“国际空间站”俄罗斯舱段的发展与应用研究

苑艺（北京空间科技信息研究所）

自1998年11月“国际空间站”（ISS）第一个基础组件—俄罗斯曙光号（Zarya）功能货舱成功发射以来，ISS已成功在轨运行近21年，目前计划延期运营至2024年，并对站上设备进行全面评估，研究其是否具备延期工作至2024年以后的可能性。ISS俄罗斯舱段现阶段仍处于建造之中，目前由五部分组成，后续计划再发射3个舱段，对现有舱段进行补充，待ISS退役后，俄罗斯计划以部分在轨舱段为基础建造本国独立轨道站。

为充分开展在轨应用，俄罗斯在ISS建造之初便制定了《“国际空间站”俄罗斯舱段计划开展的科学应用研究与实验长期规划》，确定了十个研究领域，此后不定期对规划内容进行更新，用以指导ISS俄罗斯舱段开展应用研究。俄罗斯发布的2018年版科学应用研究与实验长期规划中明确了六大研究领域，同时公布了299项计划开展及已经完成的实验项目。

1“国际空间站”俄罗斯舱段基本情况

目前在轨情况

随曙光号功能货舱成功发射，俄罗斯分别于2000年7月发射了星辰号（Zvezda）服务舱，2001年9月发射了码头号（Pirs）对接舱（SO－1），2009年11月发射了搜索号（Poisk）迷你研究舱－2（MIM－2），2010年5月发射了破晓号（Rassvet）迷你研究舱－1（MIM－1）。目前，上述五部分构成“国际空间站”俄罗斯舱段在轨运行，总质量约64t，密封舱总体积约197m3。本着“边建造边利用”的原则，“国际空间站”俄罗斯舱段正定期接受航天员造访，并有序开展相关应用及实验研究。

后续发展规划

“国际空间站”俄罗斯舱段计划用于为实现月球和火星飞行提供必要的技术保障，以及研究人类在太空中长期驻留技术等。根据俄罗斯航天国家集团（ROSCOSMOS）2016年发布的《2016－2025年俄罗斯联邦航天规划》，俄罗斯计划持续运营“国际空间站”至2024年，并计划先后补充科学号（Nauka）多功能实验舱、停泊号（Prichal）节点舱和科学-动力舱，并对俄罗斯在轨舱段进行维护，待ISS退役后，以部分在轨舱段为基础建造本国独立的轨道站。

俄罗斯舱段当前在轨结构示意图

在研舱段主要性能参数

（1）科学号多功能实验舱

科学号多功能实验舱主要用于开展在轨应用，其发射质量21.2t，密封舱体积70m3，设计寿命10年，载有大量科学实验装置，其中可安装单质量达3t的实验设备。密封舱内设有9个多功能工位，同时有6m3的空间可用于安装科学仪器，舱内配有舷窗用于安装光学仪器；密封舱外设有至少13个专用载荷（其中包括两个装有有源有效载荷适配器的平台）可同时进行工作。多功能实验舱还载有机械接口、真空接口、确保科学设备恒温接口、多功能实验舱综合装置控制系统（SUBK）的科学设备供电接口、SUBK与科学设备间的信息指令接口，同时可在空间实验进行期间为其提供所需的工作条件，保存原始材料和实验结果。此外，为了可以在多功能实验舱开展长期科学-应用研究项目，舱上还设有防震台、手套箱和恒温箱等专用实验设备。

俄罗斯舱段建造完成后在轨结构示意图

科学号多功能实验舱外形图

目前，科学号多功能实验舱计划于2020年使用质子-M（Proton-M）运载火箭从拜科努尔航天发射中心发射升空，并与星辰号服务舱的天底点进行对接。

（2）停泊号节点舱

停泊号节点舱呈球形，直径3.3m，密封舱体积19m3，发射质量4.75t，在轨质量3.89t，配有6个对接口。尽管体积不大，但这个球形舱却在俄罗斯航天计划中扮演着重要角色，其不仅将用于连接科学号多功能实验舱与后续将发射的科学-动力舱，还可能作为未来俄罗斯独立轨道站上唯一的永久舱段。未来俄罗斯计划建立的独立轨道站，其结构不同于之前的和平号、和平二号空间站以及目前在轨的“国际空间站”，而是以该节点舱为中心，连接多功能实验舱、科学-动力舱等多个舱段，这就意味着其不可替换性，因此对该节点舱的寿命提出了特殊要求，目前，其设计寿命不少于30年。

