□□至今，一共有59個國家參與“國際空間站”的建造或應用。美國航空航天局目前正在與“國際空間站”其他成員國共同努力拓展“國際空間站”的應用，以便使科研人員擁有更多機會進行站上微重力實驗。該站有兩個主要功能：進行科學實驗的國家實驗室和開發(fā)新技術的試驗平臺?！皣H空間站”已基本建成，正成為近地軌道上有人直接參與各種科學研究活動的基地。它能進行最先進的生物學、化學、物理學及其他學科的研究，并有望執(zhí)行載人繞月飛行任務。由于“國際空間站”將至少工作到2020年，所以可充分利用其設備開展多項科研；美國也將借助私營商用飛船將航天員送入“國際空間站”。因此，它不僅將發(fā)揮更大的作用，還將采用新的運營模式。

1 應用范圍廣泛

“國際空間站”上的多個實驗艙可進行最先進的生物學、化學、物理學及其他學科的研究。因為這些艙是首次按微重力實驗要求設計的，都十分靠近質(zhì)心，能保證重力接近于零，從而可成為一個提供空前能力來揭開重力對人類影響之謎的實驗場所，在基礎科學和生物醫(yī)學等方面擴展全人類的知識，為以后可能出現(xiàn)的突破性進展奠定理論和技術基礎。同時，它也為人類能長期在軌直接參與對地觀測和天文觀測提供了機會，為研究地球環(huán)境、探索宇宙世界做出貢獻。此外，作為人類首次在太空進行的大規(guī)模裝配活動，建造“國際空間站”還將為今后建造天基太陽能電站、載人火星探測等航天活動積累經(jīng)驗和試驗技術。

至今，“國際空間站”上約50%的資源用于科學實驗。目前站上就有30～40個實驗，其中大多數(shù)為生物學實驗，包括藥品研究和疾病治療。科研人員還利用空間站試驗太空探索系統(tǒng)和其他尚未完全掌握的技術，如：正在研究航天器的制導、導航與控制系統(tǒng)，修復軌道航天器的先進機器人，以及更有效的水過濾系統(tǒng)。據(jù)俄塔社2011年5月25日報道，已有70個新實驗納入“國際空間站”俄羅斯艙段科學計劃。

“國際空間站”的空間應用項目主要包括醫(yī)學與生物學研究、生物工程、空間技術、材料科學、教育活動、地球物理學及對地觀測等7個方面的科技研究性應用。早期的一些宏偉設想，如利用空間站作為衛(wèi)星的回收站與維修車間、空間倉庫、衛(wèi)星發(fā)射基地、軌道機動飛行器的?？扛邸⑸羁仗綔y器的中轉(zhuǎn)站等服務性應用已被無限期推遲。

醫(yī)學與生物學研究是“國際空間站”應用的重點，所有合作伙伴的應用項目都首選醫(yī)學與生物學，主要包括研究人體對空間環(huán)境的適應性及應對措施；大量采集人體在空間環(huán)境下的生理新數(shù)據(jù)，用以改進長期航天的防護措施，提高醫(yī)學監(jiān)督與醫(yī)學保障系統(tǒng)支持載人航天的能力。在俄羅斯實驗艙和美國實驗艙的應用項目中，醫(yī)學與生物研究分別占43%和32%。

生物工程是該空間站應用的又一重點項目,主要研究、制備在醫(yī)學、生物學和藥物學方面有潛在應用價值的生物材料，如微生物、細菌、植物細胞和動物胚胎等的蛋白質(zhì)晶體。

在空間技術領域，“國際空間站”主要研究試驗新結構、新材料、新設備、微重力保持、聲學效應、輻射防護、微流星與空間碎片防護等，也為下一步載人月球探測和火星探測開展某些需要有人參與的技術試驗和演示驗證作準備。據(jù)最新報道，“國際空間站”有望執(zhí)行載人繞月飛行任務，把“國際空間站”作為發(fā)射月球載人任務的一個發(fā)射平臺。另外，美國航空航天局局長2011年4月6日稱，美國將把“國際空間站”作為載人火星探測的起點。

