趙洋

兩艘飛船準(zhǔn)備與空間站對(duì)接。

現(xiàn)在的國際空間站擁有美國的“命運(yùn)號(hào)”、歐洲的“哥倫布號(hào)”、日本的“希望號(hào)”三個(gè)大型實(shí)驗(yàn)艙。同時(shí)，三個(gè)節(jié)點(diǎn)艙也有一些任務(wù)機(jī)柜。此外，俄羅斯的“曙光號(hào)”和“星塵號(hào)”艙段也可以兼職做不少科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境

利用太空中的微重力、強(qiáng)輻射和超低溫環(huán)境，國際空間站上可以開展許多地面上無法開展的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在藥物學(xué)研究方面，由于太空中的微重力減少了地球上的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，新型藥物的開發(fā)將在太空中取得長足的發(fā)展，人類能夠在太空中更徹底地了解生命的組成機(jī)制，研究人員還將關(guān)注人類在長期處于微重力環(huán)境下產(chǎn)生的變化。

在工業(yè)方面，研究人員將研制更堅(jiān)固、更輕便的金屬，以及功能更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)芯片。由于失重，使熱氣體或液體上升、冷氣體或液體下降的對(duì)流現(xiàn)象在空間站中不復(fù)存在，各種液態(tài)熔融金屬就可以得到更徹底的混合;而液體和火焰在微重力條件下出現(xiàn)的形態(tài)，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。

因?yàn)橛腥藚⑴c，國際空間站在對(duì)地觀測和天文觀測方面比其他航天器有更大的優(yōu)勢。站上航天員能利用國際空間站的繞地飛行和多方向性，及時(shí)調(diào)整觀測儀器的各種參數(shù)，可以對(duì)需要關(guān)注的特定觀測對(duì)象取得最佳的觀測效果。在空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)方面，站上的航天員一方面是空間生命科學(xué)和航天醫(yī)學(xué)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象之一;另一方面，他們還可以照料空間材料科學(xué)、空間物理學(xué)、微重力流體物理等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

以上這些實(shí)驗(yàn)是在空間站內(nèi)部進(jìn)行，而有些實(shí)驗(yàn)則是在空間站的外部進(jìn)行。對(duì)國際空間站外部溫度和微小隕石的研究，將促進(jìn)工程師對(duì)航天器外殼設(shè)計(jì)的改善。在國際空間站中的研究，還將創(chuàng)造出更先進(jìn)的天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)、更精確的原子計(jì)時(shí)器等先進(jìn)技術(shù)。太空研究還將開發(fā)出新的產(chǎn)品和服務(wù)。這些創(chuàng)新最終將為人類在地球和太空中提供新的就業(yè)機(jī)會(huì)。

國際空間站計(jì)劃的主要參與國在科學(xué)研究方面各有側(cè)重。美國利用國際空間站加強(qiáng)航天飛行技術(shù)的創(chuàng)新概念研究與發(fā)展，演示推進(jìn)劑在軌加注、自主交會(huì)對(duì)接、閉環(huán)生命支持系統(tǒng)等技術(shù)與能力，以降低未來太空探索的費(fèi)用，并擴(kuò)展探索活動(dòng)的能力。俄羅斯一直把國際空間站視為實(shí)現(xiàn)深空探測目標(biāo)的跳板。未來，俄羅斯將利用國際空間站進(jìn)一步論證深空探測的可行性，同時(shí)努力挖掘國際空間站為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)的潛力，從而為其載人航天的長遠(yuǎn)發(fā)展提供動(dòng)力。

