2011年國(guó)際空間站微重力科學(xué)研究與應(yīng)用的發(fā)展態(tài)勢(shì)

1國(guó)際東南角的新實(shí)驗(yàn)任務(wù)在、國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基于每個(gè)長(zhǎng)期研究任務(wù)。2011年，國(guó)際空間站完成了和正在執(zhí)行的任務(wù)6次，其中一線。2010年9月至次年3月完成的任務(wù)為25.26，2011年3月至同年9月完成的任務(wù)為27.28，2011年9月至同年9月完成的任務(wù)為29.30。截至2011年12月13日,發(fā)布了這6次長(zhǎng)期考察團(tuán)任務(wù)在人體研究、生物學(xué)與生物技術(shù)、物理科學(xué)、技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證、地球與空間科學(xué)及教育活動(dòng)和推廣等6個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展的共計(jì)225項(xiàng)實(shí)驗(yàn),其中107項(xiàng)為首次在國(guó)際空間站進(jìn)行的新實(shí)驗(yàn)。圖1展示了2011年國(guó)際空間站各領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)和其中的新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)情況。可見(jiàn),技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)最多,其次為生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域和物理科學(xué)領(lǐng)域;教育活動(dòng)和推廣領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)比例最高,其次為生物學(xué)與生物技術(shù)領(lǐng)域,物理科學(xué)和技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證領(lǐng)域的新實(shí)驗(yàn)比例也達(dá)到了50%;體現(xiàn)出空間站今年在以上幾個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究活動(dòng)非?；钴S。下面分別對(duì)各領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)的重點(diǎn)研究方向、實(shí)驗(yàn)開(kāi)展情況及其中所體現(xiàn)的新變化進(jìn)行分析。2國(guó)際空間站的科學(xué)研究和應(yīng)用2.1在軌診斷工具2011年國(guó)際空間站共開(kāi)展了43項(xiàng)人體研究實(shí)驗(yàn),研究方向包括心血管和呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)和前庭系統(tǒng)、人類行為和績(jī)效、綜合生理學(xué)及營(yíng)養(yǎng)、骨骼與肌肉生理學(xué)、免疫系統(tǒng)、輻射對(duì)人體影響,以及乘員生保系統(tǒng)等。在上述43項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,有5項(xiàng)為新實(shí)驗(yàn)。NASA資助開(kāi)展的“綜合阻抗和有氧訓(xùn)練研究”和“國(guó)際空間站上跑步機(jī)鍛煉的生物力學(xué)分析”是2項(xiàng)心血管和呼吸系統(tǒng)研究方向的新實(shí)驗(yàn),旨在研究如何在微重力下通過(guò)更有效的運(yùn)動(dòng)鍛煉來(lái)增強(qiáng)體質(zhì),前者將評(píng)估利用高強(qiáng)度低運(yùn)動(dòng)量的訓(xùn)練來(lái)降低在空間站長(zhǎng)期工作的乘員在肌肉、骨骼和心血管功能上的損耗;后者將量化在空間站長(zhǎng)期飛行中跑步機(jī)練習(xí)條件的生物力學(xué),理解微重力和正常重力下運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的不同,從而開(kāi)發(fā)更適宜的太空鍛煉方式。ESA支持了2項(xiàng)人體研究新實(shí)驗(yàn):“空間頭痛”實(shí)驗(yàn)研究在軌頭痛問(wèn)題的發(fā)病率和流行程度;“微重力對(duì)人體臍靜脈內(nèi)皮影響的研究”實(shí)驗(yàn)有助于更好地了解血管內(nèi)皮功能,并對(duì)臨床應(yīng)用有益。由JAXA資助的“在軌診斷工具箱”是1項(xiàng)與乘員生保系統(tǒng)相關(guān)的新實(shí)驗(yàn),作為可測(cè)量、存儲(chǔ)和分析航天員醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的在軌健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可實(shí)時(shí)下傳數(shù)據(jù)供地面診斷。