空间站史话从大国之争到空间探索转型

北京呼风唤雨文化传媒有限公司

年4月29日，中国空间站核心舱“天和”发射成功，举国欢庆。

年5月29日，天舟二号货运飞船发射成功，30日5时完成快速对接，静等神舟十二号到来。

中国空间站建设已经实质性施工，我国载人航天事业将进入载人空间站阶段，它将带来什么样的影响？本文从如下几个部分进行探讨：

瑰丽想象——神话、科幻和电影中的空间站

大国之心——为加加林而鸣的礼炮

造福人类——空间站的科学意义

经济考量——政治和科学之外的长期运营挑战

转型时代——空间站运营时代的空间探索转型

1

瑰丽想象——神话、科幻和电影中的空间站

几乎从人类想飞上天空开始，就想在天上谋套房子，如中国古代神话里的天宫，横纵以天罡、地煞之数排列主要建筑共计座，现代人可以将之解读成个模块拼起来的空间站。

图天宫（游戏“问道”壁纸）

当然，这种解读不太严谨，因为天宫不一定在近地空间，它也可以在行星上。只有通过现代科学进行量化后，空间站的定义才可能严谨起来，哪怕是科幻小说。

年，齐奥尔科夫斯基创作了科幻小说《地球和天空的梦想以及万有引力的影响》，其中讨论了利用空间站作为更深空发射基地的可能性。齐奥科夫斯基在年写道，一个空间站被放置在距离地球到瓦（俄罗斯的距离单位，1瓦等于0.英里）的地方，作为人造月球。年，他将这些想法写进《用反作用机器探索太空》一书，提出了征服太空的总体计划。“一个人类居住地…在大气层之外…从基地出发…我们会发现更容易改变我们的速度，逃离地球和太阳。一般来说，我们可以更容易地朝着任何想要的方向出发”。齐奥尔科夫斯基认为，这样的基地，至少在一开始，将需要地球的持续支持，以及“基地和行星之间的经常性交通”，以获得补给和“频繁的交流人员”。

年，德国数学教授库尔德·拉斯维茨创作了小说《在两个行星上》。书中描绘了一支火星人探险队的先遣部队来到地球，并且在北极上空建立基地的故事。在基地建成之前，火星-地球之旅充满了危险，基地将探险的时间从冒险减少到了例行程序。这个基地就是空间站，是星际旅行的天然中转站。

图小说《在两个行星上》封面

拉斯维茨是一名数学教授，年，他的杰作《从中世纪到牛顿的原子史》又为他奠定了作为一名哲学家和科学史学家的声誉。后来，拉斯维茨发现学术论文不能更自由地表达他的理念，一个生动而扣人心弦的故事才可能，这就是小说《在两个行星上》。一代代青年怀着好奇和兴奋，被这个故事征服了。这里就包括奥伯特和冯·布劳恩，他们在孩提时代就受到这本书的启发，并在随后开创了属于他们的空间站故事。

受拉塞维茨的启发，奥伯特在他年所著的《飞向星际空间的火箭》一书中略述了空间站的用途：

空间站配备了功能齐全的仪器，它们能看清楚地球上的细节；

倘若天空晴朗，空间站夜间可以看见蜡烛的火焰，白天可以看到小镜子的反光，它们能维持探险队、遥远的殖民地以及海上船只与陆地之间的通信；

空间站能注意到每座冰山并向船只发出警告，利用这种手段可以避免泰坦尼克号的灾难；

空间观测站也可作为燃料补给站，如果将氢和氧与太阳辐射隔离，它们可以固态形式保存任意长时间；

如果我们在空间站轨道上装配一个大金属纳球并为其填充燃料，然后将金属纳球与一枚结构稳定的小火箭连接，让小火箭从金属纳球中汲取燃料，我们就有了一种高效的装置，它能很容易地飞到另一颗行星上去。

《在两个行星上》的故事也征服了冯·布劳恩，洛克达因公司的霍夫曼回忆起上世纪50年代冯·布劳恩到他在洛杉矶附近的家访问："他带了一大幅空间站的蓝图，把它在客厅的地板上展开。那才是他感兴趣的，导弹和火箭仅仅是半路上的步骤而已。"

当冯·布劳恩在美国陆军郁郁不得志时，开始在媒体一宣传他的观点，在年3月22日Collier’s杂志的“ManWillConquerSpaceSoon”系列文章中，冯·布劳恩宣称空间站将在年上天运行，这是一个轮子形状的空间站。

图Collier’s杂志刊登的空间站图

早在年，在一本名为《太空导航问题》的书中，奥地利工程师诺丹描述了空间站的外形构造。他采用了古典形状的转轮，缓慢地旋转以产生人造地心引力。为了提供电能，太阳镜将太阳光聚焦到锅炉管道上，产生蒸汽，驱动一种蒸汽发动机。

