韓 淋，楊 帆，范唯唯，王海名

(中國(guó)科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，北京100190)

1 引言

國(guó)際空間站是多國(guó)在合作構(gòu)思、規(guī)劃、運(yùn)行和使用大型空間研究平臺(tái)方面取得的一項(xiàng)史無(wú)前例的重要成就，自其初步組裝建設(shè)伊始就一直持續(xù)開展多學(xué)科的科學(xué)研究與應(yīng)用工作。近年來(lái)，隨著建設(shè)階段的完成，國(guó)際空間站已經(jīng)進(jìn)入全面應(yīng)用階段，科研應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，并產(chǎn)生了許多科研成果和應(yīng)用效益。

本文基于美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)和俄羅斯國(guó)家航天集團(tuán)(Roscosmos)國(guó)際空間站計(jì)劃網(wǎng)站公布的最新信息[1-2]，統(tǒng)計(jì)分析國(guó)際空間站科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并綜合科研論文、部分亮點(diǎn)成果、應(yīng)用效益等科研產(chǎn)出情況，力圖描繪國(guó)際空間站科研應(yīng)用活動(dòng)全貌，希望為我國(guó)未來(lái)相關(guān)科研應(yīng)用規(guī)劃提供參考。

2 國(guó)際空間站科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目情況

國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及六大研究領(lǐng)域——生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、教育活動(dòng)和推廣、人體研究、物理科學(xué)以及地球與空間科學(xué)的數(shù)十個(gè)研究方向[1]。

1)生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域：包括動(dòng)物生物學(xué)，植物生物學(xué)，微生物學(xué)，大分子晶體生長(zhǎng)，細(xì)胞生物學(xué)，疫苗開發(fā)，微膠囊化等研究方向。

2)技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域：包括空氣、水和表面監(jiān)測(cè)，航電設(shè)備和軟件，表征實(shí)驗(yàn)硬件，商業(yè)驗(yàn)證，通信與導(dǎo)航，艙外活動(dòng)系統(tǒng)，滅火和探測(cè)，食品及服裝系統(tǒng)，成像技術(shù)，生保系統(tǒng)和居住，航天器內(nèi)微生物群落，微重力環(huán)境測(cè)量，電力產(chǎn)生及分配系統(tǒng)，輻射測(cè)量和防護(hù)，維修及加工技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)，小衛(wèi)星及控制技術(shù)，空間結(jié)構(gòu)，航天器材料，航天器及軌道環(huán)境，熱管理系統(tǒng)等研究方向。

3)教育活動(dòng)和推廣領(lǐng)域：包括學(xué)生開發(fā)的研究項(xiàng)目，教育競(jìng)賽，教室版本的國(guó)際空間站研究項(xiàng)目，教育示范，工程教育，商業(yè)演示，文化活動(dòng)等研究方向。

4)人體研究領(lǐng)域：包括心血管和呼吸系統(tǒng)，神經(jīng)和前庭系統(tǒng)，綜合生理學(xué)和營(yíng)養(yǎng)，骨骼與肌肉生理學(xué)，人類行為和績(jī)效，免疫系統(tǒng)，航天員醫(yī)療系統(tǒng)，輻射對(duì)人體影響，宜居性和人因研究，視覺(jué)，人體微生物組研究，交叉學(xué)科等研究方向。

5)物理科學(xué)領(lǐng)域：包括燃燒科學(xué)，復(fù)雜流體，流體物理，材料科學(xué)，基礎(chǔ)物理等研究方向。

6)地球與空間科學(xué)領(lǐng)域：包括對(duì)地觀測(cè)，太陽(yáng)物理，天體物理，近地空間環(huán)境研究，宇宙生物學(xué)等研究方向。

國(guó)際空間站上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是按照長(zhǎng)期考察任務(wù)來(lái)規(guī)劃進(jìn)行的。截至2018年11月，根據(jù)NASA和Roscosmos公布的數(shù)據(jù)，國(guó)際空間站長(zhǎng)期考察任務(wù)組0(2000年9月～11月)至任務(wù)組55/56(2018年3月～10月)共開展了1411項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，研究領(lǐng)域分布如圖1所示。從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量來(lái)看，生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最多，地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目最少。

