互动科普

空间科学发展趋势：天空中的科学

Tim Beardsley

为国际空间站提出的一个宣传口号是：“它涉及的是地球上的生活！”这个耗资270亿美元的轨道实验室现在已在美国亚拉巴马州亨茨维尔的波音工厂，莫斯科的 Khrunichev工厂以及世界上其它地方初具规模。或许没有什么话能比上述口号更真实地反映这个重 400吨的空间庞然大物；经过12年的反复设计、审査和紧张的投票表决之后，它看来最终达到了政治上的出笼速度。

空间站的日益光明的前景与其说同它的科学潜力有关，不如说同地面上的政治有关。空间站的鼓吹者们多年来一直宣称，在轨道上进行研究具有重大的科学和经济效益。然而，十多年来从航天飞机上的失重条件下进行的实验中所得到的科研成果尽管有时令人感兴趣，但并未产生什么非常重要的发现。有些科学专家小组（如全囯研究理事会的空间研究委员会)警告说，虽然可以在空间站上进行某些有意义的研究，但预期的收益与空间站的总投资相比是得不偿失的。

商业界的反应也十分冷淡，尽管美国国家航空航天局为企业在太空中进行研究并制造高技术产品提供了非常优惠的条件。迄今没有一家大公司计划在空间站进行大规模的研究或制造活动。伦塞勒工学院的James Ferris认为：“微重力研究的结果一点也不能使我相信在轨道上制造的材料比在地球上制造的材料更优越。”

国家航空航天局局长Daniel S. Goldin在陈述该局关于空间站工程的依据时默认了这一类批评。归根到底，科研和商业不是建造空间站的理由。Goldin强调说：“建造空间站是为了观察人能够如何安全并有效地在空间生活和工作。”他在思考了一下之后又补充说，在从生物技术到材料处理的种种领域中，“我们能够做出惊人的科研成就，但那不是建造空间站的理由。”

究竟为什么有必要了解人如何在太空生活和工作，Goldin对这个问题含糊其词。然而，美国却以解决国防工业从业人员的饭碗以及加强昔日的地缘政治对手间的和平联系这一前景为诱饵，对欧洲和俄罗斯的政府部长们软硬兼施，要他们承诺为其负责的那部分空间站提供资金。美国众议院三年前曾因一票之差而未能取消此项目，现在它已批准每年拨款21亿美元以在3002年6 月前完成这个项目。

许多研究人员担心，在目前到处都在大砍研究经费这样一种时候，空间站将耗尽科研资金，国家航空航天局报出的造价是174亿美元，国际合作伙伴们还要贡献90多亿美元(不包括俄罗斯的那一份)。然而， 到2002年，发射航天飞机以建造空间站并为它运送补给品还要再花 196亿美元，而在此后则要花460亿美元(根据总审计局的数字)。

结合起来，总审计局的统的数字清楚表明，空间站在其整个寿命期间（它的设计寿命为10年)将耗用 1000亿美元以上的资金。即便如此，空间站的主要部件还没有备用件。如果一个主要部件因事故而损毁或者如果（比如说)民族主义情绪日益强烈的俄罗斯退出合作，则造价还要上升，而计划将推迟若干年。国家航空航天局1995年的研究开发经费因有了空间站这一任务而高达95亿美元，几乎占了卫生保健和军事领域以外的研究开发经费的40%。美国电报电话公司贝尔实验室的一位物理学家，空间研究委员会的前任主席之一Louis J. Lanzerotti 宣称:“我感到关切的是空间站分配的经费过多，这就是我们为什么有必要考虑美国研究开发经费来源的原因之一。”

除非国会在最后一分钟改变主意，或者出现了技术上的意外问题，否则俄罗斯建造的推进舱应于1997 年11月从哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场用一枚质子火箭发射上天。1984年，当里根总统邀请美国的盟友参加轨道实验室的建造时，由俄罗斯来发射简直是不可想象的。 那时冷战气氛还很浓厚:就莫斯科而言，目标是遏制而不是合作。

但是，1986年挑战者号航天飞机的爆炸迫使美国不得不从根本上重新考虑空间站的设计，而它的80 亿美元的造价很快就扶摇直上了。里根在1988年将此项目命名为“自由号空间站”。此后，由于国会要求削减造价，设计每年都在改动。到 1993年，此计划已耗资112亿美元，但却什么也没有发射。