与之相比，冯·布劳恩设计的要大两倍半。这是一个三层、25英尺宽、轮子形状的空间站。冯·布劳恩说：科学家和工程师现在知道如何在太空中建造一个环绕地球英里的空间站。如果我们这样做，我们不仅可以维护和平，而且可以朝着团结人类迈出漫长的一步。

图Collier’s杂志刊登的空间站图2

冯·布劳恩指出，在空间站附近，几乎总是会有一到两艘火箭船在卸货的“太空出租车”或“穿梭机”，将人和物资从火箭飞船运送到空间站。

冯·布劳恩探讨了空间站的一些用途，包括探索太阳系的跳板、和平的看门狗、气象观测站、船舶和飞机的助航设备和非常有效的原子弹运载工具。

年，库布里克执导了“太空漫游”电影，在这部“现代科幻电影技术的里程碑”中，环形空间站缓缓升起。

图太空漫游剧照

2

大国之心——为加加林而鸣的礼炮

冯·布劳恩将空间站视为“原子弹运载工具”，这是在冷战时代获得立项合法性的不二法门。实际上，进入太空才是冯·布劳恩的兴趣，他对于如何进入太空有着极为清晰的思路。阿波罗计划前他的构想为：1）地球轨道航天器，2）空间实验室，3）月球探测（首先使用机器人），4）金星和火星探测，5）附近行星探测。

计划的核心是空间实验室（即空间站），它是空间探测的先锋前哨站、严峻空间环境的避风港、探索遥远未知世界的新起点。

水星计划后，空间站计划有望实施，但阿波罗计划打断了这一进程。冯·布劳恩与他儿时的空间站梦想擦肩而过。随着阿波罗计划的到来，冯·布劳恩完美地结合了理想与现实，提出了地球轨道交会模式(EOR)，采用土星火箭数次发射、在轨道站交会对接组装成登月火箭，这个轨道站就是空间站。

图登月三种模式

看起来冯·布劳恩的梦想即将实现，但年出现了一些变化，兰利研究中心的Houbolt博士提出了月球轨道交会方案(LOR)，论证表明它更省成本。方案中阿波罗分为登月舱、指令舱和登月舱几个部分，只有登月舱落到月球并起飞，只有指令舱回到地球，将宇航员在几个舱内移来移去，就可以节省大量的推进剂，从而可以用一枚土星五号实现登月。

图Houbolt博士提出的月球轨道交会方案

冯·布劳恩博士也曾反对说，在地球轨道上，如果交会对接时出现问题，宇航员将能返回地球；在月球轨道上，如果交会对接时出现问题，那么宇航员将被困在那里。可惜反对无效，冯·布劳恩再次与空间站梦想擦肩而过。

年，冯·布劳恩再次提出了一项用入轨的土星五号三子级作为空间站的方案。尽管最后并没有这么做，但以此和阿波罗11的成功为契机，还是推进了年“天空实验室”的发射。

图马歇尔中心提出的利用土星五号三子级作为空间站的方案

“天空实验室”仅发射了一次，载人登月的辉煌淹没了美国的空间站计划，却刺激了前苏联的空间站之路。

图天空实验室

年，是美国载人登月胜利之年，也是苏联N1火箭两次失败之年，克里姆林宫开始调整下一步目标。

早在五年前，即年10月12日，也就是赫鲁晓夫倒台的前2天，切洛梅正式宣布开始研制载人轨道空间站，设计代号为“金刚石”(ALMAZ)，此项目将提供比无人卫星更为先进的空间侦察系统。1年后，借美国空军论证的载人轨道实验室(未开展)的势头，推进了此项目获批。但由于没有赫鲁晓夫的支持，切洛梅步履维艰，“金刚石”项目在苏联航天的一阵阵内耗中进展缓慢。

图“金刚石”军用空间站组装模块

年12月6日举行了一个第一设计局、切洛梅设计局、政府官员参加的大型会议，专门讨论未来航天战略。切洛梅的“金刚石”空间站远远无法达到这样的进度。第一设计局的工程师们建议将“金刚石”站的几个壳体移交出来，然后将“联盟”号部分部段安装上，这就是“长久轨道站”(DOS)民用空间站项目。

在时任苏共中央书记乌斯季诺夫元帅的打压下，切洛梅愤怒地移交了部段，由于第一设计局的米申专注于载人登月，表示除了前面4发，后面将空间站工程留给切洛梅，两人最终达成和解。这也是后面尽管以“礼炮”号为名，但礼炮1/4/6/7归属第一设计局(6/7为后来立项)，2/3/5归属切洛梅设计局，前者是民用型号(代号DOS)，后者是军用型号(代号OPS)。

