0 引 言
中国“天宫”空间站在2022年已全面建成，“太空之家”遨游苍穹。“天宫”空间站作为我国国家级太空实验室，将发展具有国际先进水平的空间科学与应用能力，开展大规模多领域空间科学实验和技术试验、空间应用以及科普教育，以获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果[1-4]。我国“天宫”空间站具有航天员参与实验操作、有效载荷容量大、运行周期长、天地往返运输支持、全覆盖测控通信支持、试验设备可更换升级等独特优势，为航天各类技术的在轨试验验证提供了开放式应用平台，同时为空间站空间新技术在轨试验提供了优良的验证平台。利用空间站试验平台开展相关空间技术的先期验证，有望产生一系列原创性科技成果[1-4]。当前，中国空间站已进入应用与发展阶段，如何充分利用空间站工程资源，规划一批技术先进、必要性强、效益与价值高的试验项目开展在轨空间技术试验研究，在制约航天科技创新发展的重要前沿技术方面取得一系列关键突破的重要性和紧迫性越发凸显。空间站空间新技术的在轨试验验证，为掌握战略性航天新技术与关键核心技术，取得跨越式发展奠定基础，为建设航天强国提供强有力的技术支撑，也为人类科技认知迈上新台阶贡献一份“中国力量”。
面向未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求，本文对国内外空间站空间技术试验研究情况和发展态势进行了分析与总结，并在此基础上提出了中国空间站空间技术试验的发展思路，论证了空间站空间技术试验发展的趋势，对各研究方向的技术发展进行了展望。期待空间站空间技术试验的实施能够解决制约空间技术高水平发展的一系列前沿问题，有力支撑航天强国建设与国家发展战略发展需要。
1 国际空间站技术试验发展态势
国际空间站（International Space Station, ISS）的空间应用领域包括生物学与生物技术、物理科学、技术开发与验证、地球与空间科学、人体学研究、教育活动与推广六个方向。自2012年全面进入运营阶段以来，国际空间站已在上述领域开展了大量科学与技术试验，取得了大量显著的科学与技术试验成果。其中，技术开发与验证领域在国际空间站六大研究领域中的占比较大，且呈逐年上升趋势。
国际空间站在技术开发与验证领域规划了11个技术类别，包括空间动力和能源，空间推进，机器人技术，远程机器人和自主系统，通信与导航，乘员健康、生命保障与居住系统，探测目的地系统，科学仪器，进入、下降和着陆系统，材料、结构和制造以及热管理系统。
在技术开发与验证领域，国际空间站在材料与结构、科学仪器、通信与导航、热管理等研究方向取得了众多亮点成果。在材料与结构方面，国际空间站开展了“微重力下生产光纤”实验，验证了在微重力下制造氟化物ZBLAN光纤的可行性，为大规模在轨制造高品质光纤奠定了基础；在科学仪器方面，通过“国际空间站上的高性能商用现货计算机系统”实验，验证了该系统可以通过降低功耗和速度在高辐射事件期间运行，展示了商业超算技术；在通信与导航方面，利用自适应光学系统为“激光通信科学光学有效载荷”解决了大气湍流影响激光传输的问题；在热管理方面，利用“被动热交换先进研究”实验，验证了几种采用低毒性流体的新型热管设计，该设计可降低散热系统的复杂性并提高效率；在机器人方面，利用影像引导自动机器人(IGAR) 诊断和治疗乳腺癌，开展了“卫星蜂群和机器人机动”试验，通过测试多个 Astrobee自由飞行机器人之间、机器人与货物之间以及机器人与运行环境的协调，验证了自主在轨机器人服务能力[9]。加拿大机械臂技术成果被转化为在地面上脑部手术机器人助手，协助外科医生完成手术操作，被评为国际空间站十大科研成果[10]；在生命保障系统方面，利用“先进航天食品系统”，对一种具备选择打浆和精细混合能力的原型食品加工设备进行试验。
基于我国空间站的试验资源，本文围绕国际空间站的相关重点技术类别，分别对国际空间站技术试验和部分其他重点航天任务的研究进展进行分析和总结。
1.1 材料、结构和制造
（1）空间3D打印技术方面。2014年11月25日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）与太空制造公司（Made In Space）合作实现了全球首次太空3D打印，采用熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling, FDM）工艺在国际空间站的微重力科学手套箱中成功打印了印有“MADE IN SPACE/NASA”字样的铭牌，并在国际空间站在轨制造了约20个结构样件[11]。2016年，该公司又研制了第二台太空3D打印机（Additive Manufacturing Facility, AMF)，作为一台可真正用于在轨工程的3D打印机，该设备具备使用3种塑料（ABS、PEI、PE）制造空间站所需工具的能力。欧洲航天局（ESA）支持的打印机POP3D（Portable On-board Printer 3D）于2015年发射进入ISS，该设备使用可生物降解的PLA线材作为打印原材料[12]。
从空间3D打印材料的发展来看，已从最初的ABS塑料逐渐扩展到其他高分子塑料、金属材料、碳纤维复合材料、生物材料等多材料领域，但金属材料、复合材料等在轨3D打印仍存在诸多难点。受限于空间站能源供给、空间有限等因素，空间3D打印技术仍有一系列技术问题亟待解决；从发展时间来看，空间3D打印技术在空间构建大型结构模式发展方面时间仍然偏短，技术成熟度仍处于较低水平，相比于舱内制造，舱外制造的开发成型环境的高真空、温度交变、强辐射、空间微重力等多种因素的叠加耦合，对大型构件的增材制造工艺及制件性能差异的影响还未进行系统性研究。基于以上问题，未来空间3D打印技术将主要向多材料、高精度、多功能、小型化、低功耗、大规模等方向发展。