圖1 國(guó)際空間站實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究領(lǐng)域分布Fig.1 Distribution of research areas in ISS experiments

國(guó)際空間站各合作國(guó)航天機(jī)構(gòu)依據(jù)各自科學(xué)研究的總體戰(zhàn)略布局與規(guī)劃，其實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所側(cè)重的研究領(lǐng)域各有不同。NASA、Roscosmos、歐洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)和加拿大航天局(CSA)在各研究領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)如圖2所示。NASA(871項(xiàng))遙遙領(lǐng)先，ESA(203項(xiàng))、Roscosmos(177項(xiàng))、JAXA(132項(xiàng))的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)依次遞減，CSA(34項(xiàng))開展的實(shí)驗(yàn)最少[1-2]。從研究領(lǐng)域角度來(lái)看，在NASA支持開展的實(shí)驗(yàn)中，生物學(xué)與生物技術(shù)、技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證和教育類實(shí)驗(yàn)最多；ESA以人體研究、物理科學(xué)和生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)居多；Roscosmos以生物學(xué)與生物技術(shù)、人體研究和技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)居多；JAXA在生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)遠(yuǎn)超其他研究領(lǐng)域；CSA在人體研究領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)最多。另外，因存在合作項(xiàng)目，圖2中總項(xiàng)目數(shù)小于各航天局項(xiàng)目數(shù)之和。

從時(shí)間軸看，各長(zhǎng)期考察任務(wù)組在6個(gè)研究領(lǐng)域開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)如圖3所示。國(guó)際空間站在應(yīng)用規(guī)模上呈現(xiàn)持續(xù)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是自長(zhǎng)期考察任務(wù)組19/20(2009年4月～2009年10月)開始實(shí)現(xiàn)6名航天員長(zhǎng)期駐站，使得科研活動(dòng)愈發(fā)活躍。2018年3月至10月間執(zhí)行任務(wù)的長(zhǎng)期考察任務(wù)組55/56開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)已接近300項(xiàng)[1-2]。

圖2 各航天局在各研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.2 Number of experiments by category＆ agency

圖3 長(zhǎng)期考察任務(wù)組0～55/56開展實(shí)驗(yàn)情況Fig.3 Number of experiments by expedition

表1對(duì)國(guó)際空間站長(zhǎng)期考察任務(wù)組0～55/56期間各研究領(lǐng)域開展的總實(shí)驗(yàn)次數(shù)和項(xiàng)數(shù)進(jìn)行了比較，可以看出各領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的平均重復(fù)次數(shù)差異較大，地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)最多，其次為人體研究，技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、物理科學(xué)、生物學(xué)與生物技術(shù)、教育活動(dòng)和推廣實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)相對(duì)較少，體現(xiàn)出研究連續(xù)性的學(xué)科差異和特點(diǎn)。地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)通常利用專門的觀測(cè)載荷，運(yùn)行時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，很多人體研究實(shí)驗(yàn)也需要重復(fù)進(jìn)行測(cè)量，因此相比其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)更多。

表1 各研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)次數(shù)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)之比Table 1 Times of experiments to number of experiments by category

總體來(lái)看，國(guó)際空間站科研活動(dòng)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的上升態(tài)勢(shì)。在空間站運(yùn)行的各時(shí)間階段均開展了一定規(guī)模的涉及眾多學(xué)科、具有不同特色的研究實(shí)驗(yàn)。其中，技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、生物學(xué)與生物技術(shù)和人體研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)比重一直相對(duì)較高，技術(shù)實(shí)驗(yàn)比重在近年來(lái)呈現(xiàn)出穩(wěn)中有升的趨勢(shì)。各國(guó)航天機(jī)構(gòu)基于其應(yīng)用目標(biāo)，體現(xiàn)出各自的科研規(guī)劃重點(diǎn)，但均優(yōu)先支持“能實(shí)現(xiàn)空間探索的研究”和“空間探索能實(shí)現(xiàn)的研究”2類科研活動(dòng)，充分挖掘國(guó)際空間站作為深空探索前哨基地和獨(dú)特空間研究平臺(tái)的應(yīng)用價(jià)值。

