苑藝（北京空間科技信息研究所）

自1998年11月“國際空間站”（ISS）第一個基礎(chǔ)組件—俄羅斯曙光號（Zarya）功能貨艙成功發(fā)射以來，ISS已成功在軌運行近21年，目前計劃延期運營至2024年，并對站上設(shè)備進行全面評估，研究其是否具備延期工作至2024年以后的可能性。ISS俄羅斯艙段現(xiàn)階段仍處于建造之中，目前由五部分組成，后續(xù)計劃再發(fā)射3個艙段，對現(xiàn)有艙段進行補充，待ISS退役后，俄羅斯計劃以部分在軌艙段為基礎(chǔ)建造本國獨立軌道站。

為充分開展在軌應(yīng)用，俄羅斯在ISS建造之初便制定了《“國際空間站”俄羅斯艙段計劃開展的科學應(yīng)用研究與實驗長期規(guī)劃》，確定了十個研究領(lǐng)域，此后不定期對規(guī)劃內(nèi)容進行更新，用以指導ISS俄羅斯艙段開展應(yīng)用研究。俄羅斯發(fā)布的2018年版科學應(yīng)用研究與實驗長期規(guī)劃中明確了六大研究領(lǐng)域，同時公布了299項計劃開展及已經(jīng)完成的實驗項目。

1“國際空間站”俄羅斯艙段基本情況

目前在軌情況

隨曙光號功能貨艙成功發(fā)射，俄羅斯分別于2000年7月發(fā)射了星辰號（Zvezda）服務(wù)艙，2001年9月發(fā)射了碼頭號（Pirs）對接艙（SO－1），2009年11月發(fā)射了搜索號（Poisk）迷你研究艙－2（MIM－2），2010年5月發(fā)射了破曉號（Rassvet）迷你研究艙－1（MIM－1）。目前，上述五部分構(gòu)成“國際空間站”俄羅斯艙段在軌運行，總質(zhì)量約64t，密封艙總體積約197m3。本著“邊建造邊利用”的原則，“國際空間站”俄羅斯艙段正定期接受航天員造訪，并有序開展相關(guān)應(yīng)用及實驗研究。

后續(xù)發(fā)展規(guī)劃

“國際空間站”俄羅斯艙段計劃用于為實現(xiàn)月球和火星飛行提供必要的技術(shù)保障，以及研究人類在太空中長期駐留技術(shù)等。根據(jù)俄羅斯航天國家集團（ROSCOSMOS）2016年發(fā)布的《2016－2025年俄羅斯聯(lián)邦航天規(guī)劃》，俄羅斯計劃持續(xù)運營“國際空間站”至2024年，并計劃先后補充科學號（Nauka）多功能實驗艙、停泊號（Prichal）節(jié)點艙和科學-動力艙，并對俄羅斯在軌艙段進行維護，待ISS退役后，以部分在軌艙段為基礎(chǔ)建造本國獨立的軌道站。

俄羅斯艙段當前在軌結(jié)構(gòu)示意圖

在研艙段主要性能參數(shù)

（1）科學號多功能實驗艙

科學號多功能實驗艙主要用于開展在軌應(yīng)用，其發(fā)射質(zhì)量21.2t，密封艙體積70m3，設(shè)計壽命10年，載有大量科學實驗裝置，其中可安裝單質(zhì)量達3t的實驗設(shè)備。密封艙內(nèi)設(shè)有9個多功能工位，同時有6m3的空間可用于安裝科學儀器，艙內(nèi)配有舷窗用于安裝光學儀器；密封艙外設(shè)有至少13個專用載荷（其中包括兩個裝有有源有效載荷適配器的平臺）可同時進行工作。多功能實驗艙還載有機械接口、真空接口、確保科學設(shè)備恒溫接口、多功能實驗艙綜合裝置控制系統(tǒng)（SUBK）的科學設(shè)備供電接口、SUBK與科學設(shè)備間的信息指令接口，同時可在空間實驗進行期間為其提供所需的工作條件，保存原始材料和實驗結(jié)果。此外，為了可以在多功能實驗艙開展長期科學-應(yīng)用研究項目，艙上還設(shè)有防震臺、手套箱和恒溫箱等專用實驗設(shè)備。

俄羅斯艙段建造完成后在軌結(jié)構(gòu)示意圖

科學號多功能實驗艙外形圖

目前，科學號多功能實驗艙計劃于2020年使用質(zhì)子-M（Proton-M）運載火箭從拜科努爾航天發(fā)射中心發(fā)射升空，并與星辰號服務(wù)艙的天底點進行對接。

