摘要：2025年4月24日17时17分，长征二号F遥二十运载火箭托举着神舟二十号载人飞船，自酒泉卫星发射中心直上苍穹。从1970年发射的“东方红一号”到神舟二十号，中国人的“天地往返”已成常态化。随着空间站进入应用与发展阶段，通过对神舟二十号工作任务和空间站新动向的
雷淼
2025年4月24日17时17分，长征二号F遥二十运载火箭托举着神舟二十号载人飞船，自酒泉卫星发射中心直上苍穹。从1970年发射的“东方红一号”到神舟二十号，中国人的“天地往返”已成常态化。随着空间站进入应用与发展阶段，通过对神舟二十号工作任务和空间站新动向的解读，我们对于航天科研目标及未来深空探测方向或可见微知著。
涡虫的光学显微照片
“严选”涡虫首上太空研“再生”
跟随神舟二十号乘组一道前往空间站的，有一群特殊的“乘客”——涡虫。它们来自山东理工大学生命与医药学院实验室，将参与空间再生实验。
涡虫是一种扁形动物，体长1-2厘米，是地球上最古老的生物之一。这种动物以其精湛的再生能力声名远扬，它能从身体的微小碎片中完整地重建所有身体部位，也能在多种干扰下高度保持原有的形态和比例，并且这种再生过程可以无限进行下去。有科学家做过实验，把一条不到2厘米长的涡虫切成279份，一周之后，每一份竟然都再生出一条新的涡虫：以极高精度修复和重塑的复杂器官，囊括了肌肉、皮肤、肠道，甚至大脑与中枢神经系统。
涡虫复杂的再生能力对人体组织再生研究极具吸引力，尤其是涡虫与人类基因组相似度比较高，使它成为从干细胞生物学到药物成瘾等各个生物医学领域研究的重要模式生物。
山东理工大学对涡虫的再生机制研究已近20年，但在空间站开展涡虫空间再生实验还是国内首次。这次实验主要研究在空间微重力和辐射环境下，涡虫再生的特征变化以及参与调控的可能分子机制，以期找到一些特征性分子来干预航天员长期驻轨造成的损伤和支撑修复。
想成为航天涡虫，要经过重重“严选”：外观有双眼点，体长在8-10毫米之间，且健康活泼。每条航天涡虫都被切为头部、中段、尾部，最终精心挑选48段样本送上太空。研究人员为它们特制了带有芯片的实验盒，航天员将其装载到生命生态柜的小型生物通用培养模块中，即可启动实验。涡虫的再生关键时期分别在第一、三、五天，实验会在这些时间点对样品自动固定，这样一来，涡虫的基因和蛋白质于重建过程中的表达状况就能在太空中定格。后续，样本将由航天员回收保存，返航时将涡虫芯片带回地面，便可开展进一步研究。
天上做实验，地上也在做。地面实验室的研究人员设置了与空间站相同的实验流程。将来把天地两组实验样本进行对照，就可以分析出哪些状况是涡虫本身具有的，哪些是太空环境造成的，从而获得在两种环境中再生关键时段的差异基因图谱。
除了涡虫之外，搭乘神舟二十号前往空间站的，还有斑马鱼和链霉菌。斑马鱼是空间站的老朋友了，神舟十八号的“太空养鱼”至今仍为人们津津乐道。那次搭建的“天宫水族箱”是为了模拟生物圈的物质循环，建立能够长期稳定运行的水生生态系统。而这次随神舟二十号出征的斑马鱼，是为了探寻人类未来宇宙航行时，在长期失重环境中对抗骨量下降和心血管功能紊乱的防护方法。
链霉菌在自然环境中广泛分布，对土壤改良、植物促生抗逆、生态系统的构建和维持有很大作用，还能产生多种有用的代谢产物，如抗生素。研究它在空间环境下的生存规律，将为利用空间环境资源开发微生物应用技术和产品奠定基础。
总之，挑选哪些生物上天，是有规律可循的。它们要易于理解、便于观测，比如以前多次被神舟飞船带上天的秀丽隐杆线虫，不但细胞个数固定确知，就连每个细胞的出现顺序都早已被科学家摸透。斑马鱼和随神舟十九号上天的果蝇也都是遗传科学的重要模式物种，基因组都已全部测序。斑马鱼的透明身体非常便于观察，并且生命周期较短，可以在短时间内观测好几代。随着人类不断向太空旅行的目标靠近，实验生物还要尽可能地与人类在太空中的长期生存关联起来，像斑马鱼和金鱼藻的小型生态系统、太空水稻育种，以及这次对斑马鱼、链霉菌的研究，都是这方面的具体案例。
2025年4月24日，神舟二十号载人飞船顺利升空。
为空间站“披甲”防护应对空间碎片
除了做实验，还要“修房子”。神舟二十号乘组的重要工作事项之一，是继续安装空间碎片防护装置，为空间站“披甲”。