同时，基于4D打印技术的形状记忆智能结构具有主动变形、变性能、变功能、可大尺寸制备等优点。空间4D打印技术由于增加了一个时间维度，其具有在特定的激励下可自主变形的特点，将极大突破运载发射尺寸的限制，在未来大型结构的在轨制造方面有着较好的应用前景。
（2）材料回收与循环利用技术方面。2018年11月，NASA在ISS成功安装一台兼具聚合物材料回收功能的3D打印机“重造机”（Refabricator）。该设备可以将塑料材料转化为3D打印原料，是第一个在轨综合回收制造设备[13]。2019年11月，太空制造公司将研制的塑料回收设备（Recycler）送入ISS。该设备可将废弃的塑料材料进行回收并制成用于空间3D打印塑料丝材以实现PE等热塑性材料在轨循环利用。面向未来载人深空探测等长周期飞行任务，我们需要开展原位制造与回收利用技术研究，以解决资源补给周期长、补给代价大的难题。
（3）空间成型与连接技术方面。1969年，“联盟”6号飞船进行了首次空间电子束试验。1984年，苏联在“礼炮”7号空间站舱外完成了焊接、钎焊、切割和喷涂工艺试验。国内相关科研院所通过相关课题开展了空间电子束焊接技术、超声波焊接等技术研究，并完成了地面出束和典型航天材料的焊接工艺研究。国外已开展的空间焊接的在轨试验和工程应用，其焊接深度可达1 mm。而我国尚未开展在轨试验，就焊接工艺来说，微重力下的微重力熔池凝固形核特征及凝固结晶动力学机理较为复杂，微重力条件下太空焊接电子束作用区熔池失稳与脱落分离控制机制及加工技术亟须通过在轨试验进行验证。
（4）大型空间设施在轨组装建造方面。美国在20世纪90年代基于地面制造，利用航天飞机运输至国际空间站，并通过机械臂和航天员出舱完成了109 m的桁架组装；NASA提出在轨服务、装配和制造任务（On-Orbit Servicing, Assembly and Manufacturing, OSAM），其中OSAM-1计划在Restore-L航天器上在轨装配一个3 m口径的通信天线以及在轨制造一根10 m长的支撑臂杆，对装配和制造技术分别验证，但2024年3月该任务由于经费原因已取消[14]；OSAM-2任务将在轨建造并部署一个替代太阳能电池阵列，在轨打印两个横梁，从卫星两侧延伸10 m，并沿着横梁展开太阳能电池板模拟件，目前计划2024年发射。若OSAM-2任务按计划实施，则其将成为首个在舱外真空环境下开展的太空制造试验。
1.2 机器人与自主系统
空间机器人最早由美国和加拿大在20世纪70年代开展研究，至今已开展了不同规模、类型和用途的空间机器人在轨应用和试验。当前，国外用于空间站的典型机器人在轨任务及特点分析如表1 所示。
表 1 国外用于空间站的典型机器人在轨任务及特点Table 1 Typical robot in orbit missions and characteristics used in space stations abroad |
| 序号 | 机器人项目 | 国家 | 年份 | 机器人类型 | 主要任务和特点 |
| 1 | SRMS | 加拿大 | 1981 | 6自由度机械臂 | 航天飞机遥机械臂系统，是首个在轨使用的空间机械臂，实现了“哈勃”望远镜维修和部件更换、国际空间站在轨服务等任务，长15 m |
| 2 | ROTEX | 德国 | 1993 | 6自由度机械臂 | 世界上首个具备地面遥操作能力的空间机器人系统 |
| 3 | MFD | 日本 | 1997 | 6自由度机械臂 | 日本第一个空间机械臂，用于在轨可替换单元的安装与卸载、门的开关等演示验证等，1997年在航天飞机上进行演示 |
| 4 | ETS-Ⅶ | 日本 | 1997 | 6自由度机械臂 5自由度机械臂 | 首个自由飞行空间机器人系统，用于开展各类操作试验，质量150 kg，长度2.4 m |
| 5 | SSRMS | 加拿大 | 2001 | 7自由度机械臂 | “加拿大臂”-2，完成国际空间站在轨组装、大型负载搬运、ORU更换、航天员舱外活动辅助、空间站辅助维修等任务，长17.6 m，质量1.8 t |
| 6 | ROKVISS | 德国 | 2004 | 2自由度机械臂 | 关节元件的空间验证、遥操作模式验证 |
| 7 | Orbital Express | 美国 | 2007 | 6自由度机械臂 | 交会对接、ORU传输、在轨ORU更换、静态目标抓取、动态目标抓取、在轨燃料 传送等 |
| 8 | SPDM | 加拿大 | 2008 | 15自由度双臂机器人 | 是SSRMS的灵巧手，完成货物搬运、在轨燃料加注任务等演示验证 |
| 9 | JEMRMS | 日本 | 2009 | 6自由度机械臂 | 用作（日本“希望号”实验舱 JEM）的机器人实验、支持JEM的维修服务，主臂长 9.9 m，小臂长约2 m |
| 10 | Robonaut 2[15] | 美国 | 2011 | 双臂拟人机器人 | 开展任务面板操作演示验证，全身共42个自由度 |
| 11 | KIROBO | 日本 | 2013 | 小型拟人机器人 | 陪伴机器人，与日本航天员对话，长约34 cm，质量约1 kg |
| 12 | IntBall-2 | 日本 | 2017 | 舱内辅助机器人 | 自主飞行、监控、拍摄 |
| 13 | CIMON | 德国 | 2018 | 陪伴机器人 | 语音交互、辅助拍照、伴飞等 |
| 14 | Astrobee | 美国 | 2019 | 舱内辅助机器人 | 监视航天员、采样活动、物资管理 |
