国际空间站科研应用活动分析与启示

韩 淋，杨 帆，范唯唯，王海名

(中国科学院科技战略咨询研究院，北京100190)

1 引言

国际空间站是多国在合作构思、规划、运行和使用大型空间研究平台方面取得的一项史无前例的重要成就，自其初步组装建设伊始就一直持续开展多学科的科学研究与应用工作。近年来，随着建设阶段的完成，国际空间站已经进入全面应用阶段，科研应用规模持续扩大，并产生了许多科研成果和应用效益。

本文基于美国国家航空航天局(NASA)和俄罗斯国家航天集团(Roscosmos)国际空间站计划网站公布的最新信息[1-2]，统计分析国际空间站科研实验项目，并综合科研论文、部分亮点成果、应用效益等科研产出情况，力图描绘国际空间站科研应用活动全貌，希望为我国未来相关科研应用规划提供参考。

2 国际空间站科研实验项目情况

国际空间站实验项目涉及六大研究领域——生物学与生物技术、技术开发与验证、教育活动和推广、人体研究、物理科学以及地球与空间科学的数十个研究方向[1]。

1)生物学与生物技术领域：包括动物生物学，植物生物学，微生物学，大分子晶体生长，细胞生物学，疫苗开发，微胶囊化等研究方向。

2)技术开发与验证领域：包括空气、水和表面监测，航电设备和软件，表征实验硬件，商业验证，通信与导航，舱外活动系统，灭火和探测，食品及服装系统，成像技术，生保系统和居住，航天器内微生物群落，微重力环境测量，电力产生及分配系统，辐射测量和防护，维修及加工技术，机器人技术，小卫星及控制技术，空间结构，航天器材料，航天器及轨道环境，热管理系统等研究方向。

3)教育活动和推广领域：包括学生开发的研究项目，教育竞赛，教室版本的国际空间站研究项目，教育示范，工程教育，商业演示，文化活动等研究方向。

4)人体研究领域：包括心血管和呼吸系统，神经和前庭系统，综合生理学和营养，骨骼与肌肉生理学，人类行为和绩效，免疫系统，航天员医疗系统，辐射对人体影响，宜居性和人因研究，视觉，人体微生物组研究，交叉学科等研究方向。

5)物理科学领域：包括燃烧科学，复杂流体，流体物理，材料科学，基础物理等研究方向。

6)地球与空间科学领域：包括对地观测，太阳物理，天体物理，近地空间环境研究，宇宙生物学等研究方向。

国际空间站上的科学实验是按照长期考察任务来规划进行的。截至2018年11月，根据NASA和Roscosmos公布的数据，国际空间站长期考察任务组0(2000年9月～11月)至任务组55/56(2018年3月～10月)共开展了1411项实验，研究领域分布如图1所示。从实验项目数量来看，生物学与生物技术、技术开发与验证实验项目最多，地球与空间科学实验项目最少。

图1 国际空间站实验项目的研究领域分布Fig.1 Distribution of research areas in ISS experiments

国际空间站各合作国航天机构依据各自科学研究的总体战略布局与规划，其实验项目所侧重的研究领域各有不同。NASA、Roscosmos、欧洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和加拿大航天局(CSA)在各研究领域支持开展的实验项目数如图2所示。NASA(871项)遥遥领先，ESA(203项)、Roscosmos(177项)、JAXA(132项)的实验项数依次递减，CSA(34项)开展的实验最少[1-2]。从研究领域角度来看，在NASA支持开展的实验中，生物学与生物技术、技术开发与验证和教育类实验最多；ESA以人体研究、物理科学和生物学与生物技术实验居多；Roscosmos以生物学与生物技术、人体研究和技术开发与验证实验居多；JAXA在生物学与生物技术领域支持开展的实验项数远超其他研究领域；CSA在人体研究领域支持开展的实验最多。另外，因存在合作项目，图2中总项目数小于各航天局项目数之和。

