2023年9月15日，科普中國·星空講壇以“邁向高水平科技自立自強”為主題，邀請5位來自超導(dǎo)技術(shù)、海洋資源、航天科技、氣象預(yù)測、水利水電領(lǐng)域的專家，圍繞中國最具代表性的、切實造福百姓的五大科學(xué)與技術(shù)，聚焦“富民強國‘強’什么”，帶領(lǐng)公眾感受我國科技、科研工作背后的精神和魅力。
中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉教授帶來演講：我國太空探索的堅定一步。
，時長20:14
以下是張偉的演講節(jié)選：
我國自1992年載人航天工程立項，就確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。
我國載人航天工程的發(fā)展，演講者供圖
第一步，是發(fā)射載人飛船，開展空間應(yīng)用實驗。
第二步，是突破發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。
第三步，是建設(shè)間站，解決有較大規(guī)模的，長期有人照料的空間應(yīng)用問題。
2022年底，空間站全面建成了，這是我國太空探索的堅定一步，它已經(jīng)建成了國家的太空實驗室，進入10年甚至20年的空間應(yīng)用與發(fā)展階段。
我們的空間站雖然比美國、俄羅斯等16個國家牽頭的國際空間站晚，但是我們的空間站以四分之一的國際空間站的規(guī)模，實現(xiàn)了三分之二數(shù)量的科學(xué)實驗柜和同等學(xué)科方向的支持能力，資源利用率非常高，而且我國的空間站是由我國自力更生、獨立自主建造的，體系非常完整，充分體現(xiàn)了我國載人航天技術(shù)和發(fā)展的進步。
“天地一體”的系統(tǒng)架構(gòu)
為了實現(xiàn)對這么多任務(wù)的一個有力支撐，我們提出了“天地一體”的系統(tǒng)架構(gòu)，包括集中架分布，也涉及這種開放靈活的架構(gòu)。
天上：系統(tǒng)包括十幾個科學(xué)實驗柜、巡天空間望遠鏡，還有用高速光纖骨干網(wǎng)，把它們互聯(lián)起來。
地面：有任務(wù)研制支持系統(tǒng)、有效載荷運庫系統(tǒng)還有分布在全國各地的科學(xué)應(yīng)用中心，這樣形成一個天地協(xié)同的科學(xué)研究與支持系統(tǒng)。
我們空間站的科學(xué)家在預(yù)控中心，可以直接通過我們的天地互聯(lián)電路，對空間站上的實驗進行實時的操作。覆蓋生命、流體、燃燒、材料、基礎(chǔ)物理等各個學(xué)科的10余個科學(xué)實驗柜的規(guī)劃，當時規(guī)劃的時候找準了國際前沿，指標非常先進。
“天宮”空間站，演講者供圖
包括兩項系統(tǒng)實驗柜，高危動力實驗柜，都是我國首次提出，滿足空間站開展國際前沿的科學(xué)研究需求。
巡天空間望遠鏡，也將與空間站共軌飛行，在必要時候它可以對接到空間站，由航天員對它進行維修維護，也可以更新更換模塊。
空間巡天望遠鏡，演講者供圖
它有2米口徑，具有5個后端模塊，分辨率與哈勃望遠鏡相當，而視場比哈勃大300倍，它通過10年的周期，對整個天區(qū)的42%進行巡天。
這個指標是非常高的，與整個國際空間的同期項目相比，它的角分辨率最高、視場最大、波段覆蓋最寬，是水平最高的空間設(shè)施。
目前，我們空間站已經(jīng)建造完成后，進入了長期的應(yīng)用與發(fā)展階段。
復(fù)雜的大系統(tǒng)解決方案
我們空間站提出“天地協(xié)同、軟件驅(qū)動、數(shù)字孿生、動態(tài)開放”的復(fù)雜的大系統(tǒng)解決方案，建立了一個空間應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實物研制和數(shù)字化研制雙流程并行，不停優(yōu)化迭代。