3 國(guó)際空間站科研產(chǎn)出情況

3.1 論文產(chǎn)出

根據(jù)NASA 2019年3月發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2018年5月，國(guó)際空間站科研活動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)出1542篇期刊論文、441篇會(huì)議論文和152篇非公開出版的灰色文獻(xiàn)[3]。從論文數(shù)量來(lái)看，在期刊論文方面，生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的論文最多(略超30%)，人體研究和物理科學(xué)領(lǐng)域其次；在會(huì)議論文方面，技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域的論文最多(約40%)，人體研究和物理科學(xué)領(lǐng)域其次；在灰色文獻(xiàn)方面，同樣是技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域的論文最多(近50%)，人體研究和物理科學(xué)領(lǐng)域其次。

在論文影響力方面，NASA統(tǒng)計(jì)了截至2018年5月被引頻次最高的5篇論文[4]如下：

1)基于NASA支持開展的地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)“阿爾法磁譜儀-02”，于2013年發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文被引頻次達(dá)到489次。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集并分析數(shù)十億次宇宙線事件，確定其中900萬(wàn)次為電子或正電子(反物質(zhì))，為研究宇宙線和反物質(zhì)起源提供了數(shù)據(jù)，增進(jìn)了對(duì)銀河系如何形成的理解。

2)基于NASA支持開展的人體研究實(shí)驗(yàn)“長(zhǎng)期空間飛行期間中軸骨的骨丟失分區(qū)評(píng)估”，于2004年發(fā)表在《骨與礦物質(zhì)研究雜志》上的一篇論文被引頻次達(dá)到381次。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空間骨丟失主要發(fā)生在骨盆、臀部和腿骨中，在未來(lái)載人空間任務(wù)中應(yīng)重點(diǎn)制定相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

3)基于NASA支持開展的生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)“空間飛行對(duì)微生物基因表達(dá)和毒力的影響”，于2007年發(fā)表在《分子微生物學(xué)》上的一篇論文被引頻次達(dá)到232次。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)揭示Hfq(RNA伴侶蛋白)是沙門氏菌基因表達(dá)的主要轉(zhuǎn)錄后調(diào)控因子。

4)基于Roscosmos支持開展的生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)“空間環(huán)境疫苗”，于2005年發(fā)表在《科學(xué)》上的一篇論文被引頻次達(dá)到231次。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明耶爾森氏菌V抗原的定位在易位過(guò)程以及作為鼠疫的主要保護(hù)性抗原的效力方面發(fā)揮重要作用。

5)基于JAXA支持開展的地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)“全天X射線成像監(jiān)測(cè)儀”(MAXI)，于2011年發(fā)表在《自然》上的一篇論文被引頻次達(dá)到228次。MAXI與NASA雨燕衛(wèi)星(Swift)聯(lián)合觀測(cè)到了距地球39億光年遠(yuǎn)處，巨大黑洞吞噬一顆恒星的瞬間，有助于更好理解宇宙的現(xiàn)狀和演變。

3.2 亮點(diǎn)成果

2013年9月，NASA發(fā)布“國(guó)際空間站10大科研成果”(表2)[5]。評(píng)選標(biāo)準(zhǔn)包括4項(xiàng)：成果發(fā)表的科學(xué)期刊質(zhì)量、受其他科學(xué)家推薦情況、創(chuàng)新性以及對(duì)人類帶來(lái)的益處。10大科研成果中，既包含基礎(chǔ)研究(如阿爾法磁譜儀)，也包含目前處于基礎(chǔ)研究階段、未來(lái)有應(yīng)用潛力的研究(如“冷焰”燃燒等)，還包含已真正可利用并為人類帶來(lái)益處的應(yīng)用性研究(如微膠囊藥物、腦部手術(shù)機(jī)器人助手等)。

自2012年起，美國(guó)宇航學(xué)會(huì)(AAS)、NASA和空間科學(xué)促進(jìn)中心(CASIS)每年聯(lián)合舉辦國(guó)際空間站研究和發(fā)展大會(huì)，并發(fā)布國(guó)際空間站年度亮點(diǎn)研究成果。下面按照6大研究領(lǐng)域例舉近幾年的部分獲獎(jiǎng)成果。