| 15 | Skybot F-850 | 俄罗斯 | 2019 | 全身拟人机器人 | 手电钻工具抓取、电连接器安装、人机交互验证 |
| 16 | 科学号多功能 实验舱 | 欧洲 | 2021 | 7自由度机械臂 | “科学号”实验舱在轨组装、货物搬运、载荷照料 |
| 17 | MIRA手术机器人 | 美国 | 2024 | 手术机器人 | 通过研究远程手术，验证太空微重力状态对手术切口的影响 |
除上述已在轨应用的机械臂外，目前，为配合美国的“门户”计划，MDA 公司正在开展“加拿大臂”-3的开发工作。“加拿大臂”-3将配备人工智能、机器学习、机器视觉和先进软件，在无人干预或最少人为干预的情况下执行关键任务。
通过系统分析国外在轨机器人的发展态势，未来空间机器人与自主系统技术的发展趋势如下：
（1）对于舱外机器人，组成复杂、功能多样。智能作业机器人多为多分支机器人，具有3~4个分支，单个分支自由度为6~7个。在操作能力、精细操作能力、协同工作能力和自主工作能力上逐步提升。
（2）空间站机械臂系统组成复杂。根据在轨作业任务需求，空间机械臂一般都配有大臂、小臂或与灵巧操作机器人等组成，可单独或组合使用。大臂负责悬停飞行器捕获和货物搬运等大范围转移、规模较大的载荷操作任务，灵巧操作机器人负责精细操作。
（3）在轨任务模式多样、系统拓展需求突出。空间机器人需要面对不同的任务需求，开展不同对象的操作，需要满足非合作目标、精细化操作等不同需求，且需要根据任务进行拓展。
1.3 空间动力和能源
空间能源系统技术研究涵盖发电、储能、传能、能量转换等全链路技术环节。
（1）太阳电池是航天器能量的源泉，开展新型太阳电池、材料快速筛选及精准测试，验证复杂空间环境下宏观层面的物理性能及其变化规律。美国在20世纪70年代开展了太阳电池在轨搭载技术研究，ATS-6卫星研究了81片太阳电池及不同封装材料在地球静止轨道（GEO）性能衰变，为太阳电池厚度、封装材料、7940胶等选型提供了在轨遥测数据支撑。1984年，美国发射了LDEF暴露设施，开展了暴露试验，获得了太阳电池、材料等与空间环境相互作用的大量数据，为美国提供了最大和最完整的空间材料数据库，也为高效率太阳电池结构设计和国际空间站空间环境防护设计提供了数据支撑。国际空间站利用MISSE装置，开展了太阳电池性能变化、太阳电池及材料对综合环境适应能力考核，快速筛选太阳电池。柔性太阳电池方面，2021年6月，NASA为国际空间站成功安装了第一对ROSA太阳翼。与旧的空间站太阳翼相比，ROSA太阳翼单翼发电功率相当，但其展开包络尺寸降低至1/4以下，质量降低至1/3以下，极大提升了电池阵的整体布片效率，降低了展开机构的质量。2022年12月，国际空间站部署了新的柔性太阳能电池板，目前已完成了6个柔性太阳翼的安装，单个ROSA长18.2 m，宽6 m，总面积低于原有太阳翼的1/4，但发电量却大幅提升，每个柔性太阳翼发电功率超过20 kW，比国际空间站现有太阳翼发电量提升了30%。总体来看，新型太阳电池技术方面，国内外航天器的太阳电池阵的结构形式经历了从体装式到展开式，基板从刚性到半刚性，再到柔性的发展。
（2）空间能量转换方面主要体现在热电转换技术的发展。随着深空探测等重大航天任务的发展，不依赖太阳能的空间高效电源的需求越发迫切，空间非太阳能热电电源是载人登月、火星登陆等深空探测任务的有益选择。空间放射性同位素电源具有高效率、长寿命、不受光照影响的特点。静态热电转换方面，20世纪的空间探测任务中累计使用了近50枚放射性同位素热发电机（RTG）。2020年发射的“毅力号”火星车，采用同位素温差电源MMRTG，质量为45 kg，热电转换效率为6%左右[16]。美国制定了持续不断的RTG研制计划，计划于2030年前开发出更高转换效率、更大比功率和更长运行寿命的新一代RTG。动态发电方面，美国启动了Kilopower项目，采用钠热管冷却+斯特林技术，系统效率约25%，已于2018年完成地面带核集成试验验证，为美国近50年来首次完成的空间堆地面带核验证，美国计划2027年开展以月球基地应用为背景的飞行验证。RTG作为空间供电装置具有超长寿命、温控与发电为一体的独特优势。由于空间同位素的制备需从核废料中提取，核源产生困难，且价格昂贵，因此提高热电转换效率，减少核源的用量将是未来热电转换技术的发展方向。
（3）电传输技术方面，目前国内外主要开展了无缆化电能传输技术研究。无线能量传输(Wireless Power Transmission, WPT)是将能量从空间某一点传递到另一点，包括微波无线能量传输、激光无线传输、近场无线传能等技术。微波无线能量传输技术具有较高的预期传输效率，在特定的频段范围大气穿透性好，能量损耗小，可以通过波束调整实现高精度能量传输，安全性好，且技术相对成熟，特别适合在未来的大功率太空发电站应用，是目前国际上太阳能电站研究的重要方向。2020年，国际空间站开展了第一次在轨能量波束验证，利用空间站舱内的无线路由器点亮了附近的一只LED灯；2020年5月，美国利用X-37B搭载光电射频天线模块，对光伏-直流-微波的过程进行了在轨验证，成功产生10 W能量；2023年，加州理工学院开展了X频段微波能量传输试验，验证了传输距离为0.5 m的固定点对点链路的能量传输。激光无线传能技术最早始于1968年，由美国提出空间太阳能电站构想，是一种旨在在空间将太阳能转化为电能，再通过激光传能的方式传输到地面的电力系统。2019年5月，美国海军实验室在位于马里兰州的海军实验基地开展了激光能量传输项目试验，发射激光2 kW，传输距离325 m，接收到电功率约400 W；2023年5月，国际空间站“太空无线能量激光链路”载荷在一个1.7 m长的管道内首次开展激光传能试验，效率11%，功率1.5 W，通过激光传输链路收集数据，探索了能量聚束传输在太空应用的可行性。激光传能具有较好的能量汇聚性，远距离传输光斑发散小，利于实现长距离能量传输。空间受大气衰减影响小，激光传能技术在空间具有传输效率高的优点，在星间能量传输、地外星表能源系统等方面具有广阔的应用前景。当前，空间激光传能还局限在短距离验证，尚未开展远距离传输验证。影响空间激光传能的因素包括激光器的效率、光束质量等。半导体激光器效率较高，但光束质量较差，适合近距离传输，远距离传输可考虑光纤激光器。未来也可考虑结合太阳光泵浦技术，实现空间太阳能-激光-电能的转换与传输，推动激光能量传输在月球阴影区供能、星间能量传输的应用。