图“礼炮”号空间站

苏联空间站计划赢来了春天。进展非常顺利，仅仅1年时间空间站居然就建成了。空间站命名为“礼炮”号一一为加加林鸣的"礼炮"(遗憾的是加加林不能亲临现场来接受致意，他已在年死于飞行事故）。发射计划在年4月12日，即尤里·加加林在东方号上的飞行十周年，后由于技术问题，发射推迟到19日。

图礼炮1号空间站

“礼炮”1号空间站发射后，联盟10号成员组与空间站未完成对接，不得不紧急返回。随后联盟11号飞船完成对接，3名宇航员在太空中逗留23天，但返回地球过程中，由于减压阀在高空打开飞船失压而死亡。

年，第一设计局的第二发空间站(DOS-2)在发射时坠毁。年春天，当美国人终于准备发射他们的天空实验室时，月球竞赛的场景又重现了。为了回应天空实验室，苏联准备发射两个空间站(一军一民)，计划让它们同时投入运行，同时载人。

图DOS-2空间站

但军用“礼炮”2号由于被质子号上面级爆炸碎片击中失压故障很快坠毁，民用空间站(DOS-3)在第一次变轨时意外耗尽所有燃料也不得不放弃。

图礼炮2号空间站

N1火箭的失败，和空间站项目的失败，直接导致了米申的免职。年6月25日发射的“礼炮”3号，也是格鲁什科继任后的首次飞行。直到年7月份，前苏联第一次成功的空间站派驻才得以实现，“礼炮”3号成为前苏联真正完成航天员安全入舱和返回地球的空间站。

图礼炮3号空间站

关于“礼炮”号空间站，本文不再详细介绍，具体可百度。

表“礼炮”号空间站情况统计表

年8月13日，苏联军事工业委员会会议上，重新确认了空间站的价值，苏联在这个领域已经取得了一定的成功。在第二代“礼炮”6号(-年有人驻留)和7号(-年有人驻留)空间站成功后，空间站项目才达到成熟阶段。

图礼炮7号电影剧照

年2月17日苏联正式批准苏联第三代空间站，即“和平”号空间站，核心舱对接口从“礼炮”6/7号的2个增加到6个。

图和平号空间站

年，在挑战者号航天飞机的爆炸声中，苏联“和平”号空间站升空，直至年坠落。

如同阿波罗计划成就了美国一样，“和平”号空间站成就了苏联，苏联人终于实现了拉塞维茨、奥伯特、齐奥尔科夫斯基等著述中的思想。

但此时，苏联的航天，因Sputnik而起、因加加林而盛，在登月竞赛中黯然退场，仅剩下为加加林而鸣的“礼炮”和后继的“和平”号，在天空中哀叹它过去的辉煌。

3

造福人类——空间站的科学意义

美国进驻“天空实验室”时，时任总统尼克松谈到了该计划的目标：“天空实验室”不是促进外太空探测的深入，而是为了获得关于太空的新知识以改善地球上的生活。它将有助于发展研究地球资源的新方法，保护和增长全球资源的新方法。它将进一步获得关于我们的恒星——太阳以及太阳对我们的环境产生的巨大影响方面的新知识。

年5月25日上午，第一批宇航员康拉德、克尔温和韦茨乘坐阿波罗飞船由一枚土星IB运载火箭发射升空经过8个小时的飞行，飞船开始接近天空实验室。

第一组宇航员在太空居住了28天，进行了医学实验。克尔温是位内科医生，韦茨能够做小手术或拔牙。其他活动集中在太阳天文学、地球观测以及研究零重力环境下的液态金属状况的实验。

年7月8日，第二组宇航员在太空逗留了59天，任务完成得相当出色。年11月16日，第三组宇航员原定在太空逗留相同长度的时间，但NASA的管理人员让他们延长到84天。

后两次飞行中，太阳天文学家加里欧特(第二组)和吉布森(第三组)，对太阳耀斑进行了详细的观测，吉布森还跟踪了一次耀斑的形成瞬间。

接着是对地观测，涉及不同波长的照片，包括热敏感的红外波段。红外照片可以显示出美国西部的地热能和可能影响暴风雨生长的加勒比海的冷海水上涌。一位来自非洲干旱地区的科学家用天空实验室的图像找水，而地理学家们则找到了油和铜矿。

随着电子设备自动化水平的提高，人所做的有些事情完全可以用机器完成。空间站的独特作用体现在微重力环境上。

法兰西学院的阿兰·贝托把10个实验搬到了“和平”号空间站上去做。他说：有些问题只有在微重力环境下才能得到答案。

微重力为人类提供了地球上通常无法获得的可能性。如使晶体迅速生长，使蛋白质结晶来制备理想药物，或制造直径极精确的小球（已用于医疗器械中）。由于没有重力，密度不同的液体也可以完全混合，可以用来制造新型合金。采用电泳技术，疫苗的提纯可以达到地球上达不到的纯度。

