国际空间站俄罗斯舱段20年主要科研活动及未来部署综述

范唯唯，杨 帆，韩 淋，王海名

(中国科学院科技战略咨询研究院,北京100190)

1 引言

2018年,国际空间站(International Space Station,ISS)迎来在轨运行20周年。ISS是以美俄为首、多国合作建设的、可保障在近地轨道开展基础性和应用性研究的多功能科学实验室,为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源,支持人在地球轨道长期驻留。ISS开展的实验研究整体上明显呈现逐年递增之势,应用活动蓬勃发展,相关效益日益彰显。

ISS主要分为美国部分和俄罗斯部分,俄罗斯舱段占据整个ISS的“半壁江山”,目前包括“曙光”号多功能货舱、“星辰”号服务舱、“码头”号对接舱、“搜寻”号和“黎明”号小型研究模块共5个舱段。截至第53/54次长期考察任务(2018年2月28日),俄罗斯舱段共执行36次考察任务,开展了175项科学实验,取得一系列科研成果,为后续空间科学研究打下了坚实基础。未来俄罗斯还将建造并发射3个舱段,有望在2024年ISS结束任务前完成全部7个俄罗斯舱段的部署,并在新舱段的基础上,建立独立运行的本国轨道空间站,持续开展科研活动,扩大应用效益。

本文就20年来ISS俄罗斯舱段整体科研情况进行综合分析,梳理各研究领域的重要科研成果,对具有代表性的实验进行深入解读,并简要剖析俄罗斯舱段2024年后的规划部署和未来走向,为我国规划空间站研究活动和未来发展空间基础设施发展提供借鉴与参考。

2 俄罗斯舱段科研活动分析

2.1 主要研究方向

早在正式建设ISS之前,俄罗斯就已经开始规划未来ISS俄罗斯舱段的科学应用研究工作。1994年,在俄罗斯科学应用研究和载人航天实验计划基础上,俄罗斯航空航天局(现为俄罗斯航天国家集团公司,Roscosmos)和俄罗斯科学院共同成立了科学技术协调委员会,负责高效完成载人航天任务中的科学应用研究计划［1］,制定《国际空间站俄罗斯舱段长期科学应用研究计划》,明确了俄罗斯舱段的研究领域［2］。目前执行的是2017年修订的版本,包括技术开发与验证、人体研究、教育活动与推广、生物学与生物技术、物理科学及地球与空间科学等6大研究领域［3］。

截至第53/54次长期考察任务,俄罗斯舱段共执行了36次考察任务,在6个领域开展175项科学实验,各研究领域实验项数统计结果如图1所示。可以看出,俄罗斯舱段有一半以上的实验都是人体研究和生物学与生物技术领域的研究,分别为47和44项,其次是开发与验证和地球与空间科学领域的研究。

有的实验会在多次考察任务中开展,实验次数可以反映出研究的持续性。各研究领域实验次数统计结果如图2所示,可以看出绝大多数研究领域的持续性态势与实验项数比例基本相符,人体研究和生物学与生物技术仍是重点关注的研究领域,其中生物学与生物技术实验开展的次数最多,共计656次。

按照长期考察任务次序统计各研究领域的实验开展情况,如图3。可以看出,俄罗斯舱段开展的实验数量呈整体上升趋势,物理科学、地球与空间科学领域的实验项数基本平稳,而生物学与生物技术、人体研究、技术开发与验证等3个领域的实验项数波动幅度较大,教育活动和推广领域的实验曾中断很长时间,从第15次考察任务开始才恢复并保持平稳。第35/36至43/44次考察任务期间,俄罗斯舱段的人体研究领域项目增长明显,实验由5项增至25项,此后也继续保持平均18项/期的水平。

2.2 重要科研实验及代表性成果

2.2.1 技术开发与验证

技术开发与验证旨在发展并改进空间技术及其组件,开发新的空间技术提高舱段利用率,开发未来空间基础设施关键组件。俄罗斯舱段主要开展天-地空间系统和航天器技术开发、可靠性保障与降低飞行和科研风险等方向的研究。

