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2002年9月9日 神舟三号上的科学实验 （孙辉先）
主讲人简介孙辉先55岁，研究员，博士研究生导师，载人飞船工程应用系统副总设计师，中国科学院空间科学与应用总体部空间系统工程中心副主任，中国科学院有突出贡献的中青年专家，曾任实践五号卫星副总设计师， 应用系统总设计师。主持完成过国家级、省部级的多项重大科研任务，获国家级奖励一项，省部级奖励多项。
同学们下午好，今天我要介绍一下神舟三号飞船应用任务及其初步成果，这里边包括神舟三号飞船所做的空间生命科学、空间材料科学、地球环境监测、空间环境监测以及对地观测这些主要的科学实验。最后我们有一个简单的小结。
我们知道神舟三号飞船是今年（2002年）3月25号晚上10点15分，在酒泉卫星发射中心成功发射，经过了七天的在轨运行，于（2002年）4月1号下午4点3分返回舱与轨道舱分离，（2002年）4月1号16点54分返回舱顺利返回到了地面。到目前为止，轨道舱仍然在轨道上继续运行、科学实验也在继续进行。神舟三号飞船获得了巨大的成功。今天我们要简单地介绍一下，神舟三号飞船的应用任务和它的初步成果。也就是说，我们要介绍一下神舟三号飞船上，做了哪些科学实验，这些科学实验有些什么意义，它们是怎么做的，做了以后有些什么初步的成果。
这个是神舟三号飞船的一个图，上半部分是它的轨道舱，中间部分是返回舱，底下这一部分是推进舱。科学实验呢，凡是需要带回样品的实验，包括生命科学实验、材料科学实验都集中在返回舱里边，放在这个里边。其他一些科学实验呢，大部分都放在这个部分，这个部分我们也叫做附加段 。还有一部分实验，是在轨道舱里边，我们看到这一部分就是轨道舱，分离以后的轨道舱。这一部分返回舱将来要返回到地面。这个是推进舱。在轨道上飞行的时候，飞船是这个姿态，当它需要返回的时候，首先它要调姿，就是说要把推进舱的尾部对向后边，然后分离，然后把推进舱推到后边，开始喷气、减速。这时候，它开始进入了返回的轨道，到下降到140公里左右的时候，推进舱和返回舱将要分离，返回舱这时候开始返回地面。轨道舱继续留在轨道上，继续运行继续进行科学实验。到现在为止，轨道舱仍然在轨道上运行。下边我们就介绍一下，神舟三号飞船应用任务和它的初步成果。
神舟三号飞船上所有做的科学实验、对地观测，这些仪器设备，我们通常叫做有效载荷。另外有一些，对有效载荷服务的设备，我们叫做有效载荷的公用设备。在这条神舟三号飞船上，进行的科学实验有这样几项，一个是空间生命科学，它主要包括了两台设备，就是空间蛋白质结晶装置和空间细胞反应器。空间材料科学主要是多工位晶体生长炉。地球环境监测主要包括了三台设备，也就是太阳常数监测器、太阳紫外光谱监视器和地球辐射收支仪。空间环境预报与监测，包括两台设备，也就是大气成分探测器、大气密度探测器。另外有一台也就是说这一组飞船里主要的载荷，是对地观测的，它叫做中分辨率成像光谱仪。
下边我们介绍一下关于生命科学。我们知道空间环境极端的条件，给生物技术提供了一个地面上不可能完全模拟的一个实验机会。空间生命科学的研究，有助于揭示生命科学当中不可能在地面环境当中获知的一些本质的特征。在应用上有可能掌握以至于获取生产高质量的单晶，和高纯度高效的生物制品的空间生物工程方法，并产生巨大的效益。在这次实验当中，主要使用了两台设备，一台叫做空间蛋白体结晶装置。它主要是进行蛋白质和其他生物大分子的空间晶体生长，培养出来优于地面的、能够用于大分子三维结构测定的单晶体。另外一台叫做空间细胞生物反应器。它可以进行动物植物细胞的空间培养，研究具有制药前景的动植物细胞的空间培养方法，再一个研究一下这些细胞在微重力的作用下，对细胞的生长、代谢、合成以及分泌生物活性物质的一些影响。