看似空空荡荡的太空，其实潜伏着许多“刺客”。除了天然的微流星体之外，更多的是人类航天活动中制造的空间碎片。在这些“刺客”里，有失效卫星、废弃火箭末级、航天事故残骸，从航天器上脱落的小零件、隔热材料，甚至人类在舱外维修航天器时丢弃或遗失的工具等。随着航天事业的发展，尤其是低轨巨型星座的建设（如“星链”星座），地球轨道上的空间碎片数量激增。截至2024年，可以追踪的较大空间碎片已经超过4.4万个，“不在册”的小碎片更是不计其数。
平时看太空节目，感觉那是个失重的地方，周围一切都在慢悠悠地飘荡，但事实上，这些“慢悠悠飘荡”的物体都在围着地球以第一宇宙速度（接近每秒8公里）疾驰，是步枪子弹速度的10倍。这些物体互相看似不动，只不过是因为同在一个系统中，运行方向完全一致，就像并排行驶的汽车。而如果是轨道交叉的独立物体跑到一起，就会如同十字路口撞车，场面将惨不忍睹，还会制造出更多的次级碎片。
现代航天器的设计正努力从源头减少空间碎片，例如采用防爆燃料贮箱，减少外露部件。航天器退役时，要主动变轨、再入大气层销毁或是改至“墓地”轨道。但对于已经存在的空间碎片，航天器的应对策略主要是看碎片的尺寸。目前，针对尺寸超过10厘米的较大碎片，航天器倾向于“躲”，主动实施轨道规避。轨道规避的前提是建立起完善的空间碎片监测预警系统，知道碎片在哪儿，几时几刻会到何地。棘手的是那些难以观测的大量小型空间碎片，一是不可预知，二是即使预知也不可能频频消耗燃料变轨躲避，这时“硬着头皮撞上去”就成了最佳应对手段。
所以，为空间站打造一副坚不可摧的铠甲是非常必要的。按照美国航空航天局的公开标准，国际空间站的防护结构要求能够经受住直径1.3厘米的铝球以每秒7公里的速度垂直撞击。为此，国际空间站和中国的天宫一号、二号采用的都是惠普尔防护罩，在航天器约2.5厘米厚的外壁基础上，包裹1毫米厚的特殊金属层。如果微型空间碎片的尺寸与金属层厚度相差不大，高速相撞会产生爆炸，将空间碎片击碎，让动能分散到内层板上。但是比起试验期的两代天宫，中国空间站具有更长的在轨时间、更大的组装规模，因此也对防护功能提出了更高的需求。
航天科技集团五院总体设计部空间碎片防护设计团队提出了“材料立足国内，指标对标国际”的研发原则，自主开发性能更先进的复合材料填充式防护结构。团队提出“基于冲击压力的防护材料评估方法”，从国内几十种复合材料中筛选出2种具有防护潜力的材料，又通过数百次数值仿真计算和试验，摸清了复合材料各项参数对防护性能的影响，最终设计出最优性能的防护结构。这一结构综合应用高强度材料和能量吸收层，既减轻了重量，又提升了抗冲击性能，目前已成功应用于空间站天和核心舱，以及问天、梦天两大实验舱，为空间站和航天员筑起固若金汤的堡垒。
空间站并非所有部位都均等防护，而是根据各部分的关键性进行区域分级。例如，作为航天员生命保障核心区的密封舱，其防护层级最高；推进系统、供电设备等次之；太阳翼等部件面积大，难以完全防护，更多借助冗余设计（指引入额外的组件、路径或功能，以确保即使某个部分出现故障，系统仍能继续正常运行）来降低撞击带来的风险。
航天员在轨维修同样是载人航天器防护体系的重要一环。此前，神舟十七号乘组完成了中国航天首次舱外维修任务，神舟十八号、十九号乘组在安装空间站防护装置时，还同步开展了舱外设施设备巡检。
神舟二十号载人飞船上的相机拍摄的中国空间站（视频截图）。 中国载人航天工程办公室
中国出舱技术已达国际先进水平
舱外巡检主要依靠的是航天员的出舱活动。截至目前，我国已经顺利实施了20次航天员出舱活动，活动任务可以分成以下4类。
一是验证技术 包括舱外航天服、气闸舱、机械臂辅助操作和天地协同支持等出舱活动关键技术。
二是舱外组装 涉及舱外扩展泵组、舱外载荷暴露平台支撑杆、舱外全景相机支架等安装及跨舱线缆接通等工作，以实现空间站完整的设计功能。
三是舱外维修 例如神舟十七号乘组通过两次出舱活动，完成了我国首次舱外维修，消除了空间碎片撞击对天和核心舱太阳翼电缆的影响，恢复了发电能力。
四是主动防护 前文所说的空间碎片防护装置安装和舱外设施设备巡检都归为此类。为确保空间站的长期安全可靠运行，针对日趋严重的碎片撞击问题，我们从被动维修到主动防护，进一步提升了空间碎片的应对能力。
由于种种原因，出舱活动十分危险。首先是空间碎片带来的威胁。空间碎片的典型速度是子弹的10倍，而动能和速度平方呈正比，也就是说，和子弹质量相当的空间碎片所携带的动能相当于100颗子弹。其次，航天服可能被舱外的锋利部件或推进系统喷射破坏，造成航天服漏气，直接威胁航天员生命。三是系绳或航天员机动装置（航天服自带的推进器）失效，会使航天员飘离空间站。
