未来,中国空间站将成为怎样的“太空科研站”?

作者 | 赵维杰(NSR新闻编辑)

导读

9月17日13点34分,神舟十二号载人飞船返回舱在东风着陆场顺利着陆。航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波状态良好,我国空间站阶段首次载人飞行任务取得圆满成功。

从6月17日升空至今,神舟十二号航天员乘组已在空间站组合体工作生活了 90 天,刷新了中国航天员单次飞行任务太空驻留时间的纪录。

下一步,中国空间站还有怎样的未来规划?就中国空间站的科学目标、计划与愿景,中国载人航天工程空间应用系统总指挥、中国科学院空间应用工程与技术中心主任高铭此前接受《国家科学评论》专访进行了详细介绍。

2021年7月23日,《国家科学评论》(National Science Review, NSR)采访了中国载人航天工程空间应用系统总指挥、中国科学院空间应用工程与技术中心主任、国际宇航科学院院士高铭。

“空间应用系统”负责中国空间站工程中的“科学”部分,是空间站中科学研究项目的主要规划和组织者。

从1994年开始,高铭就服务于中国载人航天的应用系统,从神舟系列载人飞船到中国空间站建设,她几乎参与了中国载人航天事业发展的全过程。在这次访谈中,她对中国空间站的科学目标、计划与愿景做了全方位的介绍与展望。

前人经验:和平号与国际空间站的科研实践

NSR:过去几十年中,各国科学家在和平号空间站、国际空间站上进行过几千项实验。主要是哪些实验?取得了什么重要成果?

高铭:和平号空间站从开始建造到最终坠毁,有15年的时间,根据官方的数据,有100多位航天员在和平号空间站工作过,总共进行了1700多项实验。

苏联利用和平号空间站在人体与生命科学研究、材料科学、地球观测等方面做了很多工作,在生物制药、新材料制备、矿产资源探测等方面也取得了一些重要成果。

国际空间站上开展的实验更多,覆盖学科领域更广,包括人体研究与生命科学研究、微重力物理科学、天文观测、地球观测,以及新技术开发验证等等,迄今已开展了3600多项研究,发表了3000多篇高水平论文并申请了大批专利,部分科技成果已经在地面获得了广泛应用。

具体来讲,国际空间站在生命体对微重力环境的响应机理、冷焰燃烧、玻色-爱因斯坦凝聚、暗物质探测等方面取得了一些重要科学发现;在太空3D打印、空间机器人、天地激光通信等空间技术方面取得了重要突破;在靶向药物和骨质疏松等药物研发、合成肌肉等新材料制备、地球二氧化碳含量测量等方面取得了重要进展并获得地面应用。国际空间站的研究及结果为我国空间站的科学研究规划提供了很好的参考。

NSR:我想这些实验至少可以在三个方面造福人类:一是帮助我们理解基础的物理学和宇宙学规律,二是通过生物医学、材料学等研究提升人类在地球上的生活质量,三是为人类未来走向深空而做一些知识和技术上的储备。

高铭:太空活动包括空间科学探索、空间技术开发和空间应用三个方面,而科学、技术和应用这三个方面是紧密联系、相辅相成的。

空间科学探索要着力研究宇宙起源与演化、物质本质规律等重大科学问题,取得新的科学发现,这不仅会加深我们对世界的理解和认知,还会推动相关技术进步。例如冷焰燃烧的发现将有助于我们改进燃油发动机设计、降低污染物排放。

空间技术开发的直接目标是增强太空探索活动能力,与此同时,技术成果也可应用于地面,改善人类的生活质量。例如,天地激光通信技术可以为建立全球高速通信网奠定基础。

空间应用是开展直接服务于地面应用的太空活动。例如,空间对地观测在全球气候变化监测、海洋和陆地环境保护等方面发挥了重要作用。

中国空间站的科学理想

NSR:中国空间站规划了哪些科学研究?

高铭:在我们的整体规划中,在空间站的舱内会有超过20个实验柜;在三个舱段的外侧,会有3个大型载荷挂点和2个舱外暴露平台;此外,中国空间站工程巡天望远镜(CSST)将于2024年发射升空,它会与空间站保持一定的距离,共轨独立飞行,但是每隔两到三年,或者在需要的时候,它会停靠在空间站上,由航天员进行维护和升级。

我国空间站在空间生命科学与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学,以及空间新技术与应用等4个重要领域制定了系统的、长期的规划,将研制一大批科学研究设施,支持在轨开展1000余项研究项目。

空间生命科学与人体研究要深入研究空间环境各因素对生命体细胞、组织、器官等各层次的影响与作用机理,探索认知生命体太空生长发育与繁衍规律及人类太空长期生存面临的健康保障问题,并利用空间特殊环境发展创新的药物和医疗技术。

微重力物理科学主要研究物质运动的本质规律,建立空间高精度时间频率系统,进行广义相对论高精度检验、全球重力位测量等研究;实现100 pK超低温玻色-爱因斯坦凝聚(BEC),开展极端条件下超冷原子物理、低温量子相变等基础前沿实验;开展多相流与相变传热、基础燃烧特性与机理、新材料空间制备等研究及应用。

天文与地球科学领域利用巡天光学望远镜、高能宇宙辐射探测设施等天文观测设施,开展长期深入的天文观测研究,研究暗物质与暗能量、宇宙线起源、宇宙形成与早期演化等重大问题;着眼全球气候变化等关系人类社会可持续发展,发展对地观测新技术和新体制。

空间新技术与应用领域要发展在轨制造与建造、空间机器人与自主系统、空间信息及精密测量等空间新技术,提升人类探索、开发与利用太空的能力。

NSR:这些项目是如何规划、确定的?是自顶向下的设计,还是自底向上的征集?