2011年繼續(xù)進(jìn)行的人體研究實(shí)驗(yàn)有:心血管和呼吸系統(tǒng)方向的“長(zhǎng)期太空飛行期間/飛行后的心臟萎縮和心臟舒張功能失調(diào):直立供血不足、運(yùn)動(dòng)機(jī)能和心律不齊風(fēng)險(xiǎn)的功能性影響”、“航天員在國(guó)際空間站長(zhǎng)期飛行任務(wù)之前、期間和之后的最大攝氧量估算和最大攝氧量次極大評(píng)估”、“體育訓(xùn)練中心律動(dòng)力學(xué)與氣體交換耐力評(píng)估”、“利用對(duì)24小時(shí)心電圖的分析研究長(zhǎng)期微重力暴露對(duì)心臟自主神經(jīng)功能的影響”、“長(zhǎng)期太空飛行導(dǎo)致的心血管健康問(wèn)題”、“長(zhǎng)期太空飛行中人體體溫調(diào)節(jié)”、“血管超聲回波描記術(shù)”、“長(zhǎng)期失重狀態(tài)下心血管系統(tǒng)的變化”、“長(zhǎng)期太空飛行中,太空飛行因素對(duì)血液循環(huán)、呼吸和心臟收縮功能營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的影響”和“長(zhǎng)期太空飛行中睡眠時(shí)間生理功能的綜合性研究”實(shí)驗(yàn);神經(jīng)和前庭系統(tǒng)研究方向的“離心法應(yīng)對(duì)耳石生理功能失調(diào)有效性的驗(yàn)證”、“太空飛行后的不明確傾斜和平移運(yùn)動(dòng)”、“失重對(duì)視覺(jué)信息心理表征的影響”、“太空飛行后再適應(yīng)期的耳石評(píng)估”和“國(guó)際空間站內(nèi)操作人員長(zhǎng)期太空飛行中的活動(dòng)形態(tài)特征研究”實(shí)驗(yàn);人類行為和績(jī)效研究方向的“互動(dòng):對(duì)持續(xù)太空飛行中航天員互動(dòng)的監(jiān)測(cè)”、“國(guó)際空間站精神運(yùn)動(dòng)警覺(jué)癥的自我測(cè)試”、“太空飛行期間睡-醒活動(dòng)變化記錄儀-短期”、“太空飛行期間睡-醒活動(dòng)變化記錄儀-長(zhǎng)期”、“長(zhǎng)期太空飛行中心理生理調(diào)節(jié)和航天員專業(yè)性活動(dòng)的個(gè)人特征研究”和“與隔離和受限有關(guān)的行為問(wèn)題:對(duì)航天員日志的評(píng)論和分析”實(shí)驗(yàn);綜合生理學(xué)及營(yíng)養(yǎng)研究方向的“降低飲食中動(dòng)物蛋白質(zhì)與鉀的比例以減少飛行期間的骨質(zhì)流失研究”、“人類頭發(fā)在長(zhǎng)期太空飛行中的生物醫(yī)學(xué)分析”、“營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估”、“NASA生物標(biāo)本庫(kù)”和“太空中人體的鈉儲(chǔ)留以及相關(guān)的人類生理反應(yīng)”實(shí)驗(yàn);骨骼與肌肉生理學(xué)方向的“微重力環(huán)境下脊髓延伸率及其對(duì)坐高的影響”、“生理學(xué)因素導(dǎo)致飛行后功能特性變化”、“骨質(zhì)疏松的早期發(fā)現(xiàn)”和“利用雙膦酸鹽對(duì)抗太空飛行誘導(dǎo)的骨損耗”實(shí)驗(yàn);免疫系統(tǒng)研究方向的“長(zhǎng)期太空飛行期間及結(jié)束后人類神經(jīng)內(nèi)分泌和免疫反應(yīng)”、“監(jiān)測(cè)航天員免疫功能的驗(yàn)證程序”和“監(jiān)測(cè)航天員免疫功能的驗(yàn)證程序-短期的生物學(xué)研究”實(shí)驗(yàn);輻射對(duì)人體影響研究方向,研究沿空間站俄羅斯部分的飛行路徑和站內(nèi)隔間的輻射環(huán)境動(dòng)態(tài),以及空間站內(nèi)外人體模型輻射劑量累積的Matryeshka-R實(shí)驗(yàn)和“輻射對(duì)航天員的長(zhǎng)期異常影響-輻射量測(cè)定”實(shí)驗(yàn)。2.2微藻和其他藻類材料的研究2011年開(kāi)展的生物學(xué)與生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)共計(jì)41項(xiàng),研究方向包括:細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、植物生物學(xué)、大分子晶體生長(zhǎng)、動(dòng)物生物學(xué)(動(dòng)物生物學(xué)又分為脊椎動(dòng)物生物學(xué)和無(wú)脊椎動(dòng)物生物學(xué)兩類)和疫苗開(kāi)發(fā)。在全部41項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,有27項(xiàng)為新實(shí)驗(yàn),占今年生物實(shí)驗(yàn)總項(xiàng)數(shù)的66%。在細(xì)胞生物學(xué)方面的新實(shí)驗(yàn)包括:“空間中的BIOKon-系列生物實(shí)驗(yàn)”共有7項(xiàng)由意大利航天局資助的實(shí)驗(yàn),涉及細(xì)胞生物學(xué)、輻射和輻射防護(hù)、老化、發(fā)芽和植物生長(zhǎng)等領(lǐng)域,旨在評(píng)估不同的生物學(xué)樣本,以確定短期太空飛行后的遺傳差異性;同時(shí)BIOKIS將利用多種放射量測(cè)定器監(jiān)測(cè)輻射情況?！疤战M織缺損”系列實(shí)驗(yàn)利用微重力下的細(xì)胞和組織培養(yǎng)研究空間中組織再生和創(chuàng)傷愈合的影響,利用美國(guó)國(guó)防部空間有效載荷共開(kāi)展了3項(xiàng)新實(shí)驗(yàn):“微重力對(duì)皮膚內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)創(chuàng)傷反應(yīng)的影響”、“微重力對(duì)基于干細(xì)胞組織再生的影響:傷口愈合中的角質(zhì)細(xì)胞分化”和“微重力對(duì)人體脂肪干細(xì)胞血管基質(zhì)部分細(xì)胞營(yíng)養(yǎng)能力的影響”?！皣?guó)家實(shí)驗(yàn)室探路者”系列實(shí)驗(yàn)新開(kāi)展了“國(guó)家實(shí)驗(yàn)室探路者-細(xì)胞-7”實(shí)驗(yàn),“細(xì)胞-7”包含幾個(gè)研究細(xì)胞復(fù)制和分化的不同實(shí)驗(yàn),探索利用太空飛行來(lái)改善地基研究中的細(xì)胞生長(zhǎng)過(guò)程。“從固定在有機(jī)基質(zhì)上的藻類生物中提取眼點(diǎn)和黃斑色素,用于保護(hù)航天員視網(wǎng)膜”實(shí)驗(yàn)研究微藻(包含類似于人視網(wǎng)膜的眼點(diǎn))對(duì)空間輻射的反應(yīng),以期得到有助于航天員未來(lái)營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃的結(jié)果。