继任的克林顿政府对空间站作了严格审查，再次重新进行涉及，还决定减少费用并让俄罗斯发挥核心作用从而使它成为一位战略盟友， 俄罗斯火箭过去的安全性能不错， 且它已有运行“和平号”空间站的十年经验。现行的计划曾简称为“阿尔法”。但现在就叫做“国际空间站”，它规定由俄罗斯建造头四个舱中的三个舱，包括十分重要的推进舱，这个装置将由美国向俄罗斯购买，它的作用是使空间站保持在其距地面248英里的轨道上。

美国单方面主动把俄罗斯拉进这个着了魔的圈子中使欧洲大为惊愕。但是经过一阵紧张的政治活动之后，欧洲各国的部长们在1995年10月投票批准了新计划。欧洲将提供它自己的实验舱，并正在与美国就人员紧急返回飞行器的合作事宜进行谈判。加拿大将提供一个机械手（与航天飞机上使用的机械手相似),而日本则将建造一个实验舱。

建筑师的恶梦

空间站可能是功能设计的杰作，但似乎却象是建筑师的一场恶梦。从推进舱伸出的是属于俄罗斯的一翼，其上有它自己的实验舱、生活区、停靠室和动力系统；有美国的实验室和居住舱；有装了16块太阳能电池板和机器手的桁架；还有日本和欧洲的实验舱。这整个笨重的混合结构在地面上将占据14个网球场那样大的一块地方，它将花5年的时间装配起来，需要美国的航天飞机以及欧洲、日本和俄罗斯的火箭发射44次。在完工之后，这个空间站可支持6人在其上生活，他们将享有相当于两架大型喷气客机的乘客舱那样大的加压空间。

波音公司是该工程唯一的总包商，负责美国的那一部分工程。Rocketdyne和麦道公司则是分包商。1996年3月，美国的实验舱和居住舱——长28英尺、直径14.5英尺的铝制圆筒型结构在航空航天局的享茨维尔马歇尔空间飞行中心的波音公司组装厂房内进行了机械加工和装配。用激光测量装置检查了使这些舱与相邻单元配合的连接表面的机械加工精度的误差是否不超过百分之二英寸。为了尽量减少空气泄漏，必须达到这—加工精度，空间站的许多补给品(包括呼吸用的空气），将由航天飞机送到轨道上，其费用高达每磅有效载荷1万到2万美元。

国家航空航天局的官员宣称与外国伙伴的合作关系总的说来不错。但是规划空间站研究设施的研究小组中，有几个小组承认与俄国人一起工作存在特殊的问题（后者尚未完全参与空间站的联合科学规划俄国的卫生保健研究未给国家航空航天局的研究人员留下什么印象，他们称俄国的此项研究缺乏统计精确性。美方抱怨说，俄国的科研经费短缺，致使该国研究人员老是寻求使俄国出钱最少的筹资方案。美国航天飞机飞往“和平号”空间站 为建立更良好的科学工作关系铺平了道路。

然而,去年晚些吋候，俄国的高级空间官员让国家航空航天局吓了一跳——他们提出了一项缩小俄国参与程度的计划。建议国际合作伙伴们在今后几年中改进现有的“和平号”空间站。国家航空航天局迅速地驳回了这项计划，但是它造成的紧张情绪使俄国人获得了就它同空间站含作伙伴们达成的复杂协议重新迸行谈判的讨价还价的力量。国家航空航天局先前已同意让航天飞机飞行若干次为“和平号”空间站供应补给品。现在俄国要求增加一次. 而且如愿以偿。

然后，1996年春天，组装工序进行了调整，这将使日本空间舱和离心装置送人轨道的时间推迟好几个月。欧洲舱则要等到2003年才能发射，这已在名义上的组装完工日期以后了。国家航空航天局的航天飞行主任 Wilbur C. Trafton说:“我们不得不作些变通。”

虽然去年的恐慌已被抑制住了，但俄国工业界提供消息的人士自那时以来一直向国家航空航天局的官员暗示俄国政府为空间站的第三个装置（称为服务舱）提供的经费已经挂了起来。Trafton声称，国家航空航无局现在已从俄国人那里得到保证，该项目将会获得充分的经费。但是对俄国是否可靠的担心仍然十分明显。1996年3月，美国副总统戈尔写给俄国总理切尔诺梅尔金一封措辞强硬的信，信中警告说，如果俄国不能为它承担的那部分空间站工程提供充足的经费，美国国会内反对空间站的人士可能会决定终止这一合作关系。

振动与蒸汽

空间站或许能渡过这一最后的政治上的慌乱时期。但是许多科学家仍然对这一事业持怀疑态度。计划中的研究设备机架——它们将随实验舱之后发射上天，然后在轨道上安装——现在正处于各个不同的设计阶段上。专家小组正对需要什么设施才能吸引研究人员提出建议。但是设计各种装置并证明它适于飞行需要很长的提前时间——可多达7年——这就打击了那些一心要站在其研究领域前沿的科学家的积极性。