（2）停泊號節(jié)點艙

停泊號節(jié)點艙呈球形，直徑3.3m，密封艙體積19m3，發(fā)射質(zhì)量4.75t，在軌質(zhì)量3.89t，配有6個對接口。盡管體積不大，但這個球形艙卻在俄羅斯航天計劃中扮演著重要角色，其不僅將用于連接科學號多功能實驗艙與后續(xù)將發(fā)射的科學-動力艙，還可能作為未來俄羅斯獨立軌道站上唯一的永久艙段。未來俄羅斯計劃建立的獨立軌道站，其結(jié)構(gòu)不同于之前的和平號、和平二號空間站以及目前在軌的“國際空間站”，而是以該節(jié)點艙為中心，連接多功能實驗艙、科學-動力艙等多個艙段，這就意味著其不可替換性，因此對該節(jié)點艙的壽命提出了特殊要求，目前，其設(shè)計壽命不少于30年。

停泊號節(jié)點艙需要對接在科學號多功能實驗艙上，原計劃于2021年發(fā)射，由于科學號多功能實驗艙推遲發(fā)射，導致停泊號節(jié)點艙的發(fā)射時間不早于2022年。

停泊號節(jié)點艙外形圖

科學-動力艙外形圖

（3）科學-動力艙

科學-動力艙主要計劃用于為俄羅斯艙段提供獨立的電力供應(yīng)，以便待“國際空間站”退役后俄羅斯可以建設(shè)獨立的軌道站，其發(fā)射質(zhì)量為20.89t，密封艙體積92m3，設(shè)計壽命15年，將與停泊號節(jié)點艙對接?？茖W-動力艙將載有總面積達155m2的太陽電池帆板，電池帆板采用特制導向裝置與艙段主體相連，該導向裝置由俄羅斯主要衛(wèi)星制造商列舍特涅夫信息衛(wèi)星系統(tǒng)股份公司（ISS Reshetnev）研制，該公司還負責為艙段研制天線系統(tǒng)。壽命初期，科學-動力艙可提供18kW電力，其中可為其余俄羅斯艙段提供高達12kW的電力供給。此外，科學-動力艙配有新一代天線，使俄羅斯艙段不再依賴美國的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以通過射線－5（Luch－5）數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星與俄羅斯地面飛行控制中心保持24h通信。

科學-動力艙內(nèi)部設(shè)計效仿了美國命運號（Destiny）實驗艙和歐洲哥倫布號（Columbus）實驗艙，計劃安裝國際標準有效載荷機柜（ISPR），便于替換服務(wù)系統(tǒng)和科學設(shè)備?？茖W-動力艙內(nèi)設(shè)有生命保障系統(tǒng)以及專門的睡眠區(qū)，為了充分合理地利用內(nèi)部空間，部分區(qū)域的睡眠設(shè)施和科學設(shè)備可相互替換。

通州區(qū)河流水系較為發(fā)達，大部分河堤路可改造成景觀綠道，原有路由寬度較窄時，可改造成圖4(a)所示斷面，打造慢性交通系統(tǒng)，僅供行人和非機動車走行，以休閑觀光為主要功能；原有路由寬度較為適宜時，可劃分出雙向兩車道的斷面形式，如圖4(b)所示；圖4(c)為改造的于家務(wù)鄉(xiāng)鳳港減河綠道示意圖.

目前，科學-動力艙仍處于研制階段，由能源火箭航天集團負責整體研制工作。2018年6月，俄羅斯航天國家集團下屬主要科學研究機構(gòu)中央機械制造科學研究所（TsNIIMash）對科學-動力艙的密封艙外殼和非密封艙外殼進行了靜態(tài)試驗，兩個外殼均順利通過該階段強度測試；2019年6月，科學-動力艙的密封艙通過了壽命測試，證明其密封艙體符合在軌工作15年的技術(shù)任務(wù)要求。

科學-動力艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 “國際空間站”俄羅斯艙段應(yīng)用研究