另1項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)ROALD-2,研究人體淋巴細(xì)胞內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)暴露在微重力下的作用。ESA資助的“失重條件下的白血球”實(shí)驗(yàn),計(jì)劃通過(guò)研究微重力下T細(xì)胞的活性增進(jìn)對(duì)免疫系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另外,1項(xiàng)由NASA資助的“國(guó)家實(shí)驗(yàn)室探路者-細(xì)胞-麻風(fēng)樹(shù)生物燃料”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。在微生物學(xué)方面的新實(shí)驗(yàn)包括:“國(guó)際空間站內(nèi)的微生物膜評(píng)估和監(jiān)測(cè)”研究多種空間材料上微生物膜的生長(zhǎng),即將各種傳統(tǒng)和新型金屬、織物材料分別放入Nomex材料制作的袋子中放置約4年時(shí)間,目的是確定產(chǎn)生抗生物膜產(chǎn)物的微生物菌株,評(píng)估抗生物膜產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì),研究經(jīng)過(guò)了化學(xué)物理處理的新型材料,并解決與微生物生物膜有關(guān)的生物安全問(wèn)題?！昂教靻T暴露于空間站空氣中的真菌估算”系列研究在今年開(kāi)展了系列2和3實(shí)驗(yàn),通過(guò)識(shí)別哪類真菌在空間站上繁殖較快,并評(píng)估吸入和粘附在航天員皮膚上的微生物的風(fēng)險(xiǎn),確定哪些真菌是國(guó)際空間站上的變應(yīng)原。“太空中著色真菌的生長(zhǎng)和生存”實(shí)驗(yàn)研究微重力和宇宙輻射對(duì)著色真菌生長(zhǎng)和生存的影響?！疤诊w行中微生物膜的形成”研究重力如何改變微生物膜的形成,目標(biāo)是開(kāi)發(fā)在空間和地球上,可降低微生物膜對(duì)人體健康和材料的不良影響的方法。“微重力環(huán)境中與生長(zhǎng)壓力選擇相關(guān)的酵母基因型和混合型變化”實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)檢測(cè)酵母細(xì)胞的哪些缺失菌株更好存活,研究其在微重力下的不同反應(yīng)和物理效應(yīng)。除這些新實(shí)驗(yàn)外,繼續(xù)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)有“太空飛行因素對(duì)Lactolen菌株生產(chǎn)的影響”、“搖瓶發(fā)酵對(duì)生產(chǎn)超氧化物歧化酶菌株的影響”、“國(guó)際空間站上的微生物動(dòng)態(tài)-II”和“太空飛行對(duì)與空間技術(shù)生態(tài)安全和行星檢疫問(wèn)題有關(guān)微生物培養(yǎng)基系統(tǒng)狀態(tài)的影響”實(shí)驗(yàn)。在植物生物學(xué)方面的新實(shí)驗(yàn)包括:“環(huán)境控制箱內(nèi)的生物學(xué)研究”系列實(shí)驗(yàn)新開(kāi)展了1項(xiàng)“低重力環(huán)境下的共生結(jié)瘤”研究,即利用植物-細(xì)菌模型系統(tǒng)研究與微生物-宿主相互作用和細(xì)胞間信息傳遞相關(guān)的微重力效應(yīng)?！皩?duì)黃瓜受重力調(diào)節(jié)的生長(zhǎng)和發(fā)育產(chǎn)生影響的植物生長(zhǎng)素外排協(xié)調(diào)的動(dòng)力機(jī)制”實(shí)驗(yàn)利用黃瓜幼苗分析重力對(duì)黃瓜植株重力形態(tài)形成的影響,研究植物如何將重力感應(yīng)為一種環(huán)境信號(hào)并利用它控制其形態(tài)和生長(zhǎng)定向?！爸参镄盘?hào)”實(shí)驗(yàn)研究微重力對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,實(shí)驗(yàn)拍攝的植物圖像適時(shí)傳送回地球,收獲的植物樣本也將返回地球進(jìn)行科學(xué)分析,以獲得對(duì)未來(lái)長(zhǎng)期太空任務(wù)中糧食生產(chǎn)有益的信息,同時(shí)為提高地球上的作物生產(chǎn)水平提供數(shù)據(jù)?！凹{米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室模塊10”是ValleyChristian高中參與的1項(xiàng)利用納米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的植物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn),模塊內(nèi)部的照相機(jī)將把植物生長(zhǎng)各個(gè)階段拍攝下來(lái)。植物生物學(xué)研究方向繼續(xù)開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)包括“根部趨光性的新型感知機(jī)制分析”、“微重力條件下根系生長(zhǎng)的向水性和生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的基因表達(dá)”、“增加人參生物活性的可能性的研究實(shí)驗(yàn)”和“高等植物多代生長(zhǎng)發(fā)育”實(shí)驗(yàn)。在大分子晶體生長(zhǎng)研究方面的新實(shí)驗(yàn)包括:NASA支持的1項(xiàng)“納米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室模塊8”實(shí)驗(yàn),借助晶體生長(zhǎng)和生物實(shí)驗(yàn)材料擴(kuò)散裝置,占據(jù)了納米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室的4個(gè)立方體單元;該實(shí)驗(yàn)同時(shí)也是1項(xiàng)飛行與教育項(xiàng)目,得到了美國(guó)國(guó)家地球與空間科學(xué)教育中心的資助。