科研项目的作用

2023年9月15日，科普中国·星空讲坛以“迈向高水平科技自立自强”为主题，邀请5位来自超导技术、海洋资源、航天科技、气象预测、水利水电领域的专家，围绕中国最具代表性的、切实造福百姓的五大科学与技术，聚焦“富民强国‘强’什么”，带领公众感受我国科技、科研工作背后的精神和魅力。

中国科学院空间应用工程与技术中心应用发展中心主任张伟教授带来演讲：我国太空探索的坚定一步。

，时长20:14

以下是张伟的演讲节选：

我国自1992年载人航天工程立项，就确定了“三步走”的发展战略。

我国载人航天工程的发展，演讲者供图

第一步，是发射载人飞船，开展空间应用实验。

第二步，是突破发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。

第三步，是建设间站，解决有较大规模的，长期有人照料的空间应用问题。

2024年底，空间站全面建成了，这是我国太空探索的坚定一步，它已经建成了国家的太空实验室，进入10年甚至20年的空间应用与发展阶段。

我们的空间站虽然比美国、俄罗斯等16个国家牵头的国际空间站晚，但是我们的空间站以四分之一的国际空间站的规模，实现了三分之二数量的科学实验柜和同等学科方向的支持能力，资源利用率非常高，而且我国的空间站是由我国自力更生、独立自主建造的，体系非常完整，充分体现了我国载人航天技术和发展的进步。

“天地一体”的系统架构

为了实现对这么多任务的一个有力支撑，我们提出了“天地一体”的系统架构，包括集中架分布，也涉及这种开放灵活的架构。

天上：系统包括十几个科学实验柜、巡天空间望远镜，还有用高速光纤骨干网，把它们互联起来。

地面：有任务研制支持系统、有效载荷运库系统还有分布在全国各地的科学应用中心，这样形成一个天地协同的科学研究与支持系统。

我们空间站的科学家在预控中心，可以直接通过我们的天地互联电路，对空间站上的实验进行实时的操作。覆盖生命、流体、燃烧、材料、基础物理等各个学科的10余个科学实验柜的规划，当时规划的时候找准了国际前沿，指标非常先进。

“天宫”空间站，演讲者供图

包括两项系统实验柜，高危动力实验柜，都是我国首次提出，满足空间站开展国际前沿的科学研究需求。

巡天空间望远镜，也将与空间站共轨飞行，在必要时候它可以对接到空间站，由航天员对它进行维修维护，也可以更新更换模块。

空间巡天望远镜，演讲者供图

它有2米口径，具有5个后端模块，分辨率与哈勃望远镜相当，而视场比哈勃大300倍，它通过10年的周期，对整个天区的42%进行巡天。

这个指标是非常高的，与整个国际空间的同期项目相比，它的角分辨率最高、视场最大、波段覆盖最宽，是水平最高的空间设施。

目前，我们空间站已经建造完成后，进入了长期的应用与发展阶段。

复杂的大系统解决方案

我们空间站提出“天地协同、软件驱动、数字孪生、动态开放”的复杂的大系统解决方案，建立了一个空间应用数字孪生系统，能够实现实物研制和数字化研制双流程并行，不停优化迭代。

高效进行载荷研制和运营，同时通过高速光纤骨干网，建立了稳定、可靠运行的高水平应用在轨共用支持条件，而且突破了科学实验柜，轻量结构化，高度集成化的一个核心技术，是国际先进的一批空间实验设施。

以无容器材料实验柜和超冷原子物理实验柜为例，来讲一下我们的故事。

无容器实验柜

这个项目立项最晚，但上天最早。

无容器材料实验柜，就是要把材料样品悬浮在空中，通过激光加热来对它进行加工，制备所需要的材料。

在立项之初的时候，就确定了超越国际空间站，日本、欧洲的技术指标，包括对材料，支持种类还有热物性侧料等手段，都是国际最高水平。

空间科学实验设施群，演讲者供图

为了实现这个目标，克服了很多困难，在3年内无容器实验柜就经历了5代产品的研制，以非常快的研制速度进行了迭代，方案是要不断优化，指标在不断提升，高质量实现按计划发射。

样品悬浮以后，由于随着温度的变化要对它加热，它的电荷会发生翻转，带电量会变化，所以说经常会掉下来，甚至说颗粒也会跑掉，所以在轨样品悬浮，这个控制非常难，地面上对它进行操作，也是需要给它一些参数，也是难度很大。