俄羅斯航天國家集團及其下屬機構(gòu)負責“國際空間站”俄羅斯艙段的運營管理，其中應(yīng)用實驗項目的參與者包括：空間實驗提供方、站上實驗設(shè)備研制方、俄羅斯艙段研制方、航天員訓練中心、太空飛行醫(yī)療保障機構(gòu)和地面飛行控制中心。與此同時，為更好地協(xié)調(diào)站上應(yīng)用研究工作，俄羅斯航天國家集團與俄羅斯科學院（RAS）聯(lián)合成立了載人空間設(shè)施開展科學應(yīng)用研究和實驗項目科學技術(shù)顧問委員會（STAC），其主要工作包括：對計劃在俄羅斯艙段上開展的實驗項目申請進行遴選；確定在俄羅斯艙段開展科學應(yīng)用研究和實驗項目的目的、任務(wù)、重點及優(yōu)先方向；每年對計劃在俄羅斯艙段上開展的長期、短期及其他規(guī)劃的科學應(yīng)用研究和實驗的實施成果進行分析，審查實驗開展情況，制定調(diào)整和籌資建議，評估在俄羅斯艙段開展的科學應(yīng)用研究和空間實驗階段性成果，實現(xiàn)對研究和實驗成果的科學審查，并提出對已有成果的進一步使用建議。

為進一步充分利用“國際空間站”俄羅斯艙段部分的資源，2018年6月，俄羅斯航天國家集團正式宣布俄羅斯艙段面向商業(yè)實驗開放，邀請廣大教育和科研機構(gòu)在站上開展實驗，同時發(fā)布了《“國家空間站”俄羅斯艙段科學設(shè)備及裝置名錄》，其中列出了站上現(xiàn)有資源，并將科學設(shè)備和裝置按六大實驗領(lǐng)域進行分類，說明其具體用途、組件、尺寸、質(zhì)量、接口等技術(shù)指標參數(shù)供客戶參考。此外，俄羅斯航天國家集團還專門設(shè)立了服務(wù)窗口，面向商業(yè)客戶收集需求，然后由中央機械制造科學研究所的科學技術(shù)顧問委員會對實驗項目進行專業(yè)評估。2018年12月，俄羅斯艙段開展了一項與生物打印技術(shù)相關(guān)的商業(yè)實驗，該實驗從申請到正式開展花費了約半年的時間，后續(xù)俄羅斯還計劃成立一個專門的機構(gòu)負責簡化申請流程，同時為實驗項目創(chuàng)建一個清晰透明的系統(tǒng)，商業(yè)實驗項目的申請周期有望進一步縮短，不過具體情況還要根據(jù)實驗本身的復雜程度而定。

俄羅斯艙段2024年前開展實驗情況

在軌開展應(yīng)用情況

為充分利用“國際空間站”，在艙段建造初期俄羅斯便組織科學教育機構(gòu)和工業(yè)部門開展“國際空間站”俄羅斯艙段的應(yīng)用研究，收到來自80個組織的406份申請，內(nèi)容涉及11個領(lǐng)域。專家們對申請內(nèi)容進行可行性技術(shù)評估后，制定了《“國際空間站”俄羅斯艙段計劃開展的科學應(yīng)用研究與實驗長期規(guī)劃》，確定了10個研究領(lǐng)域，此后不定期對規(guī)劃內(nèi)容進行更新，用以指導俄羅斯艙段開展應(yīng)用研究。

2018年發(fā)布的新版《2024年前“國際空間站”俄羅斯艙段計劃開展科學應(yīng)用研究與實驗的長期規(guī)劃》中明確了六大研究領(lǐng)域，列出299個計劃開展和已完成以及32個因故取消的實驗項目。

俄羅斯艙段在技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域計劃開展及已經(jīng)完成的實驗項目最多，總計達79項，其次是地球與地球科學（58項）、生物學與生物技術(shù)（57項）、人體學研究（54項）、物理科學（30項）和教育活動與推廣（21項）領(lǐng)域。目前，俄羅斯艙段開展的實驗項目均是在為了解地球、周圍環(huán)境及整個宇宙，以及探索月球及更遠深空做準備。

六大領(lǐng)域?qū)嶒炚急葓D

各領(lǐng)域重點研究方向

（1）技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域

俄羅斯艙段在技術(shù)開發(fā)與驗證領(lǐng)域開展的實驗項目數(shù)量占比最高，其實驗?zāi)康氖情_發(fā)和改進空間技術(shù)及其組件，發(fā)展新型空間技術(shù)工藝以提升俄羅斯艙段的利用率并確保其高效運作，同時為打造先進的深空探測空間基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)組件。目前，俄羅斯在該領(lǐng)域開展的技術(shù)研究主要是為了開發(fā)新技術(shù)，用來建造地面及站上空間系統(tǒng)、研制衛(wèi)星及空間探測器等，同時確保航天器的可靠性、降低飛行風險并開展科學研究。首要研究方向是開發(fā)新型地面及站上空間系統(tǒng)、衛(wèi)星、科學設(shè)備等，具體包括：①研制新型系統(tǒng)、衛(wèi)星、飛船、空間站及科研設(shè)備；②研究新型材料的耐久性；③研制新型的管理及控制方法；④開發(fā)空間技術(shù)建造新理念；⑤研制機器人技術(shù)設(shè)備等。次要研究方向是確保飛行及開展科學研究的可靠性、降低風險，具體包括：①研究結(jié)構(gòu)動力特性及其承載能力；②監(jiān)測空間站外部環(huán)境；③研究飛行軌道上的微隕石及人為活動情況；④研究空間站及其周圍的物理環(huán)境。