从时间轴看，各长期考察任务组在6个研究领域开展的实验项目数如图3所示。国际空间站在应用规模上呈现持续的增长态势，特别是自长期考察任务组19/20(2009年4月～2009年10月)开始实现6名航天员长期驻站，使得科研活动愈发活跃。2018年3月至10月间执行任务的长期考察任务组55/56开展的实验项数已接近300项[1-2]。

图2 各航天局在各研究领域的实验项数Fig.2 Number of experiments by category＆ agency

图3 长期考察任务组0～55/56开展实验情况Fig.3 Number of experiments by expedition

表1对国际空间站长期考察任务组0～55/56期间各研究领域开展的总实验次数和项数进行了比较，可以看出各领域实验的平均重复次数差异较大，地球与空间科学实验的重复次数最多，其次为人体研究，技术开发与验证、物理科学、生物学与生物技术、教育活动和推广实验重复次数相对较少，体现出研究连续性的学科差异和特点。地球与空间科学实验通常利用专门的观测载荷，运行时间往往长达数年，很多人体研究实验也需要重复进行测量，因此相比其他学科实验重复次数更多。

表1 各研究领域实验次数与实验项数之比Table 1 Times of experiments to number of experiments by category

总体来看，国际空间站科研活动呈现蓬勃发展的上升态势。在空间站运行的各时间阶段均开展了一定规模的涉及众多学科、具有不同特色的研究实验。其中，技术开发与验证、生物学与生物技术和人体研究领域的实验比重一直相对较高，技术实验比重在近年来呈现出稳中有升的趋势。各国航天机构基于其应用目标，体现出各自的科研规划重点，但均优先支持“能实现空间探索的研究”和“空间探索能实现的研究”2类科研活动，充分挖掘国际空间站作为深空探索前哨基地和独特空间研究平台的应用价值。

3 国际空间站科研产出情况

3.1 论文产出

根据NASA 2019年3月发布的统计数据，截至2018年5月，国际空间站科研活动已经产出1542篇期刊论文、441篇会议论文和152篇非公开出版的灰色文献[3]。从论文数量来看，在期刊论文方面，生物学与生物技术领域的论文最多(略超30%)，人体研究和物理科学领域其次；在会议论文方面，技术开发与验证领域的论文最多(约40%)，人体研究和物理科学领域其次；在灰色文献方面，同样是技术开发与验证领域的论文最多(近50%)，人体研究和物理科学领域其次。

在论文影响力方面，NASA统计了截至2018年5月被引频次最高的5篇论文[4]如下：

1)基于NASA支持开展的地球与空间科学实验“阿尔法磁谱仪-02”，于2013年发表在《物理评论快报》上的一篇论文被引频次达到489次。该项实验通过采集并分析数十亿次宇宙线事件，确定其中900万次为电子或正电子(反物质)，为研究宇宙线和反物质起源提供了数据，增进了对银河系如何形成的理解。

2)基于NASA支持开展的人体研究实验“长期空间飞行期间中轴骨的骨丢失分区评估”，于2004年发表在《骨与矿物质研究杂志》上的一篇论文被引频次达到381次。该项实验发现空间骨丢失主要发生在骨盆、臀部和腿骨中，在未来载人空间任务中应重点制定相关应对措施。

3)基于NASA支持开展的生物学与生物技术实验“空间飞行对微生物基因表达和毒力的影响”，于2007年发表在《分子微生物学》上的一篇论文被引频次达到232次。该项实验揭示Hfq(RNA伴侣蛋白)是沙门氏菌基因表达的主要转录后调控因子。

4)基于Roscosmos支持开展的生物学与生物技术实验“空间环境疫苗”，于2005年发表在《科学》上的一篇论文被引频次达到231次。该项实验表明耶尔森氏菌V抗原的定位在易位过程以及作为鼠疫的主要保护性抗原的效力方面发挥重要作用。