高铭:空间应用项目的规划采取了自顶向下和自底向上相结合的方式。我们首先建立了各个领域的专家组,通过专家组提议、研讨和设计提出顶层规划,再按照顶层规划广泛征集项目建议。

这些项目建议通过科学评估后,通过整合、凝练、提升,形成一系列研究计划。然后进行工程可实现性论证,通过反复讨论与迭代,形成空间站应用任务总体规划和工程实施方案。

空间站应用项目采取滚动征集、遴选和实施的机制。每两至三年按照规划进行一次项目征集,通过遴选的项目进入项目池,根据工程可实现性分别进入预先研究和工程立项阶段。通过预先研究,培育项目的实验方案和实验技术、优选实验样品,确保高质量项目在轨实施。

NSR:我国正在建设一个面向空间站的地面实验基地,可以进行您所说的项目前期培育。这个基地的建设情况如何?

高铭:这个地面实验基地位于怀柔科学城,目前已经基本建设完成,预计在年底投入使用。空间站地面实验基地非常重要,不仅可以开展前期的项目培育,在空间研究的前、中、后期都可发挥重要作用。

在项目上天之前,需要开展大量的地面实验来验证实验方案在空间中是否可行。地面实验基地通过提供与空间站环境类似的实验条件,使科学家们能够验证实验方法,确保未来的空间实验能够顺利开展。在空间实验进行过程中,实验基地可支持开展天地比对实验。在空间实验之后,实验基地可支持开展后续研究,以获得研究成果。

空间站和地面实验基地将形成一个天地协同的开放系统,为空间科学研究提供最好的实验条件。

NSR:“问天”和“梦天”这两个实验舱的建造进度如何?

高铭:我们计划在明年6月底前发射实验舱I“问天”,9月底前发射实验舱II“梦天”,届时,空间站组合体将建造完成。未来如果有需要,也可在这个基础上进行适当扩展。

NSR:首批三位航天员已经进入“天和”核心舱一个多月了,他们开始参与实验工作了吗?

高铭:首批航天员已经辅助开展了一些测试试验,例如高微重力实验柜实验装置的测试。我们在核心舱中安排了无容器材料科学实验柜和高微重力实验柜,未来航天员还将参与无容器材料科学实验的样品更换,以及高微重力实验项目的更多科学实验。

NSR:之后会有科学家进入空间站工作吗?

高铭:会的。在空间站中的航天员主要有三类,一类是航天驾驶员,一类是航天飞行工程师,还有一类是有科学研究背景的载荷专家。

首批三位航天员在科学实验方面可以进行一些人机协同的操作,包括我们之前说的更换样品、实验操作等。此外,他们还会作为工程师,承担一部分仪器维护、维修的工作。而且,他们还需要开展舱外操作,包括舱外设备安装与维护、巡天望远镜的维护等。

而载荷专家的工作主要就是科学研究,他们有空间实验相关的科学背景,可以根据空间实验条件和实验结果来灵活地调整实验设计,在空间站中更好地掌握实验进程。我国目前已经选拔了4位具有不同学科背景的载荷专家,正在航天员中心接受训练,会在空间站进入运营阶段之后陆续开始工作。

国际合作与未来规划

NSR:我国空间站会接收外国的航天员吗?

高铭:原则上是可以的。我国的载人航天一直都保持着对外开放、合作共赢的基本原则,愿意和其他国家进行合作。目前,已经有一些国家表达了这方面的需求,希望能在我们的空间站上继续进行空间科学研究。

NSR:中国空间站的国际合作情况如何?

高铭:我国的航天领域和欧空局、德宇航、意大利空间局等都有长期的合作关系。

之前在神舟八号飞船上,我们和德宇航进行了一次非常成功的合作,两国的科学家共同使用一个生物培养箱,进行了6项德方的实验、10项中方的实验,以及1项双方合作的研究。

现在的中国空间站项目中,我们和欧空局有10个合作项目正在进行,中欧科学家会利用双方的空间资源共同进行合作项目的空间研究。

2018年,我们和联合国外空司合作,公布了我国空间站的应用设施和资源条件,并向全世界科学家征集科研项目。我们收到了来自27个国家的42份项目申请,从中遴选出了第一批共9个国际合作项目,目前均已签署了合作协议。未来,与国内的项目征集类似,我们也会每两到三年滚动式地向国际征集新项目建议。

NSR:中国载人航天后续有哪些计划?

高铭:首先,我国空间站将运行十年以上,可以工作到2035年左右。与此同时,我们正在持续开展载人月球探测方案的深化论证,相关研究工作正稳步推进,不远的将来将会实现载人登月,长远的目标是建立月球基地。当然,在更加遥远的未来,我们也希望能将载人空间探测推向更加遥远的深空。

NSR:对于中国载人航天的未来发展,您有什么建议?

高铭:从上个世纪90年代开始,中国的载人航天工程已经有将近30年的发展历程。在这期间,我们形成了一套非常完整的工程组织管理和技术质量管理体系。

我认为在未来我们要更加注重科学问题导向,工程实现的过程要更加符合科学规律,以更好地获取科学成果。空间站已经到了应用的阶段,空间科学研究的价值和引领作用也会越来越得到重视。

本文是《国家科学评论》(National Science Review, NSR)Interview文章“Scientific Aspiration of the Chinese Space Station Program: an Interview with Ming Gao”的中文版本。原文:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab161