中国空间站科学研究与应用进展报告

序 言 随着2021年4月天和核心舱发射、2022年7月和10月问天实验舱、梦天实验舱的发射和在轨组装，以及多次载人飞船和货运飞船的访问，我国建成了具有鲜明时代特点和中国特色的载人空间站大系统，实现了载人航天三步走的宏伟目标。这是30年来几代人努力奋斗的结晶，是我国航天事业的巨大成就，也是我国开展大规模空间科学、应用和技术研究的历史性机遇。 空间科学是充满新发现机遇、探索重要科学规律、获得显著应用效益的突破口。空间站提供的长期微重力、宇宙辐射等特殊环境，以及航天员参与、天地往返运输等特殊优势，成为诸学科解决重要科学与应用问题的独特有效途径，也是开展突破性空间新技术试验的重要平台。 经国内近百位院士、千余位专家的多年论证，我们制定了包括空间生命科学与人体研究、微重力物理科学（含空间材料科学、微重力流体与热物理、微重力燃烧科学、微重力基础物理）、空间天文与地球科学、空间新技术与应用四个领域，32个研究主题的空间站应用研究体系，并配置了具有国际先进水平的人体系统、生命生态、生物技术、流体物理、两相流体、燃烧科学、无容器静电悬浮、高温材料、超冷原子物理、高精度时频、科学手套箱、变重力实验、在线维修装调、航天基础试验等20余个舱内科学实验柜和3个舱外暴露实验平台；正在研制具有国际竞争力的2m口径空间站巡天空间望远镜（CSST）等一批重大研究设施。作为国家太空实验室，将在今后10~15年的运营中开展千余项研究，并大力开展科学普及和国际合作。空间站应用的目标是：在基础前沿重要领域取得重大突破，进入国际科学前列；在应用基础和新技术方面，取得系统性认知和重大成果，解决国家重大需求，加强对经济、产业发展和人民健康方面科技供给，支撑科技强国建设。 本报告汇集了空间站建成以来首批数十项完成或初步完成空间研究的阶段进展，涉及空间生命科学与生物技术、太空人体研究、空间材料科学、微重力流体与热物理、微重力燃烧科学、微重力基础物理、空间应用新技术等方向。这些项目均是我国科学家深入研究、自主提出的重要科学课题，或面向国家需求的重要内容，科学思想、实验方法、样品体系等均体现了较高水平的创新。实验中发现了大量新现象，取得了机理研究的重要进展，并正在不断深入中取得系统性科学认识和应用效益。总体上，该阶段应用研究进展令人鼓舞。 在此基础上，我们将进一步完善应用规划，持续征集实施项目，组织重要科学计划，开展高水平研究。希望更多从事空间科学、应用和技术研究的优秀科学家和团队加入载人航天科学与应用任务，为我国进入创新型国家前列和建设科技强国做出突出贡献。 目 录 概述…………………………………………………………………1空间生命科学与人体研究领域…………………………………… 3微重力物理科学领域……………………………………………… 33空间新技术与应用领域…………………………………………… 65科普文化…………………………………………………………… 85未来展望…………………………………………………………… 94123456 2022年12月31日，国家主席习近平宣布“中国空间站全面建成”，标志着我国已成功构建起极具时代特征与中国特色的载人空间站大系统，圆满达成载人航天三步走战略的宏伟目标。这一伟大壮举不仅彰显我国在航天领域卓越的探索能力与雄厚的科技实力，更是我国迈向科技强国征程中浓墨重彩的一笔，有力推动我国载人航天事业昂首迈入全新的发展纪元，具有极为重大的里程碑意义。 空间站自在轨建造以来，共发射8艘载人飞船和7艘货运飞船，共有21名航天员进驻，目前整体运行情况安全稳定，已实现常态化太空生活。凭借长期微重力、宇宙辐射等独特环境条件，再结合航天员亲身参与、天地往返运输等突出优势，我国空间站已然成为一座珍贵的“国家太空实验室”。 “飞天之路”记录中国航天的辉煌与荣耀，也是不断孕育科学梦想、让梦想成为现实的漫漫征途。