傳染有更好的效果

開展觀地、望天和技術(shù)試驗(yàn)

問：在觀地、望天和技術(shù)試驗(yàn)方面，以往在太空中都開展過哪些工作？

答：航天員參與對地觀測后，能提高遙感裝置的利用率，快速而準(zhǔn)確地對新發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)和新情況進(jìn)行分析和判斷，從而拍攝了大量有價(jià)值的資料。例如，美國“天空實(shí)驗(yàn)室”上的3批航天員在171天的飛行過程中，共拍攝了4萬多張地球照片，記錄觀察地球數(shù)據(jù)的磁帶長達(dá)69千米。蘇聯(lián)“禮炮7號”空間站上的航天員，每天用60%的時(shí)間從事對地球的研究，搜集了大量地球自然資源、地質(zhì)地貌、大氣層狀況、耕地季節(jié)變化、世界海洋變化和水生物狀況等信息。

通過航天員在飛行過程中所拍攝的照片，蘇聯(lián)重新精確而詳細(xì)地繪制了本國的地圖。在貝加爾湖—阿穆爾新鐵路的勘測選線工程中，蘇聯(lián)利用空間站航天員通過多光譜相機(jī)拍攝的地面照片，了解了該地段的構(gòu)造斷層和地下水會(huì)聚點(diǎn)，為鐵路部門節(jié)省了700萬盧布投資。

用空間站進(jìn)行天文觀測，可以不受大氣層的影響，航天員靈活操作天文望遠(yuǎn)鏡，選擇觀測重點(diǎn)，擴(kuò)大觀測范圍，并具有邊觀測邊分析的能力。

美國“天空實(shí)驗(yàn)室”空間站在載人飛行期間，航天員用58種儀器進(jìn)行了天文、地理和醫(yī)學(xué)等270多項(xiàng)科學(xué)研究，用太陽望遠(yuǎn)鏡觀測太陽，拍攝了18萬張?zhí)柣顒?dòng)的照片；用6種遙感儀器對地球進(jìn)行觀測，勘探地球資源，偵察軍事目標(biāo)，并拍攝了4萬多張地面照片；用7種儀器研究了太陽系和銀河系的情況，錄制了30多千米長的錄像磁帶。

空間站的一項(xiàng)重要用途就是進(jìn)行技術(shù)試驗(yàn)，為未來的載人航天和其他航天活動(dòng)做準(zhǔn)備。航天員已在“國際空間站”上開展重返月球和載人登火的技術(shù)試驗(yàn)。

我國在發(fā)射“神舟七號”飛船時(shí)，曾在艙外放置了許多種固體潤滑材料和太陽電池基底薄膜材料進(jìn)行暴露試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完畢后，由航天員翟志剛出艙回收試驗(yàn)樣品，并隨返回艙帶回地面進(jìn)行了研究。

艙外的材料試驗(yàn)，將各種材料長期暴露于太空環(huán)境中，檢驗(yàn)材料對太空環(huán)境的適應(yīng)性

微重力“空間工廠”前景美好

問：“空間工廠”在制造業(yè)方面有哪些獨(dú)特優(yōu)勢？

答：由于在空間站微重力環(huán)境中的液體能自由懸浮，因此適合進(jìn)行太空材料加工研究，揭示被引力所掩蓋的各種真實(shí)現(xiàn)象和材料物理現(xiàn)象的本質(zhì)，尋求消除地面制備材料中缺陷的方法，提高地面制備材料的質(zhì)量。國外空間站現(xiàn)已生產(chǎn)了少量高品質(zhì)的材料和作為基準(zhǔn)的具有特殊性能的材料。

在空間站內(nèi)的混合物可以均勻地混合，由此能制成地面上不能得到的特種合金；也能制成一種新的泡沫金屬。其基本原理是在液態(tài)金屬中通以氣體，失重環(huán)境可使氣泡不“上浮”，也不“下沉”，均勻地分布在液態(tài)金屬中，凝固后就成為泡沫金屬，這樣就能制成輕得像軟木塞似的泡沫鋼，用它做機(jī)翼又輕又結(jié)實(shí)。微重力環(huán)境可使熔化了的金屬的液滴形狀呈絕對球形，冷卻后可以成為理想的滾珠，非常耐磨損，而在受重力影響的地面上很難制造出絕對球形的滾珠，因此不耐磨。