5)基于JAXA支持开展的地球与空间科学实验“全天X射线成像监测仪”(MAXI)，于2011年发表在《自然》上的一篇论文被引频次达到228次。MAXI与NASA雨燕卫星(Swift)联合观测到了距地球39亿光年远处，巨大黑洞吞噬一颗恒星的瞬间，有助于更好理解宇宙的现状和演变。

3.2 亮点成果

2013年9月，NASA发布“国际空间站10大科研成果”(表2)[5]。评选标准包括4项：成果发表的科学期刊质量、受其他科学家推荐情况、创新性以及对人类带来的益处。10大科研成果中，既包含基础研究(如阿尔法磁谱仪)，也包含目前处于基础研究阶段、未来有应用潜力的研究(如“冷焰”燃烧等)，还包含已真正可利用并为人类带来益处的应用性研究(如微胶囊药物、脑部手术机器人助手等)。

自2012年起，美国宇航学会(AAS)、NASA和空间科学促进中心(CASIS)每年联合举办国际空间站研究和发展大会，并发布国际空间站年度亮点研究成果。下面按照6大研究领域例举近几年的部分获奖成果。

1)生物学与生物技术领域，包括利用人造重力系统研究微重力对小鼠影响、测试预防骨丢失新药、生长蛋白质晶体等亮眼成果。“空间中小鼠的转录组分析和生殖细胞发育分析”研究在国际空间站的多重人造重力系统中生活了一个月的雄性小鼠的基因表达模式变化情况，发现暴露于微重力下的小鼠对水的消耗更多，肌肉损失更多，骨密度下降程度更大，而处于模拟地球重力下的小鼠则没有发生这些变化[6]；“啮齿类动物研究-5-NELL-1系统治疗骨质疏松症”实验利用小鼠测试新药NELL-1，以修复骨骼并预防骨丢失，极具转化应用潜力[7]；“JAXA蛋白质晶体生长”实验通过对在国际空间站上生长的高品质蛋白质晶体开展结构分析，成功阐明了牙周病原体转换能量源的方式，有助于开发针对牙周病原体的抗菌剂[8]；“用于中子晶体学的蛋白质晶体”实验生长无机焦磷酸酶晶体，并利用中子衍射研究晶体结构，有助于确定蛋白质的功能及其参与疾病的过程[9]。

表2 NASA评选的国际空间站10大科研成果[5]Table 2 Top 10 ISS research results selected by NASA[5]

2)技术开发与验证领域，包括制造光纤、演示商业超算技术、解决激光通信技术难题、在轨生物测序、部署小卫星、测试新型热管、实现小型模块化研究平台、衍生医疗机器人技术、实现空间3D打印等亮点成果。“微重力下生产光纤”实验验证了可在微重力下制造氟化物ZBLAN光纤，为大规模在轨制造高品质光纤奠定了基础[7]；“国际空间站上的高性能商用现货计算机系统”实验利用一年时间验证该系统可以通过降低功率和速度在高辐射事件期间运行，展示了商业超算技术[7]；利用自适应光学系统为“激光通信科学光学有效载荷”解决了大气湍流影响激光传输的问题[10]；“生物测序仪”实验测试利用微型测序仪在空间中开展传染病诊断、识别微生物并更好了解航天员发生的遗传变化[11]；利用“纳米机架立方体卫星部署器”和“日本实验舱小卫星轨道部署器”已经从国际空间站平台释放部署多颗小卫星[11]；“被动热交换先进研究”实验测试几种采用低毒性流体的新型热管设计，可降低散热系统的复杂性并提高效率[11]；国际空间站微重力研究平台Tangolab-1可最多容纳21个独立实验自动运行，并可通过互联网近实时地将数据传输给用户[9]；利用影像引导自动机器人(IGAR)诊断和治疗乳腺癌[12]；“零重力下的3D打印技术验证”实验利用微重力3D打印机在2014年11月制造出首个空间3D打印物品，验证了空间制造的潜力[12]。