（2）地球與空間科學領(lǐng)域

俄羅斯艙段在地球與空間科學領(lǐng)域開展空間實驗的目的包括研究在地球表面、大氣層及電離層之間發(fā)生的物理過程，研究近地空間及更遠深空。該領(lǐng)域研究的重點應(yīng)用方向之一是建立和發(fā)展空間探測器和對地觀測技術(shù)，以解決當前的社會、經(jīng)濟和科學問題。根據(jù)觀測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)、鑒別物理現(xiàn)象并對其進行分類，對與環(huán)境保護、天氣預報、不利的水文氣象相關(guān)的自然經(jīng)濟現(xiàn)象和進程進行狀態(tài)記錄并予以監(jiān)測，同時通過監(jiān)測，對緊急情況進行規(guī)模評估并采取適當?shù)膽?yīng)急措施，盡量將損害降到最低。此外，該領(lǐng)域研究還可用于監(jiān)測與資源利用相關(guān)生產(chǎn)活動的效率，同時對地球演變、環(huán)境和氣候的變化進行研究。該領(lǐng)域計劃及已經(jīng)開展的空間實驗研究方向包括：①大氣層及下墊面研究；②生態(tài)研究；③研究和診斷自然及人為災(zāi)害；④開發(fā)新型遙感技術(shù)及方法；⑤測量儀器校準，對實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行驗證；⑥開發(fā)新型數(shù)據(jù)交換、存儲和加工技術(shù)。

（3）生物學與生物技術(shù)

俄羅斯艙段在生物學與生物技術(shù)領(lǐng)域開展空間實驗的目的包括：研究在太空飛行條件下活體生物（動物、植物、微生物、細胞）的生命活動特征；研究生物降解工藝、功能器官和組織的再生特性以及細胞間的相互作用特性；獲取先進生物技術(shù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)工藝試驗研究；獲得關(guān)于生命科學基礎(chǔ)問題的新認知?？臻g生物學需要解決的一個重要問題是研究和開發(fā)用于保障人類執(zhí)行更遠深空任務(wù)所需的方法和技術(shù)手段，研究個體發(fā)育學發(fā)展進程，通過研究長期進行太空飛行的高等異養(yǎng)生物（鳥類、魚類、植物等）的個體及器官發(fā)育，來解決普通生物學、發(fā)育生物學、重力生物學的基本問題，建立具有生物循環(huán)功能的高級生命保障系統(tǒng)，如可以為航天員提供新鮮食物和部分可再生空氣的太空溫室。生物技術(shù)研究主要包括研究太空飛行過程中影響生命機體的因素；生物活性物質(zhì)的基因表達；微重力條件下生物工藝進程的滲透特性；X射線衍射分析蛋白質(zhì)晶體等。該領(lǐng)域計劃及已經(jīng)開展的空間實驗研究方向包括：①獲取可用于做X射線衍射以及可用于后續(xù)研制新型藥物的蛋白質(zhì)晶體；②獲取具有專門用途的高純度生物制劑；③培育細胞并獲取可用于醫(yī)學和獸醫(yī)學的具有特殊性質(zhì)的生物體；④研究醫(yī)學和生物技術(shù)產(chǎn)品制造的生物技術(shù)過程，用以開發(fā)在軌飛行條件下獲得生物產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)，同時改進相應(yīng)的地面研制技術(shù)；⑤開展空間生物技術(shù)的主要基地是有人照料的空間站。