我们先看看关于大分子的晶体生长，它的意义是这样，我们知道蛋白质和核酸这些生物大分子，是构成生物体的最重要的物质。它的结构决定了生物活性，使生物能够正常地生活下去。蛋白质的结构知识，能够用于揭示生命的奥秘。也是发展理性药物设计和蛋白质工程等生物高技术的基础。生长蛋白质是一项很困难的工作，它就成为了一个用晶体衍射法来测定和研究生物大分子结构的一个制约的步骤。也就是在地面上的时候，由于重力场的作用，这个晶体很难以培养。空间由于有微重力的环境，在空间没有重力，它对晶体的生长创造了一个很有利的条件。所以，随着空间科学技术的发展，微重力条件下的蛋白质晶体生长，已经成为了重要的空间生物技术。这个实验的目标就是要在空间培养出高质量的生物大分子晶体。蛋白质晶体结构，测试的步骤一般是这样，首先要有晶体，有了蛋白质晶体以后，做衍射实验通过衍射实验以后，得到计算机电子密度图，通过这个电子密度图，再去建成分子的模型。这里就可以看到，如果没有晶体，后面就很难以执行，如果得到高质量的大晶体，就有可能把后边的工作做得很好。
这个实验的装置，是这样一个装置，它有60个结晶室，其中有50个是采用汽相扩散的，温控是20℃。有10个是采用液相扩散的，温度是4℃。这个实验装置的照片，就是像这个图所示。它选择的样品根据的原则是这样，它要有学术意义，有应用价值，同时又侧重检验这种技术和方法。我们现在选择的，经过许多生物学家反复论证，选择了16种样品包括以下的这16种，这个实验的初步结果是什么，设备上去以后，一直工作正常。工作7天以后，它随着返回舱返回来，顺利回收。地面同时做对比实验，一样的条件、一样的温度、一样的时间、一样的程序。只是天上是在微重力条件下，地面是在重力场下。这样发现，在空间生长出的晶体，生长出晶率达到了70％。其中在空间生长出了5种较高质量的蛋白质晶体，经过初步的衍射实验，至少有两种蛋白质晶体，也就是细胞色素b5和大肠杆菌羧基激酶。生长的晶体的衍射分辨率，已经超过了已经发表的数据。现在这些样品还在进一步分析和试验当中。这里给出了6张照片，就是以下六种蛋白质结晶的图片。这一种也就是细胞色素b5，和大肠杆菌羧基激酶。它的晶体长得确实是非常大。
第二台仪器是细胞生物反应器，细胞生物反应器主要是在于利用在微重力条件下，没有沉降也没有对流，这样的特点，为细胞培养提供优越的环境。这样有利于细胞高密度高产量的培养，它的科学目标和晶体蛋白质结晶不一样。它主要是研究动植物细胞的培养方法，以及在微重力条件之下对细胞的生长、分化和代谢物的分泌有什么影响，为将来开展空间制药奠定一个基础。这个就是空间细胞反应器的一个照片。它这里边有一个储液室，也就是营养液。这边是细胞培养室，这个地方是个蠕动泵，它不断地把有营养的液体灌输到培养室去。另外有一个叫固化装置，就是在空间生长的时候，在最终生长好了，它把细胞的状态固化下来。这样我们能够看到，在空间它生产的情况。这个细胞反应装置有四个独立的培养单元，因此它能够培养四种细胞。细胞反应器的样品，主要是要选择具有制药前景的，比如说抑制癌症这样的一些产品。这次经过反复论证，选了四种，也就是以下的四种，包括人体组织淋巴瘤细胞、人大颗粒淋巴细胞，以及其他两种细胞。它的结果是这样，四种细胞经过在轨运行以后生长良好。而且发现，在微重力条件下，细胞骨架松散无序性增强，呈一种弥散性分布，细胞的能量消耗普遍减少，对葡萄糖的利用率下降。人大颗粒细胞，在空间生长非常好。它长得和地面对照物相比较，几乎是12。5倍，而且它对肿瘤的靶细胞仍然有一定的杀伤作用。抗天花粉抗体的分泌量，比地面要增多，下边一张图就给出了一个对比，这四组细胞的对比。左边的都是在空间生长的，右边是地面对比生长。我们可以看到，人大颗粒淋巴细胞在空间生长的比地面生长的，要大12倍左右。