3)教育活动和推广领域，包括大规模征集并促进学生实验项目登上空间站、开展对地观测和教育竞赛等活动。“学生空间飞行实验计划”在美国和加拿大征集遴选在国际空间站开展的学生实验项目，自2010年以来，已有7万余名学生参与实验设计，提交了1.6万余项实验建议，近200项实验被送至国际空间站[10]；Magnitude.io公司通过与美国各学区和空间科学促进中心的合作，提供了经济负担小、易于参与的微重力研究机会[7]；学生通过遥控安装在国际空间站上的数字相机拍摄地球，照片被发布到互联网共享[13]；开展教育竞赛，征集学生为国际空间站的“同步位置保持、轨道预定、再定向实验卫星”编写算法[13]。

4)人体研究领域，包括利用软件评估疲劳度以及在心血管健康、大脑结构变化、视觉变化研究等方面的亮点成果。“空间飞行对心血管干细胞功能的影响”实验阐明了在微重力环境中，干细胞在心脏生物学和组织再生以及老化过程加速中的作用，旨在为心衰患者开发更好的干细胞疗法[6]；“用于空间飞行疲劳评估的个性化实时神经认知评估工具包”实验利用软件评估与空间飞行相关的身体变化如何影响认知能力，验证了疲劳测试的灵敏性及其空间应用的有效性[7]；“响应微重力诱发头向侧体液再分布的脑血管自主调节和静脉流出”实验利用磁共振成像研究空间飞行对航天员大脑结构的影响，发现开展长期空间飞行后的航天员大脑中央沟频繁收缩，大脑向上移动，头部上表面的脑脊液空间变小[6]；“从国际空间站返回时的心脑血管疾病防治”实验首次直接衡量了日常活动减少与约一半航天员在返回地面时发生的血压控制障碍之间的关联[10]；“长期空间飞行导致的心血管健康问题”实验发现6个月的空间飞行后，颈总动脉硬度增加的程度与正常老化10～20年接近[10]；“一碳”实验首次发现了空间飞行导致视觉变化的遗传倾向[8]。

5)物理科学领域，包括测试人造肌肉、气泡和胶体研究等方面的亮点成果。通过在国际空间站上验证电活性聚合物“人造肌肉”的抗辐射能力，未来有望用于开发更加类人的空间机器人[9]；“约束气泡”实验观测气泡的形成和热传导上升，获得的数据可用于开发更加高效的微电子冷却系统[14]；通过“先进胶体实验-显微镜-1”实验研究悬浮于凝胶和乳霜中的胶体行为，成果可改进消费产品设计，并增进对结构流体的基础科学认识[13]；在“临界流体与结晶化研究设备-定向凝固插件-再次飞行”实验中发现在某些生长条件下，定向凝固中细胞生长横截面随时间震荡，横截面积增加和减少的情形类似呼吸过程[13]。

6)地球与空间科学领域，包括开展宇宙线、热带气旋、海洋风、X射线巡天等观测活动及取得的亮点成果。“量热仪型电子望远镜”直接测量到TeV的高能宇宙线电子和正电子[6]；“阿尔法磁谱仪-02”记录了超过1000亿个高能粒子，并估算出宇宙线的年龄约为1200万年[10]；“从国际空间站测量气旋强度”实验利用自动相机从国际空间站上进行拍摄，实现了可精确、实时测量强烈的热带气旋强度的新技术[11]；通过多项创新实现在国际空间站快速部署RapidScat海洋矢量风散射计，旨在观测海平面风的速度和方向，优化全球数值天气预报模型[9]；国际空间站首个天文学有效载荷“全天X射线成像监测仪”自2009年8月开始运行，取得多项重要成果[9]。

3.3 科研效益

NASA于2012年、2015年和2019年先后发布了3版《国际空间站造福人类的效益》报告。根据2019年的最新版效益报告[15]，NASA将国际空间站科研活动的效益概括为3个方面，如图4所示。