空间站组装日程每调整一次，研究设施的规划就被打乱一次，因为在一次飞行中运去的装置如果没有定于另一次发射中运去的一项东西的配合则将是没有用处的。关于空间站的工作人员将有多少时间用于研究以及在5年的组装期间中的振动程度，存在一些仍未解决的问题。

最初空间站是被宣传成部分地起着对地球进行遥感观测的平台的作用。国家航空航天局仍在吹嘘说,空间站的轨道——它扫描的地球表面面积比“自由号”空间站原定的扫描面积大——“可以实现优良的对地观测”。但是现在没有从空间站对地球表面进行研究的计划，因为人员的活动意味着它的抖动较大,不能进行精确的测量。从空间站放出的并将在轨道上紧紧踉随空间站的一团气体使它不适于作为研究空间环境的平台。

这样重点将转向研究失重状态对人的影响以及对物理和生物过程的影响。Trafton说，他正在筹建一个研究微重力的“世界水平的实验室”。(即使在没有振动的情况下，轨道上的零重力状态也只有在空间站质心处的一个“理想点”处才能达到。其它地方存在着相当于地球重力百万分之几的重力，因此称为“微重力”。)已拨出26亿美元的专款用于支持空间站的研究。波音公司的一份宣传资料说：“微重力研究将为医学、食品、安全、住房、通信、交通和环境等领域的重大进展奠定基础。这个计划将直接为美国高技术行业创造数以万计的工作机会，并在相关行业创造数以千计的工作机会，从而改善美国的竞争地位。

在八十年代，国家航空航天局四处宣传商业材料处理的前景以争取对空间站和航天飞机的支持。被认为最有希望获得利用的现象是晶体生长；在微重力条件下，由于对流大大减少，因此晶体生长进行得更为缓慢。其结果是，某些物质(特别是蛋白质）的晶体在空间中比在地面上形成得更完美。因此，用X射线探测时，可得到关于蛋白成份的更精确的数据。这样就更容易设计出在人体内以该蛋白为目标而发挥作用的药物。此外，液体在微重力条件下强烈地受表面张力之类的力的影响这一现象也引起了很大兴趣，它可能有利于把混合的物质分离开来。微重力对于生成极薄的聚含物或半导体涂层看来也有好处。

过去10年中，国家航空航天局一直在向各个空间商业开发中心提供经费，这些中心是遍布美国各地的协助企业开发在航天飞机上从事的项目的研究机构。原先的计划是这些中心5年后就将自负盈亏，但实际上它们仍在由国家航空航天局提供资金，每年约1500万美元。该局也提供免费的发射舱位，这吸引了许多有进取精神的公司进行实验。该局希望，这些公司最终会准备好支付全部费用，并使用空间站上提供的更大的设施，这样实验连续进行的时间就将超过航天飞机一次飞行的两周时间。

但是国家航空航天局的空间商业开发中心受到了抨击，因为它们在航天飞机上进行的实验没有经过不持偏见的专家的审查。全国研究理事会一个微重力研究调查项目的负责人，卡内基·梅隆大学的Robert F. Sekerta 说，只要实验是用公款在空间进行的，就必须通过独立的审查。

负责管理设在伯明翰亚拉巴马大学的一个商业中心——它的专业是在微重力下生长蛋白晶体——的Laurence J. Delucas反驳说，商业中心有它们自己的商业纪律。De-lucas 声称，我们为许多公司制作试样，并帮助它们设计药物。作为回报，它们付给我们提成的技术使用费。”然而，至今商业中心收到的大部分是“实物赔送”——其中包括公司的试样的价值。

对费用的怀疑

对过去十年中国家航空航天局的科研计划的水平已得到提高这一点，似乎不存在什么不同意见。空间站研究主管John David F. Bartoe指出“国家航空航天局的所有研究领域早就采用严格的同行评议了。”关于空间站研究的怀疑现在集中在它的收益是否值得花如此大的一笔钱这个问题上。

研究地面上蛋白晶体生长的宾夕法尼亚州立大学的Gregory K. Farber承认，在空间生长的某些复杂的晶体比在地面生长的晶体大，或者其产生的X射线数据比地面生长的晶体好。但是，Farber指出，为了发现生长每种晶体的最佳条件，需要进行几十次试验，这使一个试样的投资高达1百万美元左右。他问道：“如果把这笔钱用来在地面上改进晶体生长，将会获得何种成绩呢？”宾夕法尼亚州立大学的一位材料研究人员Eric Cross提出：“地面上生长简单晶体的成绩是令人瞩目的。”