自1992年立项实施起，中国载人航天工程即提出“造船为建站，建站为应用”的发展理念，邀集组织国内近百位院士、千余一线专家开展长期、深入论证，形成了重点突出、层次清晰的科学与应用任务规划，包括空间生命与人体研究、微重力物理科学、空间天文与地球科学、空间新技术与应用四大研究领域及32个研究主题，持续布局开展系列化科学与应用研究、技术试验。截至2024年12月1日，中国空间站已在轨实施181项科学与应用项目，上行科学与应用任务近两吨实验模块、单元及样品等科学物资，下行空间科学实验样品近百种，获取科学数据超过300TB。各领域科学团队深度挖掘诸多领域方向，着力攻克系列重大科学命题，产出了系列原创性、前沿性、创新性的进展与成果，累计发表500多篇高水平SCI论文，获得150多项专利，部分成果已实现转移转化与推广应用，显著推动我国空间科学与应用快速发展。 在空间生命科学与人体研究领域共实施项目68项，主要围绕空间基础生物学、空间生物技术及转化应用、空间生命生态、空间生命起源与交叉、空间环境对人体生理影响、传统医学与健康检测新技术、空间飞行人因、空间脑科学等方面开展研究。成果包括国际上首次获得空间发育的水稻和再生稻新的种质资源；首次实现空间人胚胎干细胞分化为造血干/前体细胞；实现国际上空间水生生态系统在轨运行的最长纪录；为干预骨流失、对抗肌萎缩及防治代谢性疾病等提供了重要理论基础与治疗方案；自主研发的便携式骨丢失对抗仪、穿戴式穴位刺激装置已在飞行任务中开展应用，肌肉结构功能、营养代谢等客观无创评估方法已为航天员健康保驾护航；在国际上获得一系列航天员生理机能和作业能力变化的原创性发现；首次将人工血管芯片送入太空，完成了对抗血管损伤的黄酮类小分子化合物筛选，入选2023年度中国生命科学领域十大进展；构建航天飞行航天员行为能力研究与维护调节的新范式；突破在轨脑功能实时评估和快速有效在轨调节技术；实现了双光子首次在轨应用研究。 在微重力物理领域共实施项目69项，围绕微重力材料制备机理、重要应用新材料制备技术、 概 述 空间应用材料使役行为等方面开展研究，在金属及难熔合金凝固机理方面取得具有重要影响的系列科学发现；在空间制备出性能更优的新型红外探测器材料铟砷锑、层状柔性半导体晶体硒化铟、大尺寸拓扑超导单晶、新型铁基超导材料等；抗空间辐射高性能镁合金、凝胶复合润滑材料等已初步尝试空间应用。围绕微重力流体动力学、多相流和相变传热、复杂流体与软物质等方面开展研究；国际上首次获得宽域重力条件下池沸腾稳态传热数据并发现传热性能的反常重力标度行为；成功建立微重力环境下贮箱气泡理论模型。围绕近可燃极限和基础燃烧方面开展研究，国际上首次揭示低流量部分预混火焰的升举及吹熄特性，发现微重力部分预混火焰熄灭过程中的双钩状结构，为未来极端燃烧应用提供理论依据。聚焦空间冷原子物理及应用研究，实现了全光阱的玻色-爱因斯坦凝聚，原子温度冷却到了数十pK；国际上首次实现空间微重力条件下的冷原子干涉陀螺，为发展我国空间量子惯性传感技术奠定了基础。 在空间新技术与应用领域共实施项目44项，主要围绕共性基础新技术、在轨制造和建造技术、空间信息与精密测量新技术、新型能源与推进技术及环控和生保系统技术等方面开展研究，在元器件与部组件空间应用可靠性等方面验证一批新工艺和新组件，突破掌握长寿命抗辐照光纤及气密封穿舱技术、基于微纳结构的薄膜衍射光学成像技术等，在新型元器件材料与工艺、空间热管理、通信导航与控制、新型空间能量转换、食物再生、长期空间环境微生物腐蚀防护等技术研究方向取得了一系列重要进展和成果。首次揭示了液态金属管内对流的层流-湍流转捩特性，填补了过渡区对流换热数据的空白；实现了斯特林热电转换技术首次在轨验证应用；建立国际首个高通量在轨微生物腐蚀试验装置，获得了我国首批在轨环境下航天器材料微生物腐蚀试验数据；首次利用靶向加热技术实现了空间液态微藻由“生”变“熟”。相关技术成果已推广转化至航天技术领域和民用行业。 在中国空间站全面建成两周年之际，中国载人航天工程办公室组织编制《中国空间站科学研究与应用进展报告（2024）》并向全社会发布。