太空實驗不怕“暴露”，門道知多少

近日，中國空間站上的空間輻射生物學(xué)暴露實驗裝置經(jīng)由機械臂抓取，從夢天實驗艙貨物氣閘艙出艙，隨后被安裝到艙外暴露平臺上，開機工作正常。我們常見的太空實驗一般是在防護(hù)嚴(yán)密的航天器艙內(nèi)進(jìn)行的，為什么一些實驗需要暴露在太空環(huán)境中？這些實驗有何特殊之處？又具備哪些獨特價值呢？

暴露實驗講究不少

顧名思義，暴露實驗就是將實驗材料暴露于某種特殊環(huán)境中，觀察實驗材料會發(fā)生怎樣的特殊變化。而艙外暴露實驗指的是將實驗材料暴露于航天器艙外太空環(huán)境中，利用復(fù)雜多樣的太空影響因素，觀測實驗材料的微妙變化，航天員和地面團隊在此過程中充分收集實驗數(shù)據(jù)，分析樣本變化機理，解析背后規(guī)律。

空間輻射生物學(xué)裝置安裝在夢天艙暴露平臺

空間站等航天器漂浮在太空環(huán)境中，擁有非常理想的微重力科學(xué)實驗環(huán)境，能夠完成許多地面上難以完成的實驗。不過，對于某些實驗?zāi)繕?biāo)來說，微重力環(huán)境是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要更接近真空的條件。而空間站內(nèi)部為了維持航天員健康狀態(tài)，仍然保持著地球海平面大氣壓水平，空氣成分也與地球大氣近似。

同理，空間站內(nèi)不可能長期維持威脅航天員生命健康的輻射源，這又無法滿足某些實驗的輻射需求。于是，科研人員為空間站設(shè)計了艙外暴露平臺，以便開展需求更“極端”的特殊太空實驗。

那么這些太空實驗有哪些特殊要求呢？

首先，它們需要利用地表基本上無法模擬的外部空間環(huán)境。雖然太空經(jīng)常被稱為“真空”，但其實那里并不是空無一物的?？臻g站所處的近地軌道上存在著各種各樣的復(fù)雜物質(zhì)，從直徑最小僅有數(shù)微米的微流星體，到大氣層邊緣產(chǎn)生的原子氧，再到難以估量的有害輻射等，都為實驗材料特性變化提供了前提條件。

其次，這些實驗不會過于依賴航天員操作。由于太空環(huán)境對于人體來說過于惡劣，航天員出艙活動前必須穿戴具備復(fù)雜維生功能的艙外航天服，而且任務(wù)間隔和時間受到嚴(yán)格限制，不可能經(jīng)常出艙照看實驗設(shè)備和材料。

最后，實驗裝置需要盡量確?？煽啃?，提升綜合效率。由于航天員無法經(jīng)常出艙照護(hù)，機械臂操作也難免存在限制，因此艙外暴露平臺和實驗裝置在設(shè)計時要預(yù)先考慮各種意外因素，盡量在更長時間內(nèi)開展更多太空實驗。

比如，我國空間輻射生物學(xué)暴露實驗裝置內(nèi)部設(shè)計了13個裝載生物材料的樣品盒單元，按計劃可工作約5年，陸續(xù)為多個科學(xué)實驗項目提供服務(wù)。

國外實踐收獲頗豐

在國外航天界，艙外暴露實驗已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年，收獲了不少頗有意義的經(jīng)驗成果。

1970年，美國宇航局蘭利研究中心開始著手設(shè)計一款特殊的科學(xué)實驗衛(wèi)星。在經(jīng)過14年論證和研制后，該衛(wèi)星被直觀地命名為“長時間暴露設(shè)施”，足有校車大小，1984年4月6日由挑戰(zhàn)者號航天飛機攜帶升空，成為截至目前唯一的專門用于艙外暴露實驗的衛(wèi)星。

按計劃，這顆衛(wèi)星應(yīng)該在軌運行一年半左右之后被帶回地面，但由于1986年初挑戰(zhàn)者號航天飛機遭遇不幸，其返回時間一再推遲，直到1990年初被哥倫比亞號航天飛機從軌道上帶回。在延長服役期間，該衛(wèi)星驗證了材料和設(shè)計的可靠性，利用多個國家的實驗材料（從番茄種子到航天器涂層），累計完成了57項實驗，實驗成果也是五花八門。