JAXA支持的“原位觀測(cè)微重力下蛋白質(zhì)晶體的生長(zhǎng)機(jī)理和完整性”實(shí)驗(yàn)將從晶體生長(zhǎng)機(jī)理的角度解釋在微重力下蛋白質(zhì)結(jié)晶的完整性好于地球這一現(xiàn)象。另外,分別由JAXA和俄羅斯主持的“高品質(zhì)蛋白質(zhì)晶體培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)和“生物大分子結(jié)晶與獲得微重力環(huán)境下生物晶體膜”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開(kāi)展。在脊椎動(dòng)物生物學(xué)研究方面的新實(shí)驗(yàn)包括:“商業(yè)生物醫(yī)學(xué)測(cè)試模塊”系列實(shí)驗(yàn)利用小鼠來(lái)研究微重力下如何維護(hù)骨質(zhì)和骨骼肌肉等問(wèn)題,2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)分別是“評(píng)估sclerostin抗體作為一種新型骨形成劑用于預(yù)防太空飛行誘導(dǎo)小鼠骨骼脆弱研究”和“STS-135次太空飛行對(duì)小鼠后肢血管萎縮的影響研究”。“太空飛行對(duì)呼吸道病毒感染固有免疫的影響”實(shí)驗(yàn)研究微重力對(duì)免疫功能抵抗呼吸道合胞病毒的影響,將幫助科學(xué)家確定太空飛行誘導(dǎo)免疫反應(yīng)變化的生物學(xué)意義。俄羅斯資助的無(wú)脊椎動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)“揭示遺傳特征,明確在長(zhǎng)期太空飛行中不同生物組織的耐受能力”繼續(xù)進(jìn)行。在疫苗開(kāi)發(fā)方面,“重組減毒沙門氏菌疫苗”新實(shí)驗(yàn)將評(píng)估空間飛行平臺(tái)加速重組減毒沙門氏菌疫苗開(kāi)發(fā)的能力。2項(xiàng)分別針對(duì)沙門氏菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌開(kāi)展研究的“國(guó)家實(shí)驗(yàn)室探路者-疫苗”系列實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。另外還有3項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)的研究方向及細(xì)節(jié)尚未在NASA網(wǎng)站上公開(kāi),包括:“納米機(jī)架-Fischer航空航天戰(zhàn)略研究所-生命產(chǎn)生和起源的腳步”實(shí)驗(yàn)研究微重力下18S核糖體RNA的行為,許多領(lǐng)先的生物醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)都對(duì)其非常感興趣;“納米機(jī)架-Fischer航空航天戰(zhàn)略研究所-骨研究”實(shí)驗(yàn)研究微重力下MC3T3小鼠骨細(xì)胞系,在生物制藥市場(chǎng)有很強(qiáng)的商業(yè)應(yīng)用;“納米機(jī)架-微重力下的萜烯提取”實(shí)驗(yàn)是1項(xiàng)由商業(yè)機(jī)構(gòu)資助的研究,希望能通過(guò)在微重力下從木材中提取萜烯找到更新用于產(chǎn)品的基礎(chǔ)化學(xué)砌塊。2.3基礎(chǔ)生物學(xué)研究2011年物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)共計(jì)42項(xiàng),涉及復(fù)雜流體、流體物理、材料科學(xué)、燃燒科學(xué)、等離子物理等研究方向,其中有21項(xiàng)為新實(shí)驗(yàn)。重要的研究主題包括:先進(jìn)微重力光量子設(shè)備,所雷特流體擴(kuò)散系數(shù),二元膠體聚合,瀕臨沸騰的臨界流體,馬蘭哥尼對(duì)流,毛細(xì)管流,剪切拉伸流變性質(zhì),地幔中熱量和流體的流動(dòng)規(guī)律,合金半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng),硅鍺均相晶體生長(zhǎng),微重力環(huán)境對(duì)自激振蕩生長(zhǎng)的影響,泡沫記憶特性,微重力條件下的火焰燃燒與熄滅特性,等離子體-塵埃結(jié)構(gòu)等。復(fù)雜流體實(shí)驗(yàn)共計(jì)15項(xiàng),實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)名列榜首。ESA主導(dǎo)的“可選光學(xué)診斷儀器”實(shí)驗(yàn)次序開(kāi)展,繼“膠體懸浮體的聚合”實(shí)驗(yàn)連續(xù)對(duì)處于國(guó)際空間站上微重力環(huán)境中的膠體聚合現(xiàn)象進(jìn)行研究之后,還在命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙中開(kāi)展“先進(jìn)微重力光量子設(shè)備”實(shí)驗(yàn)及“擴(kuò)散和所雷特系數(shù)”實(shí)驗(yàn),分別研究失重條件下先進(jìn)光子材料生長(zhǎng)的過(guò)程和特性,以及由微重力場(chǎng)導(dǎo)致無(wú)對(duì)流存在條件下6種不同流體隨時(shí)間的擴(kuò)散變化情況,以便對(duì)與儲(chǔ)油評(píng)估相關(guān)的模型進(jìn)行優(yōu)化。