高效進行載荷研制和運營，同時通過高速光纖骨干網(wǎng)，建立了穩(wěn)定、可靠運行的高水平應(yīng)用在軌共用支持條件，而且突破了科學(xué)實驗柜，輕量結(jié)構(gòu)化，高度集成化的一個核心技術(shù)，是國際先進的一批空間實驗設(shè)施。
以無容器材料實驗柜和超冷原子物理實驗柜為例，來講一下我們的故事。
無容器實驗柜
這個項目立項最晚，但上天最早。
無容器材料實驗柜，就是要把材料樣品懸浮在空中，通過激光加熱來對它進行加工，制備所需要的材料。
在立項之初的時候，就確定了超越國際空間站，日本、歐洲的技術(shù)指標，包括對材料，支持種類還有熱物性側(cè)料等手段，都是國際最高水平。
空間科學(xué)實驗設(shè)施群，演講者供圖
為了實現(xiàn)這個目標，克服了很多困難，在3年內(nèi)無容器實驗柜就經(jīng)歷了5代產(chǎn)品的研制，以非?？斓难兄扑俣冗M行了迭代，方案是要不斷優(yōu)化，指標在不斷提升，高質(zhì)量實現(xiàn)按計劃發(fā)射。
樣品懸浮以后，由于隨著溫度的變化要對它加熱，它的電荷會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，帶電量會變化，所以說經(jīng)常會掉下來，甚至說顆粒也會跑掉，所以在軌樣品懸浮，這個控制非常難，地面上對它進行操作，也是需要給它一些參數(shù)，也是難度很大。
為了攻關(guān)難題，我們研制了一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，復(fù)現(xiàn)在天上的一個裝置的狀態(tài)，實施仿真、模擬、及時地判斷天上設(shè)備的狀態(tài)，判斷問題，大大提升設(shè)備調(diào)試的效率。
調(diào)試無容器實驗柜時，國際空間站用兩年，而我們只用三個月，目前無容器實驗柜在天上穩(wěn)定運行，現(xiàn)在已經(jīng)成功開展了幾百個樣品的實驗，并產(chǎn)生了一系列成果。
超冷原子物理實驗柜
物質(zhì)溫度越低，原子的偶極作用就越強，就越能發(fā)現(xiàn)新的物理機制。
為此，北大和中國科學(xué)院上海光機所的科學(xué)家聯(lián)合提出了兩級磁光阱加二級蒸發(fā)冷卻的創(chuàng)新方案，這比國際更進一步，所以研制難度非常大，大家可以看一下，要做的把地面上體積達20立方米，重量達10噸的一個超冷原子物理實驗系統(tǒng)要濃縮濃縮再濃縮，要進行大量的小型化研制，濃縮到1.5立方米，500公斤的科學(xué)實驗柜中，可以說這個難度非常大，研制最關(guān)鍵的階段就是集成調(diào)試實驗階段，恰巧是疫情最嚴峻的時候。
超冷原子實驗柜BEC，演講者供圖
為了保證研制任務(wù)的順利進行，中國科學(xué)院上海光機所成立上光尖刀連68位黨員和骨干選擇在疫情中“逆行”，封閉在所里，堅守在攻關(guān)第一線，3個月都在所里面攻關(guān)，白天和黑夜對他沒有區(qū)別，困了就在床上躺一會，然后醒了就接著干，就是這種精神，確保了科學(xué)實驗系統(tǒng)按時交付。
包括上光所所長陳衛(wèi)標，在疫情封控期間堅守單位，天天睡行軍床，在一線靠前指揮，可以說也給了成員們莫大的鼓勵。所以說尖刀連攻克超冷原子實驗柜的研制過程，就是對“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻”的一個載人航天精神的最好詮釋。
空間站的實驗
空間站在軌一年多，在空間生命科學(xué)、流體科學(xué)、材料科學(xué)等方面已開展了近百項實驗研究，它的成果在一點一滴地涌現(xiàn)，涓涓細流，將匯成江海。
空間站的植物培養(yǎng)箱
植物培養(yǎng)箱，能夠進行植物的長期培養(yǎng)，現(xiàn)在在天上首次實現(xiàn)水稻從種子到種子的一個全生命周期的發(fā)育。然后并且發(fā)現(xiàn)了調(diào)控開花和衰老的一些重要基因，通過這個我們希望能在分子水平改造水稻株型和種子品質(zhì)新途徑，促進地面和空間新品種水稻的培育。