为了攻关难题，我们研制了一个数字孪生系统，复现在天上的一个装置的状态，实施仿真、模拟、及时地判断天上设备的状态，判断问题，大大提升设备调试的效率。

调试无容器实验柜时，国际空间站用两年，而我们只用三个月，目前无容器实验柜在天上稳定运行，现在已经成功开展了几百个样品的实验，并产生了一系列成果。

超冷原子物理实验柜

物质温度越低，原子的偶极作用就越强，就越能发现新的物理机制。

为此，北大和中国科学院上海光机所的科学家联合提出了两级磁光阱加二级蒸发冷却的创新方案，这比国际更进一步，所以研制难度非常大，大家可以看一下，要做的把地面上体积达20立方米，重量达10吨的一个超冷原子物理实验系统要浓缩浓缩再浓缩，要进行大量的小型化研制，浓缩到1.5立方米，500公斤的科学实验柜中，可以说这个难度非常大，研制最关键的阶段就是集成调试实验阶段，恰巧是疫情最严峻的时候。

超冷原子实验柜BEC，演讲者供图

为了保证研制任务的顺利进行，中国科学院上海光机所成立上光尖刀连68位党员和骨干选择在疫情中“逆行”，封闭在所里，坚守在攻关第一线，3个月都在所里面攻关，白天和黑夜对他没有区别，困了就在床上躺一会，然后醒了就接着干，就是这种精神，确保了科学实验系统按时交付。

包括上光所所长陈卫标，在疫情封控期间坚守单位，天天睡行军床，在一线靠前指挥，可以说也给了成员们莫大的鼓励。所以说尖刀连攻克超冷原子实验柜的研制过程，就是对“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的一个载人航天精神的最好诠释。

空间站的实验

空间站在轨一年多，在空间生命科学、流体科学、材料科学等方面已开展了近百项实验研究，它的成果在一点一滴地涌现，涓涓细流，将汇成江海。

空间站的植物培养箱

植物培养箱，能够进行植物的长期培养，现在在天上首次实现水稻从种子到种子的一个全生命周期的发育。然后并且发现了调控开花和衰老的一些重要基因，通过这个我们希望能在分子水平改造水稻株型和种子品质新途径，促进地面和空间新品种水稻的培育。

空间微重力条件下胚胎干细胞生长

演讲者供图

后续在植物方面，希望在分子、细胞、整体和亲子代遗传，多层次进行植物的研究，研究植物对重力的感知和响应，了解重力如何影响植物生长、发育和代谢，希望利用现代基因调控的手段，进行辐射诱变的育种，希望能在种业、农业、林业等方面取得一些新的发现和应用。

细胞研究

骨细胞、肌肉细胞、干细胞……多种细胞在空间进行培养和研究，取得一些初步成果。

空间细胞研究规划，演讲者供图

比如说利用人类胚胎干细胞，体外培养出原始生殖细胞，进一步揭示人胚胎干细胞分化过程与微重力如何影响它，下一步需要做什么，在太空做生命孕育，希望在太空生出第一只小鼠，这肯定是国际首次的。

另外成功实现了人间充质干细胞的培养和成骨分化，希望探寻微重力导致骨质疏松的原因。空间细胞的研究也是长期的，包括植物、动物，重点开展太空条件下细胞的功能，生物化分子的研究，尤其是要深入开展干细胞研究，要发展再生医学的手段，为地面组织器官的再生，再生这些提供新手段，新思路。

材料科学

两个科学实验设施，开展金属合金、非晶材料等多种材料的研究和分析，首次获得了壳/核结构组织相分离的合金复合材料，希望能推动复合导电材料、光敏材料、先进制氢材料，这些非常特别的相分离复合材料的研制；同时在太空发现了高温难熔合金，就是镍硅合金的一个快速共晶生长动力机理，为研制下一代航空发动机用的铌合金材料奠定重要基础。

多孔材料，演讲者供图

微重力条件，多种材料能很好合在一起，所以它能够制备结构均匀、缺陷少、功能强的先进材料，未来希望能够开展高性能的合金材料，比如航空发动机的单晶叶片，功能晶体，生物医学材料，这些都重要运用在北京的材料研究上，希望能够为解决国家“卡脖子”问题做出特有的贡献。

当然这些成果，只是空间站运行以来取得的一些初步成果。空间站应用与发展阶段，将滚动征集上千项科学研究项目在轨实施，将推动空间科学、空间技术、空间应用的全面发展。

空间科学方面

在暗物质探测、太空生命孕育、量子新物态，这些方面取得重大科学发现。

另外在天基时空的基准，我们有高精度冷原子钟、在地月空间光通信及自主导航、太空智能制造与建造，这些关键核心技术方面取得突破，在应用方面希望能够推动干细胞与再生医学、先进材料研发、超低污染燃烧、超精密传感器这些方面应用的进步，希望能够服务于国民经济发展和人民生命健康。

目前，我国载人登月任务已全面启动。经过前几年的关键技术攻关和方案深化论证，我国载人登月任务已经具备了很好的基础，进入登月实施阶段。

预计在2025年前后我国将实现载人环月飞行；在2030年前实现中国人登陆月球；在2030年后，希望能够建造月球科研站，开展系统的月球探测，探索开发与利用月球资源。