在NASA主導(dǎo)的“二元膠體聚合”系列研究方面共開(kāi)展10項(xiàng)實(shí)驗(yàn),系列實(shí)驗(yàn)3到5中的“臨界點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)、“多分散性”實(shí)驗(yàn)、“三維熔體”實(shí)驗(yàn)和“競(jìng)爭(zhēng)”實(shí)驗(yàn)等持續(xù)開(kāi)展;同時(shí),新系列實(shí)驗(yàn)6正式啟動(dòng):“膠體板”實(shí)驗(yàn)以微粒(膠體)為模型研究理論預(yù)測(cè)存在、但是迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)液晶態(tài)的基礎(chǔ)物理學(xué)問(wèn)題;“聚苯乙烯脫氧核糖核酸”實(shí)驗(yàn)的目的是在微重力環(huán)境下制造晶體,依靠脫氧核糖核酸來(lái)維持這些晶體的成分,實(shí)驗(yàn)結(jié)果已被用于新型革命性納米材料的設(shè)計(jì)之中;“相位分離”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獨(dú)特,主要研究在微重力環(huán)境下氣液兩相是如何實(shí)現(xiàn)相位分離和均相化的;“籽晶生長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)微重力條件下籽晶到晶體的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)控制,研究物質(zhì)自組織的物理規(guī)律,在系列實(shí)驗(yàn)5中研究了液體懸浮中膠體微粒因籽晶存在的結(jié)晶規(guī)律變化,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于新型智能材料的開(kāi)發(fā),在系列實(shí)驗(yàn)6中將研究晶體的生長(zhǎng)規(guī)律和晶體結(jié)構(gòu)。在“臨界流體與結(jié)晶化研究設(shè)備”系列實(shí)驗(yàn)方面,法國(guó)支持的ALI實(shí)驗(yàn)繼續(xù)對(duì)瀕臨沸騰的液體進(jìn)行研究。在“膠體乳液順磁聚合結(jié)構(gòu)”研究方面安排了1項(xiàng)新實(shí)驗(yàn),用以獲得橢圓形顆粒流體在磁場(chǎng)作用下的物理性質(zhì)改變數(shù)據(jù)。流體物理是新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)數(shù)最多的研究方向,實(shí)驗(yàn)總項(xiàng)數(shù)僅次于復(fù)雜流體,達(dá)到13項(xiàng)。JAXA安排了1項(xiàng)Dynamic-Surf新實(shí)驗(yàn),對(duì)流體從高普朗克數(shù)流體的液橋中向振蕩熱毛細(xì)對(duì)流過(guò)渡的動(dòng)態(tài)表面變形效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估。在毛細(xì)管流實(shí)驗(yàn)方面,NASA開(kāi)展了2項(xiàng)新研究:“毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)”將有助于制定微重力環(huán)境下燃料、液氮和水等液體運(yùn)輸?shù)男路桨?微重力環(huán)境下毛細(xì)管的流速研究可以用于無(wú)需移動(dòng)即實(shí)現(xiàn)將液體從一個(gè)儲(chǔ)庫(kù)泵送到另一個(gè)儲(chǔ)庫(kù)的硬件開(kāi)發(fā),使這種設(shè)備的成本和質(zhì)量降低而可靠性顯著提高,因此該技術(shù)對(duì)NASA特別具有吸引力;“毛細(xì)管流實(shí)驗(yàn)-2”包括一系列流體物理學(xué)實(shí)驗(yàn),主要研究流體在微重力環(huán)境條件下的表面運(yùn)動(dòng)規(guī)律,目的是改進(jìn)現(xiàn)有的微重力流體系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算模型,并可能用于改良未來(lái)航天器用水的液體運(yùn)輸系統(tǒng)?！凹{米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室”模塊7和模塊9分別開(kāi)展了2項(xiàng)服務(wù)個(gè)性化科學(xué)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn):實(shí)驗(yàn)?zāi)K7主要是對(duì)2至3種流體進(jìn)行混合;實(shí)驗(yàn)?zāi)K9主要負(fù)責(zé)對(duì)材料科學(xué)樣品進(jìn)行加工,已于第25/26次考察任務(wù)中開(kāi)始進(jìn)行。NASA還主導(dǎo)了另外2項(xiàng)流體科學(xué)新實(shí)驗(yàn):“微型加熱器陣列沸騰”實(shí)驗(yàn)將確定微重力環(huán)境下沸騰過(guò)程中的臨界熱通量,可用于為未來(lái)的空間探索工具設(shè)計(jì)最佳的冷卻系統(tǒng),并適用于地球環(huán)境;“剪切拉伸流變”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃針對(duì)一種非牛頓流體,在特定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行預(yù)剪切,然后進(jìn)行拉伸,實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了聚合體系統(tǒng)的拉伸粘度及其隨拉伸強(qiáng)度的變化,目的是對(duì)聚合物流體在拉伸變形過(guò)程中的流動(dòng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。由ESA主導(dǎo)的“微重力條件下地球物理流體流動(dòng)的模擬實(shí)驗(yàn)-2”將對(duì)熱量和流體在地幔中的流動(dòng)進(jìn)行研究,目的是改進(jìn)地幔研究計(jì)算方法。此外,“微重力條件下的混合流體”、“約束氣泡”、以及“臨界流體與結(jié)晶化研究設(shè)備”系列任務(wù)中的“定向固化插件”實(shí)驗(yàn)、“高溫插件”實(shí)驗(yàn)和“馬蘭哥尼對(duì)流實(shí)驗(yàn)”繼續(xù)進(jìn)行。