在材料科學方面，“國際空間站”主要研究微重力條件下的流體行為、材料性質(zhì)及材料加工工藝等。

2 已取得的成就

其實，在“國際空間站”建造過程中已開展過多項實驗和研究。比如，豌豆種植實驗、蚯蚓養(yǎng)殖實驗、人類對太空旅行的延時反應實驗、飛碟的物理實驗、呼吸實驗、航天技術與材料學研究、地球物理學研究、生物醫(yī)學研究、地球自然資源研究與生態(tài)監(jiān)控、太空生物技術研究。截至2006年，“國際空間站”已完成了29項學校與學生的科研項目。在合作國航天局的支持下，在太空開展教學實驗活動，設置虛擬課堂和虛擬演示驗證課。

“國際空間站”還利用可裝載大型觀測設備、有人值守及可選擇觀測條件等優(yōu)點，開展新的觀測儀器和觀測方法的演示驗證?？傮w來看，在“國際空間站”上開展了空間科學與應用方面的研究，主要分3個階段：①初始階段注重對空間環(huán)境的了解，為下一步的研究提供保障；②發(fā)展階段開始為航天員長期空間飛行積累技術和經(jīng)驗，為實現(xiàn)載人登陸月球、建立月球基地和載人探索火星作準備；③建成以后將進一步挖掘近地軌道空間資源利用潛力。

據(jù)美國航空航天局網(wǎng)站2009年9月10日報道，美國航空航天局發(fā)布了“國際空間站”8年來取得的科學研究成果的詳細報告，包括飛行期間對抗食物中毒、向癌細胞輸送藥物的新方法、在未來航天器上使用更好的材料等。

最引人注目的成果是證明了在太空飛行期間普通細菌致病增強的能力，不過改變細菌生長環(huán)境能控制其毒性。另外一項實驗演示了將藥物輸入人體內(nèi)目標部位治療的新方法，引出了一項潛在的醫(yī)學進步。空間站上最多的研究是測試航天器材料如何經(jīng)受惡劣的太空環(huán)境，其材料實驗成果已經(jīng)應用于開發(fā)未來商業(yè)空間站貨運飛船所用的太陽電池上。美國航空航天局在空間站的研究活動涵蓋了包括探索技術開發(fā)、物理學與生物學的微重力研究、人體生理學研究、地球科學與教育等若干科學領域。2008年，歐洲哥倫布號實驗艙與希望號日本實驗艙運上空間站后，使站上實驗的空間與研究設備數(shù)量增至之前的3倍。

“國際空間站”為科學家提供了非常好的太空環(huán)境，有足夠的功率保證遙測數(shù)據(jù)的下傳，還可作為許多新活動的工程試驗平臺。自從2009年5月空間站常駐人員增加到6名以來，空間站上的航天員已經(jīng)從每周工作不到15h增加到每周工作40h，并且還能更長。所以，“國際空間站”上的科學研究已上升到了新的高度，到了充分利用的時候了。

除了一些相對較小的實驗設備外，目前空間站的外部主要有材料科學研究設備、太陽研究平臺、空間環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)、全天空X射線掃描儀等，這些實驗設備的成功應用將會吸引科學家們將更多的質(zhì)量或體積較大的地球觀測實驗設備安裝在空間站上，并且能夠使科學家們將更多精力集中在科學研究上，而不是用在權衡實驗設備的質(zhì)量、體積、成本、電力供應和數(shù)據(jù)處理能力上。

歐洲航天局考慮在2012-2020年間，為空間站安裝觀測氣候變化的儀器，這個設想得到了歐洲航天局地球觀測計劃管理者的支持。

據(jù)美國航空航天局網(wǎng)站2010年5月4日報道，美國航空航天局和國防高級研究計劃局正在尋求方案，準備加強在“國際空間站”上的小衛(wèi)星試驗，目標是更好地利用“國際空間站”作為先進空間技術的試驗平臺。