無名的太空實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

在人進(jìn)入太空之前，先是用火箭將動(dòng)物發(fā)射到太空，以此來了解在沒有地球環(huán)境保護(hù)的情況下，生物體是否可以生存。1951年9月，蘇聯(lián)發(fā)射的一枚生物探空火箭中載有一只猴子和11只老鼠，這是第一次有動(dòng)物進(jìn)入太空。1957年11月3日，蘇聯(lián)發(fā)射了第二顆人造衛(wèi)星，一只名叫“萊卡”的狗成為首個(gè)環(huán)繞地球飛行的動(dòng)物。動(dòng)物在太空飛行時(shí)，儀器監(jiān)測它們在發(fā)射、失重和返回時(shí)的生理反應(yīng)，科學(xué)家們從動(dòng)物的太空飛行中積累了很多經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飛行為載人航天鋪平了道路。

在加加林完成第一次載人航天飛行之后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物又承擔(dān)了新任務(wù)：獲取失重對(duì)生物影響的信息。于是，數(shù)百只白鼠為太空事業(yè)獻(xiàn)出了生命。對(duì)這些白鼠機(jī)體的研究表明，微重力對(duì)生物體的作用大多是不利的：白鼠的肌肉出現(xiàn)萎縮，骨組織生長速度放慢，骨骼堅(jiān)韌程度下降，機(jī)體免疫力有所下降。然而，科學(xué)家們的擔(dān)憂很快便被驚喜所代替：他們在解剖一只回到地球25天后的白鼠時(shí)發(fā)現(xiàn)，白鼠在一個(gè)月的時(shí)間里可以恢復(fù)健康，太空飛行對(duì)白鼠身體造成的不利影響可以消除。這說明，白鼠完全經(jīng)受住了失重和輻射對(duì)其產(chǎn)生的雙重影響。

半個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家們先后把20多種生物送入太空，其中包括原生動(dòng)物、多種植物和微生物，以及鵪鶉蛋、蒼蠅、青蛙、甲蟲、烏龜、小魚等。如果說早期太空實(shí)驗(yàn)動(dòng)物如犬類、靈長類還能有個(gè)富有感情色彩的“名字”，那么現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物完全是“無名英雄”，只有一串代號(hào)，其中就有不起眼的果蠅。

果蠅的基因與人類基因有著驚人的相似之處。人類已知的疾病基因中，大約有61%與果蠅的基因編碼相似。果蠅的蛋白質(zhì)序列有50%與哺乳動(dòng)物相似。由于果蠅的繁殖能力極強(qiáng)，在短時(shí)間內(nèi)可以繁殖很多代，而且它們的基因圖譜已經(jīng)被完全繪制，因此人們常常將果蠅作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行有關(guān)人類疾病的研究。我國在1990年發(fā)射的第12顆返回式衛(wèi)星上，也搭載了果蠅，實(shí)現(xiàn)了果蠅在太空產(chǎn)卵、孵化、生長的全過程?，F(xiàn)在，果蠅正在國際空間站參與“太空飛行對(duì)航天員基因影響”的研究。

研究成果“接地氣”

目前，空間站的科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要涉及微重力醫(yī)學(xué)、微重力生物學(xué)、微重力物理學(xué)、空間天文學(xué)和對(duì)地觀測等研究工作。

其中，人體微重力實(shí)驗(yàn)主要是圍繞航天員身體的各個(gè)系統(tǒng)來展開，通過空間站上長時(shí)間的數(shù)據(jù)收集和研究，提出應(yīng)對(duì)太空微重力和輻射環(huán)境的解決方案，為未來諸如載人登月、月球基地建設(shè)、登陸小行星和登陸火星等長時(shí)間載人深空探索任務(wù)提供支持。

微重力生物學(xué)研究包括微重力環(huán)境下微生物、植物、動(dòng)物、生物工程和細(xì)胞生物學(xué)等研究方向。微重力生物學(xué)實(shí)驗(yàn)為空間站提供微生物預(yù)防，并試驗(yàn)和生產(chǎn)地球上不易制造的疫苗和抗生素，為太空制藥的商業(yè)化做好準(zhǔn)備。