“馬蘭哥尼對(duì)流實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃在國(guó)際空間站上進(jìn)行30次,主要通過(guò)觀察流體的運(yùn)動(dòng)模式(包括實(shí)驗(yàn)中的混沌、湍流及其過(guò)渡過(guò)程)研究微重力環(huán)境下的熱量傳遞規(guī)律。材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)共計(jì)6項(xiàng),其中4項(xiàng)為新實(shí)驗(yàn):JAXA主導(dǎo)的“微重力環(huán)境條件下合金半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是研究微重力條件下可用于制造熱電轉(zhuǎn)換器件的半導(dǎo)體材料結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程,同時(shí)還可推動(dòng)利用其它材料研制高品質(zhì)晶體,并用于太陽(yáng)能電池等其他器件;在微重力條件下利用移動(dòng)液相區(qū)方法進(jìn)行“硅鍺均相晶體的生長(zhǎng)”實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢靡苿?dòng)液相區(qū)方法改變晶體的生長(zhǎng),并借助日本實(shí)驗(yàn)艙的梯度加熱熔爐研制出高性能硅鍺半導(dǎo)體結(jié)晶,如果方法建立成功則有望用于研制效率更高的太陽(yáng)能電池和半導(dǎo)體電子元件;與在生長(zhǎng)界面被吸附的高分子相關(guān)晶體生長(zhǎng)規(guī)律研究方面開(kāi)啟了“微重力環(huán)境對(duì)自激振蕩生長(zhǎng)的影響”1項(xiàng)新研究;另外,“意大利泡沫實(shí)驗(yàn)”非常有趣,其計(jì)劃對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂泡沫在微重力環(huán)境中的形狀記憶復(fù)原能力進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)而圍繞制造可以把能量轉(zhuǎn)換為其他能量形式的新概念作動(dòng)器所必需的形狀記憶性能進(jìn)行相關(guān)研究。同時(shí),“材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”系列研究中的“固化過(guò)程中柱狀到等軸的過(guò)渡過(guò)程和擴(kuò)散及磁控對(duì)流條件下合金鑄造技術(shù)的微結(jié)構(gòu)形成”實(shí)驗(yàn)和“空間動(dòng)態(tài)響應(yīng)超聲矩陣系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。在燃燒科學(xué)方向,4項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃全部來(lái)自于NASA,除“火焰熄滅”系列實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行之外,2項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)也相繼啟動(dòng):“固體的燃燒和熄滅”實(shí)驗(yàn)旨在對(duì)微重力環(huán)境下多種燃料樣品的燃燒和熄滅特征進(jìn)行研究,將有助于制定微重力環(huán)境中意外火災(zāi)的滅火策略,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將用于構(gòu)建燃燒計(jì)算模型,設(shè)計(jì)用于微重力和地球環(huán)境的火情檢測(cè)和滅火系統(tǒng);“燃燒實(shí)驗(yàn)中的火焰結(jié)構(gòu)和火焰抬升”實(shí)驗(yàn)主要利用現(xiàn)有的火焰結(jié)構(gòu)和火焰抬升在軌硬件研究微重力條件下的火焰性質(zhì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能有助于技術(shù)改進(jìn),以減少工廠的污染物排放并提高燃燒效率。在等離子物理實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域,俄羅斯主導(dǎo)的“光化學(xué)反應(yīng)和大氣光現(xiàn)象研究”、“脈沖等離子源探測(cè)電離層”和“微重力條件下的塵埃和液態(tài)等離子體晶體”3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。此外,“微重力條件下二維納米模版的生產(chǎn)”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開(kāi)展,通過(guò)抑制對(duì)流、沉降和浮力作用來(lái)制造大尺寸及高度取向的納米尺度二維排列多肽陣列。2.4實(shí)驗(yàn)研究與進(jìn)展技術(shù)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證是2011年國(guó)際空間站開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)最多的研究領(lǐng)域,共計(jì)進(jìn)行了57項(xiàng)實(shí)驗(yàn),涉及通信與導(dǎo)航、輻射測(cè)量與放射量測(cè)定、空氣、水與地表監(jiān)測(cè)、實(shí)驗(yàn)硬件特征描述、皮衛(wèi)星與控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、航天器材料、生命支撐系統(tǒng)與居住、航空電子設(shè)備與軟件、成像技術(shù)和國(guó)際空間站微重力環(huán)境等研究方向,其中新實(shí)驗(yàn)為29項(xiàng)。