本报告系统梳理和总结空间站应用任务实施进展，针对目前已下行样品、取得研究数据、完成在轨实验、获得突出进展的科学与应用项目，最终遴选出34项代表性研究成果与阶段性进展，包括13项空间生命与人体研究进展、12项微重力物理科学研究进展、9项空间新技术与应用研究进展。此外，空间站建成以来组织的多维度、多形式的深度科普，不仅实现了知识传播，还极大助力了航天事业的传承，也一并列入报告。 太空探索永无止境，逐梦之路永不停歇。中国空间站对促进我国乃至世界科学技术进步、提升人类对宇宙的整体认知水平有着不可估量的深远意义。本次报告的编写以及对全国、全世界公开发布，既是对以往工作的系统性总结,更希望获得社会各界对于空间科学与应用的关注和参与，广泛凝聚国内外高水平科学团队，促进我国空间科学、空间技术、空间应用全面发展，推动中国航天事业再攀高峰，更好的服务于国家总体发展战略。 2. 空间生命科学与人体研究领域 2.1 空间生命科学与生物技术 （一）微重力下利用开花基因调控植物开花时间的分子途径…………………………………5（二）空间站水生生态系统在轨稳定运行及斑马鱼培养………………………………………7（三）空间微重力下人胚胎干细胞早期造血分化………………………………………………9（四）空间微重力影响干细胞成骨分化的作用机理……………………………………………11（五）微重力通过影响细胞自噬导致肌萎缩的作用机制………………………………………13（六）空间单线虫水平自动化跟踪监测微流控系统……………………………………………15 2.2 太空人体研究 （一）骨骼相关生理系统协同调控与空间骨丢失防护技术研究………………………………19（二）代谢重塑调控心肌细胞微重力效应的分子机制研究……………………………………21（三）基于器官芯片的失重心血管功能变化机制与防护研究…………………………………23（四）航天员在轨脑功能评估与调节技术研究…………………………………………………25（五）中医特色的航天员健康评价与防护新技术研究…………………………………………27（六）长期飞行肌肉功能适应性变化规律与机制研究…………………………………………29（七）空间站双光子显微镜的研制及在轨应用…………………………………………………31 空间生命科学与人体研究领域 - 空间生命科学与生物技术 - 空间生命科学与生物技术方向主要开展了空间基础生物学、空间生物技术及转化应用、空间生命生态等研究，重点关注空间微重力和辐射条件下从分子、细胞到组织、个体的遗传、发育、增殖和演化等过程，揭示空间环境下生命现象的特殊规律，促进在组织工程、药物研发、再生医学等人类健康领域的应用。 通过开展空间植物、动物、细胞生物学及受控生命生态系统等研究，在空间基础生物学和空间生命生态研究方面取得了系列重要进展。国际上首次获得空间发育的水稻和再生稻新的种质资源；首次实现了空间人胚胎干细胞分化为造血干 / 前体细胞；实现了国际上空间水生生态系统在轨运行的最长纪录。研究成果为干预骨流失、对抗肌萎缩及防治代谢性疾病等提供了重要理论基础。 空间生命科学与人体研究领域- 空间生命科学与生物技术 - 微重力下利用开花基因调控植物开花时间的分子途径Molecular Pathway on Controlling Plant Flowering Time underMicrogravity in Space by Using Flowering Genes 通过比较微重力条件下开花基因（FT）表达水平的差异 , 发现了微重力调控开花的关键转录调控元件 GCC- 和 CAGTG-box, 为植物从种子到种子关键环节的调控、创制适应空间环境的植物新品种提供了理论基础和技术途径。 利用生命生态实验柜开展了三种不同开花时间（正常开花、晚花和早花）的拟南芥在空间微重力条件下的开花调控机理研究（图2-1）。利用返回的拟南芥实验材料，获得