美國諾格公司2011年4月12日透露，該公司將在“國際空間站”上應用一種冷卻軍事衛(wèi)星有效載荷的新方法。

2009年5月20日，俄羅斯航天員在站內(nèi)進行了一項“呼吸”試驗，目的是研究失重狀態(tài)對人體心肺功能的影響。2009年9月14日，俄羅斯航天員在站內(nèi)實施了3項分別稱為“駕駛員”、“ 颶風”和“美人魚”的科學試驗，分別對失重對人的影響、自然災害預警及溫室氣體的排放進行了研究。2009年10月5日，俄羅斯航天員在站內(nèi)進行了一項名為“瀑布”的生物技術試驗，旨在為將來的星際飛行作準備。2009年11月16日，阿特蘭蒂斯號航天飛機把4只蝴蝶送到“國際空間站”，作為一項教育試驗的一部分。

當人處于失重狀態(tài)時，大腦活動會發(fā)生怎樣的變化？歐洲航天局2011年1月13日發(fā)表公報說，為找到問題的答案，他們對在“國際空間站”工作的一名航天員的大腦活動進行了研究。公報說，航天員在進入太空的失重環(huán)境后，不但血液循環(huán)等生理狀況有所改變，認知方式也會隨著大腦壓力的變化產(chǎn)生差異。為深入了解這種變化，歐洲航天局2010年年底對在“國際空間站”工作的意大利航天員保羅·內(nèi)斯波利的大腦進行掃描；在同伴的幫助下，內(nèi)斯波利接受了腦電波儀器的檢查，各項數(shù)據(jù)隨后被傳回歐洲航天局，供專家們分析；這項研究重點關注內(nèi)斯波利的視覺、身體感知及對物體的鑒別能力。

據(jù)英國廣播公司2011年4月16日報道，在“國際空間站”上的研究發(fā)現(xiàn)，藥物在太空中的保質(zhì)期比在地面的短。

值得注意的是我國多家單位參與了“國際空間站”中阿爾法磁譜儀-2（AMS 02）項目的研制。執(zhí)行STS-134任務的奮進號航天飛機已于2011年5月16日將阿爾法磁譜儀-2送到“國際空間站”。

美國還將在“國際空間站”上通過加拿大雙臂機器人“德克斯特”的協(xié)助，演示驗證在軌衛(wèi)星燃料再填注技術。

吊運阿爾法磁譜儀-2

在“國際空間站”星辰號服務艙內(nèi)，俄羅斯進行的植物生長試驗

3 問題不可忽視

盡管開發(fā)了一系列新技術，但是“國際空間站”的應用仍面臨諸多問題，如：①分配給空間應用的人時不足；②建造進度的推遲影響了應用；③有效載荷配置不能如數(shù)到位；④天地往返運輸能力特別是返回運輸能力不足；⑤可供有效載荷使用的電力不足；⑥有效載荷設備的安裝和放置無序；⑦缺少完整的頂層設計、綜合規(guī)劃和協(xié)調(diào)程序；⑧潛在的設備故障和人為失誤。

要想解決空間應用人時不足的問題，就要提高空間站的可靠性和安全性及站務管理的自動化水平和自主能力，同時通過空間站運行管理的實踐，積累長期載人航天的經(jīng)驗，提高工作效率，降低站務管理所占人時比例。

由于“國際空間站”采用“邊建造，邊應用”的模式，所以造成空間站應用任務多變。這就需要加強空間站系統(tǒng)的頂層設計、綜合規(guī)劃，全面考慮建造和應用兩類任務，力求使二者同步協(xié)調(diào)發(fā)展，制訂分階段的執(zhí)行細則。例如，當實際進度與計劃進度脫節(jié)或出現(xiàn)故障或失誤時，就要編制空間站應用的對策預案。

從2009年5月29日起，“國際空間站”長期考察組人數(shù)從3人增加到了6人。增加人數(shù)可以更好地利用空間站進行科學研究。但是，6名航天員長期在軌生活和工作對貨物補給是一個挑戰(zhàn)。面對人員的增加，美國航空航天局的一個解決方案是將一個改裝的萊昂納多號多用途后勤艙與“國際空間站”長期對接，以便放置更多的備件。這種永久性多功能艙（PMM）已于2011年2月27日上天并安裝到“國際空間站”上。