衛(wèi)星的載荷能力畢竟有限，空間站才是專業(yè)的太空實驗室。20世紀(jì)90年代，在俄羅斯和平號空間站上，美國航天專家專門開發(fā)了一個艙外暴露平臺，名為“和平號環(huán)境影響載荷”，并在1996年3月27日由亞特蘭蒂斯號航天飛機攜帶升空，在和平號空間站外部暴露工作一年左右。

上述兩個平臺上產(chǎn)生了不少實驗成果，為國際空間站的設(shè)計完善作出了巨大貢獻(xiàn)。目前，國際空間站上有4個專業(yè)艙外暴露平臺，分別位于歐空局哥倫布號實驗艙、日本希望號實驗艙、俄羅斯星辰號核心艙和框架結(jié)構(gòu)上。

不過，在這4個平臺上進(jìn)行的暴露太空實驗由各國研究機構(gòu)分別開展，這樣固然提高了靈活性和多樣性，卻也留下了資源協(xié)調(diào)利用方面的遺憾。

神舟十六號乘組將載荷安裝至載荷轉(zhuǎn)移機構(gòu)

從新材料到生物學(xué)

艙外暴露實驗具體能做什么呢？考慮到太空環(huán)境和相對獨立運作的特點，主要包括材料實驗和生物學(xué)實驗兩大類。

微流星體、原子氧和各種宇宙射線對于金屬、塑料等材料有著異常強勁的腐蝕變質(zhì)作用，會導(dǎo)致材料發(fā)生復(fù)雜的物理與化學(xué)變化，進(jìn)而喪失固有特性。

科研人員可以反過來利用這一點，將一批材料放置在艙外暴露平臺上，充分經(jīng)受太空“風(fēng)吹雨打”，然后取回進(jìn)行檢測。通過研究材料的最終狀態(tài)，有助于科研人員判斷材料的耐腐蝕性能，定向擇優(yōu)發(fā)展，合成耐腐蝕性能更強的新材料。

太空未必是生命禁區(qū)，在艙外暴露平臺上也能夠開展各種重要的生物學(xué)實驗。

比如，古老的微生物藍(lán)藻對于地球生態(tài)十分重要，它在太空中是否能發(fā)揮近似的作用？科研人員將藍(lán)藻樣本放置于暴露平臺上一段時間后，將其基因序列與空間站內(nèi)、地球上的對照組進(jìn)行對比分析，觀察其“基因表達(dá)”和生理形態(tài)是否發(fā)生了根本性變化。

未來，人類有望建立月球和火星基地，不可避免地需要建設(shè)自給自足的外星球生態(tài)圈，相信類似藍(lán)藻這樣能夠產(chǎn)生氧氣的微生物會在其中發(fā)揮巨大作用。

載荷出艙畫面

據(jù)公開資料顯示，我國空間輻射生物學(xué)暴露實驗裝置可適用于植物種子、微生物、小型動物等開展在軌實驗，將為人體、生物體的輻射損傷、遺傳變異和輻射防護(hù)藥品制備、輻射風(fēng)險生物學(xué)評估提供服務(wù)，對我國航天員在軌長期生存、載人登月等都具有重要意義。

比如，如果我們未來想要在月球甚至火星上發(fā)揮“種菜天賦”，那么就需要優(yōu)中選優(yōu)，培育出更適應(yīng)高輻射和微重力環(huán)境的新品種。國際空間站上已完成了多次植物種子艙外暴露實驗，相信隨著我國空間站進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展新階段，更加新奇多彩的生物學(xué)艙外暴露實驗一定會越來越多。

當(dāng)然，艙外暴露平臺能做的遠(yuǎn)不止這些實驗。配備合適的載荷后，在這里可以開展空間輻射醫(yī)學(xué)與防護(hù)實驗、空間輻射資源開發(fā)測試、生命起源與進(jìn)化等前沿研究……這些都是空間站這個“太空前哨站”為人類作出的持續(xù)貢獻(xiàn)。（作者：石曉龍 把關(guān)專家：中國航天科技集團科技委副主任 江帆）