我国空间站建造拉开帷幕，探索太空奥秘，开展长期有人照料的大规模空间应用

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空间站在太空中能做什么？

庞志浩

我国空间站建设已于今年开始，计划于2022年在轨完成，实现我国载人航天工程三步走发展战略第三步的任务目标。

开展大规模空间应用并长期呵护，是建设空间站的最终目标。那么，太空中的空间站到底能做什么呢？今天我们邀请到国家首席太空探索技术科学传播专家庞之浩来和我们的读者聊一聊。

1 一个剥去重力外衣的新颖的物理世界

很多人都看过2013年中国女航天员王亚平在“天宫一号”靶机上进行的五个物理小实验，感到非常震撼和惊叹，因为这些看似普通的小实验在地面重力下进行起来非常困难环境。很难制作。地面上不可能创造出长期的微重力环境，但空间站上有得天独厚的条件，很多物质在微重力环境下都有独特而独特的现象。

比如，空间站里水不再流向低处，甚至可以用竹篮打水；液体中不同密度的组分不会沉淀和对流；水和蜡烛会燃烧成球形等。

在空间站微重力环境中，一些被地面重力效应掩盖的次生效应变得凸显，导致流体形态和物理（化学）过程发生显着变化，影响或改变流动和燃烧机制，也影响相关材料。包括生物材料）加工和制备过程。微重力还将对一些基础物理实验条件产生重要影响，使得实验能够以更高的指标和精度进行，以验证重要的基础物理理论。此外，由于包括人类在内的各种生物体的生存和进化一直都是在重力环境中实现的，因此微重力环境对生物体及其各个层面的影响也将非常显着。因此，微重力环境是开展相关科学研究的独特而宝贵的资源。

在空间站中，微重力引起的流体扩散过程成为主要因素；流体中的浮力基本消失，液体的结合力来自于表面张力，润湿现象（液体在另一物体表面的扩散现象）和毛细管现象加剧，因此，发展空间站的国家正在积极从事微重力物理、微重力生物学、微重力生命科学领域的研究。他们也在开展相关制造加工技术实验，并大力开展微重力应用和实验研究。

研究空间燃烧科学可以提高对受重力影响的燃烧基本原理的认识，从而提高对地面燃烧的认识，有助于提高燃烧效率，解决污染、大气变化、全球变暖和火灾等问题。由于人类社会主要依靠燃烧来获取能源，提高燃烧效率对社会影响巨大。石油燃烧效率每提高1%，全球每年可节省数亿桶石油。

2 学习生物学和航天医学的圣地

许多国家都在空间站上开展了生物工程实验。这是因为由于地面重力的作用，蛋白质溶液中密度低的会上浮，密度大的会下沉，从而形成对流。这种对流在蛋白质结晶过程中产生涡流，改变蛋白质分子结晶的方向，导致晶格无序，无法获得足够高质量和足够大的蛋白质晶体。然而，在空间站的微重力环境下，由于没有降水和对流的影响，有可能产生足够大的高质量蛋白质晶体，为深入研究蛋白质结构和功能创造了良好的条件。

空间站上的宇航员经常以自己为研究对象，进行航天医学研究，揭示空间环境对重要生命现象和生命过程的作用和影响，从而增进我们对生命起源、生命现象和本质的认识，生命活动的基本规律。 ，为地基生物技术的发展提供理论依据，为提高人们在太空的长期生活质量提供基础。

俄罗斯医学与生物问题研究所副所长波利亚科夫博士创造了在和平号空间站连续停留438天的世界纪录。目的是研究长期在太空生活和工作对生理和心理的影响。 ，为未来载人登陆火星做准备。美国还在国际空间站和地面上对一对双胞胎兄弟进行了为期一年的对比实验，研究他们的差异。

我国利用太空生物培养箱开展空间环境对植物、动物、水生生物、微生物、细胞和细胞组织的生物效应实验，研究了不同类型生物和多生物封闭系统的空间环境在不同的层面上。效应，为空间生命过程调控提供新技术、新思路，获得和筛选新型生物材料；通过小空间连续自由电泳仪器，开展细胞和生物大分子的空间分离纯化方法和技术研究，利用空间分离纯化实验检验了相关方法和技术，为空间生物的分离纯化奠定了基础。样品和太空药品。

