太空實(shí)驗(yàn)艙：科研生產(chǎn)新高地潛力無(wú)限

今年7月24日，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙由長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭從文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，并成功對(duì)接天和核心艙。追溯航天史，太空實(shí)驗(yàn)艙已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行了數(shù)十年，人類克服了很多技術(shù)難題，甚至付出了生命代價(jià)，也收獲了很多重要成果。展望未來(lái)，人類在太空實(shí)驗(yàn)艙中還可能獲得哪些進(jìn)展？太空實(shí)驗(yàn)艙又會(huì)呈現(xiàn)怎樣的面貌呢？

長(zhǎng)征五號(hào)B火箭發(fā)射問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙 中國(guó)航天報(bào)記者 王磊 攝

建設(shè)運(yùn)營(yíng)驚險(xiǎn)不少

拿今天的眼光來(lái)看，早期太空實(shí)驗(yàn)艙是在驚險(xiǎn)和犧牲中開(kāi)創(chuàng)新局面，推進(jìn)太空科研事業(yè)。

“天空實(shí)驗(yàn)室”被視為美國(guó)宇航局建設(shè)的第一個(gè)空間站，也是對(duì)太空實(shí)驗(yàn)艙的大膽嘗試。它是在美國(guó)宇航局預(yù)算“收緊”的時(shí)期由土星5號(hào)火箭的組件改造的，于1973年5月發(fā)射。當(dāng)時(shí)航天專家樂(lè)觀地認(rèn)為，“天空實(shí)驗(yàn)室”存儲(chǔ)能力強(qiáng)大，可以在宇宙中運(yùn)行數(shù)十年之久，成為太空綜合實(shí)驗(yàn)基地。

事實(shí)證明，所有人都低估了太空實(shí)驗(yàn)艙的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)射升空僅63秒后，“天空實(shí)驗(yàn)室”的防護(hù)盾就直接掉落。不久，電池系統(tǒng)脫落，“天空實(shí)驗(yàn)室”損失了大部分電源系統(tǒng)。整個(gè)艙段被高強(qiáng)度紫外線照射著，艙內(nèi)溫度超過(guò)50攝氏度，可想而知航天員要面臨多大的挑戰(zhàn)。萬(wàn)幸美國(guó)飛船很快送去3名航天員搶修，用遮陽(yáng)帆擋住了陽(yáng)光，修復(fù)了電池板，使美國(guó)首個(gè)太空實(shí)驗(yàn)艙“起死回生”。

更慘重的犧牲發(fā)生在航天史上首個(gè)空間站——蘇聯(lián)“禮炮1號(hào)”。1971年6月6日，聯(lián)盟11號(hào)飛船發(fā)射，次日與“禮炮1號(hào)”成功對(duì)接，3名航天員進(jìn)入太空實(shí)驗(yàn)艙。不幸的是，他們于6月29日返回途中，返回艙上平衡閥異常打開(kāi)而失壓，導(dǎo)致飛船進(jìn)入大氣層后瞬間解體，3人犧牲。這次事故敲響了警鐘，刺激了空間安全返回技術(shù)飛速發(fā)展。

隨著空間站建設(shè)不斷取得進(jìn)展，太空實(shí)驗(yàn)艙交會(huì)對(duì)接空間站成為高難度挑戰(zhàn)。兩者交會(huì)對(duì)接往往采用多種方式，主要由太空實(shí)驗(yàn)艙自行變軌對(duì)接，地面指揮中心密切監(jiān)控，空間站內(nèi)的航天員必要時(shí)介入，手控交會(huì)對(duì)接。

太空實(shí)驗(yàn)艙完成與空間站對(duì)接，往往不是“一次到位”。兩者初步對(duì)接后，組合體有時(shí)需要大幅度調(diào)整角度，使太空實(shí)驗(yàn)艙充分展開(kāi)太陽(yáng)翼，進(jìn)入全功率狀態(tài)。等到組合體完成整體角度調(diào)整后，太空實(shí)驗(yàn)艙往往要在機(jī)械臂的輔助下轉(zhuǎn)位，調(diào)整到合適的對(duì)接口，便于后續(xù)工作。在這期間，組合體仍需多次精確地調(diào)整姿態(tài)，航天員和地面指揮中心小心地協(xié)同配合，如履薄冰。盡管如此，國(guó)際空間站運(yùn)營(yíng)期間仍多次遭遇對(duì)接事故。

太空成果豐碩喜人

為什么要建設(shè)太空實(shí)驗(yàn)艙？因?yàn)樘瘴⒅亓Νh(huán)境非常適合特殊的科學(xué)研究，而這種特別的環(huán)境在地球上難以長(zhǎng)期穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)。太空實(shí)驗(yàn)艙為大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了獨(dú)特的機(jī)遇，不僅有助于人類探索更遠(yuǎn)的太空，還能造福人類。

干細(xì)胞被視為“未來(lái)醫(yī)學(xué)的圣杯”。理論上，干細(xì)胞能夠幾乎無(wú)休止地再生并演化成各種細(xì)胞，還能確保器官具備自我修復(fù)能力。在胚胎或年輕的身體中，干細(xì)胞含量豐富，但隨著年齡增長(zhǎng)而失去活力。

