韩 淋， 王海名， 范唯唯， 杨 帆

(中国科学院科技战略咨询研究院， 北京 100190)

1 引言

2020 年，国际空间站实现在轨运行20 周年。国际社会一致认同，国际空间站是持续在近地轨道开展大规模科学研究、验证深空探索所需技术和能力的最为重要的在轨平台，同时将空间研究成果源源不断造福地面。 本文基于NASA 国际空间站计划网站公布的信息[1]，全面回溯国际空间站2020 年科研与应用活动的总体进展和亮点发现，为中国未来相关科研应用规划提供参考。

2 2020 年国际空间站科研应用活动概况

2019 年9 月到2020 年10 月，国际空间站第61～63 次长期考察任务在技术开发与验证、物理科学、生物学与生物技术、人体研究、教育和文化活动及地球与空间科学6 大研究领域共开展318项科学研究实验。 NASA、ESA、日本宇宙航空研究开发机构JAXA 和加拿大航天机构CSA 在6 大研究领域支持开展的实验项目数及新实验的项数如表1 所示。

表1 各航天机构在各研究领域支持开展的实验项数Table 1 The number of experiments by category ＆ agency

在全部318 项实验中，NASA 支持开展221项，其中技术实验最多，其次为生物和物理科学实验；ESA 和JAXA 总实验数接近，ESA 支持的物理科学和人体研究实验相对较多，JAXA 支持的技术和生物实验相对较多；CSA 支持的人体研究实验相对较多。 在318 项实验中有135 项为新实验，其中111 项由NASA 支持开展，技术、物理和生物领域的新实验较多。

3 2020 年国际空间站科研应用进展

3.1 技术开发与验证实验

技术开发与验证实验共计117 项，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图1。NASA 在小卫星及控制技术、航天器及轨道环境、表征实验硬件方向的实验数最多，在除空间结构、商业验证和航天器内微生物群落外的其他研究方向上的实验项数均有较大领先。 ESA 和JAXA 支持开展了多个方向的实验项目，CSA 仅开展了1项辐射测量和防护方向的实验。

图1 各航天机构在技术开发领域的实验项数Fig.1 The number of experiments in technology by agency

技术开发与验证领域共开展了53 项新实验，其中NASA、JAXA 和ESA 分别支持开展了47 项、5 项和1 项新实验，小卫星及控制技术、表征实验硬件研究方向的新实验最多。 新实验中，NASA支持开展的Alpha 立方体卫星根据地面指令展开配备4 个芯片卫星的1 m2自由飞行光帆，旨在验证光帆推进用高逆反射材料的性能以及下一代芯片卫星的定向和GPS 跟踪等重要功能。 下降实验包括2 个由总长100 m 的电动系绳连接的立方体卫星，相关技术有望用于近地轨道卫星离轨。变形镜立方体卫星实验在轨测试微机电系统变形镜，验证空间环境适用性以及对遥远目标进行主动图像校正的能力。 空气悬浮颗粒监测仪是国际空间站上首个基于悬浮颗粒的浓度量化空气质量的仪器，可测量直径从10 nm～20 μm 的气溶胶。航天器火灾实验－4、航天器火灾实验－5 系列实验旨在天鹅座飞船返程期间开展不同材料和环境条件的火焰蔓延研究，验证火情探测、监测和火灾后清理能力。 机器人控制Astrobee 跳跃机动是一项利用舱内Astrobee 自由飞行器及其机械臂开展的纯软件实验，演示舱内活动机器人开展跳跃活动的操控方法。 减重力壁虎胶粘剂对接实验采用微图案胶粘剂(仿壁虎爪材料)捕获翻滚的目标物体，利用多个Astrobee 自由飞行器测试追赶卫星与目标卫星的自动对接，验证空间碎片主动清除新方法。 JAXA 支持开展的日本实验舱远红外相机验证实验利用可在无光线条件下拍摄红外图像的相机远程测量包括舱外载荷在内的目标物温度，助力航天器交会。 H-II 转移飞行器无线局域网演示实验旨在验证航天器与国际空间站之间的实时无线视频传输。 ESA 新实验冰立方实验－立方体6－Kirara 旨在测试1 U 大小、配备了温度控制器的培养箱在微重力下培育高质量蛋白质晶体的能力，为未来日本和欧洲多家企业和机构相关研究铺平道路。 此外，小型光通信系统验证、中子场辐射研究－2 等64 项实验继续开展。