我国第一位女宇航员刘洋在天宫一号上完成了15项航天医学实验，其中最重要的5项：研究飞行对心血管疾病的影响、微重力下细胞的调节、太空中骨质流失的预防，收集并分析舱内有害气体，并测量在轨人体质量。其目的首先是保障航天员在太空的健康，为后续载人航天任务制定防护措施提供理论依据。

3、开展地面观测、天空观测和技术实验

宇航员参与对地观测后，可以提高遥感设备的利用率，快速准确地分析判断新发现的目标和新情况，从而捕获大量有价值的数据。例如，美国天空实验室的三组宇航员在171天的飞行中拍摄了4万多张地面照片，记录地球观测数据的磁带长达69公里。苏联“礼炮7号”空间站上的宇航员每天用60%的时间研究地球，收集大量的地球自然资源、地质地貌、大气状况、耕地季节变化、地表变化等信息。世界海洋和水生生物状况。 。

苏联通过宇航员在飞行过程中拍摄的照片，准确而详细地重新绘制了该国的地图。在新贝阿铁路勘测选线项目中，苏联利用空间站宇航员通过多光谱相机拍摄的地面照片，了解该地区的结构断层和地下水汇聚点，为铁路部门节省了700万卢布的费用。投资。

利用空间站进行天文观测不受大气层影响。宇航员可以灵活操作天文望远镜，选择观测焦点，扩大观测范围，并具备边观测边分析的能力。

美国“天空实验室”空间站载人飞行期间，宇航员使用58台仪器进行了天文、地理、医学等270多项科学研究，用太阳望远镜观测太阳，拍摄了18万张太阳活动照片；使用六种遥感仪器观测地球、探索地球资源、探测军事目标，拍摄地面照片4万余张；使用七种仪器研究太阳系和银河系的状况，并录制了超过30公里的录像带。

空间站的一个重要目的是进行技术实验，为未来载人航天和其他太空活动做准备。宇航员开展了重返月球和国际空间站载人登陆的技术测试。

我国发射“神舟七号”飞船时，将多种固体润滑材料和太阳能电池基膜材料放置在舱外进行暴露测试。实验结束后，航天员翟志刚外出回收测试样本，并随返回舱带回地面进行研究。

4 微重力“太空工厂”前景光明

由于空间站微重力环境中的液体可以自由漂浮，因此适合研究空间材料加工，揭示各种真实现象和被重力掩盖的材料物理现象的本质，寻求消除地面制备材料缺陷的方法，并改善地面材料。准备材料的质量。国外空间站现已生产出少量优质材料和具有特殊性能的材料作为基准。

空间站中的混合物可以混合均匀，从而制造出地面上没有的特殊合金；它还可以制造新型泡沫金属。基本原理是让气体通过液态金属。失重环境可以防止气泡“漂浮”或“下沉”，并均匀地分布在液态金属中。凝固后，它们成为泡沫金属，可以制成轻质金属。机翼由类似软木的泡沫钢制成，轻便而坚固。微重力环境可以使熔融金属滴的形状完全呈球形。冷却后即可成为理想的球体，非常耐磨。但受重力影响的地面上很难制造出绝对球形的球体，因此不耐磨损。研磨。

非常长的玻璃纤维无法在地面上制造，因为液态玻璃纤维在凝固之前会因重力而被拉成小段。然而，可以在太空中制造数百米长的玻璃纤维。无容器“悬浮熔炼”还可以在太空中进行，消除容器对物料的污染，防止容器本身因高温影响金属熔炼的纯度，获得纯度极高的产品等。与地面生产的半导体晶体相比，太空生产的半导体晶体没有缺陷，体积更大、纯度更高、更均匀，有望实现电子技术的重大突破。

空间站上的药品可以达到地面上难以达到的高纯度和高效率，通过空间研究可以了解其机理，指导地面上的药物制备。目前，电泳广泛用于药物纯化。但由于地面重力的影响，会出现一些严重阻碍电泳正常运行的现象，使得很多已经开发出来的药物因为达不到要求的纯度或者成本太高而无法推广应用。太高了。空间电泳实验表明，其分离效率比地面高400-800倍。太空制造业一个月的产出大约相当于地面制造业30-60年的产出。产品纯度比地面高4-5倍，从而大幅降低药品成本。