在通信與導(dǎo)航方向,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局已于9月開(kāi)始進(jìn)行的“同步定位、保持、軌道預(yù)定與在定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星-芯片級(jí)原子鐘”實(shí)驗(yàn),將演示超小型、低功率原子鐘在持續(xù)微重力環(huán)境下的性能,實(shí)驗(yàn)將持續(xù)1年。NASA9月部署了以國(guó)際空間站為基礎(chǔ)的“空間通信與導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)臺(tái)”設(shè)施,該設(shè)施由NASA空間通信與導(dǎo)航辦公室開(kāi)發(fā),同時(shí)受到美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)防部支持,主要研究在執(zhí)行空間任務(wù)期間的可重新編程軟件無(wú)線電技術(shù),實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)持續(xù)到2013年3月。該實(shí)驗(yàn)將提出通用的軟件無(wú)線電體系標(biāo)準(zhǔn),演示先進(jìn)的通信、導(dǎo)航和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,還將改進(jìn)多項(xiàng)技術(shù)以增強(qiáng)未來(lái)的載人和機(jī)器人任務(wù),包括高數(shù)據(jù)率發(fā)送和接收、新型數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制、自適應(yīng)感知應(yīng)用、包括破壞性容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以及在目前的和新GPS頻率下的精確導(dǎo)航技術(shù)等。同時(shí),俄羅斯開(kāi)展的“航天器和用于個(gè)人通信的最新技術(shù)”、“利用全球業(yè)余無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)研究國(guó)際空間站俄羅斯艙段無(wú)線電信號(hào)的發(fā)送/接收條件”和“高精度空間站運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)系統(tǒng)”3項(xiàng)實(shí)驗(yàn),以及ESA于2010年開(kāi)展的“船舶認(rèn)證系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。在輻射測(cè)量與放射量測(cè)定方向,為評(píng)估空間輻射對(duì)航天員中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響,ESA資助的“對(duì)航天員中樞神經(jīng)系統(tǒng)長(zhǎng)期異常影響-防護(hù)”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行;29/30長(zhǎng)期考察團(tuán)任務(wù)還新開(kāi)展了由NASA資助的“對(duì)航天員中樞神經(jīng)系統(tǒng)長(zhǎng)期異常影響-縫隙”實(shí)驗(yàn),兩者主要對(duì)美國(guó)“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的輻射環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。JAXA資助的“用于生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的被動(dòng)放射量測(cè)定器”對(duì)日本“希望”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的輻射環(huán)境進(jìn)行測(cè)量,儀器在空間環(huán)境下暴露6個(gè)月后返回地面進(jìn)行分析,所測(cè)得的數(shù)據(jù)將用于計(jì)劃未來(lái)的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)并更新下一代載人飛行輻射評(píng)估模型。另由NASA資助的“離子通量驗(yàn)證器”及由ESA資助的“空間站內(nèi)部劑量分布-太空環(huán)境下輻射對(duì)生物樣本的作用”實(shí)驗(yàn)和研究國(guó)際空間站上的輻射吸收的“Matroshka-2”實(shí)驗(yàn)在繼續(xù)進(jìn)行。在空氣、水與表面環(huán)境監(jiān)測(cè)方向上,NASA資助了3項(xiàng)新實(shí)驗(yàn),包括測(cè)試一體式3D高清可攜攝像機(jī)性能并為CMOS成像傳感器性能測(cè)試提供數(shù)據(jù)的“松下3D可攜式攝像機(jī)”實(shí)驗(yàn)、監(jiān)測(cè)大氣質(zhì)量并探查軌道大氣層內(nèi)可能發(fā)生異常的“意大利太空探索電子鼻”實(shí)驗(yàn),以及旨在大幅提升太空資產(chǎn)遙操作能力的“自主和遙操作衛(wèi)星的管理”實(shí)驗(yàn),第3個(gè)實(shí)驗(yàn)將使單一用戶操控多個(gè)機(jī)動(dòng)衛(wèi)星成為可能,正在開(kāi)發(fā)的互動(dòng)、指令和控制用戶界面將允許一個(gè)用戶監(jiān)控正在執(zhí)行任務(wù)的納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)活動(dòng)。