不管发射什么东西到轨道上其预算费用都越来越高，这已大大挫伤了人们对以空间为基地的制造活动的积极性。事实上，有些一度曾对此感兴趣的大公司已放弃了这个念头。3M公司是最富有想象力的著名材料公司之一，在微重力条件下制造薄膜和聚合物的前景曾使它大为振奋，但几年前它放弃了这方面的努力。

空间制造的一线希望看来寄托在Schering-Plough公司上，这家公司生产α干扰素，一种用于治疗肝炎和其它一些疾病的蛋白。Sche-ring-Plough研究所的 Paul Reichert和Tattanahalli L. Nagabhushan以及其它人在1996年发表的一篇论文介绍了在航天飞机上制造的一种微结晶形式的干扰素在猴子的血流中存在的时间比目前使用的干扰素溶液长几个小时，这可能对治疗有利。Delucas指出，4个烧瓶的制剂就能满足每年对该药物的价值达7.5亿美元的需求。

但是,Schering-Plough 公司负责生物技术的高级副总裁Nagabhushan说，他不打算在空间站上对微结晶形态的干扰素进行进一步的研究。他说，空间生长的晶体“并没有什么显著的不同，不需要这样天上地下的跑来跑去”，又补充说他不知道制药行业有其他任何人计划在空间制造药物。

另一个商业空间方案是分子束外延生长法，这是制造薄的单晶材料层（如半导体）时使用的一种技术。国家航空航天局设在休斯敦大学的一个商业中心——空间真空外延生长中心在过去十年中对这种方法进行了研究。此方法依赖于在绕轨道运行的卫星尾迹中存在的高度真空，而与微重力无关。最近的一次航天飞机飞行证明了纯净的半导体层可在轨道上的专门屏蔽后面制造出来。

但是，由于空间站周围有气体云围绕，因此轨道上的分子束外延生长设施不可能在距空间站50英里的范围以内工作，而且休斯敦中心至今未能说服任何一家公司投资于空间中的外延生长技术的研究。1995年，全国研究理事会的空间研究委员会在一份异常直率的评估报告中的结论是，它“放弃了外延生长层可在空间制造的设想。”

即使轨道上的研究发现了某种新奇的现象，也不能肯定商业界会对它感兴趣。宾夕法尼亚州立大学的另一位材料研究人员Randall M. German说，他在航天飞机上对钨基合金的液相烧结的研究得出了惊人的发现，从而开辟了一个未曾预料到的研究方向，但是German不相信空间站会为他提供航天飞机不能提供的研究机遇，而且他预料“在短期内”商业界不会对此感兴趣。

汽水

至今为止仍在谈论要在轨道上制造东西的商业企业只是一些无足轻重的小角色。亚利桑那州Paragon Vision Sciences 公司的Krist Jani承认他对于在空间制造更好的透气性隐形眼镜很热心。到1996年4 月为止，Paragon公司在航天飞机上仅进行过两次实验——其中一次没有成功——因此制造仍是相当一段时间以后的事情。可口可乐公司在轨道上进行过计量分配汽水的实验，但是今年早些时候，可口可乐公司的一位顾问在向国家航空航天局作介绍时坦白承认该公司的这一举动纯粹是受其宣传价值所驱使。

如果说以空间为基地的制造遭到了挫折，那么某些面向研究的公司仍对可以指导它们如何改进地面上的产品制造的微重力研究持乐观态度。纽约州布洁罗Hauptman Woodward医学研究所的G. David Smith通过用X射线探测空间生长的胰岛素晶体，获得了胰岛素和可能用于治疗糖尿病的一种药物之间形成的络合物的图象，其分辨率达到了空前高的水平。这些图象可以为尝试设计更好药物的化学家们提供指导。密执安州的Howmet 公司想要研究液态金属在微重力中如何流动,希望借此改进它的计算机铸造模型。国家航空航天局马歇尔空间飞行中心的一位蛋白晶体科学家正在协助几家公司在轨道上生长具有重要医学价值的蛋白晶体。这些蛋白晶体包括一种从用药物结晶出来的艾滋病病毒中得到的酶，一种由肿瘤基因产生的蛋白以及一种凝血蛋白。他说，至少有38%的蛋白在微重力环境中结晶得更好，而且，借助于最近才出现的更先进的温控设备，这一比例正在接近100%。

