韓 淋， 王海名， 范唯唯， 楊 帆

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

1 引言

2020 年，國際空間站實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行20 周年。國際社會(huì)一致認(rèn)同，國際空間站是持續(xù)在近地軌道開展大規(guī)?？茖W(xué)研究、驗(yàn)證深空探索所需技術(shù)和能力的最為重要的在軌平臺(tái)，同時(shí)將空間研究成果源源不斷造福地面。 本文基于NASA 國際空間站計(jì)劃網(wǎng)站公布的信息[1]，全面回溯國際空間站2020 年科研與應(yīng)用活動(dòng)的總體進(jìn)展和亮點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，為中國未來相關(guān)科研應(yīng)用規(guī)劃提供參考。

2 2020 年國際空間站科研應(yīng)用活動(dòng)概況

2019 年9 月到2020 年10 月，國際空間站第61～63 次長期考察任務(wù)在技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證、物理科學(xué)、生物學(xué)與生物技術(shù)、人體研究、教育和文化活動(dòng)及地球與空間科學(xué)6 大研究領(lǐng)域共開展318項(xiàng)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)。 NASA、ESA、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)JAXA 和加拿大航天機(jī)構(gòu)CSA 在6 大研究領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)及新實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)數(shù)如表1 所示。

表1 各航天機(jī)構(gòu)在各研究領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Table 1 The number of experiments by category ＆ agency

在全部318 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，NASA 支持開展221項(xiàng)，其中技術(shù)實(shí)驗(yàn)最多，其次為生物和物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)；ESA 和JAXA 總實(shí)驗(yàn)數(shù)接近，ESA 支持的物理科學(xué)和人體研究實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多，JAXA 支持的技術(shù)和生物實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多；CSA 支持的人體研究實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多。 在318 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中有135 項(xiàng)為新實(shí)驗(yàn)，其中111 項(xiàng)由NASA 支持開展，技術(shù)、物理和生物領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)較多。

3 2020 年國際空間站科研應(yīng)用進(jìn)展

3.1 技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)共計(jì)117 項(xiàng)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖1。NASA 在小衛(wèi)星及控制技術(shù)、航天器及軌道環(huán)境、表征實(shí)驗(yàn)硬件方向的實(shí)驗(yàn)數(shù)最多，在除空間結(jié)構(gòu)、商業(yè)驗(yàn)證和航天器內(nèi)微生物群落外的其他研究方向上的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)均有較大領(lǐng)先。 ESA 和JAXA 支持開展了多個(gè)方向的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，CSA 僅開展了1項(xiàng)輻射測(cè)量和防護(hù)方向的實(shí)驗(yàn)。

圖1 各航天機(jī)構(gòu)在技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.1 The number of experiments in technology by agency