停泊号节点舱需要对接在科学号多功能实验舱上，原计划于2021年发射，由于科学号多功能实验舱推迟发射，导致停泊号节点舱的发射时间不早于2022年。

停泊号节点舱外形图

科学-动力舱外形图

（3）科学-动力舱

科学-动力舱主要计划用于为俄罗斯舱段提供独立的电力供应，以便待“国际空间站”退役后俄罗斯可以建设独立的轨道站，其发射质量为20.89t，密封舱体积92m3，设计寿命15年，将与停泊号节点舱对接。科学-动力舱将载有总面积达155m2的太阳电池帆板，电池帆板采用特制导向装置与舱段主体相连，该导向装置由俄罗斯主要卫星制造商列舍特涅夫信息卫星系统股份公司（ISS Reshetnev）研制，该公司还负责为舱段研制天线系统。寿命初期，科学-动力舱可提供18kW电力，其中可为其余俄罗斯舱段提供高达12kW的电力供给。此外，科学-动力舱配有新一代天线，使俄罗斯舱段不再依赖美国的卫星网络系统，可以通过射线－5（Luch－5）数据中继卫星与俄罗斯地面飞行控制中心保持24h通信。

科学-动力舱内部设计效仿了美国命运号（Destiny）实验舱和欧洲哥伦布号（Columbus）实验舱，计划安装国际标准有效载荷机柜（ISPR），便于替换服务系统和科学设备。科学-动力舱内设有生命保障系统以及专门的睡眠区，为了充分合理地利用内部空间，部分区域的睡眠设施和科学设备可相互替换。

通州区河流水系较为发达，大部分河堤路可改造成景观绿道，原有路由宽度较窄时，可改造成图4(a)所示断面，打造慢性交通系统，仅供行人和非机动车走行，以休闲观光为主要功能；原有路由宽度较为适宜时，可划分出双向两车道的断面形式，如图4(b)所示；图4(c)为改造的于家务乡凤港减河绿道示意图.

目前，科学-动力舱仍处于研制阶段，由能源火箭航天集团负责整体研制工作。2018年6月，俄罗斯航天国家集团下属主要科学研究机构中央机械制造科学研究所（TsNIIMash）对科学-动力舱的密封舱外壳和非密封舱外壳进行了静态试验，两个外壳均顺利通过该阶段强度测试；2019年6月，科学-动力舱的密封舱通过了寿命测试，证明其密封舱体符合在轨工作15年的技术任务要求。

科学-动力舱内部结构图

2 “国际空间站”俄罗斯舱段应用研究

俄罗斯航天国家集团及其下属机构负责“国际空间站”俄罗斯舱段的运营管理，其中应用实验项目的参与者包括：空间实验提供方、站上实验设备研制方、俄罗斯舱段研制方、航天员训练中心、太空飞行医疗保障机构和地面飞行控制中心。与此同时，为更好地协调站上应用研究工作，俄罗斯航天国家集团与俄罗斯科学院（RAS）联合成立了载人空间设施开展科学应用研究和实验项目科学技术顾问委员会（STAC），其主要工作包括：对计划在俄罗斯舱段上开展的实验项目申请进行遴选；确定在俄罗斯舱段开展科学应用研究和实验项目的目的、任务、重点及优先方向；每年对计划在俄罗斯舱段上开展的长期、短期及其他规划的科学应用研究和实验的实施成果进行分析，审查实验开展情况，制定调整和筹资建议，评估在俄罗斯舱段开展的科学应用研究和空间实验阶段性成果，实现对研究和实验成果的科学审查，并提出对已有成果的进一步使用建议。

为进一步充分利用“国际空间站”俄罗斯舱段部分的资源，2018年6月，俄罗斯航天国家集团正式宣布俄罗斯舱段面向商业实验开放，邀请广大教育和科研机构在站上开展实验，同时发布了《“国家空间站”俄罗斯舱段科学设备及装置名录》，其中列出了站上现有资源，并将科学设备和装置按六大实验领域进行分类，说明其具体用途、组件、尺寸、质量、接口等技术指标参数供客户参考。此外，俄罗斯航天国家集团还专门设立了服务窗口，面向商业客户收集需求，然后由中央机械制造科学研究所的科学技术顾问委员会对实验项目进行专业评估。2018年12月，俄罗斯舱段开展了一项与生物打印技术相关的商业实验，该实验从申请到正式开展花费了约半年的时间，后续俄罗斯还计划成立一个专门的机构负责简化申请流程，同时为实验项目创建一个清晰透明的系统，商业实验项目的申请周期有望进一步缩短，不过具体情况还要根据实验本身的复杂程度而定。