1.4 空间推进
目前，主流的空间推进技术包括化学推进和电推进技术。其中，化学推进包括冷气、液化气、热气、单组元、双组元、固体、固液等；电推进技术包括霍尔、离子、脉冲等离子、磁等离子、变比冲磁等离子等。传统的化学推进的特点是推力大且范围宽，但比冲较低，重量大。电推进的特点是效率高、比冲大，节省推进剂，但推力小。化学推进可分为单组元和双组元推进，单组元主要应用于卫星、运载火箭等总冲量需求不大而推力较大的航天器，而双组元主要应用于总冲量大的航天器。目前电推力器类别多达十余种，可以满足航天器姿态控制、位置保持、阻力补偿、轨道转移、深空探测等不同任务的要求。电推进按照工作原理，可分为电热式、静电式和电磁式3大类。目前，空间应用最为广泛的是静电式电推进，其原理是利用电能使带正电的粒子在静电场作用下加速喷出从而产生推力。其中霍尔电推进、离子电推进是当前空间电推进研究的重点，在轨道转移和位置保持、强机动变轨等任务中广泛应用。
（1）电推进技术方面。1972年苏联研制的SPT-60型霍尔推力器在Meteor气象卫星上实现了霍尔电推进的首次空间试验，此后额定功率为1.35 kW的SPT-100推力器在20世纪90年代被一些国家引入，并应用在各大卫星平台上。在载人航天领域，尤其是空间站和载人飞船，由于其涉及快速轨道转移、姿态控制等任务需求，化学推进受到广泛应用。而对于载人航天器的大气阻力补偿等任务，其所需的推力较小，适合采用电推进技术实现，从而节省推进剂。我国空间站采用电推进技术，补充大气阻力的影响，大幅降低轨道维持所需的推进剂补给需求。当前，电推进广泛应用在卫星星座中，如SpaceX、OneWeb等商业航天公司都选用了低功率霍尔推力器作为卫星星座的空间动力。此外，随着电推进技术的广泛应用，传统的工质氙气高成本、低存储密度的问题逐渐凸显，电推进对廉价工质的需求日益增加。国外航天器已开展了碘、氪以及氩气新工质的电推进系统验证和使用。2011年，美国Busek公司首次在BHT-200霍尔推力器上成功开展碘工质点火验证；2022年，苏州纳飞卫星动力科技有限公司研制的固态碘工质电推进系统搭载用户卫星成功入轨，成为国内首台碘工质电推系统实现在轨应用；2023年2月28日，SpaceX公司第21颗“星链”卫星采用氩霍尔电推进，大大降低了成本。未来深空探测、低轨卫星星座等任务均需要大量推进工质，氙工质储量无法满足持续发展的要求。针对未来载人深空探测、行星际探测、星网星座等航天任务，电推进技术应面向大功率、高比冲、低成本的方向发展。
（2）推进系统羽流监测方面。20世纪80年代初，苏联在“礼炮”7号空间站上开展了首次羽流效应飞行实验，发现飞船对接时推力器羽流存在明显的污染效应。1994年，美国在STS-64航天飞机任务期间开展了羽流飞行实验，对推进器气动力、气动热、静态和动态压力以及污染效应进行了测量，实验过程中航天飞机共进行了101次点火。2004年，俄罗斯在国际空间站“对接舱”1号的旋转臂上安装了污染监测模块（BKDO），用于测量国际空间站环境中的分子沉积。BKDO可对各项在轨实验任务期间的空间站内外环境参数（如沉积物、压力、温度等）进行监测和记录。电推进羽流监测方面，美国进行的典型电推进在轨实验为“深空”1探测器搭载的30 cm氙离子推力器NSTAR，针对NSTAR羽流与航天器的相互作用进行了电荷交换等离子体诊断和污染监测，并结合仿真计算与地面研究进行了系统研究。由于地面真空度不足、真空舱封闭环境等因素，推力器在轨运行时羽流特性难以反映。其中，高真空环境背压会压缩化学推进羽流场形态；地面模拟的真空罐终究是一个封闭结构，存在壁面效应，对化学推进羽流形貌及特性造成影响；而电推进束流离子碰撞于真空罐壁后会产生大量溅射产物，从而使流场特性和在轨产生的羽流环境迥异；在轨环境下，羽流中未完全蒸发的推进剂液滴分布及运动轨迹与地面受重力环境下存在差异，会影响羽流液相污染评估。因此未来应开展在轨真实环境下，空间化学推进和电推进系统羽流环境效应监测技术研究。
（3）新型推进系统技术方面。面向未来航天器复杂的在轨任务涉及的轨道转移、姿态控制、位置保持等不同工况对推进系统的功率、推力性能需求差异，航天器推进系统应具备多模式工作的能力。因此，基于高/低比冲模式切换的电推进和化学推进的组合推进是未来航天器推进系统的发展方向之一。采用基于离子液体的绿色无毒推进剂，共用贮供系统，兼具化学推进工作模式下的航天器大推力、强机动能力和电推进工作模式下的高比冲、精确调节能力。2023年，NASA“月球手电筒”小卫星(Artemis-Ⅰ任务)使用的HAN基离子液体推力器在轨运行发生故障（采用离子液体催化点火），4台发动机中3台推力输出异常，任务提前结束。2024年3月26日，NASA公布了立方星发射计划，预计2025—2028年内将在轨演示化电混合绿色推进技术试验“精灵”推进系统，总冲1200 N·s，推力0.15~0.05 N[17]。在大幅减轻系统重量的基础上，多模式推进系统采用同一套贮供系统，同时具备化学推进与电推进两种推进模式，推进比冲高，且推力覆盖范围从几十微牛到几百牛，跨越6~8个数量级，是执行未来深空探测、星网星座等具有较强机动性需求航天任务的理想动力解决方案。