據(jù)俄羅斯網(wǎng)站2010年11月3日報道，俄羅斯航天局載人航天飛行理事會主席克拉斯諾夫表示，一旦俄羅斯和美國的新一代飛船投入使用，“國際空間站”上駐站航天員的數(shù)量可以增加到7名。目前“國際空間站”上駐站航天員的最佳數(shù)量是6名，這是由于為“國際空間站”提供人員運輸服務的“聯(lián)盟”系列載人飛船只能乘坐3名航天員。當初設計時，“國際空間站”可以容納7名航天員駐站，其中俄羅斯艙段3名，美國艙段4名。但是后來俄羅斯取消了開發(fā)4座載人飛船的計劃，緊接著航天飛機又要退役，所以“國際空間站”上的駐站航天員數(shù)量只得維持在6名的水平。

航天飛機全部退役后，空間站的貨物運回能力從使用意大利萊昂納多號多用途后勤艙的9.4t縮減到“聯(lián)盟”系列飛船的50kg，而俄羅斯“進步”系列飛船又無法把站上物品運回地面。

2009年11月25日,美國政府問責局曾發(fā)布題為《“國際空間站”：巨大挑戰(zhàn)可能限制站上科研》的報告。該報告認為，至今，“國際空間站”的首要目標一直是建設工作，科研利用并未擺在首位。美國的計劃是將空間站上約50%的美國研究設備用于科研項目。美國面臨的一些主要挑戰(zhàn)可能會阻礙對空間站所有科研設備的最大程度利用。美國正在分析建立一個管理部門用來管理空間站科研工作的可行性。

據(jù)《美國航空周刊》網(wǎng)站2009年12月24日報道，問責局稱，高昂的發(fā)射成本和緊張的資金狀況可能使美國永遠無法充分利用“國際空間站”，并稱“國際空間站”2015年之后的不確定性影響了科學研究的進行，因為很多科學研究需要的時間較長。目前，“國際空間站”上存在大量由美國控制但沒有使用計劃的實驗設施。按照現(xiàn)在的計劃，“國際空間站”上的內(nèi)部實驗設施中只有79%最終將被使用，而美國只計劃使用50%。此外，2015年年底，“國際空間站”上的外部實驗平臺中只有62%將會被利用。問責局稱，與美國相比，其他“國際空間站”合作國正在充分利用它們能使用的實驗設施，其中歐洲更為充分一些。

美國官員稱，充分利用“國際空間站”缺乏資金支持，目前估計使用“國際空間站”上1kg的有效載荷要花費44000美元，這已經(jīng)超出了眾多研究者的預算。與此同時，還沒有統(tǒng)一的評估流程或者中央管理機構來確定，哪些實驗應該由“國際空間站”上美國的實驗設施完成。問責局認為，美國在“國際空間站”研究方面經(jīng)常優(yōu)先考慮的是使用要求，而不是科研價值。航天飛機已于2011年7月退役，并且美國航空航天局決定2011年后不再使用俄羅斯的“進步”系列貨運飛船，這使得“國際空間站”的利用問題變得更加復雜。美國估計，2010-2015年本國將有40000kg的貨運缺口，并且嚴重缺乏返回試驗樣品及其他科研物品的能力。因此美國航空航天局希望利用獵鷹-9與金牛座-2這兩種商業(yè)運載火箭發(fā)射私營飛船，以緩解運輸壓力，但是，目前這兩種火箭的研制進度都比預期緩慢。

美國官員透露，如果商業(yè)運載器的研制進度推遲，美國只能讓空間站“適度降低能力”直至條件改善。如果那樣的話，“國際空間站”將只有最低限度地開展科學實驗。如果資金增加，美國可能會建立專門的機構負責監(jiān)督空間站的研究決策，包括選擇“國際空間站”上開展的研究并確保研究的有效性。

4 未來發(fā)展前景

2010年2月1日，美國總統(tǒng)奧巴馬已建議把“國際空間站”的退役時間從2016年推遲到2020年以后（歐洲航天局于同年3月16日正式同意將“國際空間站”壽命延長至2020年年底），并增加20億美元的預算，將其變?yōu)槊绹膰覍嶒炇?，以便更充分地利用這一獨特的科學、技術、教育平臺，開展生物、醫(yī)學、材料、燃燒特性等實驗；借助私營企業(yè)的商用飛船將航天員送入“國際空間站”。美國航空航天局已與兩家私營企業(yè)簽署了商業(yè)軌道運輸服務協(xié)議，將用私營公司的“龍”飛船和 “天鵝座”飛船為“國際空間站”運送航天員和物資。奧巴馬總統(tǒng)要求美國航空航天局與航天工業(yè)界以全新的方式合作，使商業(yè)服務成為航天員到達“國際空間站”的主要模式，美國航空航天局正朝這一方向開展計劃。

2010年2月3 日，“國際空間站”多邊協(xié)調(diào)委員會召開會議，就延長運行時間、提高利用效率等有關“國際空間站”未來發(fā)展的問題達成共識。委員會代表一致重申了對提高“國際空間站”利用效率的強烈愿望。隨著“國際空間站”組建逐漸完成，代表同意將“國際空間站”科學、工程、教育等方面潛力的全面開發(fā)提高到最高優(yōu)先級，并同意加強微重力實驗室的利用，以推動尖端科學和技術的進步。多邊協(xié)調(diào)委員會證實“國際空間站”運行至2015 年后已無明顯技術限制，“國際空間站”硬件最少運行至2020年，而且有可能工作到2028年。空間站成員國們還同意將尋找方法來降低“國際空間站”運行的年度成本。這些方法包括使用新一代水再生系統(tǒng)來減少新鮮水的供給，提高貨運飛船的運載能力。代表們認為“國際空間站”延長運行將為所有合作伙伴乃至全人類帶來更大的利益，主要是通過加強科研和提高利用機會，為合作伙伴的投資帶來顯著而持續(xù)的回報。同時，延長運行時間也為未來國際空間探索任務的合作奠定了基礎。

2010年3 月11 日，“國際空間站”成員國的航天局局長在東京召開會議，探討“國際空間站”的未來發(fā)展問題，并發(fā)表了聯(lián)合聲明。聲明表示，“國際空間站”現(xiàn)在可提供前所未有的機會用于在軌研究和探索，特別是驅(qū)動先進科學技術的進步，同時為人類未來超越地球低軌道的探索鋪平道路。相關研究將會造福地球，同時為未來進行低地球軌道外的探索作準備。各國航天局局長重申了全面開拓“國際空間站”科學、工程、應用和教育潛能的重要性，同時，還表示愿意與包括中國在內(nèi)的第三方國家展開合作。如果中國或印度提出申請參與“國際空間站”的項目，成員國將認真考慮相關提議。

據(jù)俄新網(wǎng)2010年4月7日的消息，美國航空航天局與俄羅斯航天局簽署了一份價值3.35億美元的“國際空間站”修正合同，將運送航天員進入“國際空間站”的合同延長至2013-2014年。2011年3月14日，雙方又簽署了一份價值7.53億美元的新合同，規(guī)定2014-2015年美國使用俄羅斯飛船的費用是每人6300萬美元，而在前一份合同中的費用是每人5600萬美元。

據(jù)美國航空航天局太空飛行網(wǎng)2011年1月17日報道，聯(lián)合試驗和任務運行團隊建議，2013年進行“獵戶座”新型載人飛船首次飛行試驗。該飛船將作為“國際空間站”的救生飛行器。

2010年7月19日，波音公司與美國航空航天局聯(lián)合研發(fā)的乘員航天運輸-100載人飛船亮相英國范保羅航展。該飛船是一種可載人往返“國際空間站”的新型商業(yè)飛船，外形類似于錐形的“阿波羅”或“獵戶座”飛船，但體積比“獵戶座”稍小，比“阿波羅”稍大，能夠乘坐7人。它可在空間站軌道停駐7個月，通過安全氣墊的緩沖和重新更換防熱罩，每艘飛船能重復使用10次左右。如果經(jīng)費允許，首架乘員航天運輸-100載人飛船有望在2014年從佛羅里達州發(fā)射，并將用于比格羅航天公司私營太空旅館的天地往返運輸。所以有人稱商業(yè)乘員運輸有可能使公共和私人航天工業(yè)都發(fā)生徹底的變革。

