第1章 科学

太空实验，无限风光在险峰

文/赵洋

中国首个真正意义上的空间实验室“天宫二号”已经发射升空。在这个距地面400公里高的太空实验室里，科学家将开展十多项科学实验和观测。有资格登上“天宫二号”的实验，无疑都属于最前沿的科技领域。

10月21日，航天员景海鹏和陈冬在“天宫二号”上开启了人类历史上首次太空脑机交互实验。这项实验可将航天员的思维活动转化为操作指令，并监测航天员的脑力负荷等状态。受微重力和操作空间狭小等条件制约，航天员在太空中完成复杂任务受到极大限制。脑机交互可不依赖外部动作，将航天员的思维活动转化为操作指令，同时又能监测航天员的脑力负荷等神经功能状态，实现人机相互适应，减轻作业负荷，是最理想的人机交互方式。

针对脑机交互技术太空适用性的研究，曾被解读为“意念控制”，但实际上，这项研究只是“脑机接口技术”在太空中的一次尝试，距离应用还很远。中国航天科研人员认为，脑机接口现在还处于前瞻性的阶段，在未来空间站航天员长期驻留时，希望脑控技术、眼控技术、手势识别技术等新型人机交互技术都能够得到使用。

国际空间站：360公里高的实验室

回顾航天史，在“和平号”空间站坠落后，“天宫”实验舱上天前，国际空间站曾是太空中唯一的空间站，肩负了大量太空实验任务。仅在其建设期间（1998—2012），就有3100篇科技论文是基于国际空间站而诞生的。

现在的国际空间站拥有美国的“命运号”、欧洲的“哥伦布号”、日本的“希望号”三个大型实验舱。同时，三个节点舱也有一些任务机柜。此外，俄罗斯的“曙光号”和“星尘号”舱段也可以兼职做不少科学实验。国际空间站上的多个实验舱都按照微重力实验的要求进行了设计，目的是尽量提供良好的微重力试验环境。

利用太空中的微重力、强辐射和超低温环境，国际空间站上可以开展许多地面上无法开展的空间科学实验。在药物学研究方面，由于太空中的微重力减少了地球上的重力对实验的影响，新型药物的开发将在太空中取得长足的发展，人类能够在太空中更彻底地了解生命的组成机制，研究人员还将关注人类在长期处于微重力环境下产生的变化。在工业方面，研究人员将研制更坚固、更轻便的金属，以及功能更强大的计算机芯片。由于失重，使热气体或液体上升、冷气体或液体下降的对流现象在空间站中不复存在，各种液态熔融金属就可以得到更彻底的混合；而液体和火焰在微重力条件下出现的形态，也成为科学家们关注的焦点。

由于有人参与，国际空间站在对地观测和天文观测方面比其他航天器有更大的优势。站上航天员能利用国际空间站的绕地飞行和多方向性，及时调整观测仪器的各种参数，可以对需要关注的特定观测对象取得最佳的观测效果。在空间科学实验方面，站上的航天员一方面是空间生命科学和航天医学的实验对象之一；另一方面，他们还可以照料空间材料科学、空间物理学、微重力流体物理等科学实验。

以上这些实验是在空间站内部进行的，有些实验则是在空间站的外部进行的。对国际空间站外部温度和微小陨石的研究，将促进工程师对航天器外壳设计的改善。在国际空间站中的研究，还将创造出更先进的天气预报系统、更精确的原子计时器等先进技术。太空研究还将开发出新的产品和服务。这些创新最终将为人类在地球和太空中提供新的就业机会。

目前，国际空间站计划的主要参与国在科学研究方面各有侧重。美国利用国际空间站加强航天飞行技术的创新概念研究与发展，演示推进剂在轨加注、自主交会对接、闭环生命支持系统等技术与能力，以降低未来太空探索的费用，并扩展探索活动的能力。俄罗斯一直把国际空间站视为实现深空探测目标的跳板。未来，俄罗斯将利用国际空间站进一步论证深空探测的可行性，同时努力挖掘国际空间站为社会经济发展服务的潜力，从而为其载人航天的长远发展提供动力。

十大奇特太空实验

航天员在“天宫二号”上开展的脑机交互实验，无疑在科技上十分重要，也很有趣。在航天史上，有用且有趣的太空实验数不胜数，下面就来梳理一下历史上十个奇特的太空实验：

1.不怕真空与辐射的“水熊虫”

太空环境飞行中，失重并不是唯一发生变化的环境因素。动物在太空中还会承受大量宇宙辐射。科学家早已知道，苔藓和细菌等低等生物能够在高真空和强辐射的太空环境中幸存，但地球上竟然还存在着一种奇特的动物，能够幸存于恶劣的太空环境中，这就是用显微镜才能看到的无脊椎动物“水熊虫”，它们是缓步类动物家族成员之一。2007年，在一次欧洲火箭实验中，一些缓步类动物暴露于太阳强紫外线辐射和真空环境下，实验结果显示，少数缓步类动物能幸存于辐射状态下，而多数均能够适应真空环境。

2.马兰哥尼对流效应

在微重力状态下，表面张力是流体力学特征的主要因素。在国际空间站进行的实验表明，从一个金属环中延伸出的水流就好像被一个无形的汤匙搅动。这种搅动效应是使用一个手电筒不均匀加热水造成的，所形成的温差诱导液体水表面张力失衡，导致液体水发生旋转。这种表面张力实验叫作“马兰哥尼对流效应”，该现象很少出现在地球上，但存在于诸如熔钢冷却池等环境中。该研究可用于飞船液体燃料补加、太空冶金等领域。

3.失重状态下的火焰

在失重状态下更容易形成外形圆滑、温度更低的火焰。与地球环境状态不同的是，在失重状态下，低密度热空气并不会上升。在失重状态下，粒子从高温至低温区域占据主控地位。研究失重燃烧现象将揭示这种现象背后的基础物理原理，有助于开发航天器火灾扑灭技术，以及改进火箭发动机燃烧室的设计。

4.失重时植物怎么生长

在地球上，重力控制着植物的生长方向。科学家猜测，在微重力的太空，苔藓应该毫无阻力地四处生长，然而结果令人大跌眼镜。苔藓细胞按照顺序相继长出，形成了一种很有规律的螺旋形状。看来，重力掩盖了苔藓的自主生长模式，这种模式只有在重力消失的情况下才能显现出来。

5.太空“连连看”

1992年“亚特兰蒂斯号”和1996年“哥伦比亚号”航天飞机执行任务时，都进行了一个大胆的实验——部署一颗卫星，上面连着一条21公里长的太空绳，然后拉绳子拖着卫星在太空中移动。实验的目的是为了展示太空绳在划过地球磁场时是否能够产生电流。在1992年的那次实验中，太空绳伸出256米，而1996年那次，绳子却突然断裂。

6.太空玫瑰花

1998年，“发现者号”航天飞机将两朵玫瑰带到国际空间站。玫瑰气味的变化取决于在哪里生长，所以土壤、光照、温度和湿度非常重要。在失重状态下，玫瑰的香气更加甜美，更有神秘感。一家化妆品公司根据“太空玫瑰”的香气，开发出了新型香水。

7.回旋镖、飞毯、叠衣服和滴眼药水

2008年，日本航天员在太空中抛出了一支回旋镖，从而验证这支回旋镖是否能够沿原路径返回。实验表明，回旋镖之所以能够沿着环形路径返回，是由于该曲线结构的不均匀受力造成的，而不是受到重力影响所致。2009年初，另一位日本航天员完成了一系列零重力实验，向观看直播的公众表明：在太空中能够完成模拟“飞毯”飞行、叠衣服和滴眼药水等活动。

8.太空状态下晶体体积更大

在失重状态下，晶体的体积会更大一些。在地球环境中，低密度液体在上方漂浮，在实验器皿中形成对流，从而形成低密度和高密度液体的分层。这限制了晶体的体积大小，而且这种现象在失重状态下是不存在的。生成更大、更纯净的晶体有助于揭示材料更多的基础结构和性能。太空中制造的硅酸盐晶体上布满微小孔隙，可用于过滤和存储矿物质，还可以用于未来燃料电池的氢储存。

9.沙门氏菌毒性倍增

一种能够引起人和动物食物中毒的沙门氏菌两次搭乘航天飞机进入太空。令人惊讶的是，这种细菌在太空中比在地球上的毒性增强了3到7倍。在太空中放置12天后，沙门氏菌被注入老鼠体内，只有10%的老鼠活下来，而在地球上进行类似实验，有40%的老鼠幸存。“太空沙门氏菌”的DNA中有167个基因和73个蛋白质产生了变化。科学家由此确认了这些病菌的基因在微重力下发生变异的途径。基于此，一家美国的生物公司开发出一种沙门氏菌疫苗。