1.5 乘员健康、生命保障与居住系统
乘员健康、生命保障与居住系统是载人航天特有且重要的系统技术之一。通过乘员健康、生命保障与居住系统，建立适宜航天员长期在轨生活的大气环境，并为航天员的在轨生活提供保障，包括大气控制、温湿度控制、水回收处理、气体净化和微生物控制、烟火监测与灭火、人体代谢物处理、食物供应等方面。从最初的非再生式，已发展到物化再生式，并逐步向可循环的受控生态生保系统发展。
（1）二氧化碳还原与氧气再生方面。目前国际空间站采用电解水的方式为宇航员补充氧气；国内外均采用Sabatier热化学反应，通过H2将CO2还原为CH4和H2O；NASA早在20世纪末提出了“火星原位推进剂制备先导”，以火星大气层中二氧化碳作为原料，利用氧化锆固态电解质电解制备氧气。2018年ESA为ISS开发了ACLS载荷，提高了CO2吸附和转化效率，实现氧回收率48%。“毅力号”火星车于2021年搭载MOXIE，将CO2转化为O2和CO。二氧化碳去除及原位资源利用是载人航天的重要基础和支撑载人深空探测环控与生保系统的核心。未来长期载人空间飞行迫切需要解决二氧化碳去除及转换关键问题，并围绕未来载人深空探测面临的火星大气二氧化碳原位资源利用问题发展新技术。
（2）受控生态生保技术方面。国际空间站先后搭载多个试验装置、40余种植物，持续开展了作物栽培试验，为航天员供给新鲜蔬菜，包括胡椒、莴苣、卷心菜、甘蓝等。德国宇航中心于2019年5月在ISS使用小球藻构成的微藻生物反应器开展在轨试验，试验进行14天后由于外部电源故障试验停止。国际空间站及我国空间站飞行证明，二代再生生保技术已经实现了相关物质流的高闭合度再生，可以适应目前近地轨道载人航天长期驻留任务，但对于深空探测及地外生存飞行任务，目前再生生保系统的物质流闭合度及资源使用量尚不足以满足任务需求，因此，后续环控生保技术的发展趋势应该为利用更小的资源代价实现更高的物质闭合度，进一步减少飞行任务对地面发射资源的依赖，从而实现真正的载人深空探测和地外星球驻留的工程化。
（3）微生物腐蚀防控技术方面。在国际空间站运营过程中，除了定期在轨采样以外，参与国际空间站运营的各国也曾经实施了多项在轨微生物采样和监测项目。俄罗斯在国际空间站开展了空间环境因素对微生物-材料系统影响工作；意大利开展了VIABLEI项目评估材料细菌污染成膜研究；NASA开展了单一和混合菌株的微生物成膜研究，并在2023年第27次SpaceX商业补给任务中，搭载了生物膜研究试验样品，用于测试太空飞行条件下抗菌金属表面形成生物膜的功效以及验证防止微生物生物膜形成的有效策略。面向未来长期载人飞行任务，对预测载人航天器中材料面临的腐蚀风险仍需要开展深入研究。
（4）微生物检测技术方面。目前国内外空间站开展的微生物检测大都采用基于核酸扩增后的检测技术。2016年，NASA的航天员在国际空间站使用测序仪MinION进行了微生物DNA测序。由于核酸扩增过程较为复杂，当前微生物检测所需时间较长。未来可开发新型快速微生物检测技术，逐步实现空间环境微生物的高灵敏度快速检测和鉴别，为全面提升空间微生物安全防控技术能力提供新的思路。
1.6 热管理
航天器热管理技术方面涉及高温热管理、高温流体回路、低温制冷等研究方向。空间高温热管理方面，苏联已成功实现空间核反应堆电源系统应用，掌握500~1000 K温区发电系统废热的热控技术。高温流体回路方面，在400~550 K高温区，国外采用泵驱流体回路，实现了700 kW的废热收集、传输和排散。低温制冷方面，2002年“哈勃”空间望远镜的红外照相机及多目标频谱仪首次采用了逆布雷顿制冷技术；2006年发射入轨的MELFI低温储箱同样采用了逆布雷顿制冷技术；2014年NASA研制了20 W@20 K逆布雷顿制冷机，用于低温推进剂长期在轨贮存。面向未来深空探测、星际旅行等长期远航程空间任务低温推进剂需求，需要实现空间大冷量制冷技术的升级换代。
1.7 进入、下降和着陆系统
航天器返回与再入技术方面。由于充气式进入减速技术在高超声速条件下具有气动特性的优势，并能够显著降低航天器的弹道系数，使得航天器再入时的力热环境得到改善，近年来国内外开展了多种充气式再入减速系统研究。2000—2005年，俄罗斯开展了3次充气式再入和减速技术（IRDT）飞行试验，均未能成功；2022年11月10日NASA利用“宇宙神”5火箭成功实施了充气式近地轨道飞行场测试(LOFTID)[18]，充气展开直径约6 m，首次验证了第一宇宙速度再入返回气动减速技术，该项技术将计划用于未来的火星任务着陆中。面向未来载荷下行能力提升与低成本下行需求，传统的降落伞等减速方式难以满足要求，充气式进入减速系统具有可折叠收拢发射、充气展开部署快速、返回适应性强、成本低等特点，将发挥重要的作用。未来应围绕柔性热防护结构、多环充气结构、折叠展开及快速充气、气动和动力学仿真以及试验验证等方面开展进一步研究，突破关键技术。
1.8 科学仪器
科学仪器方面。主要在空间环境监测、材料暴露试验装置和卫星部署等方面进行了部署。
2001年，日本在国际空间站搭载了邦纳球中子探测器，利用探测器探测了15 MeV以下的中子；2005年，国际空间站搭载的光纤闪烁体中子探测器探测高能（15~100 MeV）中子辐射；NASA空间高能粒子监测模块辐射环境监测仪（REM）于2012年搭载在国际空间站上，用于舱内高能质子和电子辐射环境的测量。NASA约翰逊宇航中心利用全波计算，分析了国际空间站UHF至Ku波段天线在空间站外部产生的电磁环境数据。当前，国外的空间辐射效应监测手段已经迈向了主动式和模块化设计，设备逐渐向小型化和低功耗发展，积累了大量的空间辐射环境效应测量数据，为航天器和航天员辐射防护设计起到了较好的支撑作用。国内仍需要开展相应的辐射测量和分析技术研究，积累在轨实测数据，为航天器和航天员的辐射效应评估提供有益参考和支撑。