2010年10月7日、2011年6月8日，俄羅斯向“國際空間站”先后成功發(fā)射了第1、2艘聯(lián)盟TMA-M載人飛船。它們是俄羅斯的數(shù)字化飛船，載有CC-101新型計算機。新飛船在制導、導航與控制系統(tǒng)及船載測量系統(tǒng)等方面做了改進；飛船功能得到擴展，通過多種交換鏈路，使空間站俄羅斯艙段計算機系統(tǒng)與船載制導、導航與控制系統(tǒng)進一步集成。新飛船因為減少了船載系統(tǒng)的質(zhì)量，所以增加了70kg的有效載荷運載能力。

俄羅斯將于2017-2018年在東方港航天中心把俄羅斯“羅斯”新型載人飛船送入太空。從2018 年開始，搭載6名航天員的“羅斯”載人飛船將被送入近地軌道。

參與美國航空航天局商業(yè)軌道運輸服務與商業(yè)補給服務計劃的太空探索技術公司和軌道科學公司,計劃從2011年以后開始為“國際空間站”提供貨運補給服務。太空探索技術公司的“龍”飛船可為“國際空間站”運去6t貨物，運回3t貨物，也能將7名航天員送至“國際空間站”，美國航空航天局已預訂了12次運貨飛行。軌道科學公司的“天鵝座”貨運飛船能為 “國際空間站”運去2.6t貨物，美國航空航天局已預訂了8次運貨飛行。

為了把“國際空間站”上的貨物運回，歐洲和日本還在對各自的貨運飛船進行升級改造，以便把“國際空間站”上的貨物運回地球。歐洲航天局可返回地面的“先進再入飛行器”貨運飛船計劃在2017或2018年首飛。日本的H-2轉(zhuǎn)移飛行器-R貨運飛船計劃在2016-2018年首飛。

2010年10月20日，“國際空間站”多邊協(xié)調(diào)委員會批準了一項空間對接標準。這項標準將為未來航天器的對接提供通用界面指導方針，適用的航天器范圍從低地球軌道任務到深空探測任務的載人飛行器和自動飛行器。

據(jù)美國網(wǎng)站2010年10月22日報道，美國已成功啟動新的“國際空間站”水生成系統(tǒng)“薩巴蒂?！薄Ｔ撓到y(tǒng)與空間站的廢水收集系統(tǒng)整合在一起，每年大約可以生成2000L水。它利用鎳催化劑使氫氣和二氧化碳在加溫加壓環(huán)境下發(fā)生化學反應，生成水和甲烷。生成的水進入空間站水循環(huán)系統(tǒng)，甲烷則被排出空間站。在“薩巴蒂?！毕到y(tǒng)啟動前，“國際空間站”制氧時產(chǎn)生的副產(chǎn)品氫氣和航天員新陳代謝排出的二氧化碳都被當成廢氣，直接排出“國際空間站”。

俄羅斯、歐洲和美國還在研究如何使“國際空間站”發(fā)揮更大作用，而不只是一個微重力試驗平臺。他們希望該空間站能成為一個更重要的試驗臺，測試人類走出低地球軌道，探索小行星和火星等目的地所需的工藝和技術。

空間站成員國認為，以后該站的一個至關重要的角色將是作為深空探索的發(fā)展平臺。這些活動可能包括演示新機器人、用于居住或種植果蔬(“溫室”)的充氣模塊艙、新生命支持技術、輻射防護系統(tǒng)、通信和傳感技術、新穎的遠距離醫(yī)療方法，在距離地球很遠的地方執(zhí)行自給自足任務的航天員還要學習如何在空間站上組裝探索交通工具。

如果人類真的登上了小行星或火星，那么安全完成往返旅行所需的大量基礎設施僅依靠一枚火箭從地球上向太空運輸是無法做到的。要想實現(xiàn)這個目的，可能需要利用多次飛行任務進行運送，并在空間站上進行組裝。如果被指派前去執(zhí)行深空任務的航天員不是隨設備一起前往空間站，那么他們進行長期飛行任務需要的所有設備都可在沒有超級安全應急系統(tǒng)的情況下進行發(fā)射。航天員可以先搭乘飛船等進入軌道，然后再乘坐已經(jīng)在空間站上等著他們的深空交通工具前往目的地。

總之，“國際空間站”前景光明。未來，它至少還要運行10年的時間，可以預見，站上的空間科學與應用活動必將為各國經(jīng)濟的發(fā)展、人類社會的進步提供強大動力?！?/p>