在新亮点研究进展和成果方面，2020 年1 月《基因》上的一篇论文介绍了生物分子测序仪实验取得的新进展，研究人员开发和测试了一套从样本到测序全部可以在国际空间站实施的端到端流程，标志着首次完全在地外鉴定出微生物，将极大促进和加速如微生物识别、疾病诊断、采集实时基因数据等在轨科研活动[2]。 2020 年4 月，JAXA 宣布安装在国际空间站舱外暴露设施的国际空间站小型光链路(SOLISS)与日本情报通信研究机构的光学地面站之间成功建立了双向激光通信链路，这是全球首次利用专为小卫星设计的激光通信设备建立起双向对称的以太网链路[3]。2020 年4 月，在国际空间站经过2 个月的运行，升级版航天员助手移动式航天员互动伙伴－2(CIMON－2)的主要功能已得到初步验证[4]。 CIMON－2 是一个装有人工智能系统的球形自由飞行技术演示器，将开展一系列旨在辅助航天员提高工作效率的技术试验。

3.2 物理科学实验

物理科学实验共计63 项，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图2。 NASA 在各研究方向支持开展的实验项数均处于领先地位，其中材料科学、流体物理、复杂流体方向的实验最多；ESA 也开展了相当数量的物理科学实验，特别是在材料科学方向实验项数较多；JAXA在除复杂流体外的各研究方向都有布局。

图2 各航天机构在物理科学领域的实验项数Fig.2 The number of experiments in physical science by agency

物理科学领域共开展了28 项新实验，其中NASA、ESA 和JAXA 分别支持开展了24 项、3 项和1 项新实验，材料科学和流体物理研究方向的新实验最多。 NASA 系列国际空间站材料实验开展了3 项新实验，继续利用国际空间站材料实验飞行设施定性和定量检测近地轨道环境对各类材料和器件的影响。 填充床反应器实验系列开展了2 项新实验，旨在开发一套可在微重力环境下运行的填充床反应器的指导文件和设计工具，增进对填充床反应器在微重力环境下发生气体阻塞的认识。 复杂的微生物系统实验研究空间环境下长期存储的多组分液体的陈化机理。 基于冷原子实验室开展了2 项基础物理新实验，玻色－爱因斯坦凝聚气泡动力学实验将在球形或椭球形结构中形成玻色－爱因斯坦凝聚；零重力少体和多体物理学实验研究在不同条件下相互作用的超冷原子的动力学。 密闭燃烧实验研究狭窄空间的火焰蔓延及其传播原理，特别是火焰蔓延与周围墙壁之间的相互作用。 ESA 流体科学实验室软物质动力学系列实验开展了2 项新实验，湿泡沫流体力学研究实验研究微重力环境下含水和非水泡沫的行为和泡沫粗化原理；致密颗粒介质的压实和声音传输实验开展颗粒流变学研究。 JAXA 支持开展的新实验JAXA 多组分胶体簇实验旨在研究制造光子材料所需的四面体胶体簇的结晶机理和最佳生产条件。 此外，等离子体晶体－4、烈酒熟化等35 项物理科学实验继续开展。

在新亮点的研究进展和成果方面，2020 年4月《先进工程材料》上的一篇论文基于利用国际空间站上的电磁悬浮路开展的系列实验，分析了3 种商用镍基高温合金在地面上难以获得的高精度热物理性能数据，包括液体表面张力、粘度、质量密度、比热容等，将极大助力提高制造效率和产品质量[5]。 2020 年6 月，NASA 喷气推进实验室团队首次在国际空间站冷原子实验室中实现并观测到第五种物质状态——玻色－爱因斯坦凝聚[6]。 玻色－爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到接近绝对零度时所呈现出的一种物质状态。 在这样的低温下，原子成为具有量子特性的单一实体。 玻色－爱因斯坦凝聚横跨量子力学支配的微观世界和经典物理支配的宏观世界，因此有望提供关于量子力学的基本洞察，这一重大突破有助于揭示量子力学领域最为棘手的一些难题，相关论文发表在《自然》期刊上[7]。

3.3 生物学与生物技术实验

生物学与生物技术实验共计56 项，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图3。NASA 在微生物学、植物生物学、细胞生物学方向的实验最多，并在绝大部分研究方向支持开展的实验项数均大幅领先其他航天机构；JAXA 在多个研究方向上开展了实验；ESA 开展的生物实验数量较少。