自2001年8月起，MISSE任务已面向含有聚合物、涂层、薄膜、密封件、太阳能电池、热控涂料等数千种材料的组件和设备开展了空间暴露试验[19]。后续MISSE-X将容纳高达90%有源试验。自2011年以来，Nanoracks公司已经从国际空间站发射了300余颗卫星，设计了立方体卫星释放系统（NRCSD）、微型部署器（Kaber），以及小卫星部署气闸舱（Bishop）。
1.9 通信与导航
2 我国空间站技术试验进展
我国空间站自2022年底建成以来，在空间能源技术、空间热管理、航天器共性技术、环境控制与生保系统等方面开展了空间技术试验，并取得了丰硕的试验成果。
（1）空间能源技术方面。开展了首次空间斯特林热电转换技术试验，验证了空间微重力环境下双活塞自由运动的间隙密封、双活塞相位保持等关键技术，获取了空间环境下动力学与热力学强耦合特性等关键参数，实现了我国首次斯特林热电转换技术在轨验证，性能指标超出预期验证目标，热电转换效率（同等温比条件下）等综合技术指标达到了国际先进水平。
（2）空间热管理方面。开展了液态金属空间热管理在轨试验，验证了空间微重力环境下铋基金属受控熔化、膨胀缓冲、对流换热和相变控温等关键技术，获取了液态金属层流-湍流过渡区纯强迫对流换热特性数据和微重力环境下相变控温能力的特性数据，为液态金属高热流密度散热系统设计提供了关键技术依据。
（3）在航天器共性技术方面。开展了导电环磨屑在轨观测试验，目前已在多个导电环上成功实现了磨屑分布和阻抗变化规律的观测，在轨试验数据为后续改进各类航天器的空间圆柱导电环产品设计、提高空间机电产品的可靠性奠定了良好的基础。
（4）在环境控制方面。开展了微生物防控技术试验，建立了首个高通量在轨材料微生物互作试验平台，突破了空间微重力环境下航天器常用材料与微生物共培养技术，获取了空间微重力环境下微生物对航天器常用材料的腐蚀特性，通过天地比对试验，探索了微生物对材料腐蚀行为的天地差异性机制，有望为空间站微生物安全防控体系提供重要保障。
（5）在生保系统方面。开展了固态基和液态基微藻在轨培养试验，探索了微藻在空间微重力环境的生长发育规律与物质交互特性。开发了适用于空间微重力的专用微波熟化模块，对液态基微藻进行了在轨原位熟化试验并对返回样品进行了科学研究，揭示了失重条件下液态基微藻的微波杀菌规律，证明了微藻在轨微波熟化的营养保留特性及食品化应用潜力，为未来原位食品补给提供了技术基础和理论依据。
3 我国空间站技术试验发展思路
空间站空间技术试验的发展宗旨是面向世界科技前沿和未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求，利用空间站工程资源建立航天新技术验证体系，通过各类技术试验项目实施，将航天各领域的先进技术试验需求，转换为丰硕技术成果，牵引、推动航天技术创新，为未来我国空间技术发展和空间应用提供有力的技术支撑。
面向未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等重大任务需求，综合考虑我国空间站的技术特点，对我国空间站航天技术试验的技术类别进行系统规划。
未来的载人深空探测航天任务将面临在轨驻留时间长、天地往返周期长、资源补给难等特点，对在轨组装与建造、原位资源利用等关键技术提出了更高的要求。载人月球探测、月球科研站等任务由于其复杂的光照和地形条件，传统的太阳电池已不能满足任务需求，这对航天器的能源系统提出了新的要求。对于未来探测距离更远、工作模式更为复杂、机动性更强的航天任务，为满足长周期在轨飞行、大范围转移、地外停靠起飞、快速机动、在轨补加等需求，迫切需要研究新型空间推进技术。面向未来更长周期的载人飞行任务，急需探索效率更高、资源利用率更高的生物式再生生保系统，从而提高物质闭合度。随着空间站运营的不断深入，对舱内外在轨精细化作业能力的提升需求日益增长。围绕空间碎片清除、火星采样返回等更为复杂的空间任务，对空间系统智能化自主控制能力提出了更高要求。此外，未来的航天任务需求也将对航天器热管理、元器件、原材料等航天器共性基础技术的创新发展起到推动作用，促进关键技术的升级换代和自主可控。
因此，本文将我国空间站航天技术试验划分为在轨制造与建造技术、机器人与自主系统技术、新型能源系统技术、新型推进系统技术、环控与生保系统技术以及航天器共性新技术六个技术类别，分别对空间站空间技术试验进行展望。
3.1 在轨制造与建造技术
围绕未来载人深空探测、太空资源开发利用、空间站拓展应用等任务需求，开展在轨制造与建造相关技术研究，突破真空、微重力、温度交变环境条件下在轨制造与建造相关共性核心技术，促进相关技术与产品的成熟度提升，为空间站功能拓展、月球/火星科研基地建设、超大型航天器等领域的全面工程化应用奠定技术基础，提升我国在轨制造技术的国际竞争力。
（1）空间大型设施在轨组装与建造技术。面向空间站拓展及在轨服务任务需求，基于空间站活动空间大、相关设施齐全等优势，支持在轨服务相关系统级关键技术验证，开展空间桁架结构、光学设施等缩比量级的大型设施在轨组装与建造技术试验，促进大型可在轨组装空间设施的模块化水平提升，为我国后续研制超大规模空间设施积累技术基础，拓展空间站的应用能力。
（2）在轨制造、成型与连接技术。在轨制造、成型与连接技术重点研究空间高真空、微重力、大温变、强辐照等环境下适用于在轨制造的材料、材料制造成型技术、高效连接技术、大型结构高精度组装技术、高精度结构测量及调控技术、材料循环利用-在轨制造、结构表面功能化及损伤检测修复技术等。
