#中國人首次進入自己的空間站# 【未來,中國空間站將成為怎樣的“太空科研站”?】2021年7月23日,《國家科學評論》(National Science Review, NSR)採訪了中國載人航天工程空間應用系統總指揮、中國科學院空間應用工程與技術中心主任、國際宇航科學院院士高銘。

“空間應用系統”負責中國空間站工程中的“科學”部分,是空間站中科學研究項目的主要規劃和組織者。

從1994年開始,高銘就服務於中國載人航天的應用系統,從神舟系列載人飛船到中國空間站建設,她幾乎參與了中國載人航天事業發展的全過程。在這次訪談中,她對中國空間站的科學目標、計劃與願景做了全方位的介紹與展望。

前人經驗:和平號與國際空間站的科研實踐

NSR:過去幾十年中,各國科學家在和平號空間站、國際空間站上進行過幾千項實驗。主要是哪些實驗?取得了什麼重要成果?

高銘:和平號空間站從開始建造到最終墜毀,有15年的時間,根據官方的數據,有100多位航天員在和平號空間站工作過,總共進行了1700多項實驗。

蘇聯利用和平號空間站在人體與生命科學研究、材料科學、地球觀測等方面做了很多工作,在生物制藥、新材料制備、礦產資源探測等方面也取得了一些重要成果。

國際空間站上開展的實驗更多,覆蓋學科領域更廣,包括人體研究與生命科學研究、微重力物理科學、天文觀測、地球觀測,以及新技術開發驗證等等,迄今已開展了3600多項研究,發表了3000多篇高水平論文並申請了大批專利,部分科技成果已經在地面獲得了廣汎應用。

具體來講,國際空間站在生命體對微重力環境的響應機理、冷焰燃燒、玻色-愛因斯坦凝聚、暗物質探測等方面取得了一些重要科學發現;在太空3D打印、空間機器人、天地激光通信等空間技術方面取得了重要突破;在靶向藥物和骨質疏松等藥物研發、合成肌肉等新材料制備、地球二氧化碳含量測量等方面取得了重要進展並獲得地面應用。國際空間站的研究及結果為我國空間站的科學研究規劃提供了很好的參考。

NSR:我想這些實驗至少可以在三個方面造福人類:一是幫助我們理解基礎的物理學和宇宙學規律,二是通過生物醫學、材料學等研究提升人類在地球上的生活質量,三是為人類未來走向深空而做一些知識和技術上的儲備。

高銘:太空活動包括空間科學探索、空間技術開發和空間應用三個方面,而科學、技術和應用這三個方面是緊密聯系、相輔相成的。

空間科學探索要著力研究宇宙起源與演化、物質本質規律等重大科學問題,取得新的科學發現,這不僅會加深我們對世界的理解和認知,還會推動相關技術進步。例如冷焰燃燒的發現將有助於我們改進燃油發動機設計、降低汙染物排放。

空間技術開發的直接目標是增強太空探索活動能力,與此同時,技術成果也可應用於地面,改善人類的生活質量。例如,天地激光通信技術可以為建立全球高速通信網奠定基礎。

空間應用是開展直接服務於地面應用的太空活動。例如,空間對地觀測在全球氣候變化監測、海洋和陸地環境保護等方面發揮了重要作用。

圖片

中國空間站(CSS)與中國空間站工程巡天望遠鏡(CSST)的設計效果圖(供圖:中國科學院空間應用工程與技術中心)

中國空間站的科學理想

NSR:中國空間站規劃了哪些科學研究?

高銘:在我們的整體規劃中,在空間站的艙內會有超過20個實驗櫃;在三個艙段的外側,會有3個大型載荷掛點和2個艙外暴露平台;此外,中國空間站工程巡天望遠鏡(CSST)將於2024年發射升空,它會與空間站保持一定的距離,共軌獨立飛行,但是每隔兩到三年,或者在需要的時候,它會停靠在空間站上,由航天員進行維護和升級。

我國空間站在空間生命科學與人體研究、微重力物理科學、空間天文與地球科學,以及空間新技術與應用等4個重要領域制定了系統的、長期的規劃,將研制一大批科學研究設施,支持在軌開展1000余項研究項目。

空間生命科學與人體研究要深入研究空間環境各因素對生命體細胞、組織、器官等各層次的影響與作用機理,探索認知生命體太空生長發育與繁衍規律及人類太空長期生存面臨的健康保障問題,並利用空間特殊環境發展創新的藥物和醫療技術。

微重力物理科學主要研究物質運動的本質規律,建立空間高精度時間頻率系統,進行廣義相對論高精度檢驗、全球重力位測量等研究;實現100 pK超低溫玻色-愛因斯坦凝聚(BEC),開展極端條件下超冷原子物理、低溫量子相變等基礎前沿實驗;開展多相流與相變傳熱、基礎燃燒特性與機理、新材料空間制備等研究及應用。

天文與地球科學領域利用巡天光學望遠鏡、高能宇宙輻射探測設施等天文觀測設施,開展長期深入的天文觀測研究,研究暗物質與暗能量、宇宙線起源、宇宙形成與早期演化等重大問題;著眼全球氣候變化等關系人類社會可持續發展,發展對地觀測新技術和新體制。

空間新技術與應用領域要發展在軌製造與建造、空間機器人與自主系統、空間訊息及精密測量等空間新技術,提升人類探索、開發與利用太空的能力。

NSR:這些項目是如何規劃、確定的?是自頂向下的設計,還是自底向上的徵集?