10.迷你人造卫星

国际空间站上有一些迷你人造卫星，仅有足球大小，名为“同步方位保持适应再定向试验卫星（SPHERES）”。该装置可用于测试真正人造卫星的控制程序，使卫星在不用人为干预的情况下实现最佳飞行姿态。通过实验开发出的新型控制程序，可确保飞船与国际空间站实现自动对接，也可以更好地完成轨道仪器设备的装配工作。

无名英雄：太空实验动物

在人进入太空之前，先是用火箭将动物发射到太空，以此来了解在没有地球环境保护的情况下，生物体是否可以生存。1951年9月，苏联发射的一枚生物探空火箭中载有1只猴子和11只老鼠，这是第一次有动物进入太空。1957年11月3日，苏联发射了第二颗人造卫星，一只名叫“莱卡”的狗成为首个环绕地球飞行的动物。动物在太空飞行时，仪器监测它们在发射、失重和返回时的生理反应，科学家们从动物的太空飞行中积累了很多经验。实验动物的飞行为载人航天铺平了道路。

在加加林完成第一次载人航天飞行之后，实验动物又承担了新任务：获取失重对生物影响的信息。于是，数百只白鼠为太空事业献出了生命。对这些白鼠机体的研究表明，微重力对生物体的作用大多是不利的：白鼠的肌肉出现萎缩，骨组织生长速度放慢，骨骼坚韧程度下降，机体免疫力有所下降。然而，科学家们的担忧很快便被惊喜所代替：他们在解剖一只回到地球25天后的白鼠后发现，白鼠在1个月的时间里可以恢复健康，太空飞行对白鼠身体造成的不利影响可以消除。这说明，白鼠完全经受住了失重和辐射对其产生的双重影响。

半个多世纪以来，科学家们先后把二十多种生物送入太空，其中包括原生动物、多种植物和微生物，以及鹌鹑蛋、苍蝇、青蛙、甲虫、乌龟、小鱼等。

如果说早期太空实验动物如犬类、灵长类还能有个富有感情色彩的“名字”的话，那么现在的实验动物完全是“无名英雄”，只有一串代号，其中就有不起眼的果蝇。果蝇的基因与人类基因有着惊人的相似之处。人类已知的疾病基因中，大约有61%与果蝇的基因编码相似。果蝇的蛋白质序列有50%与哺乳动物的相似。由于果蝇的繁殖能力极强，在短时间内可以繁殖很多代，而且它们的基因图谱已经被完全绘制，因此人们常常将果蝇作为实验对象，进行有关人类疾病的研究。我国在1990年发射的第12颗返回式卫星上，也搭载了果蝇，实现了果蝇在太空产卵、孵化、生长的全过程。现在，果蝇正在国际空间站参与“太空飞行对航天员基因影响”的研究。

研究成果“接地气”

目前，空间站的科学实验主要涉及微重力医学、微重力生物学、微重力物理学、空间天文学和对地观测等研究工作。其中，人体微重力实验主要是围绕航天员的身体各个系统来展开的，通过空间站上长时间的数据收集和研究，提出应对太空微重力和辐射环境的解决方案，为未来诸如载人登月、月球基地建设、登陆小行星和登陆火星等长时间载人深空探索任务提供支持。

微重力生物学研究包括微重力环境下微生物、植物、动物、生物工程和细胞生物学等研究方向。微重力生物学实验为空间站提供微生物预防，并试验和生产地球上不易制造的疫苗和抗生素，为太空制药的商业化做好准备。

太空植物生长研究实验是为了研究植物在太空如何生长，这将为基于生物养殖的封闭式循环生命保障系统奠定技术基础，还将为在太空或其他星球生产粮食蔬菜积累经验。目前的研究发现，植物离开重力后仍能生长，这对未来的人类太空生活来说是个好消息。

假以时日，从无到有、从小到大的中国空间站也将取得令世人瞩目的成就，届时它不但是夜空中最明亮的人造物体，也会是科研领域的明星。作为人类在太空长期逗留的前哨站，太空实验将对未来的太空探索产生深远而持久的影响。

【责任编辑：杨枫】