国际空间站的一个主要目的是为物理和生命科学领域的长期微重力实验提供一个平台。自年正式建站，年开始常驻，年组装完成后，重点转向充分利用实验室继续进行科学研究、技术开发、太空探索、商业和教育。截止年2月，有个国家和地区的多名研究人员进行了多项微重力实验。

国际空间站在以下领域提供独特的研究能力：

生物医学研究（心血管和肌肉骨骼疾病的预防措施）

重力生物学和生态学（在可变重力下）

材料科学

生物技术

流体和燃烧

人机界面和先进的生命支持系统

低温物理

地球观测和空间科学

年，第三版《InternationalSpaceStationBenefitsforHumanity》中总结了国际空间站的科学价值和经济价值。书中开篇明义总结到：

太空探索需要创新，创新能带来发现并造福人类。创新创造了新技术，发现产生了新知识，这两者都创造了经济机会，为进一步勘探提供了基础设施。

国际空间站最初是一项工程成就，历经十年的发展。它的部件在世界各国都有生产，这些部件不在地球组装，完成这项工作所需的协调，使我们能够了解大量有关大型复杂技术系统的建造。

这一国际成就说明了建立国际伙伴关系所需的合作团队精神，这种伙伴关系继续蓬勃发展，并成为国际合作的典范。尽管国际空间站的每个合作伙伴都有不同的研究目标，但统一的目标是扩展所收集的知识，造福全人类。

空间站的研究成果已通过将其技术能力（类似于地面实验室的技术能力）应用于近地轨道环境的独特条件而得到证明，并不断取得有意义的科学成果。

空间站的经济成就通过其技术能力的利用以及承包机制的改变而得以实现，从而产生了新的公司、专利和产品。

图国际空间站平台四大价值

图国际空间站造福人类主题

此处全盘摘录书中描述的科学成就。

空间站研究的成果超越了国界，引用了学术期刊上发表的国际空间站研究成果的所有国家的热图如下。

图引用了国际空间站研究成果的国家的热图(NASA)

以下是截至年5月30日被引用最多的五大成果。

AMS-02调查收集和分析了数十亿次宇宙射线事件，并确定其中万次为电子或正电子（反物质），从而提供了可能导致宇宙射线和反物质起源的解决方案的数据，并增加了对我们星系如何形成的理解(AguilarBenitezM等，《物理评论快报》，年。引用次数=）

分区域骨骼调查发现，空间引起的最大骨丢失发生在骨盆、髋骨和腿骨，这应该是为未来执行LEO轨道以外任务的空间探索者设计的对策和地面活动的重点(LangTF等，《骨与矿物研究杂志》，年。引用次数=)

微生物研究表明Hfq（RNA伴侣）蛋白是沙门氏菌基因表达的主要转录后调节因子(SittkaA等，《分子微生物学》，年。引用次数=）

研究表明，V抗原在耶尔森菌中的定位在鼠疫易位过程中起着重要作用，是鼠疫的主要保护性抗原(MuellerCA等人，《科学》，年。引用次数=)

全天空X射线图像监视器（MAXI）与伽马射线爆发卫星Swift（美国）合作，观测到一个巨大的黑洞吞噬了一颗位于39亿光年外星系中心的恒星的瞬间。这一行为以前只是理论推断，这次首次观测到了，有助于更好地理解宇宙的现状和演化(BurrowsDN等人，《自然》，年。引用次数=）

国际空间站的UCSD科学地图显示，在空间站进行的科学研究对所有13个主要学科中的12个产生了影响（人文学科除外）。

图空间站研究发表科学文章的12个科学学科

方方面面的成果提高了许多领域的科学知识，包括生理学、生物医学、辐射、植物生物学、物理科学、空间阐明和地球观测。只有空间站才能构建这样一个独特的实验室，在这里，包括重力在内的每一个变量都可以被操纵，从而带来新的发现和新的科学问题。

我们对物理学的大部分理解是建立在基本方程中包含引力的基础上的。国际空间站利用其他任何地方都找不到的实验室环境，提供了唯一一个无重力下研究长期物理效应的地方，从而剥离了与重力有关的复杂过程，如对流和沉降。这种独特的微重力环境允许不同的物理特性支配系统，这些特性已被用于物理科学的各种各样的研究。

