出品：科普中國
製作：李會超（哈爾濱工業大學（深圳））
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
根據中國載人航天工程辦公室發布的消息，我國空間站的核心艙“天和”號與與長征五號B遙二運載火箭組合體已轉運至發射區，正在進行發射前的準備工作。
回顧人類的航天史，當把人類送入太空還處於概念和想象中時，齊奧爾科夫斯基、馮·布勞恩等航天界的先驅們就已經提出了空間站的設想。從國外載人航天技術的發展過程看，發射和運行大型空間站，讓航天員在太空與地面間穿梭成為日常，是載人航天技術走向成熟的標誌。
從2003年神舟五號首次將中國航天員送入太空至今，在18年的歲月中，我國的載人航天工程已經成功進行了載人飛船和短期空間實驗室的發射和運行，完成了1992年中央批準立項時提出的“三步走”規劃中的前兩步，即將邁向自己的“成人禮”——建設長期有人駐留的大型空間站。
為什麽各國紛紛要建空間站？別急，看完這篇，你就知道了。
具有軍事化色彩的空間站
在上世紀六十年代初美蘇剛剛掌握載人航天技術時，就提出了各自的空間站計劃。除了在宣傳上佔據先機、顯示自己國家技術實力的強大外，當時兩國設計的空間站還帶有強烈的軍事色彩。
蘇聯早期的軍用空間站使用了“禮炮”的名稱，甚至還將一門機炮安裝到了禮炮3號空間站上，在沒有航天員駐留時，在太空中真的鳴響了“禮炮”，進行了一次實彈射擊試驗。
美國也曾經提出過MOL項目，通過航天員的在軌操作來監視蘇聯的軍事動態。由於當時美國尚未掌握交會對接技術，因此MOL設想對雙子星飛船進行改進，將航天員直接放入空間站內發射到太空中，完成一個月的偵查任務後返回。
不過在之後，無人偵查衛星的發展使得空間站的軍事功能變得越來越沒有必要。
在空間站工程技術發展的同時，空間站存在的目的和執行的主要任務也逐步回歸了航天先驅們的“初心”：人類飛往深空的前哨站，人類在太空中的大型科學實驗平台。
身兼數職的空間站
如果航天員要乘坐飛船去往火星，要在太空中度過數以年計的時間。在飛行過程中，航天員們將長期處於失重狀態，生理和心理還受到各種各樣不利因素的衝擊。一切在地球上習以為常的生活方式都要發生改變，甚至包括上廁所——在美劇《生活大爆炸》中，工程師霍華德就為此進行了不太成功的工作。而當霍華德真的進入太空後，各種壓力與焦慮使他近乎崩潰。
進入太空也許是每個人夢寐以求的事情，但長期呆在太空中可能並不是一件十分輕鬆的事情。未來，要讓航天員愉快舒適的完成火星之旅，我們必須先搞清楚長時間的太空飛行究竟會對人體產生怎樣的影響。
2019年，一篇發表在《科學報告》（Scientific Reports）上的論文發現，當航天員在太空中生活久了之後，航天員身體上的微生物群落情況也會相應地發生變化。更有趣的是，一旦結伴去了太空，航天員小夥伴們腸道中的細菌的種類和組分會變得越來越一致。
去年，美國科學家對完成長時間航天飛行的航天員大腦進行了核磁共振掃描分析，發現航天員們的大腦的體積有所膨脹，某些結構的形狀還發生了改變。
這兩項研究是長期太空飛行效應研究的一個縮影，而研究對象都是曾經在國際空間站上工作的航天員。目前，國際空間站是唯一一個可供航天員長期駐留太空的航天器，航天員在空間站上的平均工作時間大約為6個月。
除了考察太空飛行對人的影響外，空間站還可以測試未來可能用於太空飛行的各種技術設備。
目前，正在空間站上使用的ECLSS系統可以將各種使用過的水，甚至是航天員的尿液進行匯集處理，並再次產生潔淨的、可供飲用的水。技術人員們希望這個系統在國際空間站上測試改進後，未來能夠用到火星上。
當然，長期“喝尿”會不會讓航天員心理崩潰，可能也是需要研究的課題之一。
空間站也有望成為航天器飛向深空或降落行星前的轉運站站。美國正在計劃建設的“深空門戶”月球軌道空間站，就將在未來承擔起這一職能。
總之，人類如果想親身飛往更遙遠的太空，空間站必然是第一站。