俄罗斯舱段2024年前开展实验情况

在轨开展应用情况

为充分利用“国际空间站”，在舱段建造初期俄罗斯便组织科学教育机构和工业部门开展“国际空间站”俄罗斯舱段的应用研究，收到来自80个组织的406份申请，内容涉及11个领域。专家们对申请内容进行可行性技术评估后，制定了《“国际空间站”俄罗斯舱段计划开展的科学应用研究与实验长期规划》，确定了10个研究领域，此后不定期对规划内容进行更新，用以指导俄罗斯舱段开展应用研究。

2018年发布的新版《2024年前“国际空间站”俄罗斯舱段计划开展科学应用研究与实验的长期规划》中明确了六大研究领域，列出299个计划开展和已完成以及32个因故取消的实验项目。

俄罗斯舱段在技术开发与验证领域计划开展及已经完成的实验项目最多，总计达79项，其次是地球与地球科学（58项）、生物学与生物技术（57项）、人体学研究（54项）、物理科学（30项）和教育活动与推广（21项）领域。目前，俄罗斯舱段开展的实验项目均是在为了解地球、周围环境及整个宇宙，以及探索月球及更远深空做准备。

六大领域实验占比图

各领域重点研究方向

（1）技术开发与验证领域

俄罗斯舱段在技术开发与验证领域开展的实验项目数量占比最高，其实验目的是开发和改进空间技术及其组件，发展新型空间技术工艺以提升俄罗斯舱段的利用率并确保其高效运作，同时为打造先进的深空探测空间基础设施开发关键技术组件。目前，俄罗斯在该领域开展的技术研究主要是为了开发新技术，用来建造地面及站上空间系统、研制卫星及空间探测器等，同时确保航天器的可靠性、降低飞行风险并开展科学研究。首要研究方向是开发新型地面及站上空间系统、卫星、科学设备等，具体包括：①研制新型系统、卫星、飞船、空间站及科研设备；②研究新型材料的耐久性；③研制新型的管理及控制方法；④开发空间技术建造新理念；⑤研制机器人技术设备等。次要研究方向是确保飞行及开展科学研究的可靠性、降低风险，具体包括：①研究结构动力特性及其承载能力；②监测空间站外部环境；③研究飞行轨道上的微陨石及人为活动情况；④研究空间站及其周围的物理环境。

（2）地球与空间科学领域

俄罗斯舱段在地球与空间科学领域开展空间实验的目的包括研究在地球表面、大气层及电离层之间发生的物理过程，研究近地空间及更远深空。该领域研究的重点应用方向之一是建立和发展空间探测器和对地观测技术，以解决当前的社会、经济和科学问题。根据观测结果可以发现、鉴别物理现象并对其进行分类，对与环境保护、天气预报、不利的水文气象相关的自然经济现象和进程进行状态记录并予以监测，同时通过监测，对紧急情况进行规模评估并采取适当的应急措施，尽量将损害降到最低。此外，该领域研究还可用于监测与资源利用相关生产活动的效率，同时对地球演变、环境和气候的变化进行研究。该领域计划及已经开展的空间实验研究方向包括：①大气层及下垫面研究；②生态研究；③研究和诊断自然及人为灾害；④开发新型遥感技术及方法；⑤测量仪器校准，对实验数据处理结果进行验证；⑥开发新型数据交换、存储和加工技术。

（3）生物学与生物技术

俄罗斯舱段在生物学与生物技术领域开展空间实验的目的包括：研究在太空飞行条件下活体生物（动物、植物、微生物、细胞）的生命活动特征；研究生物降解工艺、功能器官和组织的再生特性以及细胞间的相互作用特性；获取先进生物技术产品的基础工艺试验研究；获得关于生命科学基础问题的新认知。空间生物学需要解决的一个重要问题是研究和开发用于保障人类执行更远深空任务所需的方法和技术手段，研究个体发育学发展进程，通过研究长期进行太空飞行的高等异养生物（鸟类、鱼类、植物等）的个体及器官发育，来解决普通生物学、发育生物学、重力生物学的基本问题，建立具有生物循环功能的高级生命保障系统，如可以为航天员提供新鲜食物和部分可再生空气的太空温室。生物技术研究主要包括研究太空飞行过程中影响生命机体的因素；生物活性物质的基因表达；微重力条件下生物工艺进程的渗透特性；X射线衍射分析蛋白质晶体等。该领域计划及已经开展的空间实验研究方向包括：①获取可用于做X射线衍射以及可用于后续研制新型药物的蛋白质晶体；②获取具有专门用途的高纯度生物制剂；③培育细胞并获取可用于医学和兽医学的具有特殊性质的生物体；④研究医学和生物技术产品制造的生物技术过程，用以开发在轨飞行条件下获得生物产品的基础技术，同时改进相应的地面研制技术；⑤开展空间生物技术的主要基地是有人照料的空间站。