现代材料的发明是基于复杂的基础研究。在空间站独特的电磁悬浮炉中对材料进行测试的结果提供了一大类材料的数据，如磁性、结构和非晶态合金，可用于许多实际应用，包括摩擦系数降低、耐腐蚀性高的涂层、高强度和磨损能力（Krivilyov等，；Krivilyov和Fransaer，年）。研究人员发现，当熔化的金属在极低的温度下冷却，并远离表面时，例如在电磁悬浮器内，晶体的树突生长得非常快。此外，金属（如铝）中较高浓度的元素会导致不同的枝晶生长特性。这些结果表明，微重力下的测量对于理解金属如何凝固非常重要（Fecht等，）。在对金属合金结晶的研究中，不同的生长模式和微观结构的演变有助于我们更好地理解控制凝固的物理原理。这些结构在金属产品的物理性能和行为中起着关键作用，金属合金的凝固数据有助于更好地预测凝固过程中柱状向等轴转变的位置（Zimmerman等，）。

在国际空间站对胶体的研究中，液体和气体中的分子不断运动和碰撞，温度变化对这种运动的影响（称为索雷特效应）是在没有重力的情况下测量的，因此也没有对流。在太空中进行了一项特别的研究，测量了四氢萘（THN）、异丁苯（IBB）和正十二烷（nC12）的混合物。研究人员测量了这些化学物质的分离度，并计算了这些化学物质的索雷特效应的数值。由于索雷特效会发生在地球的地下油藏中，研究结果将有助于我们更好地了解这些油藏中类似组分的行为（Mialdun等，）。

在最近的空间站燃烧研究中，在燃烧的燃料滴的辐射消光之后，意外地观察到冷火焰。这一结果既不是由计算模型（基于高温化学）预测的，也不是预期的，它开辟了空间燃烧研究的新领域。这样的结果可以更好地理解低温和中温燃料化学以及对液滴燃烧的影响，并对喷雾燃烧和消防安全产生影响（Nayagam等，）。对燃烧固体材料的研究表明，当反向流速增大时，火焰传播速率先增大后减小。这是理论上预测的，但以前从未在实验中观察到过。这些数据表明，微重力可能会带来更高的火灾风险和更困难的灭火，这将对航天器消防安全产生重大影响（Link等，年）。在微重力环境下，控制流体的流动是一项挑战，它阻碍了液体推进剂、热控制和废水管理等系统的设计。然而，毛细力将流体吸引到一个狭窄的管中，并继续在微重力下起作用并能控制航天器上流体的方向。空间站流体研究的结果使研究人员能够汇编微重力下毛细管和流体流动的视频数据库。该数据库有助于使用更好的计算机模型来设计微重力流体系统，如未来航天器上的流体传输系统（Jenson等，）。

图在BASS-II实验火焰测试期间拍摄的图像(图片来源NASA)

在空间站进行的调查旨在研究太空探索对人类健康所固有的风险，并增进对地球健康的了解。这些调查探讨了生活在太空中的风险的机制，也有助于制定和测试减少这些风险的对策。这些研究的结果是LEO任务的关键促成因素，同时也为生理系统提供了基础科学知识。

对空间站中青鳉鱼的研究显示，与地面上相比，上咽骨和牙齿区域的矿物密度降低了约24%，破骨细胞体积增加。在脑、眼、肝和肠中发现了一些基因变化，其中肠对微重力最为敏感。遗传分析还显示，两个可能参与线粒体功能的基因的活性显著增加，这表明破骨细胞的激活可能与线粒体对微重力的反应有关。这些结果表明，在太空中可能会出现一种共同的免疫和应激反应调节器，从而有助于理解太空中骨密度和器官组织变化背后的机制（Chatani等人，年和年；Murata等人，年）。在秀丽新杆线虫中，也观察到了线虫、与能量代谢和肌肉附着复合物相关的基因表达变化。具体而言，这些肌肉附着复合体与肌肉内在修复机制相关，这似乎与人类肌肉萎缩以及废弃和可能的老化有关（Honda等人，）。

图希望号实验舱上的青鳉鱼(图片来源JAXA)

空间站对老鼠的研究结果显示，由于生活在微重力中，许多生理系统都发生了变化。执行17天任务的老鼠在下颌骨和头骨出现了意外的骨质流失，而这些骨头不是通常的承重骨骼，它们对太空中的骨质流失最为敏感（Ghosh）。在另一项研究中，当小鼠在空间站经历1g离心加速度时，它们的肌肉和骨量保持不变，但总体上身体健康呈下降趋势、感觉运动损伤呈增长趋势。这些结果提出了新的问题，如人工重力对维持人类健康在长期的探索类任务的作用(Shiba等人，年）。研究还表明，太空飞行激活了小鼠肝脏中的脂毒性途径，引发视黄醇的丢失，并可能增加脂肪肝疾病的风险，从而开启了围绕肝脏代谢和功能的新研究（Jonscher等，）。