1)生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域，包括利用人造重力系統(tǒng)研究微重力對(duì)小鼠影響、測(cè)試預(yù)防骨丟失新藥、生長(zhǎng)蛋白質(zhì)晶體等亮眼成果?！翱臻g中小鼠的轉(zhuǎn)錄組分析和生殖細(xì)胞發(fā)育分析”研究在國(guó)際空間站的多重人造重力系統(tǒng)中生活了一個(gè)月的雄性小鼠的基因表達(dá)模式變化情況，發(fā)現(xiàn)暴露于微重力下的小鼠對(duì)水的消耗更多，肌肉損失更多，骨密度下降程度更大，而處于模擬地球重力下的小鼠則沒(méi)有發(fā)生這些變化[6]；“嚙齒類動(dòng)物研究-5-NELL-1系統(tǒng)治療骨質(zhì)疏松癥”實(shí)驗(yàn)利用小鼠測(cè)試新藥NELL-1，以修復(fù)骨骼并預(yù)防骨丟失，極具轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力[7]；“JAXA蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)在國(guó)際空間站上生長(zhǎng)的高品質(zhì)蛋白質(zhì)晶體開展結(jié)構(gòu)分析，成功闡明了牙周病原體轉(zhuǎn)換能量源的方式，有助于開發(fā)針對(duì)牙周病原體的抗菌劑[8]；“用于中子晶體學(xué)的蛋白質(zhì)晶體”實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)無(wú)機(jī)焦磷酸酶晶體，并利用中子衍射研究晶體結(jié)構(gòu)，有助于確定蛋白質(zhì)的功能及其參與疾病的過(guò)程[9]。

表2 NASA評(píng)選的國(guó)際空間站10大科研成果[5]Table 2 Top 10 ISS research results selected by NASA[5]

2)技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域，包括制造光纖、演示商業(yè)超算技術(shù)、解決激光通信技術(shù)難題、在軌生物測(cè)序、部署小衛(wèi)星、測(cè)試新型熱管、實(shí)現(xiàn)小型模塊化研究平臺(tái)、衍生醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)、實(shí)現(xiàn)空間3D打印等亮點(diǎn)成果?！拔⒅亓ο律a(chǎn)光纖”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可在微重力下制造氟化物ZBLAN光纖，為大規(guī)模在軌制造高品質(zhì)光纖奠定了基礎(chǔ)[7]；“國(guó)際空間站上的高性能商用現(xiàn)貨計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)利用一年時(shí)間驗(yàn)證該系統(tǒng)可以通過(guò)降低功率和速度在高輻射事件期間運(yùn)行，展示了商業(yè)超算技術(shù)[7]；利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)為“激光通信科學(xué)光學(xué)有效載荷”解決了大氣湍流影響激光傳輸?shù)膯?wèn)題[10]；“生物測(cè)序儀”實(shí)驗(yàn)測(cè)試?yán)梦⑿蜏y(cè)序儀在空間中開展傳染病診斷、識(shí)別微生物并更好了解航天員發(fā)生的遺傳變化[11]；利用“納米機(jī)架立方體衛(wèi)星部署器”和“日本實(shí)驗(yàn)艙小衛(wèi)星軌道部署器”已經(jīng)從國(guó)際空間站平臺(tái)釋放部署多顆小衛(wèi)星[11]；“被動(dòng)熱交換先進(jìn)研究”實(shí)驗(yàn)測(cè)試幾種采用低毒性流體的新型熱管設(shè)計(jì)，可降低散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高效率[11]；國(guó)際空間站微重力研究平臺(tái)Tangolab-1可最多容納21個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)自動(dòng)運(yùn)行，并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)近實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳輸給用戶[9]；利用影像引導(dǎo)自動(dòng)機(jī)器人(IGAR)診斷和治療乳腺癌[12]；“零重力下的3D打印技術(shù)驗(yàn)證”實(shí)驗(yàn)利用微重力3D打印機(jī)在2014年11月制造出首個(gè)空間3D打印物品，驗(yàn)證了空間制造的潛力[12]。