技術(shù)開發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域共開展了53 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了47 項(xiàng)、5 項(xiàng)和1 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，小衛(wèi)星及控制技術(shù)、表征實(shí)驗(yàn)硬件研究方向的新實(shí)驗(yàn)最多。 新實(shí)驗(yàn)中，NASA支持開展的Alpha 立方體衛(wèi)星根據(jù)地面指令展開配備4 個(gè)芯片衛(wèi)星的1 m2自由飛行光帆，旨在驗(yàn)證光帆推進(jìn)用高逆反射材料的性能以及下一代芯片衛(wèi)星的定向和GPS 跟蹤等重要功能。 下降實(shí)驗(yàn)包括2 個(gè)由總長100 m 的電動(dòng)系繩連接的立方體衛(wèi)星，相關(guān)技術(shù)有望用于近地軌道衛(wèi)星離軌。變形鏡立方體衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)在軌測(cè)試微機(jī)電系統(tǒng)變形鏡，驗(yàn)證空間環(huán)境適用性以及對(duì)遙遠(yuǎn)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)圖像校正的能力。 空氣懸浮顆粒監(jiān)測(cè)儀是國際空間站上首個(gè)基于懸浮顆粒的濃度量化空氣質(zhì)量的儀器，可測(cè)量直徑從10 nm～20 μm 的氣溶膠。航天器火災(zāi)實(shí)驗(yàn)－4、航天器火災(zāi)實(shí)驗(yàn)－5 系列實(shí)驗(yàn)旨在天鵝座飛船返程期間開展不同材料和環(huán)境條件的火焰蔓延研究，驗(yàn)證火情探測(cè)、監(jiān)測(cè)和火災(zāi)后清理能力。 機(jī)器人控制Astrobee 跳躍機(jī)動(dòng)是一項(xiàng)利用艙內(nèi)Astrobee 自由飛行器及其機(jī)械臂開展的純軟件實(shí)驗(yàn)，演示艙內(nèi)活動(dòng)機(jī)器人開展跳躍活動(dòng)的操控方法。 減重力壁虎膠粘劑對(duì)接實(shí)驗(yàn)采用微圖案膠粘劑(仿壁虎爪材料)捕獲翻滾的目標(biāo)物體，利用多個(gè)Astrobee 自由飛行器測(cè)試追趕衛(wèi)星與目標(biāo)衛(wèi)星的自動(dòng)對(duì)接，驗(yàn)證空間碎片主動(dòng)清除新方法。 JAXA 支持開展的日本實(shí)驗(yàn)艙遠(yuǎn)紅外相機(jī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)利用可在無光線條件下拍攝紅外圖像的相機(jī)遠(yuǎn)程測(cè)量包括艙外載荷在內(nèi)的目標(biāo)物溫度，助力航天器交會(huì)。 H-II 轉(zhuǎn)移飛行器無線局域網(wǎng)演示實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證航天器與國際空間站之間的實(shí)時(shí)無線視頻傳輸。 ESA 新實(shí)驗(yàn)冰立方實(shí)驗(yàn)－立方體6－Kirara 旨在測(cè)試1 U 大小、配備了溫度控制器的培養(yǎng)箱在微重力下培育高質(zhì)量蛋白質(zhì)晶體的能力，為未來日本和歐洲多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)相關(guān)研究鋪平道路。 此外，小型光通信系統(tǒng)驗(yàn)證、中子場(chǎng)輻射研究－2 等64 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

在新亮點(diǎn)研究進(jìn)展和成果方面，2020 年1 月《基因》上的一篇論文介紹了生物分子測(cè)序儀實(shí)驗(yàn)取得的新進(jìn)展，研究人員開發(fā)和測(cè)試了一套從樣本到測(cè)序全部可以在國際空間站實(shí)施的端到端流程，標(biāo)志著首次完全在地外鑒定出微生物，將極大促進(jìn)和加速如微生物識(shí)別、疾病診斷、采集實(shí)時(shí)基因數(shù)據(jù)等在軌科研活動(dòng)[2]。 2020 年4 月，JAXA 宣布安裝在國際空間站艙外暴露設(shè)施的國際空間站小型光鏈路(SOLISS)與日本情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)的光學(xué)地面站之間成功建立了雙向激光通信鏈路，這是全球首次利用專為小衛(wèi)星設(shè)計(jì)的激光通信設(shè)備建立起雙向?qū)ΨQ的以太網(wǎng)鏈路[3]。2020 年4 月，在國際空間站經(jīng)過2 個(gè)月的運(yùn)行，升級(jí)版航天員助手移動(dòng)式航天員互動(dòng)伙伴－2(CIMON－2)的主要功能已得到初步驗(yàn)證[4]。 CIMON－2 是一個(gè)裝有人工智能系統(tǒng)的球形自由飛行技術(shù)演示器，將開展一系列旨在輔助航天員提高工作效率的技術(shù)試驗(yàn)。

3.2 物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)

物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)共計(jì)63 項(xiàng)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖2。 NASA 在各研究方向支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)均處于領(lǐng)先地位，其中材料科學(xué)、流體物理、復(fù)雜流體方向的實(shí)驗(yàn)最多；ESA 也開展了相當(dāng)數(shù)量的物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)，特別是在材料科學(xué)方向?qū)嶒?yàn)項(xiàng)數(shù)較多；JAXA在除復(fù)雜流體外的各研究方向都有布局。

圖2 各航天機(jī)構(gòu)在物理科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.2 The number of experiments in physical science by agency

