为什么要在太空做空间暴露实验？这些实验有什么作用？

飞行在太空中的中国空间站梦天实验舱上有一个舱外暴露平台，它是用来做空间暴露实验的。你知道空间暴露实验是什么吗？这项实验能为我们带来什么样的惊喜呢？

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？

我国空间辐射生物学暴露实验装置

被安装在舱外暴露平台上

空间暴露实验是什么？有什么讲究？

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的太空环境中，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。

空间站等航天器飘浮在太空环境中，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开展的实验。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，装置内的辐射测量子系统包括有源的主动测量和无源的被动测量。同时，每个样品盒单元都能够独立进行温度控制，从而满足不同模式生物的生存需求。宇宙辐射测量既有宏观的辐射量测量，也有定位到样品的微观测量。

按计划，该装置可工作约5年，陆续为多个科学实验项目提供服务，模块化集成还能方便科学家根据研究目标更换升级使用。

人类已经在太空

进行了哪些空间暴露实验？

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。

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新 品 上 架

中国空间站3D文具盒

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。

空间暴露实验有什么作用？

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。我国空间辐射生物学暴露实验装置作为梦天舱首个出舱载荷，用于开展空间粒子辐射等环境要素对样本材料生物学效应的研究，还能够满足出舱过程中生物样品对时效性、温度等方面的要求，为生物样品提供生命保障。

梦天实验舱可展开暴露平台示意图

我国航天员

准备让暴露实验装置出舱

众所周知，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。

我国暴露实验装置

将在未来5年内担当重任

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。

据公开资料显示，我国空间辐射生物学暴露实验装置由中科院国家空间科学中心和大连海事大学联合开发，主要用来研究宇宙辐射和微重力等胁迫环境对模式生物的影响，研究空间辐射损伤与防护、生命起源与进化及空间辐射诱变资源开发等。

空间辐射生物学装置

该装置可适用于植物种子、微生物、小型模式动物等开展在轨实验，满足它们在轨生长发育和组织器官损伤变化监测等方面的需求，将为人体、生物体的辐射损伤、遗传变异和辐射防护药品制备、辐射风险生物学评估提供服务。

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。

如果我们未来想要在月球甚至火星上发挥“种菜天赋”，那么就需要优中选优，培育出更适应高辐射和微重力环境的新品种。国际空间站上已完成了多次植物种子舱外暴露实验，相信随着我国空间站进入应用发展新阶段，更加新奇多彩的生物学舱外暴露实验一定会越来越多。

当然，舱外暴露平台能做的远不止这些实验。配备合适的载荷后，在这里可以开展空间辐射医学与防护实验、空间辐射资源开发测试、生命起源与进化等前沿研究……这些都是空间站这个“太空前哨站”为人类作出的持续贡献。

本文原标题为《空间暴露实验，都有哪些门道》，载于《太空探索》杂志2023年第8期。

文/石晓龙

本文转载自公众号：中国航天科普

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