高銘:空間應用項目的規劃采取了自頂向下和自底向上相結合的方式。我們首先建立了各個領域的專家組,通過專家組提議、研討和設計提出頂層規劃,再按照頂層規劃廣汎徵集項目建議。

這些項目建議通過科學評估後,通過整合、凝練、提升,形成一系列研究計劃。然後進行工程可實現性論證,通過反複討論與迭代,形成空間站應用任務總體規劃和工程實施方案。

空間站應用項目采取滾動徵集、遴選和實施的機制。每兩至三年按照規劃進行一次項目徵集,通過遴選的項目進入項目池,根據工程可實現性分別進入預先研究和工程立項階段。通過預先研究,培育項目的實驗方案和實驗技術、優選實驗樣品,確保高質量項目在軌實施。

NSR:我國正在建設一個面向空間站的地面實驗基地,可以進行您所說的項目前期培育。這個基地的建設情況如何?

高銘:這個地面實驗基地位於懷柔科學城,目前已經基本建設完成,預計在年底投入使用。空間站地面實驗基地非常重要,不僅可以開展前期的項目培育,在空間研究的前、中、後期都可發揮重要作用。

在項目上天之前,需要開展大量的地面實驗來驗證實驗方案在空間中是否可行。地面實驗基地通過提供與空間站環境類似的實驗條件,使科學家們能夠驗證實驗方法,確保未來的空間實驗能夠順利開展。在空間實驗進行過程中,實驗基地可支持開展天地比對實驗。在空間實驗之後,實驗基地可支持開展後續研究,以獲得研究成果。

空間站和地面實驗基地將形成一個天地協同的開放系統,為空間科學研究提供最好的實驗條件。

NSR:“問天”和“夢天”這兩個實驗艙的建造進度如何?

高銘:我們計劃在明年6月底前發射實驗艙I“問天”,9月底前發射實驗艙II“夢天”,屆時,空間站組合體將建造完成。未來如果有需要,也可在這個基礎上進行適當擴展。

NSR:首批三位航天員已經進入“天和”核心艙一個多月了,他們開始參與實驗工作了嗎?

高銘:首批航天員已經輔助開展了一些測試試驗,例如高微重力實驗櫃實驗裝置的測試。我們在核心艙中安排了無容器材料科學實驗櫃和高微重力實驗櫃,未來航天員還將參與無容器材料科學實驗的樣品更換,以及高微重力實驗項目的更多科學實驗。

NSR:之後會有科學家進入空間站工作嗎?

高銘:會的。在空間站中的航天員主要有三類,一類是航天駕駛員,一類是航天飛行工程師,還有一類是有科學研究背景的載荷專家。

首批三位航天員在科學實驗方面可以進行一些人機協同的操作,包括我們之前說的更換樣品、實驗操作等。此外,他們還會作為工程師,承擔一部分儀器維護、維修的工作。而且,他們還需要開展艙外操作,包括艙外設備安裝與維護、巡天望遠鏡的維護等。

而載荷專家的工作主要就是科學研究,他們有空間實驗相關的科學背景,可以根據空間實驗條件和實驗結果來靈活地調整實驗設計,在空間站中更好地掌握實驗進程。我國目前已經選拔了4位具有不同學科背景的載荷專家,正在航天員中心接受訓練,會在空間站進入運營階段之後陸續開始工作。

國際合作與未來規劃

NSR:我國空間站會接收外國的航天員嗎?

高銘:原則上是可以的。我國的載人航天一直都保持著對外開放、合作共贏的基本原則,願意和其他國家進行合作。目前,已經有一些國家表達了這方面的需求,希望能在我們的空間站上繼續進行空間科學研究。

NSR:中國空間站的國際合作情況如何?

高銘:我國的航天領域和歐空局、德宇航、義大利空間局等都有長期的合作關系。

之前在神舟八號飛船上,我們和德宇航進行了一次非常成功的合作,兩國的科學家共同使用一個生物培養箱,進行了6項德方的實驗、10項中方的實驗,以及1項雙方合作的研究。

現在的中國空間站項目中,我們和歐空局有10個合作項目正在進行,中歐科學家會利用雙方的空間資源共同進行合作項目的空間研究。

2018年,我們和聯合國外空司合作,公布了我國空間站的應用設施和資源條件,並向全世界科學家徵集科研項目。我們收到了來自27個國家的42份項目申請,從中遴選出了第一批共9個國際合作項目,目前均已簽署了合作協議。未來,與國內的項目徵集類似,我們也會每兩到三年滾動式地向國際徵集新項目建議。

NSR:中國載人航天後續有哪些計劃?

高銘:首先,我國空間站將運行十年以上,可以工作到2035年左右。與此同時,我們正在持續開展載人月球探測方案的深化論證,相關研究工作正穩步推進,不遠的將來將會實現載人登月,長遠的目標是建立月球基地。當然,在更加遙遠的未來,我們也希望能將載人空間探測推向更加遙遠的深空。

NSR:對於中國載人航天的未來發展,您有什麼建議?

高銘:從上個世紀90年代開始,中國的載人航天工程已經有將近30年的發展曆程。在這期間,我們形成了一套非常完整的工程組織管理和技術質量管理體系。

我認為在未來我們要更加注重科學問題導向,工程實現的過程要更加符合科學規律,以更好地獲取科學成果。空間站已經到了應用的階段,空間科學研究的價值和引領作用也會越來越得到重視。http://t.cn/A6MZetor

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