物理科學(xué)領(lǐng)域共開展了28 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA、ESA 和JAXA 分別支持開展了24 項(xiàng)、3 項(xiàng)和1 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，材料科學(xué)和流體物理研究方向的新實(shí)驗(yàn)最多。 NASA 系列國際空間站材料實(shí)驗(yàn)開展了3 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)利用國際空間站材料實(shí)驗(yàn)飛行設(shè)施定性和定量檢測(cè)近地軌道環(huán)境對(duì)各類材料和器件的影響。 填充床反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)系列開展了2 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，旨在開發(fā)一套可在微重力環(huán)境下運(yùn)行的填充床反應(yīng)器的指導(dǎo)文件和設(shè)計(jì)工具，增進(jìn)對(duì)填充床反應(yīng)器在微重力環(huán)境下發(fā)生氣體阻塞的認(rèn)識(shí)。 復(fù)雜的微生物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究空間環(huán)境下長期存儲(chǔ)的多組分液體的陳化機(jī)理。 基于冷原子實(shí)驗(yàn)室開展了2 項(xiàng)基礎(chǔ)物理新實(shí)驗(yàn)，玻色－愛因斯坦凝聚氣泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)將在球形或橢球形結(jié)構(gòu)中形成玻色－愛因斯坦凝聚；零重力少體和多體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究在不同條件下相互作用的超冷原子的動(dòng)力學(xué)。 密閉燃燒實(shí)驗(yàn)研究狹窄空間的火焰蔓延及其傳播原理，特別是火焰蔓延與周圍墻壁之間的相互作用。 ESA 流體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟物質(zhì)動(dòng)力學(xué)系列實(shí)驗(yàn)開展了2 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，濕泡沫流體力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)研究微重力環(huán)境下含水和非水泡沫的行為和泡沫粗化原理；致密顆粒介質(zhì)的壓實(shí)和聲音傳輸實(shí)驗(yàn)開展顆粒流變學(xué)研究。 JAXA 支持開展的新實(shí)驗(yàn)JAXA 多組分膠體簇實(shí)驗(yàn)旨在研究制造光子材料所需的四面體膠體簇的結(jié)晶機(jī)理和最佳生產(chǎn)條件。 此外，等離子體晶體－4、烈酒熟化等35 項(xiàng)物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

在新亮點(diǎn)的研究進(jìn)展和成果方面，2020 年4月《先進(jìn)工程材料》上的一篇論文基于利用國際空間站上的電磁懸浮路開展的系列實(shí)驗(yàn)，分析了3 種商用鎳基高溫合金在地面上難以獲得的高精度熱物理性能數(shù)據(jù)，包括液體表面張力、粘度、質(zhì)量密度、比熱容等，將極大助力提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量[5]。 2020 年6 月，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)首次在國際空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)并觀測(cè)到第五種物質(zhì)狀態(tài)——玻色－愛因斯坦凝聚[6]。 玻色－愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)所呈現(xiàn)出的一種物質(zhì)狀態(tài)。 在這樣的低溫下，原子成為具有量子特性的單一實(shí)體。 玻色－愛因斯坦凝聚橫跨量子力學(xué)支配的微觀世界和經(jīng)典物理支配的宏觀世界，因此有望提供關(guān)于量子力學(xué)的基本洞察，這一重大突破有助于揭示量子力學(xué)領(lǐng)域最為棘手的一些難題，相關(guān)論文發(fā)表在《自然》期刊上[7]。

3.3 生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)

生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)共計(jì)56 項(xiàng)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖3。NASA 在微生物學(xué)、植物生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)方向的實(shí)驗(yàn)最多，并在絕大部分研究方向支持開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)均大幅領(lǐng)先其他航天機(jī)構(gòu)；JAXA 在多個(gè)研究方向上開展了實(shí)驗(yàn)；ESA 開展的生物實(shí)驗(yàn)數(shù)量較少。

圖3 各航天機(jī)構(gòu)在生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.3 The number of experiments in biology and biotechnology by agency