（3）材料循环与原位制造技术。探索空间站内材料、空间飞行器材料的回收和再利用，为空间探索提供材料来源。通过原位资源开发和利用，实现人类长期地外驻留任务的建筑与结构材料的原位获取、加工和制造，从而显著降低长期有人参与的深空探测任务的质量、成本和风险，降低地球补给依赖。
（4）空间生物制造技术。依托空间站工程，建立空间生物制造技术体系，发展高性能生物材料和生物技术创新，推动空间技术成果转化，拉动国民经济发展。空间试验在药物或药物中间体的合成、筛选、药物开发等方面发挥巨大作用，未来有望成为生物制药产业链中的一种有益补充。
3.2 机器人与自主系统技术
面向未来在轨建造大型空间设施、舱外复杂环境下精细化操作、非合作目标多模式识别与测量、多人多机高效交互与协同、空间废弃物清除与主动离轨等任务需求，提升应对复杂空间任务的能力，加速推进更完备的空间体系设施建设。
（1）人机协同在轨操作技术。人机协同在轨操作技术是结合空间站长期高效、稳定运营需求的复合型技术，其目的是在特定的一个或多个应用场景下，对空间机器人相关成果进行综合演示考核验证，以减轻航天员工作负荷。未来将围绕复杂空间环境人机/多机智能协同技术开展研究，从而提升空间站的人机作业效能。
（2）复杂精细化操作技术。面向狭小空间的勘察、危险等特殊约束空间的巡检类作业任务，开展专项技术试验验证。针对空间机器人操作场景，梳理相关灵巧操作需求，开展灵巧末端的新构型、新驱动、新材料技术研究，实现可同时适应狭小空间操作、未知特征抓取及合作工具操作的多功能高适应性灵巧操作末端和广泛工作任务场景。
（3）舱外大型设施离轨清除技术。结合空间站长期安全运营需求，掌握舱外大型载荷等废弃物主动清除技术，实现空间站大型废弃物离轨任务以及空间站周边环境的清理，降低空间站运行风险。
3.3 新型能源系统技术
新型能源系统技术覆盖发电、储能、传能、能量转换等全链路技术环节，旨在解决面向未来航天器使用的新型供电体系研究及工程化应用问题。
（1）新型供电技术。开发不依赖太阳能的新型能源作为航天器的电能来源，如燃料电池等化学能，为后续更深远的载人深空探测等不能完全依靠太阳能的供电技术奠定基础。
（2）新型储能技术。研究使用固态电池等新型的储能设备实现航天器的能源储存，提升航天器的储能密度、工作寿命及工作可靠性，满足航天器不同任务模式对储能的要求。
（3）新型空间能量转换技术。研究空间热能至电能、太阳能至激光及其他形式的空间能量转换技术，突破关键部组件空间工作特性及性能研究，为后续航天任务应用奠定基础。
（4）新型电传输技术。发展摆脱电缆限制空间无线电力传输技术，突破空间微波、激光、近场等无线能量传输关键技术，提升现有航天器的电能传输可靠性，降低传输过程的能量损耗，提高传输效率和传输距离。
（5）高效能太阳电池技术。开展新型太阳电池空间环境物理性能试验，比对地面试验性能和数据，长期有序地获得新型太阳电池标准性能、抗辐照性能及其相关材料的在轨性能衰退机理，建立我国太阳电池材料性能衰退数据库，为后续空间飞行器太阳电池阵的升级换代提供技术支撑。
3.4 新型推进系统技术
新型推进系统技术主要研究面向可大幅提升比冲等性能的新一代高效推进，不使用传统推进剂等特质的深空探索用新型推进技术，推进系统新型无毒推进剂、低成本推进工质技术，以及空间推进系统气瓶、贮箱等先进组件技术和在轨补加技术等。
（1）电推进技术。开展面向以霍尔电推进、新型工质电推进等为各类型电推进技术升级换代的在轨技术验证，重点包括大功率大推力电推进技术、变推力电推进技术、低成本电推进工质技术等,促进我国航天先进推进系统的技术发展。
（2）推进系统羽流监测与评估技术。开展化学推进系统、电推进系统及其他高效推进技术发动机/推力器在轨羽流形态、温度、能量监测研究，开展发动机/推力器羽流影响在轨试验，积累在轨羽流数据，指导地面羽流仿真模型修正。
（3）新型推进系统技术。面向深空探测等具有飞行距离长、轨道机动性强等特点的航天任务需求，开展新一代绿色离子化学 - 电多模式推进技术在轨验证，梳理离子液体多模式推进在未来太空资源开发、星际探测等不同场景中应用的能力，为长远使用提供先期指导。
3.5 环控与生保系统技术
载人深空探测和地外生存任务具有任务时间长，以及地外生存场景多样的特性，需在目前技术基础上发展出资源再生利用效率更高的环控生保技术，尽可能减小飞行任务环控生保资源需求量，降低任务成本，为支持后续载人深空探测、月球与火星地外生存等飞行任务奠定技术基础。
（1）氧气再生与二氧化碳转化技术。面向长期载人深空探测等任务需求，针对人类长期地外生存面临的氧气供应和二氧化碳气体去除的基本问题，为实现构建基于原位资源利用和再生循环的地外生命保障体系、降低地外生存从地球补给资源量的目的，探索新型二氧化碳转换和氧气制备技术，为构建密闭环境下高能效物质转化、高氧元素回收率、小型化的原位资源利用和再生循环系统积累技术基础。
（2）受控生态生保技术。发展高效植物培养、典型动植物在轨共生、食品原位加工、复合膜式废水生物处理、废固处理等技术，为载人探测受控生态生保系统建设提供技术储备。
（3）长期空间环境微生物腐蚀防护技术。建立载人航天微生物防控技术体系，开展材料抗菌防霉性能在轨试验研究，评价不同材料在空间环境下的抗菌防霉性能；开发和验证在轨条件下更高效的微生物采样、检测分析和消杀技术。
3.6 航天器共性新技术
通过在轨飞行试验，揭示和把握空间环境与航天器相互作用所产生的各种效应的机理及规律，提高新型航天器开发或性能升级换代的相关核心技术与关键部组件的工程化和成熟度，突破和掌握一批航天器战略性支撑技术和前沿技术，促进关键核心技术自主可控。
（1）新型元器件、原材料技术。将全面响应建设信息化和智能化社会战略需求，进一步加大支持前瞻性和原创性基础研究，强化关键核心技术攻关，补齐重点领域短板，增强自主创新能力，逐步实现元器件、芯片等关键技术的创新，推动重大宇航工程物资的自主可控。面向航天用光电子器件、量子材料与器件、纳米材料、工业低成本材料、高性能机电装备设计、极端服役环境下装备可靠性与智能运维等方面开展研究，引领我国空间技术领域基础材料、元器件、基础机电产品“装备一代、研制一代、探索一代”体系化发展新模式。