图3 各航天机构在生物学与生物技术领域的实验项数Fig.3 The number of experiments in biology and biotechnology by agency

生物学与生物技术领域共开展了28 项新实验，其中NASA、JAXA 和ESA 分别支持开展了22项、4 项和2 项新实验，微生物学、细胞生物学、植物生物学研究方向的新实验较多。 NASA 支持开展的微生物学新实验生物探测有效载荷旨在验证用于基因组诊断(如测序)的机载纳米孔基因测序仪。 微重力下细菌的全基因组适应性实验研究航天器内有哪些环境因素和过程对细菌的生长最为重要，将帮助控制或防止细菌生长。 细胞生物学新实验利用器官芯片平台研究空间对人类肠道生理学的影响以人类神经化肠道芯片为平台，研究空间环境对人类肠道生理学的影响。 植物生物学新实验PH－02 空间作物的营养价值和生长参数评估旨在评估空间飞行和种植条件对萝卜生长、产量、成熟时间和新陈代谢的影响，为种植空间作物做准备。 2 项啮齿动物研究系列新实验研究微重力对12 h 生物钟的干扰以及对广谱肌生长抑制素的抑制剂防止肌肉和骨丢失的临床前评价。 JAXA 支持开展的新实验载人航天器饮用水微生物机载监测系统旨在验证用于未来载人深空探索任务中的新型机载微生物检测系统；微重力下转译控制的全基因组调查实验采用核糖体图谱分析技术，以全基因组调查的方式评估微重力下的转译变化。 ESA 支持开展的新实验轮虫－B1 实验研究微重力和空间辐射对近地轨道生物的累积效应；扦插研究暴露于微重力环境对木本枝条在返回地面后扦插成活能力的影响。 此外，JAXA蛋白质晶体生长、成骨细胞基因组学和代谢的重力调节等28 项生物学与生物技术实验继续开展。

在新亮点研究进展和成果方面，2020 年3月，NASA 肯尼迪航天中心研究人员发表在《植物学前沿》上的一篇论文介绍了空间站培育的蔬菜质量的最新研究结果，证实在国际空间站培育的莴苣安全可食用[8]。 2020 年3 月，俄罗斯3D 生物打印解决方案实验室利用安装在国际空间站上的Organaut 生物打印机成功打印了大肠杆菌，对返回样本的形态分析发现，大肠杆菌具有抗生素抗性，实验结果有助于开发新型抗生素[9]。 理解神经退行性疾病机制实验研究发现，微重力环境下淀粉样蛋白纤维形成的特征，纤维在微重力环境下的生长速度比在地面慢，表明空间站是研究淀粉样蛋白的理想环境，可以更好研究其形成机制，有助于开发抑制淀粉样纤维形成的新药，预防或治疗神经退行性疾病。 该项成果发表在2020年6 月的《npj 微重力》期刊上[10]。

3.4 人体研究实验

人体研究实验共计33 项，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图4。 NASA 支持开展的人体研究实验数最多，ESA 紧随其后，NASA 和ESA 涉及的研究方向也较多。 JAXA 和CSA 实验相对较少。 从研究方向来看，骨骼与肌肉生理学、神经和前庭系统、心血管和呼吸系统方向的实验相对较多。

图4 各航天机构在人体研究领域的实验项数Fig.4 The number of experiments in human research by agency

人体研究领域共开展了7 项新实验，其中NASA、ESA 和JAXA 分别支持开展了5 项、1 项和1 项新实验。 辐射对人体影响和骨骼与肌肉生理学方向的新实验各2 项，航天员医疗系统、心血管和呼吸系统以及宜居性和人因研究方向的新实验各1 项。 NASA 新实验国际空间站同种异体半月板假体修复研究利用3D 生物制造设备打印半月板组织的可行性。 啮齿动物研究－23－微重力对眼部血管流体力学的影响实验测量空间飞行前后小鼠的眼压、视网膜血流和视网膜的神经结构，有助于制定预防空间站神经－眼睛综合征的有效措施。 自主医疗支持软件验证实验旨在验证采用软件手段指导空间站航天员为同事进行肾脏和膀胱超声波检查，并以此降低空间飞行中的医疗风险。AstroRad 防辐射背心评估实验旨在验证航天员在穿戴AstroRad 防辐射背心时执行舱外活动的难易及舒适程度，以优化相关设计。 用于航天员异常长期效应系统的光离子探测器实验通过测量国际空间站上宇宙辐射不同成分能谱帮助航天员实时掌握辐射风险水平。 ESA 新实验长时间空间飞行对DNA 甲基化的影响收集空间飞行前后5个时间点上受试者的唾液和颊粘膜拭子样本，确定空间飞行如何影响表观遗传学。 JAXA 新实验微重力下磷酸盐加速衰老机制旨在验证微重力环境下骨骼中磷酸盐供应增加可能加速衰老这一假说，证明骨质疏松和骨量减少不仅是衰老的结果，还是引起衰老的原因。 此外，气道监测、NASA 生物标本库等26 项人体研究实验继续开展。

