张伟 （中国科学院空间应用工程与技术中心）

天舟－1空间科学与应用任务

TZ-1 Space Science and Application Mission

张伟 （中国科学院空间应用工程与技术中心）

2017年4月20日，我国第一艘货运飞船—天舟－1成功发射。天舟－1主要在轨完成两大任务：一是考核货运飞船的功能，并开展在轨推进剂补加关键技术验证，为未来的载人空间站建造奠定基础；二是开展空间生命科学实验和空间应用关键技术验证试验，主要包括4项应用任务，包括微重力对细胞增殖和分化的影响研究、两相系统实验平台关键技术研究、非牛顿引力实验检验的关键技术验证和主动隔振关键技术验证。

天舟－1任务空间科学与应用项目

1 微重力对细胞增殖和分化影响研究

本研究项目包括8个研究课题，重点研究微重力环境对干细胞增殖分化、生殖细胞分化及骨组织细胞结构功能的影响，检验微重力环境下抗骨质疏松药物3-羟基丁酸对成骨细胞增殖的影响以及CKIP－1基因对成骨细胞分化的影响。

干细胞是一类具有自我复制能力的多潜能细胞，在一定条件下可以分化成多种功能细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，干细胞生物学是21世纪备受瞩目的研究领域之一。近几年，美国航空航天局（NASA）将空间干细胞培养作为重点研究课题，2015年研究人员公布了空间干细胞生长和组织再生方面的成果。其研究结果表明，太空微重力环境影响了小鼠拟胚体在太空的分化能力，抑制了谱系分化基因的表达。中国科学院动物研究所段恩奎研究员带领的团队在天舟－1上搭载了小鼠胚胎干细胞、小鼠拟胚体，通过普通光和荧光显微成像技术，观察干细胞在太空中增殖和分化过程。地面同时开展比对实验，通过天地比对，初步了解空间微重力环境影响干细胞增殖和分化的情况。这将为多能干细胞在组织工程和再生医学中的应用探索新途径，为未来利用多能干细胞服务于人类健康提供帮助。

清华大学纪家葵团队在天舟－1上开展了人生殖细胞的分化过程研究，这是国际上首次在空间微重力环境下诱导胚胎干细胞向生殖细胞分化，其采用一个“知情同意见证”的胚胎干细胞系，不需要牺牲任何新的胚胎，不存在伦理道德争议。这项研究目的是阐明太空微重力环境下生殖细胞发育与成熟的基本规律，探索胚胎干细胞分化的分子机制，从而为克服空间环境对人类生殖可能带来的影响提供理论依据和技术支持，并为胚胎干细胞分化研究提供新的实验模型。

研究和实践表明，在太空环境下，由于重力消失，航天员骨骼负荷明显减少，长期空间飞行很容易发生骨质疏松。目前地面条件下研发的药物，对太空骨质疏松症疗效并不明显。大量前期研究表明，天然存在于哺乳动物体内的3-羟基丁酸，对于预防骨质疏松效果显著，它能否成为太空抗骨质疏松的全新候选药物，需要通过太空实验来检验。在天舟－1搭载的生物反应器中，科学家们用3-羟基丁酸处理骨相关细胞，在微重力环境下借助荧光显微镜观察骨相关细胞形态、数量等指标，进而确定在太空中这些细胞是否健康生长，在细胞水平上观察其对骨质疏松的治疗效果。

近年来大量研究表明，CKIP－1参与骨代谢,是成骨细胞分化和骨形成过程中至关重要的负调控因素,在骨组织增殖、分化过程中起重要作用。“微重力环境下CKIP－1对成骨细胞分化的影响研究”项目是在太空环境下研究CKIP－1对成骨细胞分化的影响及其机制，为对抗太空骨质疏松提供新的思路和方法。

空间生物反应器主要技术指标如下。

1）样品种类：不少于8种；

2）培养温度：（36±1）℃；

3）储液室温度：4～10℃；

4）培养单元数量：48个；

5）输出图像类型：明场显微图像、荧光显微图像。

2 两相系统实验平台关键技术研究

本项目在太空开展流体的蒸发和冷凝实验，研究重力变化对蒸发与冷凝传热传质过程的影响，探索微重力环境下具有质量交换的相变流体界面的热质传输特殊规律，揭示相变流体传热传质的新现象和新机制，为解决空间高效传热工程难题提供解决思路。同时，在轨验证空间实验工质供给、气/液分离等空间气/液两相系统关键技术，为空间站深入开展两相流体空间实验和工程应用奠定技术基础。

本项目实验装置的主要技术指标如下。

1）蒸发台控温范围：+20～+60℃；

2）冷凝台控温范围：-5～+40℃；

3）两相回路子系统总排热能力：≥80W。

3 非牛顿引力实验检验的关键技术验证

本项目进行非牛顿引力实验检验的关键技术验证，在轨测试高精度静电悬浮加速度计的工作性能，研究温度、力学和电磁等扰动对高精度加速度计性能的影响。高精度静电悬浮加速度计是空间引力实验和卫星重力测量的核心关键设备，为我国空间站后续开展相对论与引力物理实验奠定了技术基础，并为重力梯度和弱作用力测量等未来空间试验提供重要技术支撑。

其主要技术指标如下。

1）测量频率范围：0.001～1Hz；

2）量程：±(2.0±0.2)×10-4m/s2；

3）测量分辨率：3.0×10-10m/（s2·Hz-1/2）。

4 主动隔振关键技术验证

在空间站阶段，将支持开展大规模空间流体、空间材料与微重力基础物理等领域的科学实验，某些科学实验要求比航天器平台高1～2个数量级的微重力环境，这就需要解决航天器上的微振动带来的不利影响。天舟－1上搭载的主动隔振关键技术验证项目，是国内首次在轨进行六自由度磁悬浮主动隔振关键技术验证，评估六自由度主动隔振控制技术，为空间站高微重力实验提供解决方案，也将使我国成为继美国、加拿大之后第三个在轨采用主动隔振控制技术服务于空间微重力实验的国家。

主动隔振装置的主要技术指标如下。

1）f≤0.5Hz，微重力加速度＜9×10-5m/s2；

2）0.5Hz＜f≤100Hz，微重力加速度≤1.8f×10-4m/s2；

3）f＞100Hz，微重力加速度＜1.8×10-2m/s2。

5 载人空间站科学与应用任务展望

我国载人空间站将于2019－2022年间进行建造，规划部署了密封舱内的10余个科学实验柜和密封舱外的若干重大研究设施，将在轨运行10年以上，支持空间生命科学和生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间天文与天体物理学、空间物理与空间环境、空间地球科学及应用、空间应用新技术试验等8个研究方向，以及31个研究主题的数百项科学与应用项目滚动实施。通过载人空间站的建造与长期运营，期望在空间科学前沿探索重点方向进入世界先进行列，取得一批具有国际影响的重大发现，使我国空间科学整体水平跨上新台阶；在空间应用领域创新发展，突破和掌握一批战略性空间应用新技术和关键核心技术，引领我国未来空间应用技术发展；面向国家迫切需求的重大应用问题，提供先进解决方案，取得重大应用效益。