太空植物生長研究實(shí)驗(yàn)是為了研究植物在太空中如何生長，這將為基于生物養(yǎng)殖的封閉式循環(huán)生命保障系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，還將為在太空或其他星球生產(chǎn)糧食蔬菜積累經(jīng)驗(yàn)。目前的研究發(fā)現(xiàn)，植物離開重力后仍能生長，這對(duì)未來的人類太空生活來說是個(gè)好消息。

假以時(shí)日，從無到有、從小到大的中國空間站也將取得令世人矚目的成就。作為人類在太空長期逗留的前哨站，太空實(shí)驗(yàn)將對(duì)未來的太空探索產(chǎn)生深遠(yuǎn)而持久的影響。

十大奇特太空實(shí)驗(yàn)

在航天史上，有用且有趣的太空實(shí)驗(yàn)數(shù)不勝數(shù)，下文為歷史上十個(gè)奇特的太空實(shí)驗(yàn)。

1.不怕真空與輻射的“水熊蟲”

在太空環(huán)境飛行，失重并不是唯一發(fā)生變化的環(huán)境因素。動(dòng)物在太空中還會(huì)承受大量宇宙輻射?？茖W(xué)家早已知道，苔蘚和細(xì)菌等低等生物能夠在高真空和強(qiáng)輻射的太空環(huán)境中幸存，但地球上竟然還存在著一種奇特的動(dòng)物，能夠幸存于惡劣的太空環(huán)境中，這就是用顯微鏡才能看到的無脊椎動(dòng)物“水熊蟲”，它們是緩步類動(dòng)物家族成員之一。2007年，在一次歐洲火箭實(shí)驗(yàn)中，一些緩步類動(dòng)物暴露于太陽強(qiáng)紫外線輻射和真空環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，少數(shù)緩步類動(dòng)物能幸存于輻射狀態(tài)下，而多數(shù)均能適應(yīng)真空環(huán)境。

2.馬蘭哥尼對(duì)流效應(yīng)

在微重力狀態(tài)下，表面張力是流體力學(xué)特征的主要因素。在國際空間站進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，從一個(gè)金屬環(huán)中延伸出的水流就好像被一個(gè)無形的湯匙攪動(dòng)。這種攪動(dòng)效應(yīng)是使用一個(gè)手電筒不均勻加熱水造成的，所形成的溫差誘導(dǎo)液體水表面張力失衡，導(dǎo)致液體水發(fā)生旋轉(zhuǎn)。這種表面張力實(shí)驗(yàn)叫作“馬蘭哥尼對(duì)流效應(yīng)”，該現(xiàn)象很少出現(xiàn)在地球上，但存在于諸如熔鋼冷卻池等環(huán)境中。該研究可用于飛船液體燃料補(bǔ)加、太空冶金等領(lǐng)域。

3.失重狀態(tài)下的火焰

在失重狀態(tài)下更容易形成外形圓滑、溫度更低的火焰。與地球環(huán)境狀態(tài)不同的是，在失重狀態(tài)下，低密度熱空氣并不會(huì)上升。在失重狀態(tài)下，粒子從高溫至低溫區(qū)域占據(jù)主控地位。研究失重燃燒現(xiàn)象將揭示這種現(xiàn)象背后的基礎(chǔ)物理原理，有助于開發(fā)航天器火災(zāi)撲滅技術(shù)，以及改進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)。

4.失重時(shí)植物的生長

在地球上，重力控制著植物的生長方向?？茖W(xué)家猜測，在微重力的太空，苔蘚應(yīng)該毫無阻力地四處生長，然而結(jié)果令人大跌眼鏡。苔蘚細(xì)胞按照順序相繼長出，形成了一種很有規(guī)律的螺旋形狀?？磥恚亓ρ谏w了苔蘚的自主生長模式，這種模式只有在重力消失的情況下才能顯現(xiàn)出來。

5.太空“連連看”