下面我们再谈一下空间材料科学。空间材料科学也是主要地利用在空间的微重力条件。我们知道在地面的时候，由于有重力场的作用，因此它就有浮力作用、有静压作用。这样的话，两种不同比重、不同密度的液体混在一起的时候，重的就要下沉、轻的要上浮。但是在微重力条件下，就没有这个作用。所以利用这个条件，可以利用这样的空间，生长出一些有特殊性能的晶体，得到有一些特殊性能的合金。这就是空间材料科学要研究的一些问题。我们所采用的设备，是一个叫做多工位晶体生长炉。这个内部的结构是这样，旁边这个是它的电控箱，这个装置一共有6个工位。换句话说，它能够生长六种晶体，那么在这里呢，这个上半部分就是有六种不同的材料。下边的部分是它的加热炉，它加热完了一个以后，可以把它提上来转一个位置，再把第二个样品送下去。所以就是说，这一台多工位晶体炉，可以进行六种样品的实验。它的加热温度最高可以到950℃，当然可以根据需要来选择。它提拉的速度，因为它是利用温度梯度来生产晶体的，它的提拉速度可以控制到每小时3毫米到280毫米，最大的移送距离是216毫米。这是我们国家自己设计和完成的。
材料的选择，这次实验当中选择的材料，有三大类。一类是半导体的光电子材料，其中选了一个叫锑化镓。锑化镓在太阳能电池、长波激光器方面有重要的应用。再一种是碲锌镉。碲锌镉这个材料在冶金特性上和碲镉汞非常相似。碲镉汞是一种非常重要的红外光电材料。但是由于碲镉汞本身有毒，这次为了考虑安全起见，选用了一种碲锌镉来代替碲镉汞。再一种是氧化物晶体，比如说用的是硅酸铋，硅酸铋是一种非常有前途的、多功能的光信息的材料。再一种是金属合金和共晶合金材料。比如说有钯、镍、铜、磷、铝、钕、铁、钴这些都是非常有用的材料。另外一些材料的选择，主要的目的是为了研究共晶合金的定向凝固研究，以及在空间微重力条件下凝固行为的研究，这样有以下一些样品，多工位晶体炉初步的结果是这样，多工位晶体生长炉进行了六种不同材料的空间加工，实现了预定的功能。六种材料都经历了熔化到凝固的过程，获得了一批经过空间加工的材料样品。其中有些材料是我国首次在空间加工的，比如说硅酸铋单晶，铝、钕、铁、钴和钯、镍、铜、磷都是我们第一次在空间加工成的。这些材料还在进一步分析和研究当中。下面几张照片，这张照片显示的，就是这次进行实验的六种样品。这是刚刚从炉子里边取出来，从返回舱拿出来以后，从炉膛里边取出来六个样品。下面一个是硅酸铋晶体的比较。上面这个是在地面上生长，我们可以看到，它的表面有收缩有很多的沟。下面这一个是在空间生长的，它的表面非常光滑。当然这只是外观，科学家们进一步在做它的金相实验，进一步地分析研究。下面我们介绍一下，地球环境监测这个方面的科学实验。地球环境监测的任务，是对地球环境的变化进行系统地监测、开展地球系统的研究，建立地球环境定量的模型。它的意义是非常大的。因为了解和预测人类赖以生存的地球环境的变化，这对人类是非常重要的。尤其是对于我国来说，我国幅员广大、自然灾害频繁，这样的话我们对气候的监测更加重要。
这次监测的内容，是有这三个方面。一个是要定量地监测太阳的输入。也就是太阳对地球辐射的绝对量，辐射的能量。因为这是地球上主要的能源来源。第二个是要监测保护地球生物圈的大气臭氧浓度分布和垂直的结构变化。因为臭氧对保护人类也非常重要。第三个是监测一下地球向太空的辐射能量。所用的仪器有三种，一个叫做太阳常数监测器，再一个叫太阳紫外光谱监视器，再一个叫地球辐射收支仪。我们先看一下太阳常数监测器。由于地球围绕太阳旋转的轨道是一个椭圆的轨道，因此这个距离是在变化的。另外 由于太阳本身发光的特性也在变化，比如太阳有活动周期，有黑子、有爆炸，这样太阳发射出来的能