3)教育活動(dòng)和推廣領(lǐng)域，包括大規(guī)模征集并促進(jìn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目登上空間站、開展對(duì)地觀測(cè)和教育競(jìng)賽等活動(dòng)?！皩W(xué)生空間飛行實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”在美國(guó)和加拿大征集遴選在國(guó)際空間站開展的學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自2010年以來(lái)，已有7萬(wàn)余名學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提交了1.6萬(wàn)余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)建議，近200項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被送至國(guó)際空間站[10]；Magnitude.io公司通過(guò)與美國(guó)各學(xué)區(qū)和空間科學(xué)促進(jìn)中心的合作，提供了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)小、易于參與的微重力研究機(jī)會(huì)[7]；學(xué)生通過(guò)遙控安裝在國(guó)際空間站上的數(shù)字相機(jī)拍攝地球，照片被發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)共享[13]；開展教育競(jìng)賽，征集學(xué)生為國(guó)際空間站的“同步位置保持、軌道預(yù)定、再定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星”編寫算法[13]。

4)人體研究領(lǐng)域，包括利用軟件評(píng)估疲勞度以及在心血管健康、大腦結(jié)構(gòu)變化、視覺(jué)變化研究等方面的亮點(diǎn)成果?！翱臻g飛行對(duì)心血管干細(xì)胞功能的影響”實(shí)驗(yàn)闡明了在微重力環(huán)境中，干細(xì)胞在心臟生物學(xué)和組織再生以及老化過(guò)程加速中的作用，旨在為心衰患者開發(fā)更好的干細(xì)胞療法[6]；“用于空間飛行疲勞評(píng)估的個(gè)性化實(shí)時(shí)神經(jīng)認(rèn)知評(píng)估工具包”實(shí)驗(yàn)利用軟件評(píng)估與空間飛行相關(guān)的身體變化如何影響認(rèn)知能力，驗(yàn)證了疲勞測(cè)試的靈敏性及其空間應(yīng)用的有效性[7]；“響應(yīng)微重力誘發(fā)頭向側(cè)體液再分布的腦血管自主調(diào)節(jié)和靜脈流出”實(shí)驗(yàn)利用磁共振成像研究空間飛行對(duì)航天員大腦結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)開展長(zhǎng)期空間飛行后的航天員大腦中央溝頻繁收縮，大腦向上移動(dòng)，頭部上表面的腦脊液空間變小[6]；“從國(guó)際空間站返回時(shí)的心腦血管疾病防治”實(shí)驗(yàn)首次直接衡量了日常活動(dòng)減少與約一半航天員在返回地面時(shí)發(fā)生的血壓控制障礙之間的關(guān)聯(lián)[10]；“長(zhǎng)期空間飛行導(dǎo)致的心血管健康問(wèn)題”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)6個(gè)月的空間飛行后，頸總動(dòng)脈硬度增加的程度與正常老化10～20年接近[10]；“一碳”實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了空間飛行導(dǎo)致視覺(jué)變化的遺傳傾向[8]。

5)物理科學(xué)領(lǐng)域，包括測(cè)試人造肌肉、氣泡和膠體研究等方面的亮點(diǎn)成果。通過(guò)在國(guó)際空間站上驗(yàn)證電活性聚合物“人造肌肉”的抗輻射能力，未來(lái)有望用于開發(fā)更加類人的空間機(jī)器人[9]；“約束氣泡”實(shí)驗(yàn)觀測(cè)氣泡的形成和熱傳導(dǎo)上升，獲得的數(shù)據(jù)可用于開發(fā)更加高效的微電子冷卻系統(tǒng)[14]；通過(guò)“先進(jìn)膠體實(shí)驗(yàn)-顯微鏡-1”實(shí)驗(yàn)研究懸浮于凝膠和乳霜中的膠體行為，成果可改進(jìn)消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并增進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)流體的基礎(chǔ)科學(xué)認(rèn)識(shí)[13]；在“臨界流體與結(jié)晶化研究設(shè)備-定向凝固插件-再次飛行”實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在某些生長(zhǎng)條件下，定向凝固中細(xì)胞生長(zhǎng)橫截面隨時(shí)間震蕩，橫截面積增加和減少的情形類似呼吸過(guò)程[13]。