（2）空间热管理技术。研究航天器热控等气/液贮存、输送、处理等空间流体管理的微重力环境效应共性和个性机理与规律；发展新型主动型热控技术、冷低温热传输技术和高温热管理等技术；形成具有通用性和先进性的系列解决方案。
（3）航天器返回与再入技术。航天器返回与再入技术应发展柔性充气式等变构型体减速、翼展式减速等新型再入减速技术，为深空大气行星探测提供新的再入减速手段。
（4）空间环境效应监测技术。研究太阳辐射环境、中性大气环境、真空环境、带电粒子辐射环境等空间环境要素与航天飞行器相互作用而产生的各种环境效应，考核验证相应的环境防护或环境适应性新技术；获取空间站长期电磁环境演化规律与趋势，为保障空间站舱内各类设备的电磁安全提供技术支撑。
（5）卫星在轨部署技术。考虑开展兼容不同尺寸重量、可重复使用、多自由度发射调节、一器多星的部署发射关键技术在轨试验验证，推动微小卫星在轨部署发射技术从实验验证转至工程实际应用阶段。
（6）空间通信与信息技术。空间通信技术主要服务于支持载人航天器测控通信、组网与感知、综合电子、测量与仪器等新技术、新产品和新系统的探索和演示验证，为未来载人航天通信与信息技术的升级换代提供技术支撑。
4 我国空间站技术试验发展展望
面向未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求，本节分三个阶段分别提出我国空间站空间技术试验的发展思路。
第一阶段（2024—2027年），以航天基础技术和部分先进装备/子系统项目为代表，论证并部署一批需求迫切的航天关键技术验证试验项目，取得阶段性试验成果，初步实现航天核心技术的战略储备。主要体现在：完成航天用新型元器件及原材料等航天基础新技术、空间制造工艺与装备技术在轨试验；载人航天相关储备型技术与装备、航天器平台和应用载荷跨代技术与装备在轨试验；论证并部署一批先进装备/子系统项目、先进空间任务系统技术试验项目，取得阶段性试验成果，初步实现空间技术的自主可控和持续提升，形成完备的领域试验项目持续运行的规范与体系，为后续项目的实施奠定良好的基础。具体发展方向为：开展航天基础技术验证，以航天用元器件、基础材料、新型工艺及精密部组件、空间热管理等航天器共性技术为试验对象，通过规划有序的在轨试验，研究其在空间环境下的工作机理与性能，持续推动国产核心器件、基础材料、工艺及精密部组件的大规模型号应用，实现航天基础技术的自主可控和持续提升。以航天领域发展必需的新型环控生保、新型能源、机器人与自主系统、在轨制造等支撑技术、未来具有应用前景的创新性和颠覆性技术为试验对象，利用空间站环境开展原型演示与验证，发展和掌握一批新的空间核心技术，获得战略技术储备，实现我国空间技术的跨越式发展。
第二阶段（2028—2031年），推进新型航天系统或航天应用的开发，以空间智能机器人、在轨组装与建造等为代表的复杂系统在轨专项技术试验为对象进行演示验证，突破关键技术，为后续系统性集成验证及空间应用奠定基础。具体发展方向为：
（1）开展智能机器人技术验证，重点突破约束资源下空间机器人智能化与精细化操作、天地差异条件下智能操控、非合作目标高精度测量等关键技术，逐步提升机器人关键部组件工程化的成熟度。
（2）面向下一代超大尺寸空间设施应用，开展大型桁架等空间大型设施的在轨组装与建造技术试验，为未来空间巨型设施的在轨应用进行先期验证。
（3）在开展空间受控生态生保单项技术验证基础上，逐步探索集成化受控生态生保系统技术验证，提高环控生保系统的闭合度，为长周期载人航天任务的生物再生生态生保系统建设提供技术储备。
（4）新型航天系统演示验证项目完成在轨试验，取得演示验证关键数据和成果，突破空间目标识别、空间目标信息获取、空间碎片监测等关键技术。
第三阶段（2032—2035年），以创新航天应用为驱动，论证并部署一批新型航天系统演示验证项目，取得阶段性演示验证成果，在机器人与自主系统、在轨制造和建造、受控生态生保技术等方面突破一系列关键技术瓶颈，解决制约航天装备发展的“卡脖子问题”，进一步提升空间站的拓展应用能力，推动科技创新成果不断涌现，并转化为现实生产力，在科技、经济、社会等方面产生重大综合效益。具体发展方向为：
（1）构建常态化运营的空间制造技术试验体系，实现规模化典型结构件和备品备件的在轨制造和原位利用，逐步降低地面补给的频次，实现大型桁架等结构设施的在轨应用，极大提升空间站的拓展能力。
（2）建立具备空间高精度智能操控、人机/多机融合与协同、适应复杂多任务模式的空间智能机器人系统，开创空间机器人与自主系统技术的新前沿。
（3）实现集成化的空间受控生态生保系统在轨应用，完善可用于未来长航时载人深空探测任务的高闭合度的环境控制与生命保障系统。
5 结语
我国“天宫”空间站已于2022年完成建造，目前已进入应用与发展阶段。作为国家太空实验室，空间站为空间技术试验提供了独特的研究条件和历史性机遇，有望产生重大原创科技成果。本文面向世界科技前沿和未来载人深空探测、太空资源开发利用、在轨服务等任务需求，对国内外空间站空间技术试验研究情况进行了系统性分析和总结，在此基础上，提出了空间站空间技术试验的发展思路，论证了未来空间站空间技术试验发展的趋势，对各研究方向技术发展进行了展望，为充分利用好国家太空实验室的试验资源，提升综合应用效益，助力支持航天强国和科技强国建设提供了有益参考。当前，航天技术发展日新月异，未来航天任务的需求将不断变化，对于相应的空间技术试验发展方向和趋势的思考也将持续完善，进而与空间技术的长远发展规划保持动态匹配。