空間微重力條件下胚胎干細胞生長
演講者供圖
后續(xù)在植物方面，希望在分子、細胞、整體和親子代遺傳，多層次進行植物的研究，研究植物對重力的感知和響應(yīng)，了解重力如何影響植物生長、發(fā)育和代謝，希望利用現(xiàn)代基因調(diào)控的手段，進行輻射誘變的育種，希望能在種業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等方面取得一些新的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。
細胞研究
骨細胞、肌肉細胞、干細胞……多種細胞在空間進行培養(yǎng)和研究，取得一些初步成果。
空間細胞研究規(guī)劃，演講者供圖
比如說利用人類胚胎干細胞，體外培養(yǎng)出原始生殖細胞，進一步揭示人胚胎干細胞分化過程與微重力如何影響它，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，這肯定是國際首次的。
另外成功實現(xiàn)了人間充質(zhì)干細胞的培養(yǎng)和成骨分化，希望探尋微重力導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的原因?？臻g細胞的研究也是長期的，包括植物、動物，重點開展太空條件下細胞的功能，生物化分子的研究，尤其是要深入開展干細胞研究，要發(fā)展再生醫(yī)學(xué)的手段，為地面組織器官的再生，再生這些提供新手段，新思路。
材料科學(xué)
兩個科學(xué)實驗設(shè)施，開展金屬合金、非晶材料等多種材料的研究和分析，首次獲得了殼/核結(jié)構(gòu)組織相分離的合金復(fù)合材料，希望能推動復(fù)合導(dǎo)電材料、光敏材料、先進制氫材料，這些非常特別的相分離復(fù)合材料的研制；同時在太空發(fā)現(xiàn)了高溫難熔合金，就是鎳硅合金的一個快速共晶生長動力機理，為研制下一代航空發(fā)動機用的鈮合金材料奠定重要基礎(chǔ)。
多孔材料，演講者供圖
微重力條件，多種材料能很好合在一起，所以它能夠制備結(jié)構(gòu)均勻、缺陷少、功能強的先進材料，未來希望能夠開展高性能的合金材料，比如航空發(fā)動機的單晶葉片，功能晶體，生物醫(yī)學(xué)材料，這些都重要運用在北京的材料研究上，希望能夠為解決國家“卡脖子”問題做出特有的貢獻。
當然這些成果，只是空間站運行以來取得的一些初步成果?？臻g站應(yīng)用與發(fā)展階段，將滾動征集上千項科學(xué)研究項目在軌實施，將推動空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的全面發(fā)展。
空間科學(xué)方面
在暗物質(zhì)探測、太空生命孕育、量子新物態(tài)，這些方面取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
另外在天基時空的基準，我們有高精度冷原子鐘、在地月空間光通信及自主導(dǎo)航、太空智能制造與建造，這些關(guān)鍵核心技術(shù)方面取得突破，在應(yīng)用方面希望能夠推動干細胞與再生醫(yī)學(xué)、先進材料研發(fā)、超低污染燃燒、超精密傳感器這些方面應(yīng)用的進步，希望能夠服務(wù)于國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生命健康。
目前，我國載人登月任務(wù)已全面啟動。經(jīng)過前幾年的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案深化論證，我國載人登月任務(wù)已經(jīng)具備了很好的基礎(chǔ)，進入登月實施階段。
預(yù)計在2025年前后我國將實現(xiàn)載人環(huán)月飛行；在2030年前實現(xiàn)中國人登陸月球；在2030年后，希望能夠建造月球科研站，開展系統(tǒng)的月球探測，探索開發(fā)與利用月球資源。