6)地球與空間科學(xué)領(lǐng)域，包括開展宇宙線、熱帶氣旋、海洋風(fēng)、X射線巡天等觀測(cè)活動(dòng)及取得的亮點(diǎn)成果。“量熱儀型電子望遠(yuǎn)鏡”直接測(cè)量到TeV的高能宇宙線電子和正電子[6]；“阿爾法磁譜儀-02”記錄了超過(guò)1000億個(gè)高能粒子，并估算出宇宙線的年齡約為1200萬(wàn)年[10]；“從國(guó)際空間站測(cè)量氣旋強(qiáng)度”實(shí)驗(yàn)利用自動(dòng)相機(jī)從國(guó)際空間站上進(jìn)行拍攝，實(shí)現(xiàn)了可精確、實(shí)時(shí)測(cè)量強(qiáng)烈的熱帶氣旋強(qiáng)度的新技術(shù)[11]；通過(guò)多項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)在國(guó)際空間站快速部署RapidScat海洋矢量風(fēng)散射計(jì)，旨在觀測(cè)海平面風(fēng)的速度和方向，優(yōu)化全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型[9]；國(guó)際空間站首個(gè)天文學(xué)有效載荷“全天X射線成像監(jiān)測(cè)儀”自2009年8月開始運(yùn)行，取得多項(xiàng)重要成果[9]。

3.3 科研效益

NASA于2012年、2015年和2019年先后發(fā)布了3版《國(guó)際空間站造福人類的效益》報(bào)告。根據(jù)2019年的最新版效益報(bào)告[15]，NASA將國(guó)際空間站科研活動(dòng)的效益概括為3個(gè)方面，如圖4所示。

1)產(chǎn)生重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。國(guó)際空間站提供了獨(dú)特的長(zhǎng)期微重力環(huán)境，擁有各種先進(jìn)科研設(shè)備，航天員的參與能確保實(shí)驗(yàn)更好地開展，這些研究?jī)?yōu)勢(shì)為孕育重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了機(jī)遇。

2)服務(wù)國(guó)計(jì)民生。國(guó)際空間站的科研活動(dòng)可以激勵(lì)空間經(jīng)濟(jì)發(fā)展、開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)、改善地面人類健康、提高對(duì)地觀測(cè)和災(zāi)害響應(yīng)能力以及促進(jìn)全球教育。

3)推進(jìn)未來(lái)探索。國(guó)際空間站是載人深空探索活動(dòng)的重要基石，利用其獨(dú)特的研究環(huán)境，可以全面驗(yàn)證未來(lái)探索所需的各種知識(shí)和技術(shù)，如人體研究實(shí)驗(yàn)致力于確保航天員在空間中更加健康地生活和高效地工作，技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)研究未來(lái)深空探索必需的環(huán)境生保、導(dǎo)航通信、艙內(nèi)安全、輻射防護(hù)、機(jī)器人、航天器結(jié)構(gòu)與材料等各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究如何在太空生長(zhǎng)蔬菜、了解太空中細(xì)菌致病性的變化等，物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究微重力下的流體管理、火焰燃燒模式的改變和防火措施等。

圖4 國(guó)際空間站科研活動(dòng)的效益[15]Fig.4 Benefits of ISS scientific research activities[15]

4 結(jié)論與啟示

本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析國(guó)際空間站自2000年至2018年開展長(zhǎng)期考察任務(wù)以來(lái)的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并綜合分析論文產(chǎn)出、亮點(diǎn)成果、科研效益等科研產(chǎn)出情況，得出以下結(jié)論：