（4）人體學研究領(lǐng)域

俄羅斯艙段在人體學研究領(lǐng)域開展空間實驗的目的是為了獲取新數(shù)據(jù)，用以改善未來用于執(zhí)行月球和火星載人航天飛行任務(wù)的醫(yī)療保障系統(tǒng)，同時解決生命科學領(lǐng)域的基本問題。該領(lǐng)域開展的實驗方向包括航天醫(yī)學、生理學、心理學、心理生理學、輻射物理研究等，以及在太空飛行過程中，空間環(huán)境對于人體各系統(tǒng)機能（心血管、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、水鹽代謝以及荷爾蒙調(diào)節(jié)等）的影響，還有航天員間的關(guān)系以及操作活動等。該領(lǐng)域計劃及已經(jīng)開展的空間實驗研究方向包括：①確定人體在空間飛行過程中自身調(diào)節(jié)可以達到的極限，確保調(diào)節(jié)過程安全、可逆；②改進用于診斷和預測航天員身體健康狀況、心理情緒狀態(tài)及工作能力的方法和手段；③完善可以穩(wěn)定和控制航天員狀態(tài)的方法和設(shè)備，預防可能發(fā)生的紊亂，并利用遠程醫(yī)療技術(shù)治療疾病；④開發(fā)可以改善航天員心理、生理狀態(tài)及職業(yè)活動的方法和設(shè)備；⑤完善輻射監(jiān)測和輻射情況預測的方法和設(shè)備；⑥為安全、高效地飛往月球和火星提供醫(yī)療及心理方面的保障。

（5）物理科學領(lǐng)域

俄羅斯艙段在物理科學領(lǐng)域開展空間實驗的目的包括：研究微重力條件下的物理和化學進程；通過研究空間材料學獲取新材料，包括在地面條件下難以獲得的材料和物質(zhì)；為升級地面技術(shù)工藝開展研究；開發(fā)和研究關(guān)鍵技術(shù)工藝，以便為深空探測和利用外層空間建立先進的載人航天綜合系統(tǒng)以及無人探測器。正因為空間站上特殊的實驗環(huán)境，可以提供地面上很難獲得的實驗條件，如微重力環(huán)境、特定真空值等，使一些空間實驗得以順利開展。該領(lǐng)域計劃及已經(jīng)開展的空間實驗研究方向包括：①晶體生長；②獲取新材料過程；③空間條件下燃燒和合成物理學；④液體和相變物理學以及遷移現(xiàn)象；⑤有序等離子微粒結(jié)構(gòu)研究。

（6）教育活動與推廣領(lǐng)域

俄羅斯艙段在教育活動與推廣領(lǐng)域開展空間實驗的目的是普及空間研究成果，宣傳俄羅斯航天員取得的成就，同時在太空開展以教育為目的的科學實驗和主題課程?！皣H空間站”俄羅斯艙段作為一個特殊的實驗室，不僅可以在站上以深入淺出的形式為學生講解航天員在太空可以做什么，普及宇航學所取得的成就以及這些成就的實際應(yīng)用，還可以使學生成為空間實驗的參與者。該領(lǐng)域計劃及已經(jīng)開展的空間實驗研究方向包括：①科學知識的傳播與普及；②科學教育演示實驗；③科學技術(shù)教育實驗；④參與國際合作空間項目。

3 小結(jié)

通過對“國際空間站”俄羅斯艙段的發(fā)展與應(yīng)用研究，得出以下結(jié)論：

1）明確整體規(guī)劃目標，及時進行戰(zhàn)略性調(diào)整。俄羅斯艙段在建立之初就制定了長期發(fā)展規(guī)劃，但由于預算緊張，導致部分艙段的研制工作一再遭遇拖延。在此情況下，俄羅斯根據(jù)實際情況及時作出戰(zhàn)略調(diào)整，更改整體構(gòu)形并對推遲發(fā)射的艙段進行了技術(shù)升級，以確?！皣H空間站”退役后，能夠以部分在軌艙段為基礎(chǔ)建立本國獨立的軌道站。

2）注重技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)應(yīng)用效益最大化。俄羅斯艙段開展應(yīng)用實驗具有完備的流程，并且設(shè)立專門機構(gòu)，對來自各方申請的空間實驗開展可行性研究、立項論證，擇優(yōu)納入長期規(guī)劃方案。與此同時，建立了空間實驗成果的保存與應(yīng)用機制，使感興趣的用戶可以通過申請盡早獲取空間實驗相關(guān)材料，確保實驗結(jié)果的應(yīng)用最大化。

3）積極推動公私合作，探索商業(yè)化運營模式?！皣H空間站”是科學研究和開發(fā)太空資源的重要手段，對于俄羅斯而言后續(xù)該項目開發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)是通過商業(yè)收入減少國家開支，因此正在考慮維護運營成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)商業(yè)收入最大化。目前，俄羅斯已通過公布有效載荷指標參數(shù)、簡化空間實驗項目申請及審批流程等手段，來吸引更多客戶在俄羅斯艙段上開展商業(yè)實驗。