生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域共開展了28 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了22項(xiàng)、4 項(xiàng)和2 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，微生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、植物生物學(xué)研究方向的新實(shí)驗(yàn)較多。 NASA 支持開展的微生物學(xué)新實(shí)驗(yàn)生物探測(cè)有效載荷旨在驗(yàn)證用于基因組診斷(如測(cè)序)的機(jī)載納米孔基因測(cè)序儀。 微重力下細(xì)菌的全基因組適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究航天器內(nèi)有哪些環(huán)境因素和過程對(duì)細(xì)菌的生長最為重要，將幫助控制或防止細(xì)菌生長。 細(xì)胞生物學(xué)新實(shí)驗(yàn)利用器官芯片平臺(tái)研究空間對(duì)人類腸道生理學(xué)的影響以人類神經(jīng)化腸道芯片為平臺(tái)，研究空間環(huán)境對(duì)人類腸道生理學(xué)的影響。 植物生物學(xué)新實(shí)驗(yàn)PH－02 空間作物的營養(yǎng)價(jià)值和生長參數(shù)評(píng)估旨在評(píng)估空間飛行和種植條件對(duì)蘿卜生長、產(chǎn)量、成熟時(shí)間和新陳代謝的影響，為種植空間作物做準(zhǔn)備。 2 項(xiàng)嚙齒動(dòng)物研究系列新實(shí)驗(yàn)研究微重力對(duì)12 h 生物鐘的干擾以及對(duì)廣譜肌生長抑制素的抑制劑防止肌肉和骨丟失的臨床前評(píng)價(jià)。 JAXA 支持開展的新實(shí)驗(yàn)載人航天器飲用水微生物機(jī)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)旨在驗(yàn)證用于未來載人深空探索任務(wù)中的新型機(jī)載微生物檢測(cè)系統(tǒng)；微重力下轉(zhuǎn)譯控制的全基因組調(diào)查實(shí)驗(yàn)采用核糖體圖譜分析技術(shù)，以全基因組調(diào)查的方式評(píng)估微重力下的轉(zhuǎn)譯變化。 ESA 支持開展的新實(shí)驗(yàn)輪蟲－B1 實(shí)驗(yàn)研究微重力和空間輻射對(duì)近地軌道生物的累積效應(yīng)；扦插研究暴露于微重力環(huán)境對(duì)木本枝條在返回地面后扦插成活能力的影響。 此外，JAXA蛋白質(zhì)晶體生長、成骨細(xì)胞基因組學(xué)和代謝的重力調(diào)節(jié)等28 項(xiàng)生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

在新亮點(diǎn)研究進(jìn)展和成果方面，2020 年3月，NASA 肯尼迪航天中心研究人員發(fā)表在《植物學(xué)前沿》上的一篇論文介紹了空間站培育的蔬菜質(zhì)量的最新研究結(jié)果，證實(shí)在國際空間站培育的萵苣安全可食用[8]。 2020 年3 月，俄羅斯3D 生物打印解決方案實(shí)驗(yàn)室利用安裝在國際空間站上的Organaut 生物打印機(jī)成功打印了大腸桿菌，對(duì)返回樣本的形態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌具有抗生素抗性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于開發(fā)新型抗生素[9]。 理解神經(jīng)退行性疾病機(jī)制實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微重力環(huán)境下淀粉樣蛋白纖維形成的特征，纖維在微重力環(huán)境下的生長速度比在地面慢，表明空間站是研究淀粉樣蛋白的理想環(huán)境，可以更好研究其形成機(jī)制，有助于開發(fā)抑制淀粉樣纖維形成的新藥，預(yù)防或治療神經(jīng)退行性疾病。 該項(xiàng)成果發(fā)表在2020年6 月的《npj 微重力》期刊上[10]。

3.4 人體研究實(shí)驗(yàn)

人體研究實(shí)驗(yàn)共計(jì)33 項(xiàng)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖4。 NASA 支持開展的人體研究實(shí)驗(yàn)數(shù)最多，ESA 緊隨其后，NASA 和ESA 涉及的研究方向也較多。 JAXA 和CSA 實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少。 從研究方向來看，骨骼與肌肉生理學(xué)、神經(jīng)和前庭系統(tǒng)、心血管和呼吸系統(tǒng)方向的實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多。

圖4 各航天機(jī)構(gòu)在人體研究領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.4 The number of experiments in human research by agency