在新亮点研究进展和成果方面，利用纳米粒子治疗微重力造成的骨质疏松实验研究发现，新型药物输送系统有助于促进干细胞转变为成骨细胞，该项成果可用于开发疗法应对长期空间飞行造成的骨质退化，并帮助地面上罹患骨质疏松的病人，相关论文发表在《科学报告》期刊上[11]。骨髓研究实验研究发现，航天员在着陆后会发生贫血，贫血程度和恢复期均与空间任务时长相关，该项成果发表在《美国血液学杂志》期刊上[12]。2020 年9 月，一个国际联合研究团队在长期监测执行国际空间站任务的航天员大脑结构后发现，在微重力环境下，大脑的灰质含量减少，而白质和脑脊液含量增加。 返回地面7 个月后，大脑灰质含量会恢复到正常状态[13]，相关论文发表在《科学进展》期刊上[14]。

3.5 教育和文化活动

教育和文化活动实验共计27 项，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图5。NASA 支持开展的实验数大幅领先于其他航天机构。

图5 各航天机构在教育活动领域的实验项数Fig.5 The number of experiments in educational activities by agency

教育和文化活动领域共开展了14 项新实验，其中NASA、JAXA 和ESA 分别支持开展了10 项、3 项和1 项新实验，学生开发新实验最多。 NASA支持开展的新实验涉及研究微重力对动物的影响、空间太阳能电力微波传输、空间暴露对SD 存储卡的影响、卫星间通信、卫星脉冲等离子体推进器技术、艺术展示等丰富内容。 JAXA 的新实验包括在日本实验舱内开设节目直播站、空间暴露刻板、开展机器人编程竞赛等。 ESA 的新实验组织开展年度编程竞赛。 此外，太空故事时间等13项实验继续开展。

3.6 地球与空间科学实验

地球与空间科学领域共开展了22 项实验，各航天机构在各研究方向上支持开展的实验情况见图6。 其中对地观测方向的实验最多。 NASA 支持开展的实验数大幅领先于其他航天机构；JAXA在对地观测、天体物理学、天体生物学3 个方向支持开展了实验；ESA 仅在对地观测方向支持开展了实验。

图6 各航天机构在地球与空间科学领域的实验项数Fig.6 The number of experiments in earth and space science by agency

地球与空间科学领域共开展了5 项新实验，其中NASA 和JAXA 分别支持开展了3 项和2 项新实验，研究方向均为对地观测。 NASA 的HyperAngular 彩虹偏振仪立方体卫星实验通过测量气溶胶的大小和种类以及云中水珠的大小和热力学相，研究气溶胶和云中颗粒物的性质。 Phoenix立方体卫星实验通过简单、低成本和低风险的方式研究城市热岛效应路径，为科研人员提供缓解热岛效应的数据。 海洋颜色光谱卫星实验获取433～866 nm 的中等分辨率海岸生态和海洋颜色光谱图像，监测海岸湿地。 JAXA 的高光谱成像仪套件实验是NASA Terra 卫星上搭载的先进星载热发射和反射辐射仪的后继任务，可在较宽的波段范围内对目标物开展连续的光谱测量，分析目标物的特点和物理性质。 微卫星集成标准成像仪实验验证高分辨率光学双筒望远镜成像仪在轨运行性能，实验数据可帮助开发商用集成标准成像仪。 此外，阿尔法磁谱仪－02、量热仪型电子望远镜等17 项地球与空间科学实验继续开展。