1)产生重大科学发现。国际空间站提供了独特的长期微重力环境，拥有各种先进科研设备，航天员的参与能确保实验更好地开展，这些研究优势为孕育重大科学发现提供了机遇。

2)服务国计民生。国际空间站的科研活动可以激励空间经济发展、开发创新技术、改善地面人类健康、提高对地观测和灾害响应能力以及促进全球教育。

3)推进未来探索。国际空间站是载人深空探索活动的重要基石，利用其独特的研究环境，可以全面验证未来探索所需的各种知识和技术，如人体研究实验致力于确保航天员在空间中更加健康地生活和高效地工作，技术开发和验证实验研究未来深空探索必需的环境生保、导航通信、舱内安全、辐射防护、机器人、航天器结构与材料等各项先进技术，生物学与生物技术实验研究如何在太空生长蔬菜、了解太空中细菌致病性的变化等，物理科学实验研究微重力下的流体管理、火焰燃烧模式的改变和防火措施等。

图4 国际空间站科研活动的效益[15]Fig.4 Benefits of ISS scientific research activities[15]

4 结论与启示

本文通过统计分析国际空间站自2000年至2018年开展长期考察任务以来的所有实验项目，并综合分析论文产出、亮点成果、科研效益等科研产出情况，得出以下结论：

1)国际空间站科研活动学科领域宽泛，研究规模持续扩大，总体呈现上升态势，各国研究侧重各不相同。自2000年航天员长期驻站以来，国际空间站已经在6大研究领域开展了1411项实验。在研究领域分布方面，生物学与生物技术实验最多，其次为技术开发与验证、教育活动和推广、人体研究、物理科学和地球与空间科学实验。在各国航天机构支持侧重点方面，NASA支持开展的实验中生物、技术和教育实验最多；ESA的人体研究、物理和生物实验居多；Roscosmos的生物、人体研究和技术实验居多；JAXA在生物领域开展的实验项数远超其他研究领域；CSA在人体研究领域开展的实验最多。从实验规模来看，自2009年实现6名航天员长期驻站以来，科研活动愈发活跃，长期考察任务组55/56(2018年3月～10月)开展的实验项数已逼近300项。

2)国际空间站科研活动的产出形式多样，亮点纷呈，并在产生重大科学发现、服务国计民生、推进未来探索3方面获得效益。截至2018年5月，国际空间站科研活动已经产出1542篇期刊论文、441篇会议论文和152篇非公开出版的灰色文献。国际空间站上开展的大规模科研活动已经产生丰硕成果。近年来，在NASA评选的“国际空间站10大科研成果”、国际空间站研究和发展年度大会和NASA年度工作回顾中凸显出了国际空间站各领域科研活动所取得的一大批最为亮眼的成果，如高品质蛋白质晶体生长、首次空间DNA测序、天地激光通信、空间3D打印等。

通过对国际空间站科研活动及其成果效益的分析，为未来我国空间站科研活动规划与应用提供以下启示与建议：

1)立足应用效益，统筹规划布局。在我国空间站应用规划中，可借鉴参考国际空间站的经验和案例，统筹安排以重大科学发现、造福国计民生、推进未来探索3类应用效益为导向的科研项目，有针对性地设计谋划我国空间站的建设和应用。

2)遵循科研规律，静待效益花开。从NASA发布的国际空间站重大成就可以看出，无论基础研究还是应用研究，很多工作都历经数年积累，从科研活动到产生效益应遵循科学规律，切忌拔苗助长、急功近利，经耐心培育，才有厚积薄发。

3)提高公众参与，扩大效益影响。国际空间站的经验表明，通过丰富多彩、妙趣横生的形式宣传科研活动、增进公众认知，对扩大空间站工程的科学和社会影响意义重大。例如各国航天机构纷纷建立专门的官方宣传平台，共同编写、定期发布《国际空间站造福人类》系列报告，隆重推介年度杰出成果等。我国空间站也可参考相关成功经验，加强应用效益宣传推广，激发吸引政府、学术界、工业界和民众的普遍兴趣、广泛支持和积极参与。