1992年“亞特蘭蒂斯號(hào)”和1996年“哥倫比亞號(hào)”航天飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，都進(jìn)行了一個(gè)大膽的實(shí)驗(yàn)——部署一顆衛(wèi)星，上面連著一條21公里長的太空繩，然后拉繩子拖著衛(wèi)星在太空中移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)的目的是為了展示太空繩在劃過地球磁場時(shí)是否能夠產(chǎn)生電流。在1992年的那次實(shí)驗(yàn)中，太空繩伸出256米，而1996年那次，繩子卻突然斷裂。

實(shí)驗(yàn)表明，回旋鏢之所以能夠沿著環(huán)形路徑返回，是由于該曲線結(jié)構(gòu)的不均勻受力造成的，而不是受到重力影響所致。

6.太空玫瑰花

1998年，“發(fā)現(xiàn)者號(hào)”航天飛機(jī)將兩朵玫瑰帶到國際空間站。玫瑰氣味的變化取決于在哪里生長，所以土壤、光照、溫度和濕度非常重要。在失重狀態(tài)下，玫瑰的香氣更加甜美，更有神秘感。一家化妝品公司根據(jù)“太空玫瑰”的香氣，開發(fā)出了新型香水。

7.回旋鏢、飛毯、疊衣服和滴眼藥水

2008年，日本航天員在太空中拋出了一支回旋鏢，從而驗(yàn)證這支回旋鏢是否能夠沿原路徑返回。實(shí)驗(yàn)表明，回旋鏢之所以能夠沿著環(huán)形路徑返回，是由于該曲線結(jié)構(gòu)的不均勻受力造成的，而不是受到重力影響所致。2009年初，另一位日本航天員完成了一系列零重力實(shí)驗(yàn)，向觀看直播的公眾表明：在太空中能夠完成模擬“飛毯”飛行、疊衣服和滴眼藥水等活動(dòng)。

8.太空狀態(tài)下晶體體積更大

在失重狀態(tài)下，晶體的體積會(huì)更大一些。在地球環(huán)境中，低密度液體在上方漂浮，在實(shí)驗(yàn)器皿中形成對(duì)流，從而形成低密度和高密度液體的分層。這限制了晶體的體積大小，而且這種現(xiàn)象在失重狀態(tài)下是不存在的。生成更大、更純凈的晶體有助于揭示材料更多的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和性能。太空中制造的硅酸鹽晶體上布滿微小孔隙，可用于過濾和存儲(chǔ)礦物質(zhì)，還可以用于未來燃料電池的氫儲(chǔ)存。

9.沙門氏菌毒性倍增

一種能夠引起人和動(dòng)物食物中毒的沙門氏菌兩次搭乘航天飛機(jī)進(jìn)入太空。令人驚訝的是，這種細(xì)菌在太空中比在地球上的毒性增強(qiáng)了3到7倍。在太空中放置12天后，沙門氏菌被注入老鼠體內(nèi)，只有10%的老鼠活下來，而在地球上進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)，有40%的老鼠幸存。 “太空沙門氏菌”的DNA中有167個(gè)基因和73個(gè)蛋白質(zhì)產(chǎn)生了變化?？茖W(xué)家由此確認(rèn)了這些病菌的基因在微重力下發(fā)生變異的途徑。基于此，一家美國的生物公司開發(fā)出一種沙門氏菌疫苗。

10.迷你人造衛(wèi)星

國際空間站上有一些迷你人造衛(wèi)星，僅有足球大小，名為“同步方位保持適應(yīng)再定向試驗(yàn)衛(wèi)星（SPHERES）”。該裝置可用于測試真正人造衛(wèi)星的控制程序，使衛(wèi)星在不用人為干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)最佳飛行姿態(tài)。通過實(shí)驗(yàn)開發(fā)出的新型控制程序，可確保飛船與國際空間站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接，也可以更好地完成軌道儀器設(shè)備的裝配工作。

◎ 來源|科幻世界（有刪減）