雖然空間站運行在低地球軌道上，與地面的距離不過幾百公里，相比於月球火星等天體與地球的距離，顯得“近在咫尺”。但是這裡已經進入了太空，可以獲得微重力環境，也就是我們俗稱的“失重”環境。這種在地面上難以長時間獲得的特別環境，讓空間站成為了理想的科學實驗平台。
比如說，在太空中，原子團由於重力的消失會獲得不同的運動形態，科學家們可以利用這一變化，在空間實驗室中對更加準確的冷原子鍾進行試驗。原子鍾是北斗等衛星定位系統的核心元件，高精度的原子鍾未來有望讓衛星定位變得更加準確。
同時，由於重力的“消失”，再也不會有“水往低處流”的現象，可以對流體力學問題展開新的研究。
而脫離了大氣層的阻擋和干擾，觀測儀器還可以接收到伽馬波段的天體異塵餘生信號。伽馬射線雖然對人體有害，但卻攜帶了宇宙中最劇烈的爆發現象的信息，通過伽馬波段的觀測，科學家們可以了解黑洞和中子星等天體變化的規律，以及太陽耀斑發生的規律。在太空中培育農作物，不但可以為未來在月球或者火星種菜做一些探索，還能對重力影響植物生長的情況作出研究。
以上這些實驗內容，都已經在“天宮二號”空間實驗室開展過。作為我國大型空間站的“初代型號”，在軌運行期間，天宮二號已經顯示出了作為太空穩定大型實驗平台的優勢。
其實，在太空梭尚未退役的年代，類似的實驗還可以通過太空梭貨艙中安置的SpaceLab實驗艙來完成，我國的實踐十號返回式衛星，也是一個理想的空間微重力實驗平台。
然而，太空梭和返回式衛星在太空逗留的時間無法和空間站相提並論，無法進行長期持續的實驗。而衛星中的實驗裝置不但體積規模受限，還無法由航天員操作完成一些複雜的操作。
從國際空間站二十年來運行的情況看，其搭載的科學實驗不但產生了不少重大的科學發現，還“反哺”了地球，將不少成果應用到了國計民生中。
未來，在我國的大型空間站完成建設後，將有兩個專門的實驗艙承載科學實驗設施，開展規模更大、更加豐富的科學實驗，中國科學院空間應用工程與技術中心等多家科研部門在其中將扮演重要角色。
在計劃的十餘年運行期間，獲得的實驗樣品可以由航天員在返回地球時捎帶回地面，新的實驗設備也可以由貨運飛船上送到空間站中，不斷為我國的科學研究產出新的成果。
此外，對於國際上願意和我們合作的國家，我們不但可以將國外的實驗裝置載入我國的空間站進行實驗，還能夠在空間站規模擴大時直接融入國外研製的符合我國空間站標準的艙段。
下一代航天人的啟明星
2013年6月天宮一號任務期間，航天員王亞平在太空進行了我國首次太空授課。當時聽講的中小學生，可能有不少都已經進入了大學，有些可能正在航天和空間科學相關的專業學習，將要成為未來航天發展的主力軍。
當我國的空間站建成後，太空授課的頻率可能大幅增加，說不定孩子們每個學期都能體驗，觀察空間站劃過夜空時的場景也可能會成為不少學校課外活動的選項。
抬頭看，空間站在那裡，我們的航天員在那裡。能夠凝聚下一代仰望太空的目光，使他們由衷地為我們這個強大而進取的國家感到自豪，並啟迪他們取得更新奇的科學發現、創造更先進的工程技術，除了實實在在的好處，這可能是建設空間站最大的意義。
參考文獻：
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[2] Voorhies, A.A., Mark Ott, C., Mehta, S. et al. Study of the impact of long-duration space missions at the International Space Station on the astronaut microbiome. Sci Rep 9, 9911 (2019)
[3] MRI reveals long-term effects of space travel on the brain, https://physicsworld.com/a/mri-reveals-long-term-effects-of-space-travel-on-the-brain/
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