空间站运行维护方面,俄罗斯舱段重点关注平台各技术结构的动态特性。例如“辨识”实验,是俄罗斯舱段开展时间最久的实验,旨在探究空间站处于不同动态运行状态时(如对接、轨道校正和出舱活动等),俄罗斯舱段结构的动态载荷和技术实验环境的加速度水平［4］。“弯曲”实验累计开展31次,旨在监测ISS重力环境,建立空间站重力环境和对流过程的数学模型,研究“进步-M”号货运飞船在不同载荷模式下的运行状态,确定飞船的微重力环境参数［5］。

轨道控制方面,俄罗斯舱段侧重评估舱段惯量、提高姿态控制精度。例如“张量”实验是建站初期曾多次开展的实验,旨在获取ISS运行及导航管理系统传感器信息和安装在空间站外部的摄像机信息,测定空间站动力学参数(惯性矩、气动学参数和重心位置等),提高空间站控制系统的数学模型精度［6］。“国际空间站环境”实验累计开展24次,是一项ISS动态特性综合研究,考虑空间站结构变形因素,监测科学仪器和传感器的空间位置、参数,记录磁参数和在轨微重力扰动情况［7］。

先进技术开发方面,俄罗斯舱段开展了“回路”系列实验［8］：“回路-1”开发并研究通过公共网络安全操作远程机器人的方法,并考虑无法预知的网络延迟因素；“回路-2”测试机器人遥控技术,服务未来太阳系探测任务。

2.2.2 物理科学

物理科学旨在研究微重力环境下各种物理和化学过程；空间材料科学,制备在陆地条件下无法获取或难以获取的新物质与材料；地面技术现代化研究；为先进载人空间设施和无人探测器开发关键技术进行技术储备。俄罗斯舱段主要开展晶体培育、新材料获取过程、燃烧和合成物理学、流体物理学、有序的等离子尘埃结构等方向的研究。

虽然俄罗斯舱段开展的物理科学领域实验不多,但每个实验都持续开展了很长时间,体现出目标专一的特点。例如“等离子晶体”实验,累计开展33次,其中4次是和欧洲空间局(ESA)合作进行的；重点研究高频电容放电时气体排出的等离子尘埃结构和直流辉光放电时等离子体中的等离子尘埃结构,宇宙辐射紫外线对宏观离子的影响,以及太阳紫外线、等离子体流和电离辐射的影响下宇宙空间里等离子尘埃的结构［9］。另一项长期开展的实验是“晶体皿”实验,重点探究蛋白质结晶的物理过程,以期得到适用于X射线分析的蛋白质单晶结构,并用人工外延法分析溶液的生物结晶膜,开发大量蛋白质晶化的设备和方法［10］ 。

2.2.3 地球与空间科学

地球与空间科学旨在研究地球表面、大气层和电离层的物理过程。俄罗斯舱段主要开展大气和下层表面研究、研究并识别自然和人为灾害、遥感新方法和新技术开发、测量设备校准与实验数据结果验证、信息储存与数据交换新技术开发等方向的研究。

地球环境和灾害监测方面,俄罗斯舱段开展的一些实验延续了和平号空间站的工作,例如“飓风”实验,累计开展34次,从俄罗斯舱段监测和记录灾害性事件的产生发展,制定分类标准,并解析灾害发生的特征［11］。“渔船”实验利用航天员的观测结果,寻找多种水生生物潜在捕捞区,为创建世界各大洋渔业资源信息库做准备,并为制定渔业科学探索和工业开发计划提供建议［12］。“微波辐射计”实验开发利用分米级电磁波进行地球遥感测量的方法,测定土壤含水量、植被覆盖参数和海洋盐度［13］。

地球高层大气研究方面,俄罗斯舱段侧重获取有关大气放电现象的新知识,发展逃逸电子击穿动力学理论。例如“环境”实验,利用技术和仪器手段监测低频电磁波,测量电离层最活跃区域(F2层)的等离子波,建立地球电离层电磁监测数据库,帮助监测和预防发生灾难性变化［14］。俄罗斯舱段还在建站初期和运行中期开展了“闪电”系列实验：“闪电-SM”研究地球大气层和电离层中与雷暴和地震活动相关的光辐射,统计全球中、低纬度地区雷暴活动数据,研究地震活跃区夜空发光现象；“闪电-伽马”研究雷暴活动期间的大气伽马射线暴和光辐射,成功通过实验验证Sprite放电现象和Jet放电现象,证实Sprite和Jet是高空大气击穿时产生的逃逸电子理论［15］。

