研究 | 太空实验不怕“暴露”，门道知多少

2023-07-06 10:45:48
来源：荆楚网

近日，中国空间站上的空间辐射生物学暴露实验装置经由机械臂抓取，...

近日，中国空间站上的空间辐射生物学暴露实验装置经由机械臂抓取，从梦天实验舱货物气闸舱出舱，随后被安装到舱外暴露平台上，开机工作正常。我们常见的太空实验一般是在防护严密的航天器舱内进行的，为什么一些实验需要暴露在太空环境中？这些实验有何特殊之处？又具备哪些独特价值呢？

暴露实验讲究不少

(资料图片仅供参考)

顾名思义，暴露实验就是将实验材料暴露于某种特殊环境中，观察实验材料会发生怎样的特殊变化。而舱外暴露实验指的是将实验材料暴露于航天器舱外太空环境中，利用复杂多样的太空影响因素，观测实验材料的微妙变化，航天员和地面团队在此过程中充分收集实验数据，分析样本变化机理，解析背后规律。

空间辐射生物学装置安装在梦天舱暴露平台

空间站等航天器漂浮在太空环境中，拥有非常理想的微重力科学实验环境，能够完成许多地面上难以完成的实验。不过，对于某些实验目标来说，微重力环境是远远不够的，需要更接近真空的条件。而空间站内部为了维持航天员健康状态，仍然保持着地球海平面大气压水平，空气成分也与地球大气近似。

同理，空间站内不可能长期维持威胁航天员生命健康的辐射源，这又无法满足某些实验的辐射需求。于是，科研人员为空间站设计了舱外暴露平台，以便开展需求更“极端”的特殊太空实验。

那么这些太空实验有哪些特殊要求呢？

首先，它们需要利用地表基本上无法模拟的外部空间环境。虽然太空经常被称为“真空”，但其实那里并不是空无一物的。空间站所处的近地轨道上存在着各种各样的复杂物质，从直径最小仅有数微米的微流星体，到大气层边缘产生的原子氧，再到难以估量的有害辐射等，都为实验材料特性变化提供了前提条件。

其次，这些实验不会过于依赖航天员操作。由于太空环境对于人体来说过于恶劣，航天员出舱活动前必须穿戴具备复杂维生功能的舱外航天服，而且任务间隔和时间受到严格限制，不可能经常出舱照看实验设备和材料。

最后，实验装置需要尽量确保可靠性，提升综合效率。由于航天员无法经常出舱照护，机械臂操作也难免存在限制，因此舱外暴露平台和实验装置在设计时要预先考虑各种意外因素，尽量在更长时间内开展更多太空实验。

比如，我国空间辐射生物学暴露实验装置内部设计了13个装载生物材料的样品盒单元，按计划可工作约5年，陆续为多个科学实验项目提供服务。

国外实践收获颇丰

在国外航天界，舱外暴露实验已经持续了数十年，收获了不少颇有意义的经验成果。

1970年，美国宇航局兰利研究中心开始着手设计一款特殊的科学实验卫星。在经过14年论证和研制后，该卫星被直观地命名为“长时间暴露设施”，足有校车大小，1984年4月6日由挑战者号航天飞机携带升空，成为截至目前唯一的专门用于舱外暴露实验的卫星。

按计划，这颗卫星应该在轨运行一年半左右之后被带回地面，但由于1986年初挑战者号航天飞机遭遇不幸，其返回时间一再推迟，直到1990年初被哥伦比亚号航天飞机从轨道上带回。在延长服役期间，该卫星验证了材料和设计的可靠性，利用多个国家的实验材料（从番茄种子到航天器涂层），累计完成了57项实验，实验成果也是五花八门。

卫星的载荷能力毕竟有限，空间站才是专业的太空实验室。20世纪90年代，在俄罗斯和平号空间站上，美国航天专家专门开发了一个舱外暴露平台，名为“和平号环境影响载荷”，并在1996年3月27日由亚特兰蒂斯号航天飞机携带升空，在和平号空间站外部暴露工作一年左右。

上述两个平台上产生了不少实验成果，为国际空间站的设计完善作出了巨大贡献。目前，国际空间站上有4个专业舱外暴露平台，分别位于欧空局哥伦布号实验舱、日本希望号实验舱、俄罗斯星辰号核心舱和框架结构上。

不过，在这4个平台上进行的暴露太空实验由各国研究机构分别开展，这样固然提高了灵活性和多样性，却也留下了资源协调利用方面的遗憾。

神舟十六号乘组将载荷安装至载荷转移机构

从新材料到生物学

舱外暴露实验具体能做什么呢？考虑到太空环境和相对独立运作的特点，主要包括材料实验和生物学实验两大类。

微流星体、原子氧和各种宇宙射线对于金属、塑料等材料有着异常强劲的腐蚀变质作用，会导致材料发生复杂的物理与化学变化，进而丧失固有特性。

科研人员可以反过来利用这一点，将一批材料放置在舱外暴露平台上，充分经受太空“风吹雨打”，然后取回进行检测。通过研究材料的最终状态，有助于科研人员判断材料的耐腐蚀性能，定向择优发展，合成耐腐蚀性能更强的新材料。

太空未必是生命禁区，在舱外暴露平台上也能够开展各种重要的生物学实验。

比如，古老的微生物蓝藻对于地球生态十分重要，它在太空中是否能发挥近似的作用？科研人员将蓝藻样本放置于暴露平台上一段时间后，将其基因序列与空间站内、地球上的对照组进行对比分析，观察其“基因表达”和生理形态是否发生了根本性变化。

未来，人类有望建立月球和火星基地，不可避免地需要建设自给自足的外星球生态圈，相信类似蓝藻这样能够产生氧气的微生物会在其中发挥巨大作用。

载荷出舱画面