人體研究領(lǐng)域共開展了7 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA、ESA 和JAXA 分別支持開展了5 項(xiàng)、1 項(xiàng)和1 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。 輻射對(duì)人體影響和骨骼與肌肉生理學(xué)方向的新實(shí)驗(yàn)各2 項(xiàng)，航天員醫(yī)療系統(tǒng)、心血管和呼吸系統(tǒng)以及宜居性和人因研究方向的新實(shí)驗(yàn)各1 項(xiàng)。 NASA 新實(shí)驗(yàn)國際空間站同種異體半月板假體修復(fù)研究利用3D 生物制造設(shè)備打印半月板組織的可行性。 嚙齒動(dòng)物研究－23－微重力對(duì)眼部血管流體力學(xué)的影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量空間飛行前后小鼠的眼壓、視網(wǎng)膜血流和視網(wǎng)膜的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，有助于制定預(yù)防空間站神經(jīng)－眼睛綜合征的有效措施。 自主醫(yī)療支持軟件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證采用軟件手段指導(dǎo)空間站航天員為同事進(jìn)行腎臟和膀胱超聲波檢查，并以此降低空間飛行中的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。AstroRad 防輻射背心評(píng)估實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證航天員在穿戴AstroRad 防輻射背心時(shí)執(zhí)行艙外活動(dòng)的難易及舒適程度，以優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)。 用于航天員異常長期效應(yīng)系統(tǒng)的光離子探測(cè)器實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量國際空間站上宇宙輻射不同成分能譜幫助航天員實(shí)時(shí)掌握輻射風(fēng)險(xiǎn)水平。 ESA 新實(shí)驗(yàn)長時(shí)間空間飛行對(duì)DNA 甲基化的影響收集空間飛行前后5個(gè)時(shí)間點(diǎn)上受試者的唾液和頰粘膜拭子樣本，確定空間飛行如何影響表觀遺傳學(xué)。 JAXA 新實(shí)驗(yàn)微重力下磷酸鹽加速衰老機(jī)制旨在驗(yàn)證微重力環(huán)境下骨骼中磷酸鹽供應(yīng)增加可能加速衰老這一假說，證明骨質(zhì)疏松和骨量減少不僅是衰老的結(jié)果，還是引起衰老的原因。 此外，氣道監(jiān)測(cè)、NASA 生物標(biāo)本庫等26 項(xiàng)人體研究實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

在新亮點(diǎn)研究進(jìn)展和成果方面，利用納米粒子治療微重力造成的骨質(zhì)疏松實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，新型藥物輸送系統(tǒng)有助于促進(jìn)干細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)槌晒羌?xì)胞，該項(xiàng)成果可用于開發(fā)療法應(yīng)對(duì)長期空間飛行造成的骨質(zhì)退化，并幫助地面上罹患骨質(zhì)疏松的病人，相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》期刊上[11]。骨髓研究實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，航天員在著陸后會(huì)發(fā)生貧血，貧血程度和恢復(fù)期均與空間任務(wù)時(shí)長相關(guān)，該項(xiàng)成果發(fā)表在《美國血液學(xué)雜志》期刊上[12]。2020 年9 月，一個(gè)國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在長期監(jiān)測(cè)執(zhí)行國際空間站任務(wù)的航天員大腦結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下，大腦的灰質(zhì)含量減少，而白質(zhì)和腦脊液含量增加。 返回地面7 個(gè)月后，大腦灰質(zhì)含量會(huì)恢復(fù)到正常狀態(tài)[13]，相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上[14]。

3.5 教育和文化活動(dòng)

教育和文化活動(dòng)實(shí)驗(yàn)共計(jì)27 項(xiàng)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖5。NASA 支持開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)大幅領(lǐng)先于其他航天機(jī)構(gòu)。

圖5 各航天機(jī)構(gòu)在教育活動(dòng)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.5 The number of experiments in educational activities by agency

教育和文化活動(dòng)領(lǐng)域共開展了14 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA、JAXA 和ESA 分別支持開展了10 項(xiàng)、3 項(xiàng)和1 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生開發(fā)新實(shí)驗(yàn)最多。 NASA支持開展的新實(shí)驗(yàn)涉及研究微重力對(duì)動(dòng)物的影響、空間太陽能電力微波傳輸、空間暴露對(duì)SD 存儲(chǔ)卡的影響、衛(wèi)星間通信、衛(wèi)星脈沖等離子體推進(jìn)器技術(shù)、藝術(shù)展示等豐富內(nèi)容。 JAXA 的新實(shí)驗(yàn)包括在日本實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)開設(shè)節(jié)目直播站、空間暴露刻板、開展機(jī)器人編程競(jìng)賽等。 ESA 的新實(shí)驗(yàn)組織開展年度編程競(jìng)賽。 此外，太空故事時(shí)間等13項(xiàng)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

3.6 地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)

地球與空間科學(xué)領(lǐng)域共開展了22 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，各航天機(jī)構(gòu)在各研究方向上支持開展的實(shí)驗(yàn)情況見圖6。 其中對(duì)地觀測(cè)方向的實(shí)驗(yàn)最多。 NASA 支持開展的實(shí)驗(yàn)數(shù)大幅領(lǐng)先于其他航天機(jī)構(gòu)；JAXA在對(duì)地觀測(cè)、天體物理學(xué)、天體生物學(xué)3 個(gè)方向支持開展了實(shí)驗(yàn)；ESA 僅在對(duì)地觀測(cè)方向支持開展了實(shí)驗(yàn)。