在國(guó)際空間站上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在失重環(huán)境中，來(lái)自人類心臟的干細(xì)胞提高了再生、存活和增殖能力。在中國(guó)空間站天和核心艙里，人體尿液中的腎上皮細(xì)胞在國(guó)際上首次通過(guò)基因重編程方式轉(zhuǎn)化成生機(jī)勃勃的干細(xì)胞，又演變?yōu)樾募〖?xì)胞。這對(duì)于研究人體健康、衰老與再生，追求長(zhǎng)壽，治愈心臟病，提供了非常好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

航天員在國(guó)際空間站做實(shí)驗(yàn)

早年，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏仙闪宋镔|(zhì)的第五種狀態(tài)，被稱為“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體”，其性質(zhì)與固體、液體、氣體、等離子體完全不同。這是榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)基礎(chǔ)研究成果。

2018年，美國(guó)宇航局的冷原子實(shí)驗(yàn)室將原子降低到超冷溫度，用地球上不可能的方式研究其性質(zhì)，首次在空間軌道上生成了這種物質(zhì)狀態(tài)。據(jù)說(shuō)，這項(xiàng)成果可能幫助人類進(jìn)一步深入了解量子力學(xué)基本定律。

芯片是近年來(lái)的國(guó)際熱點(diǎn)，但傳統(tǒng)電子芯片性能已經(jīng)逼近極限，利用生物力量的組織芯片研究方興未艾。組織芯片由柔性塑料制成，有端口和管道，可為內(nèi)部細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)和氧氣，通過(guò)比拇指更小的微型設(shè)備驅(qū)動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)人體器官的功能。

美國(guó)已發(fā)起“太空組織芯片計(jì)劃”，在國(guó)際空間站微重力環(huán)境下研究模擬肺、腎、大腦、腸道等器官的芯片，更好地了解并改善人類健康，爭(zhēng)取早日攻克某些“不治之癥”。

展望未來(lái)多姿多彩

太空實(shí)驗(yàn)室仍有很大的改善空間，既包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，還涉及到未來(lái)形態(tài)、配置。

今年，我國(guó)將全面完成以天和核心艙、問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙為基本構(gòu)型的T型天宮空間站建造，建成國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，未來(lái)太空實(shí)驗(yàn)探索之路令人充滿期待。

建成后的中空間站示意圖

據(jù)公開(kāi)資料顯示，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向空間生命科學(xué)研究，配置了生命生態(tài)、生物技術(shù)和變重力科學(xué)等實(shí)驗(yàn)柜，能夠支持開(kāi)展多種類植物、動(dòng)物、微生物等在空間條件下的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、衰老等響應(yīng)機(jī)理研究，以及密閉生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并通過(guò)可見(jiàn)光、熒光、顯微成像等多種在線檢測(cè)手段，支持分子、細(xì)胞、組織、器官等多層次生物實(shí)驗(yàn)研究，還支持開(kāi)展不同重力條件下生物體生長(zhǎng)機(jī)理的對(duì)比研究。

通過(guò)規(guī)劃部署的13個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜、艙外暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及未來(lái)共軌飛行的巡天望遠(yuǎn)鏡，科研人員可以在軌實(shí)施空間天文、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)等8個(gè)學(xué)科領(lǐng)域、30余個(gè)研究主題的數(shù)百項(xiàng)科學(xué)研究與應(yīng)用項(xiàng)目。

據(jù)悉，計(jì)劃于10月發(fā)射的夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙主要面向微重力科學(xué)研究，配置了流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、基礎(chǔ)物理及航天技術(shù)試驗(yàn)等多學(xué)科方向的實(shí)驗(yàn)柜，支持開(kāi)展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎(chǔ)燃燒過(guò)程、材料凝固機(jī)理等物質(zhì)本質(zhì)規(guī)律研究以及超冷原子物理等前沿實(shí)驗(yàn)研究。

另外，中國(guó)科研人員將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構(gòu)成在太空中頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度最高的時(shí)間頻率系統(tǒng)，開(kāi)展引力紅移、精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量等前沿科學(xué)研究。

隨著商業(yè)航天發(fā)展如火如荼，國(guó)外規(guī)劃的商業(yè)空間站也將設(shè)置太空實(shí)驗(yàn)艙，主要從事有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的太空科研實(shí)驗(yàn)，涉及生物醫(yī)藥、特殊材料、新能源等領(lǐng)域。

未來(lái)太空實(shí)驗(yàn)艙的形態(tài)、配置會(huì)有什么變化？除了科研設(shè)施更完備外，人員在太空長(zhǎng)期工作生活所需將是重要的考慮因素。一方面，太空太陽(yáng)能發(fā)電站等能源供給設(shè)施有望取得進(jìn)展，緩解能源困境，與太空實(shí)驗(yàn)艙里的研究項(xiàng)目相互促進(jìn)。另一方面，隨著太空環(huán)境精確控制能力進(jìn)步，不排除人造重力部分實(shí)用化，使未來(lái)太空實(shí)驗(yàn)艙乃至空間站不同區(qū)域具備不同的重力條件，有助于人員更好地工作生活，太空實(shí)驗(yàn)也有望取得新環(huán)境下的新成果。