在新亮点研究进展和成果方面，2020 年1月，NASA 发布首批全球生态系统动力学研究(Global Ecosystem Dynamics Investigation ，GEDI)测量数据供研究人员使用[15]。 GEDI 于2018 年12 月发射至国际空间站，旨在勘测地球上的森林资源，构建详细的森林冠层高度和枝叶分布三维地图，帮助了解生物质和森林碳储量及其受干扰后的损失情况。 2020 年6 月，NASA 报道利用哥伦布舱外部的大气－空间相互作用监测器(Atmosphere-Space Interactions Monitor ，ASIM)测量了高能地面伽马线闪光，研究结果有助于揭示该现象的产生机制[16]，相关论文发表在《科学》期刊上[17]。 2017 年从国际空间站部署的天体物理学研究角秒空间望远镜是一颗6 U 大小的立方体卫星。 2020 年6 月《天文学杂志》期刊上的一篇论文显示这颗小卫星实现了首次基于立方体卫星平台观测系外行星凌日，证明低廉的航天器也可以产生突破性的成果[18]。

4 分析与结论

通过对国际空间站2019 年9 月至2020 年10月开展的第61～63 次长期考察任务科研应用活动，特别是其中有特色的新实验的回溯，结合这一时期新取得的有代表性的亮点研究成果，总结国际空间站科研与应用进展特点如下:

1) 国际空间站继续保持较大的实验规模，新实验比例反映出科研与应用活动十分活跃。 各国航天机构在各自侧重领域支持开展科研与应用活动，体现不同特色与关注点。 在第61～63 次长期考察任务中，6 大研究领域共计开展了318 项实验，其中新实验135 项，占实验总数的42%。NASA 在实验规模和新实验数量方面继续遥遥领先。 在全部318 项实验中，NASA 支持开展的实验有221 项，占实验总数的69%，其中新实验有111 项，占NASA 实验总数的50%，占全部新实验数(135 项)的82%。 NASA 在技术、生物、物理领域支持开展的实验最多，这3 个领域的新实验数量也最多。 ESA 和JAXA 实验规模相当，其中JAXA 支持开展的新实验更多。 ESA 更聚焦物理和人体研究领域，JAXA 则更为聚焦技术和生物领域。 CSA 实验最少，且没有新实验，支持的人体研究实验相对较多。 从新实验的学科分布来看，技术、物理和生物领域的新实验最多，各研究领域中新实验最多的研究方向分别是技术领域的小卫星及控制技术方向、物理领域的材料科学方向、生物领域的微生物学方向、人体研究领域的辐射对人体影响和骨骼与肌肉生理学方向、教育领域的学生开发实验方向、地球与空间科学领域的对地观测方向。

2) 迎来在轨运行20 周年的国际空间站正在充分发挥其作为空间科研平台的重要价值，新的亮点科研成果纷呈，继续聚焦实现重大科学发现、使能未来深空探索和造福地面生活三大应用主题。 2020 年10 月，NASA 为庆祝国际空间站在轨运行20 周年，总结了国际空间站的20 项重大科技突破，包括:基础疾病研究造福地面人群，发现冷焰稳定燃烧现象，新型净水系统实现空间和地面应用，利用蛋白质晶体开展药物研发，发现防治肌肉萎缩和骨丢失的方法，探索物质第五态，了解人体在微重力下的变化，在轨测试组织芯片，刺激近地轨道经济，在微重力下生产食物，从空间站部署立方体卫星，从独特的角度监测地球，收集上千亿颗宇宙粒子数据，了解脉冲星和黑洞，为学生提供利用轨道实验室的机会，识别空间未知微生物，开拓胶体研究领域，推进流体物理学研究，微重力环境3D 打印，助力应对自然灾害[19]。 2020 年，各领域也涌现出许多新的亮点成果，如日本利用为小卫星设计的激光通信设备成功验证国际空间站与地面站间双向激光通信链路，国际空间站冷原子实验室首次实现玻色－爱因斯坦凝聚，研究人员证实在国际空间站培育的蔬菜质量安全可食用，空间环境会对大脑灰质、白质、脑脊液的含量造成影响，安装在哥伦布舱外的大气－空间相互作用监测器拍摄高能地面伽马线闪光等。

总体来看，国际空间站正处于科研与应用高峰期，新实验规模可观，新成果持续涌现，可以预见未来一段时间将继续保持科研与应用活力，有望产出更多科研与应用成果。