对燃烧的研究是计划在空间站上开展的研究的另一个重要组成部分。由于缺乏对流，材料在微重力环境中的燃烧方式完全不同:例如，蜡烛的火焰呈球形，而且很快就自行熄灭了。国家航空航天局的Robert Rhome指出，如果对燃烧的基础研究得以揭示如何提高汽车或发电厂的效率，那么其经济意义将是巨大的。不过，眼下对实际用途——与航天飞行器的安全性有关——感兴趣的主要是国家航空航天局。

可以在微重力环境下研究的现象非常之多，但是Cross指出，在空间站内部，不可能达到地球上通常能达到的那样低的温度。也不可能获得那样高度的真空。

Cross认为，尽管国家航空航天局投入很大力量设计防振动设备，但空间站上的设备和人员引起的震动仍会进一步限制许多精密科研工作的机遇。Cross设计了空间硬件， 并迸行过一次轨道实验，他说空间站上的材料研究的前景给他的印象 “一点也不深”。空间站的抨击者们认为，为完成特定任务而定向研制的机器人宇宙飞船可以研究液体在几乎不存在重力的环境中的奇特性质，也可以研究某些生物效应，而其费用则比空间站低得多。

生物学已越来越成为那些想要利用空间站科学潜力的人注意的重点。航天飞机上的实验结果表明。微重力对植物和动物的发育有显著的影响。细胞在培养液中的生长方式有所不同，而且有迹象表明更容易使人的组织生长。植物制造的一种重要结构材料(称为木质素）的量减少了，并有一项结果表明细胞在微重力环境下其分裂的速度加快了50倍。在国家航空航天局工作的一位微生物学家Maurice M. Averner说，如果此发现属实的话，那将是非常惊人的。

在空间研究生命

至今结果还是很稀少的，因为对动物和植物进行实验要耗用宇航员很多的时间。国家航空航天局的生命科学负责人Joan Vernikos说，空间站计划配置的优良设备将使研究人员在空间站上重复并修改生物实验比在航天飞机上容易得多。此外，借助于一台可使动物笼子旋转的离心机，研究人员首次能够研究不同大小的重力对发育中的有机物的影响“离心机是空间站的一 个引起人们意见分歧的问题，因为它会产生振动。）

然而，空间站科研的最新的头号重点是人的健康。失重对人体骨骼的影响，比观看从航天飞机上播放的娱乐和游戏镜头时所料想的影响更大。骨骼会失去钙，肌肉会萎缩，而免疫能力可能下降。对空间站上宇航员的健康研究将在一个特殊的设施中进行，这个设施配备有称量人的体重（没有重力时人的体重并不是无关紧要的）、测量人的肌肉力量并化验血液、呼出的气体以及其它重要指标的仪器。

但是国防高级研究项目局的一位前任项目主任Elliott C.Levinthal他曾在飞往火星的海盗号机器人探测器项目中工作过——对轨道上的生物和健康研究的价值提出了质疑。Levinthal曾是斯坦福大学的遗传学和机械工程教授,他认为，没有一个为生物学基础研究拨款的中立的委员会支持微重力研究。Levinthal争辩说，仅当建造空间站是为了给其它某个长时间的空间飞行计划作准备的情况下， 把反类研究作为重点项目才是有意义的。

国家航空航天局对此的回答是，人类总有一天将会希望飞往火星。然而,Levinthal坚持认为，即使人最终将访问这颗红色的行星，建造空间站仍为时过早。Levinthal认为，必须在机器人探测器首先详细地考察了这颗行星并从其表面上送回样品之后很久，才能由宇航员进行这样一种危险的旅行。这种旅行比空间站花费的钱多得多。而机器人探测器的探索可能要花数十年时间。

Levinthal也对空间站的一个推想的目标——使俄罗斯的技术人员为和平工作——表示怀疑。他认为该国的科学家实际上宁愿把科研经费用在更实际的工作上。美国可以直接通过提供科研经而使俄罗斯科学界的失业人数减少，这样要比建造空间站的花费少得多。Levinthal承认，俄罗斯的政客们陷入了与美国政客们相同的困境中。他们都死抓住载人空间飞行不放，把它作为技术威力的一个象征，而且它们都害怕失业的前国防工业工人在投票站发泄的不满情绪。但 Levinthal的结论是，空间站实际上是“无目标的”。

看来，科学家们面临的选择是要么使用、要么不用一个徒有其名的微重力实验室，而不管他们是否同意， 这个实验室都将建造起来。只要有科研课题费，研究人员可能总会找到点什么事在这一高价设施中可干。国家航空航天局局长Goldin说：“空间站之所以一开始就陷入麻烦，是因为我们不停地争论不休。空间站不再是一个可争论的问题。现在我们不会重新设计，也不会作任何改动。我们将把空间站建造起来。”