NASA資助的“艙內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)儀”和俄羅斯資助的“對(duì)各種設(shè)施工作區(qū)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)儀評(píng)估使用國(guó)際空間站俄羅斯段的可能性”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)硬件特征描述方向,NASA為“高級(jí)膠體實(shí)驗(yàn)”(ACE)開(kāi)展了3項(xiàng)預(yù)備實(shí)驗(yàn):“高級(jí)膠體實(shí)驗(yàn)預(yù)備”(PACE)測(cè)試并確立空間站環(huán)境下光鏡模塊(LMM)性能,以將其用于ACE實(shí)驗(yàn)的高分辨率圖像放大;PACE-2實(shí)驗(yàn)將利用LMM測(cè)定ACE可以分辨的三維粒子最小尺寸,從而表征高放大倍率膠體實(shí)驗(yàn)的分辨率;PACE-LMM-Bio是1項(xiàng)快速轉(zhuǎn)變工程化概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),由航天員拍攝三維生物學(xué)樣本顆粒、組織樣本和活體生物體的圖像,以展現(xiàn)LMM觀察生物標(biāo)本的能力。另外,同樣受NASA資助的“納米機(jī)架-立方體實(shí)驗(yàn)室”模塊1與模塊3實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行。在皮衛(wèi)星與控制技術(shù)方向,新開(kāi)展的1項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是由NASA資助、意大利航天局支持的“意大利-航天員個(gè)人眼”,實(shí)驗(yàn)將開(kāi)發(fā)一種用于支持航天員艙內(nèi)和艙外活動(dòng)操作的自主航天器,這種微型航天器可通過(guò)鋰離子電池供電并由微處理器控制,微處理器的輸入信號(hào)來(lái)自慣性測(cè)量單元以及陀螺儀測(cè)量結(jié)果,曾于2005年進(jìn)行的“意大利導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)演示”與該實(shí)驗(yàn)相關(guān)。NASA資助的“同步位置保持、軌道預(yù)定、再定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星”、“皮衛(wèi)星太陽(yáng)能電池”,以及俄羅斯資助的“微衛(wèi)星準(zhǔn)備及發(fā)射的創(chuàng)新”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行,其中“同步位置保持、軌道預(yù)定、再定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星”實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)持續(xù)到2012年9月。機(jī)器人技術(shù)方向是NASA年內(nèi)部署的國(guó)際空間站科學(xué)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)方向之一,共展開(kāi)3項(xiàng)新實(shí)驗(yàn):“Robonaut”被視為發(fā)展新型太空機(jī)器人能力的跳板,將演示靈巧機(jī)器人在微重力環(huán)境下從航天器內(nèi)啟動(dòng)、控制及操作機(jī)械裝置,并在空間環(huán)境下長(zhǎng)期工作與任務(wù)協(xié)作,最終實(shí)現(xiàn)與航天員的交互;“載人探索遙控機(jī)器人智能手機(jī)”將演示和評(píng)估使用“同步位置保持、軌道預(yù)定、再定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星”艙內(nèi)活動(dòng)自由飛行遙控機(jī)器人的操作,以及由地面和航天員控制的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的遙操作,目的是提高未來(lái)載人探索任務(wù)中航天員的工作效率;“遙控補(bǔ)加任務(wù)”將演示和測(cè)試向衛(wèi)星(包括廢棄衛(wèi)星)遙控補(bǔ)加氣體液體的工具、工藝和技術(shù),預(yù)期降低未來(lái)微重力條件下機(jī)器人維修任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。這3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均將持續(xù)到2013年3月。而由俄羅斯資助的“通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)國(guó)際空間站俄羅斯艙段內(nèi)的機(jī)械臂進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行。在航天器材料方向,將材料安放在國(guó)際空間站外部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的“國(guó)際空間站材料”系列研究中,以各種材料和薄膜作為實(shí)驗(yàn)主體的系列實(shí)驗(yàn)7繼續(xù)進(jìn)行;新開(kāi)展的系列實(shí)驗(yàn)8將材料和計(jì)算元件作為實(shí)驗(yàn)主體的試驗(yàn)臺(tái),評(píng)估它們受原子氧、紫外線、陽(yáng)光直射、輻射和極熱極冷的影響,旨在開(kāi)發(fā)和測(cè)試可以更好地承受嚴(yán)酷空間環(huán)境的新材料和計(jì)算元件,結(jié)果將有助于更好地了解各種暴露在空間環(huán)境下材料和計(jì)算元件的耐用性,以便應(yīng)用于未來(lái)飛船的設(shè)計(jì)。2003年俄羅斯開(kāi)始資助的“空間生物降解和生物腐蝕初始階段”實(shí)驗(yàn)到3月已暫時(shí)告一段落。JAXA資助的“空間環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備-附加載荷”實(shí)驗(yàn)將一直持續(xù)到2013年。在生命支持系統(tǒng)與居住方向,NASA最新資助了可測(cè)定小型高效的再生真空胺系統(tǒng)是否能夠有效地從國(guó)際空間站氣體中排除二氧化碳的“AmineSwingbed”實(shí)驗(yàn),以及利用半透膜和濃縮糖溶液將臟水轉(zhuǎn)換為可以安全飲用液體的“正向滲透袋”實(shí)驗(yàn)。俄羅斯