1)國(guó)際空間站科研活動(dòng)學(xué)科領(lǐng)域?qū)挿?，研究?guī)模持續(xù)擴(kuò)大，總體呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，各國(guó)研究側(cè)重各不相同。自2000年航天員長(zhǎng)期駐站以來(lái)，國(guó)際空間站已經(jīng)在6大研究領(lǐng)域開展了1411項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。在研究領(lǐng)域分布方面，生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)最多，其次為技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、教育活動(dòng)和推廣、人體研究、物理科學(xué)和地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在各國(guó)航天機(jī)構(gòu)支持側(cè)重點(diǎn)方面，NASA支持開展的實(shí)驗(yàn)中生物、技術(shù)和教育實(shí)驗(yàn)最多；ESA的人體研究、物理和生物實(shí)驗(yàn)居多；Roscosmos的生物、人體研究和技術(shù)實(shí)驗(yàn)居多；JAXA在生物領(lǐng)域開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)遠(yuǎn)超其他研究領(lǐng)域；CSA在人體研究領(lǐng)域開展的實(shí)驗(yàn)最多。從實(shí)驗(yàn)規(guī)模來(lái)看，自2009年實(shí)現(xiàn)6名航天員長(zhǎng)期駐站以來(lái)，科研活動(dòng)愈發(fā)活躍，長(zhǎng)期考察任務(wù)組55/56(2018年3月～10月)開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)已逼近300項(xiàng)。

2)國(guó)際空間站科研活動(dòng)的產(chǎn)出形式多樣，亮點(diǎn)紛呈，并在產(chǎn)生重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)國(guó)計(jì)民生、推進(jìn)未來(lái)探索3方面獲得效益。截至2018年5月，國(guó)際空間站科研活動(dòng)已經(jīng)產(chǎn)出1542篇期刊論文、441篇會(huì)議論文和152篇非公開出版的灰色文獻(xiàn)。國(guó)際空間站上開展的大規(guī)?？蒲谢顒?dòng)已經(jīng)產(chǎn)生豐碩成果。近年來(lái)，在NASA評(píng)選的“國(guó)際空間站10大科研成果”、國(guó)際空間站研究和發(fā)展年度大會(huì)和NASA年度工作回顧中凸顯出了國(guó)際空間站各領(lǐng)域科研活動(dòng)所取得的一大批最為亮眼的成果，如高品質(zhì)蛋白質(zhì)晶體生長(zhǎng)、首次空間DNA測(cè)序、天地激光通信、空間3D打印等。

通過(guò)對(duì)國(guó)際空間站科研活動(dòng)及其成果效益的分析，為未來(lái)我國(guó)空間站科研活動(dòng)規(guī)劃與應(yīng)用提供以下啟示與建議：

1)立足應(yīng)用效益，統(tǒng)籌規(guī)劃布局。在我國(guó)空間站應(yīng)用規(guī)劃中，可借鑒參考國(guó)際空間站的經(jīng)驗(yàn)和案例，統(tǒng)籌安排以重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、造福國(guó)計(jì)民生、推進(jìn)未來(lái)探索3類應(yīng)用效益為導(dǎo)向的科研項(xiàng)目，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)謀劃我國(guó)空間站的建設(shè)和應(yīng)用。

2)遵循科研規(guī)律，靜待效益花開。從NASA發(fā)布的國(guó)際空間站重大成就可以看出，無(wú)論基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究，很多工作都?xì)v經(jīng)數(shù)年積累，從科研活動(dòng)到產(chǎn)生效益應(yīng)遵循科學(xué)規(guī)律，切忌拔苗助長(zhǎng)、急功近利，經(jīng)耐心培育，才有厚積薄發(fā)。

3)提高公眾參與，擴(kuò)大效益影響。國(guó)際空間站的經(jīng)驗(yàn)表明，通過(guò)豐富多彩、妙趣橫生的形式宣傳科研活動(dòng)、增進(jìn)公眾認(rèn)知，對(duì)擴(kuò)大空間站工程的科學(xué)和社會(huì)影響意義重大。例如各國(guó)航天機(jī)構(gòu)紛紛建立專門的官方宣傳平臺(tái)，共同編寫、定期發(fā)布《國(guó)際空間站造福人類》系列報(bào)告，隆重推介年度杰出成果等。我國(guó)空間站也可參考相關(guān)成功經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)應(yīng)用效益宣傳推廣，激發(fā)吸引政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和民眾的普遍興趣、廣泛支持和積極參與。