在为期91天的小鼠长期观察中，结果表明，趾长伸肌（EDL）发力可以通过激活某些固有的代偿和保护途径抵抗微重力诱导的萎缩（Cancedda等，）。这些研究还表明，比目鱼肌（负责行走和站立活动的肌肉）的“反重力”敏感性增加，从而深入了解EDL的抵抗机制，这可能有助于制定应对空间肌肉损失的对策（Sandonà等，年）。此外，对这些小鼠特定骨形成和骨吸收标记物表达的分析表明，微重力引起的骨丢失是由于骨吸收增加和骨沉积减少所致。更具体地说，在过度表达PTN（多倍体）蛋白的转基因小鼠中观察到的保护作用可能是由于更高的成骨细胞活性，这有助于骨形成（Tavella等，）。在小鼠心血管研究中，飞往空间站8天的小鼠显示钙通道表达减少，钙通道调节门静脉平滑肌细胞的收缩能力，将血液输送到肝脏。在空间站培养8天的大鼠肝门静脉心肌细胞以及地球后肢悬吊期间的大鼠中也观察到了类似的效果（Dabertrand等，年）。

国际空间站的研究通过对宇航员心脏和血管的研究，揭示了太空飞行和衰老过程之间惊人的相似性。在太空中大脑血压持续升高，体力活动减少，持续暴露于高浓度的二氧化碳可能会损害大脑血管对动脉血压和CO2变化的反应能力。在太空飞行期间，一些宇航员会出现胰岛素抵抗，老年人也会出现这一问题。太空飞行后，所有宇航员的颈动脉和股动脉壁都明显增厚（12%）。在空间站工作6个月后，动脉硬度和厚度的增加与10到20年的正常老化相对应，但在返回后的几天内就逆转了。在隔离研究（例如，火星研究）中也发现了相同的模式，表明这可能是对禁闭的应激反应，而不是微重力的影响（Arbeille等，；Hughson等，年）。一项研究表明，与测量指尖血压相比，改进后的再呼吸方法是一种更准确的工具，可以在太空飞行期间正确监测心脏功能（Hughson等，年）。进一步证据还表明，CO2暴露量的增加可能与视力损害颅内压（VIIP）综合征有关（Hughson等，年）。对宇航员在微重力下运动和休息期间的核心体温的研究表明，在微重力条件下，宇航员的核心体温增加了1°C、如果在LEO以外的长时间探索任务中不加以解决，这足以损害身体和认知能力（Stahn等，）。

国际空间站的工作人员报告了各种可能与脑静脉流出改变有关的神经症状。利用容积描记法对血流变化进行的研究证实，长时间的太空飞行会导致静脉血容量的重新分布，并显示在颈静脉水平上测得的心脏震荡幅度存在有趣的差异。值得注意的是，便携式系统能够检测颈静脉的横截面积变化，具有足够的灵敏度，可用于有关心脏振荡的研究（Taibi等，）。

研究表明，60%的长期航天员（与29%的短期航天员相比）在飞行后视力显著下降（即太空飞行引起的眼部综合征），并伴有眼部结构的变化（Mader等，；)。减少的根本原因正在调查中；然而，研究表明，单碳代谢途径和液体转移到头部导致航天期间颅内压升高可能发挥重要作用（Alperin等，；Mader等，年；Mader等，年；Zwart等，年）。对国际空间站宇航员的磁共振成像（MRIs）的回顾性分析显示，大脑上部组织拥挤，导致颅内压升高和视神经肿胀。然而，这些变化对太空飞行诱发的眼部综合征的影响尚不清楚，因为大多数长期工作的机组人员都有脑部变化，但只有少数人有视力问题（Roberts等，）。另外的研究表明，宇航员的视觉依赖性在空间站上保持了6个月，并在返回地球后持续了几个月。这种持续性对LEO轨道以外的其他重力环境中的乘员感觉运动功能（即平衡/运动）有影响。研究人员建议在长时间旅行期间使用“视觉重力”（上/下场景）的方法，以帮助缓解视觉依赖性变化（Harris等，年）。

经过几十年的太空骨骼健康研究，研究人员发现，抵抗力训练，再加上充足的能量摄入和维生素D，可以在太空站宇航员4到6个月微重力任务期间维持大部分区域的骨骼，提供了有史以来第一个证据，证明在太空飞行期间改善营养和阻力性运动可以缓解长期微重力任务后出现的预期骨密度不足（Smith，ScottM。等，年）。