在地面上不能制成很長的玻璃纖維，這是因?yàn)闆]等到液態(tài)的玻璃絲凝固，就會(huì)由于重力的作用被拉成小段，但在太空能制造出幾百米長的玻璃纖維。在太空還可進(jìn)行無容器的“懸浮冶煉”，消除容器對材料的污染，防止容器本身由于高溫而影響金屬冶煉的純度，獲得純度極高的產(chǎn)品，等等。在太空生產(chǎn)的半導(dǎo)體晶體與在地面生產(chǎn)的相比，沒有缺陷、個(gè)體更大、純度更高、更加均勻，有望獲得電子技術(shù)的重大突破。

在空間站上制藥，可獲得地面難以達(dá)到的高純度和高效率，并可利用太空研究獲得對機(jī)理的認(rèn)識(shí)，用以指導(dǎo)地面藥物制備。目前，藥物提純廣泛應(yīng)用電泳法。但在地面由于受重力的影響，會(huì)出現(xiàn)一些嚴(yán)重妨礙電泳正常進(jìn)行的現(xiàn)象，使許多已經(jīng)研究出的藥物因達(dá)不到所需的純度或成本太高而無法推廣應(yīng)用。而太空電泳試驗(yàn)表明，其分離效率比地面高400～800倍。太空制造1個(gè)月的產(chǎn)量，大約等于地面制造30～60年的產(chǎn)量，產(chǎn)品純度比地面的高4～5倍，從而使藥物成本大幅度下降。

這是一種電子材料單晶體結(jié)晶樣品橫截面的一段（從上到下大約1毫米），下面部分是在重力環(huán)境中結(jié)晶的，在晶體內(nèi)的添加物混合得不均勻，是隨機(jī)的。上面部分，是在失重環(huán)境中生長的，是均勻的。

“天宮”空間應(yīng)用條件很好

問：最后，能否簡單介紹一下我國“天宮”空間站在開展科學(xué)研究方面的優(yōu)勢和計(jì)劃安排？

答：我國“天宮”空間站運(yùn)行于傾角41～42°、軌道高度340千米～450千米的近圓低地球軌道，約90分鐘繞地球一圈，采用近似三軸穩(wěn)定對地指向。其軌道完全脫離了地球大氣，處于地球電離層F2層，適于開展巡天類空間天文觀測和特定空間物理研究；對地球觀測而言，空間站軌道覆蓋南北緯42°以內(nèi)、地球人口居住90％的區(qū)域，與一般地球遙感衛(wèi)星采用的太陽同步軌道相比，空間站軌道的交點(diǎn)地方時(shí)在不斷變化，可實(shí)現(xiàn)對同一地區(qū)可變光照條件下的觀測；由于軌道高度較低，相同對地觀測儀器的空間分辨率較高。

“天宮”可提供長時(shí)間的微重力環(huán)境，微重力水平為10-3～10-4g（重力加速度單位），因而能為航天員在空間站開展空間應(yīng)用提供了很好的條件。現(xiàn)在，“神舟十二號”乘組已進(jìn)入空間站“天和”核心艙，他們在那里逗留3個(gè)月。此后的每個(gè)乘組都將逗留6個(gè)月。他們均具有執(zhí)行空間實(shí)驗(yàn)及其他任務(wù)的能力，包括對有效載荷進(jìn)行在軌操作、狀態(tài)監(jiān)視、樣品更換、回收處置等，以及按要求完成有效載荷項(xiàng)目的在軌建設(shè)和擴(kuò)展。航天員乘組還具有艙內(nèi)外載荷維修與更換能力。

中國載人航天工程利用空間站支持能力、微重力和輻射環(huán)境、航天員較長在軌駐留、天地往返等有利條件，共規(guī)劃安排了11 個(gè)空間科學(xué)與應(yīng)用研究方向。在 “天宮”空間站的三個(gè)艙段內(nèi)可布設(shè)25臺(tái)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，每個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜相當(dāng)于一個(gè)綜合性的研究實(shí)驗(yàn)室，可以支持開展單學(xué)科或多學(xué)科交叉的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在艙外布設(shè)了67個(gè)標(biāo)準(zhǔn)暴露載荷接口。

據(jù)悉，“天和”核心艙內(nèi)現(xiàn)已搭載了高微重力實(shí)驗(yàn)柜和無容器實(shí)驗(yàn)柜。在地面上用容器冶煉時(shí)，容器承載熔體會(huì)引入雜質(zhì)，在熔體凝固過程中會(huì)受器壁影響生長出復(fù)雜的微觀組織形態(tài)。無容器冶煉的意思就是不用容器承載，使物體在懸空的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過程。無容器實(shí)驗(yàn)柜承擔(dān)的就是這樣的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

基于上述，我國“天宮”空間站有望取得有重大科學(xué)價(jià)值的研究成果和有重大戰(zhàn)略意義的應(yīng)用成果，并將用于科普教育和國際合作等。（王鴻良）