（4）人体学研究领域

俄罗斯舱段在人体学研究领域开展空间实验的目的是为了获取新数据，用以改善未来用于执行月球和火星载人航天飞行任务的医疗保障系统，同时解决生命科学领域的基本问题。该领域开展的实验方向包括航天医学、生理学、心理学、心理生理学、辐射物理研究等，以及在太空飞行过程中，空间环境对于人体各系统机能（心血管、呼吸系统、免疫系统、水盐代谢以及荷尔蒙调节等）的影响，还有航天员间的关系以及操作活动等。该领域计划及已经开展的空间实验研究方向包括：①确定人体在空间飞行过程中自身调节可以达到的极限，确保调节过程安全、可逆；②改进用于诊断和预测航天员身体健康状况、心理情绪状态及工作能力的方法和手段；③完善可以稳定和控制航天员状态的方法和设备，预防可能发生的紊乱，并利用远程医疗技术治疗疾病；④开发可以改善航天员心理、生理状态及职业活动的方法和设备；⑤完善辐射监测和辐射情况预测的方法和设备；⑥为安全、高效地飞往月球和火星提供医疗及心理方面的保障。

（5）物理科学领域

俄罗斯舱段在物理科学领域开展空间实验的目的包括：研究微重力条件下的物理和化学进程；通过研究空间材料学获取新材料，包括在地面条件下难以获得的材料和物质；为升级地面技术工艺开展研究；开发和研究关键技术工艺，以便为深空探测和利用外层空间建立先进的载人航天综合系统以及无人探测器。正因为空间站上特殊的实验环境，可以提供地面上很难获得的实验条件，如微重力环境、特定真空值等，使一些空间实验得以顺利开展。该领域计划及已经开展的空间实验研究方向包括：①晶体生长；②获取新材料过程；③空间条件下燃烧和合成物理学；④液体和相变物理学以及迁移现象；⑤有序等离子微粒结构研究。

（6）教育活动与推广领域

俄罗斯舱段在教育活动与推广领域开展空间实验的目的是普及空间研究成果，宣传俄罗斯航天员取得的成就，同时在太空开展以教育为目的的科学实验和主题课程。“国际空间站”俄罗斯舱段作为一个特殊的实验室，不仅可以在站上以深入浅出的形式为学生讲解航天员在太空可以做什么，普及宇航学所取得的成就以及这些成就的实际应用，还可以使学生成为空间实验的参与者。该领域计划及已经开展的空间实验研究方向包括：①科学知识的传播与普及；②科学教育演示实验；③科学技术教育实验；④参与国际合作空间项目。

3 小结

通过对“国际空间站”俄罗斯舱段的发展与应用研究，得出以下结论：

1）明确整体规划目标，及时进行战略性调整。俄罗斯舱段在建立之初就制定了长期发展规划，但由于预算紧张，导致部分舱段的研制工作一再遭遇拖延。在此情况下，俄罗斯根据实际情况及时作出战略调整，更改整体构形并对推迟发射的舱段进行了技术升级，以确保“国际空间站”退役后，能够以部分在轨舱段为基础建立本国独立的轨道站。

2）注重技术成果转化，实现应用效益最大化。俄罗斯舱段开展应用实验具有完备的流程，并且设立专门机构，对来自各方申请的空间实验开展可行性研究、立项论证，择优纳入长期规划方案。与此同时，建立了空间实验成果的保存与应用机制，使感兴趣的用户可以通过申请尽早获取空间实验相关材料，确保实验结果的应用最大化。

3）积极推动公私合作，探索商业化运营模式。“国际空间站”是科学研究和开发太空资源的重要手段，对于俄罗斯而言后续该项目开发的关键任务是通过商业收入减少国家开支，因此正在考虑维护运营成本的基础上实现商业收入最大化。目前，俄罗斯已通过公布有效载荷指标参数、简化空间实验项目申请及审批流程等手段，来吸引更多客户在俄罗斯舱段上开展商业实验。