从空间站宇航员免疫研究的唾液样本中收集的数据表明，潜伏的EpsteinBarr（传染性单核细胞增多症）和水痘-带状疱疹病毒在太空飞行等应激条件下可能成为感染（Crucian等，；Mehta等，年；Stowe等，a；Stowe等，b）。飞往空间站的人类T淋巴细胞培养显示白细胞介素-2和/或其受体的基因表达发生改变，结合地面研究，表明在宇航员的免疫抑制中起作用（HughesFulford等，；Chang等，年）。对空间站飞行小鼠脾脏的分析表明，参与免疫系统T细胞活化的关键基因受到抑制（Martinez等，）。另一项研究表明，在空间站从1g离心机向微重力过渡的过程中，哺乳动物巨噬细胞立即降低了对维持免疫功能至关重要的氧化爆发反应的能力，但随后这些细胞在不到一分钟的时间内恢复到正常能力。这些结果表明，多细胞生命的关键细胞功能可以成功地适应LEO轨道以外的长期空间探索（Thiel等，年）。旧金山退伍军人事务医学中心的研究人员发现了一种新的免疫调节机制，这种机制是由免疫细胞中的microRNAs根据它们的功能来实现的航天细胞培养结果（HughesFulford等，）。这种先前未知的机制被称为“自我限制诱导”，有望在细胞过程中发挥作用，包括对感染的免疫反应、伤口愈合和癌症。在健康的宇航员身上，动物和细胞培养都为各种关键生理系统对微重力的反应提供了新的见解。这样的结果不仅有助于了解宇航员的健康，而且也有助于了解地球上某些人群的健康。

空间站生物学研究的结果为从单一微生物到复杂细胞培养的实验提供了对复杂微重力反应的洞察，也指导了在太空中成功生长蛋白质晶体的方法。最近增加了一些新能力，促进了太空中对微生物和基因样本进行分析。

随着样品返回地球，空间站上长期外部暴露的独特机会使得在实际空间条件下进行了大量的天体生物学实验（Bryce等，；Mancinelli等，年；Neuberger等，年；Panitz等，年）。这类研究表明，来自生命三个不同领域的休眠生物——原生动物、细菌和真核生物——能够经受长达18个月的直接空间环境暴露，包括太阳紫外线、真空和辐射。值得注意的是，从航天器洁净室收集的细菌孢子能够在暴露期间存活，尽管太阳紫外线（UV）显著降低了存活能力，这对行星保护和航天器灭菌有影响。

在蛋白质晶体微重力生长领域，新技术已经取得了成功。特别是，在微重力下生长蛋白质晶体导致了估算地面和空间生长的晶体驱动力比率的改进方法，以及蛋白质的扩散/捕获系数中杂质的比例。在微重力条件下，对流和沉降受到抑制；因此，保持了扩散区域，晶体周围的密度降低，晶体生长缓慢，杂质和微晶的捕获减少，可以更好地获得高质量的蛋白质晶体。这些方法通过揭示与疾病相关的蛋白质结构以及为环境和能源工业生产新催化剂，促进了药物发现的复杂过程（Sakamoto等，；Itoh等，年；Kinoshita等，年）。

图在空间站（左）和地球（右）上生长的血红蛋白蛋白质晶体(图片来源JAXA)

在空间站开发和测试的新的生物分析能力将使未来在空间分子和遗传学研究方面取得突破。首次在空间站进行了微重力下小型流式细胞仪的测试，以实现实时生物分析（Dubeularamée等，年）。流式细胞术将液体（血液或其他体液）聚焦到一个受控流中，使研究人员能够量化特定分子并监测生理和细胞活动。另一个送往空间站的仪器证明，它能够成功扩增RNA，让研究人员能够进行分子生物学研究，从而观测只有在微重力暴露下才能看到的基因表达的瞬时变化（Parra等，年）。在空间站上的其他开创性实验中，DNA的测序是年第一次使用商用MinIONDNA测序仪进行太空测序，并展示太空测序应用的能力，包括疾病诊断和太空飞行期间的环境监测（CastroWallace等，）。

空间站上植物生长的结果来自为空间站开发生物再生食品生产系统和未来长期探索任务而设计的实验。在这个过程中，科学家们对地球上植物生长的一些基本过程有了了解，并对现有的科学理论提出了挑战。

其中一个实验进行了独特的观察，试图阐明盘旋运动的基本机制，这是19世纪达尔文首次描述的生长茎的圆周运动。空间站独特的环境使这些实验得以发展，重力可以是一个独立的、可变的变量，不像地球上那样。科学家们观察到，圆周运动是植物自身内部信号、重力和光之间相互作用的结果，而不仅仅是重力，正如理论所说（Johnsson等，；Solheim等，年）。对拟南芥的研究表明，根在发芽过程中的摆动和倾斜模式在地球上与在太空中相似，首次证明重力不是这些根系生长模式的重要因素。图像还显示，在没有重力和平行光存在的情况下，根系向右倾斜生长，而不是直接向下生长，远离光源（Amalfitano等，）。研究人员能够确定在空间站离心机上不同重力水平下生长的植物的重力感知阈值（DrissEcole等，年）；另一个研究小组发现，与生长素信号相关的蛋白质表达减少，而应激反应蛋白增加（Mazars等，）。