可以看出，抵御这些风险的主要设备是配备一套安全可靠的舱外航天服。舱外航天服的本质就是一艘穿在身上的飞船，它必须能对抗内外巨大的气压差、耐受太阳照射区域和阴影区域巨大的温差、具备抵御空间辐射和微尘流的功能，以及提供适合人生存的气体和温湿度环境。
除了这些基础的生命支持功能外，舱外航天服还要尽力提高出舱任务的工作效率，缩短航天员在舱外活动的时间：头盔面窗视野清晰，关节结构灵活自如，手套利于感触抓握，通信控制准确迅速。以中国“飞天”舱外航天服的手部设计为例，尽管舱外服的主体部分有6层，但指尖部分只有一层气密层，以保持灵敏触觉；手指其余部位有2层真空屏蔽隔热层；手背处有可以翻折的热防护盖片，既能提高手指的热防护能力，又能保证关节活动性；在握物部位设置有防滑的凸粒橡胶。
自神舟十二号载人飞行任务以来，我国“飞天”舱外航天服已顺利保障了19次出舱活动，单件航天服最高使用量达17次，已超过“3年15次”的设计指标，至今依然性能良好、状态稳定。2024年12月17日，神舟十九号乘组航天员蔡旭哲、宋令东舱外活动9小时，刷新了美国宇航员James Voss和Susan Helms在2001年创下的8小时56分钟单次舱外活动时长世界纪录。中国空间站机械臂通过独创的双臂级连和爬行设计，能够帮助航天员到达空间站舱体外任意工作区域。天地协同支持体系则为出舱活动方案制定、进程控制、跨系统协同和应急处置提供了有效的专业支持。综上所述，我国航天员的出舱活动技术日益成熟，现已达到国际先进水平。
展望未来，登月也是一种出舱活动。未来中国的“望宇”登月服，还将加强针对月球表面高真空、高温差、高辐射和锋利月尘等危险因素的设计，并支持在月球的重力环境下行走、攀爬、驾驶月球车、进行科学实验等任务。
机器人成空间站常驻“航天员”
说到机械臂，让人很自然地联想到最近在中国空间站上班的两款机器人。它们或是能进入航天员难以检视的狭小空间，或是承担起全能助理的工作，在业务上都能独当一面，人工智能已成为空间站的常驻成员。
2025年伊始，神舟十九号乘组成功完成了空间站管道检测机器人在轨试验，验证了机器人在复杂管道环境中的适应能力和变刚度（指机器人遇外力时，能够在刚性及柔性之间发生转换的能力）运动安全性。管道检测机器人借鉴了海星、海胆等棘皮动物的管足器官的运动机理，可以根据管道内径快速调整腿长，保证机器人脚部与管壁可靠接触，以提供足够的前进动力。试验过程中，机器人平稳可靠地通过多种直径的直管、弯管、锥管，表现出高度的适应性；断电后又可轻松地从复杂管道内拉出，验证了其被动柔顺机构的安全性。
在地面上的人都知道，管道堵了有多难查、多难通，在空间站的高风险环境中（如失重漂浮的小物件可能被吸入通风系统），发现和疏通的难度更是大大增加，管道检测机器人在未来必会大展奇才。
空间站的另一款机器人只有书包大小，蓝色外观，名叫“小航”，是哈尔滨工业大学研发的舱内智能飞行机器人。它具有语音交互、舱内巡检、物资管理、任务记录、数据分析等功能，能够显著提高空间站的工作效率，促进科学实验的精准性和有效性。以物资管理为例，当航天员需要某样实验器材时，“小航”可以根据物资编号和位置告诉航天员，应该到天舟货运飞船的哪个角落去找。“小航”结合了人工智能算法，融合了机器学习与深度学习技术，能够理解和响应复杂的自然语言指令。这不但使它能承担严谨的科学任务，还能陪航天员聊天，提供情感互动，在孤寂的太空中缓解航天员的精神压力。
如今，中国空间站正在按计划有序开展空间科学实验，各项工作进展顺利。截至目前，我国已在轨实施200余项科学与应用项目。而神舟二十号乘组在轨期间，除了生物实验外，还将在空间生命科学、微重力物理科学、空间新技术等领域，持续开展59项空间科学实验与技术试验，有望在血管化脑类器官芯片培养、软物质非平衡动力学、高温超导材料空间制备研究等方面取得重要突破。
此次神舟二十号发射，恰逢第十个“中国航天日”。1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”开启了中国探索太空的伟大征程。时隔55年，中国航天人的太空接力更上层楼，步伐愈加坚定、踏实。
来源：北京日报客户端