空间物理研究方面,俄罗斯舱段重点研究太阳活动、地球磁层、电离层状态及其相互关系。例如“BTN-中子”实验,累计开展23次,旨在建立太阳耀斑爆发时产生带电和中性粒子的物理模型和地球大气层中子反射率物理模型,并考虑氦气、地球物理环境、测量点经纬度变化、昼夜时间、光照条件和大气状态的影响［16］。

2.2.4 人体研究

人体研究是俄罗斯载人航天科研计划中最受关注的研究领域之一,旨在获取保障载人航天飞行的医疗系统数据,包括未来月球和火星飞行,解决生命科学领域的基础问题。俄罗斯舱段主要开展空间医学、生理学、心理学、生理心理学、辐射物理学、人体各系统、航天员关系和活动等方向的研究。

如何保障航天员执行长期飞行任务期间的健康状态是每次载人任务需要优先考虑的问题。俄罗斯在该领域多次开展系列实验,通过持续性研究,获取准确的人体变化数据。例如“章鱼”系列实验［17］：“章鱼-MBI”测定细胞内液与细胞外液的总量、体液总量、血液总量以及血细胞占血液的比例；“章鱼-2”旨在研究长期空间飞行条件下人体动力学和体液分布,开发评估人体适应机制和预防失重对人体造成不利影响的方法［18］。“牙周”系列实验［19］：“牙周-1”研究牙周组织状态,测定口腔液的免疫球蛋白浓度和口腔微生物抗体与病原体比例,研究牙周微生物特性,探究牙周病预防方法；“牙周-2”评估空间飞行条件下牙周微生物检测方法及其效果。 “预防”系列实验［20］：“预防-1”探究由失重引发的运动系统疾病预防方法的有效性和作用机理；“预防-2”研究在长期空间飞行条件下,不同种类的体育锻炼对航天员身体和生理健康状态的影响与机制,测定不同飞行阶段航天员进行肌电运动和自行车训练时产生的能量消耗和肌电值,评估不同生理监测方法的信息量,研究不同训练模式对航天员工作效率的影响,开发监测航天员身体健康的新方法。

2015年3月,Roscosmos与美国国家航空航天局(NASA)各派出1名航天员合作开展了一年期人体研究项目,以评估长期空间飞行对人体的影响,共包括8项实验［21］：①“认知”实验研究疲劳对复杂神经认知功能的影响；②“精细动作”实验研究失重状态对人体感知和运动功能的影响；③“视觉器官健康”实验研究颅内压视力障碍的产生机制及其预防、治疗措施；④“反应自检”实验研究航天员的心理变化；⑤“睡眠监控”实验监测、记录航天员的梦,研究其与环境光线的关系；⑥“协作实验-2”研究ISS多国航天员间的人际和互动关系；⑦“体液转移”实验研究长期空间飞行之前、期间和之后体液转移与颅内压和视力损伤的关系；⑧“飞行员-T”实验通过记录航天员完成复杂操作任务的情况,评估和预测航天员的专业可靠性。航天员返回地球后,NASA对执行一年期任务的航天员进行了多项功能性测试(如肌肉敏捷性、姿势控制和保护稳定),初步结果表明［22］：执行一年期任务的航天员与在轨生活6个月的航天员的表现不存在显著差异；但与执行6个月任务的航天员相比,由于身体行动力的变化,执行一年期任务的航天员所需的重力再适应时间更长。

2.2.5 生物学与生物技术

生物学与生物技术是俄罗斯舱段实验开展次数最多的研究领域,旨在研究空间飞行状态下生物体(动物、植物、微生物、细胞)的生命活动,生物组织破坏过程,器官和组织再生特性,细胞间相互作用,生物技术产品试验性开发,获取关于生命科学基本问题的新认识。俄罗斯舱段主要开展蛋白质晶体分析、高纯度生物制剂制造、生物对象所需特性的细胞培养、在轨制备医疗和生物技术产品的生物工艺学等方向的研究。

微生物学研究方面,俄罗斯舱段重点关注与航天生态安全相关的问题［23］。例如“生物风险”实验,通过获取细菌-真菌团、典型微生物群的表型自适性和基因的变化表现(边界)数据,证明一些隐生和处于休眠状态的生物(细菌、真菌、动物和植物)长期暴露(2年7个月)于空间辐射环境后,仍具有生命力［24］。

植物生物学研究方面,俄罗斯舱段开展了“植物”系列实验,连续种植了4代豌豆,作为空间生命保障系统的一部分,旨在解决未来温室基础生物学和优化植物栽培模式问题,实验结果表明［25］：长期空间飞行条件下可以种植植物,且继续种植植物种子,培育出的下一代植物不会丧失原有遗传功能。

动物生物学研究方面,俄罗斯舱段开展了“再生”系列实验,评估失重对动物受损器官和组织在结构和功能恢复方面的影响,以及空间飞行中异常情况(在轨飞行、恒温、超重、辐射、振动)对动物组织再生的影响［26］。

细胞生物学研究方面,俄罗斯舱段开展了“恒量”系列实验：“恒量-1”测定空间飞行因素对特殊培养基里的酶制剂样品活性的影响,“恒量-2”获取空间因素对人类淋巴细胞和小鼠骨髓细胞成活率和遗传组织状态影响的新数据［27］。

2.2.6 教育活动和推广

教育活动与推广旨在推广空间研究,宣传俄罗斯航天取得的成就,开展以教育为目的的科学实验和空间主题课程。

俄罗斯的航天类院校积极利用俄罗斯舱段开展教育活动研究,并在空间科学教育-中小学科研卫星计划框架下开展微小卫星释放活动。例如“国际-莫斯科航空学院-75”实验,将超微型卫星“suitsat”安置在废旧航天服“海鹰-M”上,向莫斯科航空学院发送语音信息和图像,支持通信会话,方便高校用户获取航天器控制方面的经验［28］。“齐奥尔科夫斯基国立技术大学-75”实验,视频演示预先压实的聚氨酯泡沫坯样品加热后恢复和冷却定型过程,为学生提供地面实验室和空间环境下研究多孔聚合物材料结构的实践机会［29］。

3 未来俄罗斯舱段部署

目前国际空间站共有5个俄罗斯舱段,包括：“曙光”号多功能货舱、“星辰”号服务舱、“码头”号对接舱、“搜寻”号和“黎明”号小型研究模块［30］。2000年7月发射的“星辰”号服务舱是国际空间站上首个用于开展科学实验的舱段,时隔9年后,俄罗斯于2009年11月和2010年5月先后发射“搜寻”号和“黎明”号小型研究模块用于开展空间实验,“星辰”号的科研压力得以部分缓解。但由于“星辰”号和“黎明”号舱段空间有限,目前俄罗斯舱段超过50%的实验仍在“星辰”号服务舱完成。

随着俄罗斯《2016－2025联邦航天计划》的逐步落实,未来俄罗斯空间站规划日益清晰。未来三年,俄罗斯还将向国际空间站发射“科学”号多功能实验舱(以取代“码头”号对接舱［31］)、“系留”号节点舱和科学动力舱3个舱段［32-33］,《2016－2025联邦航天计划》为这三个舱段提供106亿卢布(约合1.8亿美元)拨款。俄罗斯拟在2024年ISS结束任务前完成全部7个俄罗斯舱段的部署,并确保其正常运行。此后,在这3个新舱段的基础上,建立本国空间轨道站,示意图如图4所示［34］。根据《2024年前国际空间站俄罗斯舱段长期科学应用研究计划》,“科学”号多功能实验舱将作为安置科研设备的重要舱段,承担大部分科学实验的研究任务,保障俄罗斯舱段的高效利用。

3.1 “科学”号多功能实验舱

“科学”号多功能实验舱的研究工作始于1995年,最初被当作“曙光”号多功能货舱的备用舱,后于2004年作为独立的科学舱进行研发,并计划于2007年发射。出于种种原因,“科学”号的发射被不断推迟。2013年12月,“科学”号推进系统管道出现堵塞,送回赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心进行检修,并停放至今。“科学”号设计质量超过20 t,可以安装3 t的科学设备,其主要功能包括：为运输飞船(“联盟-TM”型载人飞船、“进步-M”型货运飞船及其改型飞船)和研究模块提供对接泊位；从“进步-M”型货运飞船向“星辰”号服务舱和“曙光”号多功能货舱运输燃料；利用其推进装置控制ISS倾斜姿态；提供存储空间；维护部分生命保障功能；安置欧洲机械臂ERA并保障其运行；配置并保障科学设备运行。根据俄媒最新消息,“科学”号可能于2019年发射［35］。

3.2 “系留”号节点舱

“系留”号节点舱于2014年开始制造,提供6个对接泊位,可与“科学”号多功能实验舱、科学动力舱、“联盟-TMA”型载人飞船和“进步-M”型货运飞船对接［33］。

3.3 科学动力舱

科学动力舱主要用于开展空间站实验,并保障俄罗斯舱段的电力供应。目前,俄罗斯舱段的电力资源需从美国舱段购买,美国舱段的太阳能电池板可以产生32 kW的电能。未来,科学动力舱将提供不少于18 kW的电能,可以满足全部俄罗斯舱段的电力需求。此外,科学动力舱还可使俄罗斯航天员的居住空间扩展近1/3［33］。

4 结论

1)俄罗斯舱段实验别具特点,新知识助力国家发展

从1998年国际空间站第一个舱段“曙光”号发射以来,俄罗斯舱段历经十余年完成建设,目前共有5个舱段。截至53/54次长期考察任务,俄罗斯舱段在6个研究领域累计开展了175项科学实验,其中以人体研究领域的实验最多。俄罗斯舱段的实验具有目标聚焦、累计开展次数多、延续性强的特点,一些重要的研究领域,如生物学与生物技术领域和人体研究领域,常开展系列实验,且每期实验的研究重点围绕总目标逐步深入。

从实际效果看,俄罗斯舱段利用独特的微重力环境不断获取和积累各研究领域的新知识,并将研究成果应用于社会生产,在促进航天技术发展的同时,也产生了巨大的社会经济效益：技术开发与验证实验旨在完善航天设备和技术,为未来深空飞行做准备；地球与空间科学、物理科学领域的研究成果增进人们对地球和宇宙空间环境的理解与认识；根据人体研究领域的实验成果开发出的医学检测和治疗仪器、康复训练方法等已经成功在临床上得到应用；生物学与生物技术领域的部分成果帮助开发高效的新型药物,使民众受益；在俄罗斯舱段实施的教育计划极大地鼓舞了年轻人投身航天事业,为国家持续输送航天人才。

2)俄罗斯舱段建设持续推进,未来独立运行或成定局

2015年,俄罗斯总统普京曾表示,俄罗斯需要利用自己的轨道空间站对国家领土进行观测［36］。2016年 3月,俄罗斯政府批准《2016－2025联邦航天计划》,将“完成国际空间站俄罗斯7个舱段的部署”列为未来十年航天计划的主要任务之一,并特别提出“保障在国际空间站任务结束后,仍可在3个新舱段的基础上建立俄罗斯轨道空间站”［33］。

目前俄罗斯共有5个舱段在轨运行,其中“星辰”号服务舱、“搜寻”号和“黎明”号小型研究模块等3个舱段可以开展科学实验。未来几年,俄罗斯还将发射3个舱段,持续推进空间站建设,新增“科学”号多功能实验舱和科学动力舱将作为科研舱段,极大提升俄罗斯舱段的利用率。从目前掌握的情况来看,俄罗斯舱段建设正在按计划进行。

与此同时,俄罗斯积极参与空间基础设施国际合作。2015年与国际空间站各参与国达成协议,同意延长国际空间站运行时间至2024年。2017年,Roscosmos与NASA签署深空探索及开发联合声明,提出共同建立“深空门户”近月轨道平台,在月表和近月轨道开展科学研究［37］。

总体判断,俄罗斯采取“两条腿走路”的务实策略,在开展国际合作的同时,稳步推进自己的空间站计划,未来独立运行或成定局。