在空间站进行的一系列植物实验表明，植物的发育周期、遗传状态、形态和生物特征指标以及基本过程（即光合作用、气体交换、生殖器官的形成）并不取决于航天条件（Sychev等，；Sugimoto等，年）。高等植物在微重力下形成的种子在生物学上是全功能的，从这些种子中获得的植物与普通的“地球”植物没有区别。研究结果还表明，至少连续四代高等植物可以在太空条件下生长发育。开发高等植物栽培技术将为探索类任务中引入温室作为典型的人类生命保障系统提供可能性。

由于宇航员将很快开始探索地球外的保护磁场，他们将暴露在更多的空间辐射，如宇宙射线或太阳粒子中。空间站提供了一个极好的平台来测试和开发一种称为剂量计的设备，这种设备可以检测和量化辐射暴露。空间站上的被动和主动剂量计组合显示了国际空间站哥伦布舱内的辐射环境（总吸收剂量和辐射光谱）如何在太阳周期、太阳事件和国际空间站姿态变化过程中发生变化（Berger等，）。此外，还观察了航天器姿态、飞行器对接和局部屏蔽效应对辐射环境的影响。这有助于了解空间环境和航天器对辐射环境的影响，这对国际空间站以及未来的空间探索任务都是有价值的信息。中子“气泡探测器”剂量计描述了多年来国际空间站的中子剂量和能量。结果表明，尽管太阳活动存在较大差异，但国际空间站模块中的中子环境相当稳定（Smith等，；史密斯等，年）。这些数据还将支持为深空任务制定有效的保护措施。国际空间站之前的研究结果量化了宇航员在国际空间站外的辐射暴露，以确保宇航员的安全，并发现他们在皮肤、眼睛和造血器官受到的辐射比在航天器防护罩内时更多（汤姆森，年）。关于空间站的另一项调查发现，模拟宇航员身体的球形模型在深度剂量和表面剂量分布上存在严重的不均匀性，从而显示了对实际宇航员身体的影响。在船员舱使用附加防护时，证明了含氢材料的辐射防护性能对减少带电粒子和中子剂量的有效性。国际空间站舱室中的辐射暴露率是在太阳活动接近其生长最后阶段（Ambro?ová等，年；Khulapko等，年；Khulapko等，年；Khulapko,）。研究辐射的几次尝试将活生物体用作“生物剂量计”，结果发现秀丽隐杆线虫内存在基因突变。对理解空间辐射暴露对DNA的影响做出了贡献（Zhao等，；Jamal等，年）。辐射损伤是深空任务的主要风险之一；因此，收集的空间站数据和国际社会开发的技术将在确保空间探索安全方面发挥重要作用。

空间站研究的凯芙拉合成纤维织物材料具有与聚乙烯材料相当的屏蔽性能，聚乙烯材料是一种传统上受欢迎的辐射屏蔽材料。这些结果表明，抗冲击性和灵活性使凯芙拉成为综合屏蔽方法中的最佳候选（Narici等，）。

即使现在有许多卫星在太空轨道上运行，空间站也能为研究宇宙的强大仪器提供所需的电力和数据交换。空间站的全X射线成像结果发现了8个新的候选黑洞，并有助于观察空间中的瞬态事件，如双星X射线脉冲星、恒星耀斑、活动星系核、大质量黑洞对恒星的潮汐破坏以及超新星遗迹（Burrows等，；Kimura等，年；Kimura等，年；Maselli等，年）。此外，还发表了对空间站运行前5年所收集的结果的分析，通过寻找反物质、暗物质和测量宇宙射线来研究宇宙的起源。

图全天X射线相机图像(图片来源：JAXA/RIKEN/MAXI团队)

这些结果提供了有关正电子光谱和正电子分数、反质子/质子比、电子、正电子、质子、氦和其他原子核的通量行为的信息，进而提供了有关宇宙线产生、加速和传播的精确和意外的信息（AguiliarBenitez等，)。目前，空间站正在对太阳辐照度进行测量，以帮助了解太阳的行为，并高精度提供覆盖96%的太阳光谱（Bolsée等，年）。

空间站的存在为收集地球和空间科学数据提供了一个独特的有利位置。在平均海拔约公里处，从国际空间站获取的冰川、农田、城市和珊瑚礁等特征的细节可以与轨道卫星等其他数据源分层，以汇编现有最全面的信息。从探险者1号到现在，国际空间站的工作人员已经拍摄了多万张地球图像，几乎是第一次水星任务以来宇航员在轨道上拍摄的图像总数的一半。世界各地的科学家和公众都可以通过宇航员地球摄影门户网站访问宇航员在空间站拍摄的地球观测图片(

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