圖6 各航天機(jī)構(gòu)在地球與空間科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)Fig.6 The number of experiments in earth and space science by agency

地球與空間科學(xué)領(lǐng)域共開展了5 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，其中NASA 和JAXA 分別支持開展了3 項(xiàng)和2 項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)，研究方向均為對(duì)地觀測(cè)。 NASA 的HyperAngular 彩虹偏振儀立方體衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量氣溶膠的大小和種類以及云中水珠的大小和熱力學(xué)相，研究氣溶膠和云中顆粒物的性質(zhì)。 Phoenix立方體衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)通過簡單、低成本和低風(fēng)險(xiǎn)的方式研究城市熱島效應(yīng)路徑，為科研人員提供緩解熱島效應(yīng)的數(shù)據(jù)。 海洋顏色光譜衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)獲取433～866 nm 的中等分辨率海岸生態(tài)和海洋顏色光譜圖像，監(jiān)測(cè)海岸濕地。 JAXA 的高光譜成像儀套件實(shí)驗(yàn)是NASA Terra 衛(wèi)星上搭載的先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀的后繼任務(wù)，可在較寬的波段范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)物開展連續(xù)的光譜測(cè)量，分析目標(biāo)物的特點(diǎn)和物理性質(zhì)。 微衛(wèi)星集成標(biāo)準(zhǔn)成像儀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高分辨率光學(xué)雙筒望遠(yuǎn)鏡成像儀在軌運(yùn)行性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可幫助開發(fā)商用集成標(biāo)準(zhǔn)成像儀。 此外，阿爾法磁譜儀－02、量熱儀型電子望遠(yuǎn)鏡等17 項(xiàng)地球與空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開展。

在新亮點(diǎn)研究進(jìn)展和成果方面，2020 年1月，NASA 發(fā)布首批全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究(Global Ecosystem Dynamics Investigation ，GEDI)測(cè)量數(shù)據(jù)供研究人員使用[15]。 GEDI 于2018 年12 月發(fā)射至國際空間站，旨在勘測(cè)地球上的森林資源，構(gòu)建詳細(xì)的森林冠層高度和枝葉分布三維地圖，幫助了解生物質(zhì)和森林碳儲(chǔ)量及其受干擾后的損失情況。 2020 年6 月，NASA 報(bào)道利用哥倫布艙外部的大氣－空間相互作用監(jiān)測(cè)器(Atmosphere-Space Interactions Monitor ，ASIM)測(cè)量了高能地面伽馬線閃光，研究結(jié)果有助于揭示該現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制[16]，相關(guān)論文發(fā)表在《科學(xué)》期刊上[17]。 2017 年從國際空間站部署的天體物理學(xué)研究角秒空間望遠(yuǎn)鏡是一顆6 U 大小的立方體衛(wèi)星。 2020 年6 月《天文學(xué)雜志》期刊上的一篇論文顯示這顆小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了首次基于立方體衛(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)系外行星凌日，證明低廉的航天器也可以產(chǎn)生突破性的成果[18]。

4 分析與結(jié)論

通過對(duì)國際空間站2019 年9 月至2020 年10月開展的第61～63 次長期考察任務(wù)科研應(yīng)用活動(dòng)，特別是其中有特色的新實(shí)驗(yàn)的回溯，結(jié)合這一時(shí)期新取得的有代表性的亮點(diǎn)研究成果，總結(jié)國際空間站科研與應(yīng)用進(jìn)展特點(diǎn)如下:

1) 國際空間站繼續(xù)保持較大的實(shí)驗(yàn)規(guī)模，新實(shí)驗(yàn)比例反映出科研與應(yīng)用活動(dòng)十分活躍。 各國航天機(jī)構(gòu)在各自側(cè)重領(lǐng)域支持開展科研與應(yīng)用活動(dòng)，體現(xiàn)不同特色與關(guān)注點(diǎn)。 在第61～63 次長期考察任務(wù)中，6 大研究領(lǐng)域共計(jì)開展了318 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，其中新實(shí)驗(yàn)135 項(xiàng)，占實(shí)驗(yàn)總數(shù)的42%。NASA 在實(shí)驗(yàn)規(guī)模和新實(shí)驗(yàn)數(shù)量方面繼續(xù)遙遙領(lǐng)先。 在全部318 項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，NASA 支持開展的實(shí)驗(yàn)有221 項(xiàng)，占實(shí)驗(yàn)總數(shù)的69%，其中新實(shí)驗(yàn)有111 項(xiàng)，占NASA 實(shí)驗(yàn)總數(shù)的50%，占全部新實(shí)驗(yàn)數(shù)(135 項(xiàng))的82%。 NASA 在技術(shù)、生物、物理領(lǐng)域支持開展的實(shí)驗(yàn)最多，這3 個(gè)領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)數(shù)量也最多。 ESA 和JAXA 實(shí)驗(yàn)規(guī)模相當(dāng)，其中JAXA 支持開展的新實(shí)驗(yàn)更多。 ESA 更聚焦物理和人體研究領(lǐng)域，JAXA 則更為聚焦技術(shù)和生物領(lǐng)域。 CSA 實(shí)驗(yàn)最少，且沒有新實(shí)驗(yàn)，支持的人體研究實(shí)驗(yàn)相對(duì)較多。 從新實(shí)驗(yàn)的學(xué)科分布來看，技術(shù)、物理和生物領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)最多，各研究領(lǐng)域中新實(shí)驗(yàn)最多的研究方向分別是技術(shù)領(lǐng)域的小衛(wèi)星及控制技術(shù)方向、物理領(lǐng)域的材料科學(xué)方向、生物領(lǐng)域的微生物學(xué)方向、人體研究領(lǐng)域的輻射對(duì)人體影響和骨骼與肌肉生理學(xué)方向、教育領(lǐng)域的學(xué)生開發(fā)實(shí)驗(yàn)方向、地球與空間科學(xué)領(lǐng)域的對(duì)地觀測(cè)方向。

2) 迎來在軌運(yùn)行20 周年的國際空間站正在充分發(fā)揮其作為空間科研平臺(tái)的重要價(jià)值，新的亮點(diǎn)科研成果紛呈，繼續(xù)聚焦實(shí)現(xiàn)重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、使能未來深空探索和造福地面生活三大應(yīng)用主題。 2020 年10 月，NASA 為慶祝國際空間站在軌運(yùn)行20 周年，總結(jié)了國際空間站的20 項(xiàng)重大科技突破，包括:基礎(chǔ)疾病研究造福地面人群，發(fā)現(xiàn)冷焰穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象，新型凈水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空間和地面應(yīng)用，利用蛋白質(zhì)晶體開展藥物研發(fā)，發(fā)現(xiàn)防治肌肉萎縮和骨丟失的方法，探索物質(zhì)第五態(tài)，了解人體在微重力下的變化，在軌測(cè)試組織芯片，刺激近地軌道經(jīng)濟(jì)，在微重力下生產(chǎn)食物，從空間站部署立方體衛(wèi)星，從獨(dú)特的角度監(jiān)測(cè)地球，收集上千億顆宇宙粒子數(shù)據(jù)，了解脈沖星和黑洞，為學(xué)生提供利用軌道實(shí)驗(yàn)室的機(jī)會(huì)，識(shí)別空間未知微生物，開拓膠體研究領(lǐng)域，推進(jìn)流體物理學(xué)研究，微重力環(huán)境3D 打印，助力應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害[19]。 2020 年，各領(lǐng)域也涌現(xiàn)出許多新的亮點(diǎn)成果，如日本利用為小衛(wèi)星設(shè)計(jì)的激光通信設(shè)備成功驗(yàn)證國際空間站與地面站間雙向激光通信鏈路，國際空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)玻色－愛因斯坦凝聚，研究人員證實(shí)在國際空間站培育的蔬菜質(zhì)量安全可食用，空間環(huán)境會(huì)對(duì)大腦灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液的含量造成影響，安裝在哥倫布艙外的大氣－空間相互作用監(jiān)測(cè)器拍攝高能地面伽馬線閃光等。

總體來看，國際空間站正處于科研與應(yīng)用高峰期，新實(shí)驗(yàn)規(guī)?？捎^，新成果持續(xù)涌現(xiàn)，可以預(yù)見未來一段時(shí)間將繼續(xù)保持科研與應(yīng)用活力，有望產(chǎn)出更多科研與應(yīng)用成果。