生物衛星計畫

生物衛星一般由服務艙和返回艙兩部分組成。服務艙是衛星與運載火箭的接合部分，內部有衛星的姿態控制系統，電源系統和其他保證衛星正常工作的設備。服務艙與返回艙分離後留在天上不返回地面。返回艙是衛星返回地面的艙段，內裝各種實驗生物，記錄儀器，制動火箭和回收系統，艙外有防熱保護層。返回艙的外形有的呈球形，有的呈碗形，重三四百千克乃至一二噸。

基本介紹

• 中文名：生物衛星計畫
• 外文名：Biological satellite program
• 組成部分：服務艙和返回艙
• 返回艙的外形：呈球形、呈碗形等
• 返回艙的重量：重三四百千克乃至一二噸
• 單獨研究花費：需要1500萬美元

美國的生物衛星計畫

美國1963年制訂了生物衛星計畫，原計畫發射6顆衛星，實際只發射了3顆。1975年以後，美國的空間生命科學研究依靠蘇聯的“宇宙”號生物衛星完成。

中國的生物衛星計畫

中國在1990年10月5日發射的返回式衛星上也進行了太空動物試驗，兩隻雄性小白鼠率先光顧宇宙，覽盡九天風光。它們在天上生活了5天零8個小時，由於種種不適應，在返回地面之前死去了。

生物衛星計畫起因

生物衛星上為什麼常選用猴子，白鼠做試驗品呢？

猴子屬靈長類，在身體各方面與人類相近。通過猴子在太空的反應，可以幫助科學家了解它們的內臟器官在飛行初期處於什麼狀態，它們心血管，骨骼，血液，神經和感覺系統在失重環境中的變化以及宇宙輻射對身體器官的影響，還有宇宙飛行對它們的生殖能力，遺傳基因的影響等，而這些實驗直接在太空人身上做是不妥當的。

白鼠以體積小，繁殖力強的優點入選太空。28隻白鼠的體積才等於一隻狗的體積，而它們又有14天就可以繁殖一代能力，可以在太空中受孕，回地面繁殖，也可以受孕後上天在太空中繁殖，還可以很快地了解太空飛行對其子孫後代的影響。

"鼠太空人”參與火星生物衛星計畫

精神號和機遇號正在火星執行一系列科學考察任務，2004年僅美國就要將2個登入器送上火星。除了要探索火星是否有水和生命這個重大問題以外，也是為人類登上火星作前期準備。火星重力生物衛星計畫（MGBP）是為人類登入火星而發展太空生物學和生理學的研究計畫。

火星重力是火星探索必須研究的課題。火星重力生物衛星計畫（MGBP）是2001年八月火星學會啟動的第一個以研究為目標的國際合作研究計畫。參與的大學包括麻省理工學院、華盛頓大學以及澳大利亞昆士蘭大學。研究目標是人類對減少的火星重力環境的反應。太空科學的研究已經30多年了，減重力（在微重力到1g之間的重力）生理學的研究還是處女空白領域。人類自身要為進入火星表面探索領域做好準備，理解重力生物學的連續性、在國際太空站的離心重力生活艙進行進一步試驗、考察作為微重力條件下的反措施的低強度重力的發生環境以及理解這樣負載環境對人體的影響是非常重要的課題。當太空人離開地球進入太空失重環境的時候，體內將經歷嚴重的生理變化。

生物衛星計畫目的

按照項目的計畫，將裝載為數不多的豚鼠的具有人造重力環境的太空飛船（圖1）發射到低地軌道。豚鼠為懷孕，其後代將在軌道衛星上出生、發育直到完全成熟。從飛行中和飛行後獲得的觀察數據將成為在微重力和1g重力之間的環境下哺乳動物生理學的研究依據，是人類執行火星考察使命的至關重要的準備步驟。項目將在專家的指導下吸引成百上千的各個學科的大學高材生參加。身體的機能需要重力的支撐才能正常工作。即使幾個小時的失重環境，大腦的神經血管反射通路將進入自適應失調過程。如果是幾天或者幾個月，人和其他動物的飛行研究可以看到骨骼和韌帶的連續性退化以及骨骼和血管肌肉的廣泛萎縮。如果這些變化不斷繼續，適應太空的有機體就越來越難返回到地球表面的強有力的重力環境。到目前為止，對微重力退化的反措施一直限於各種形式的鍛鍊、藥物以及體液的重新分布。這些措施的目的是讓執行太空使命幾個月的太空人安全返回地球，但是這些措施只能使得失調過程減慢。研究提示，在太空生活中太空人的退化的骨骼可能永遠也不能完全恢復。顯然，需要有直接的解決辦法。旋轉太空飛行器（如同在2001年科幻電影太空奧德薩中所見。）可以提供長期太空飛行的解答。在旋轉飛行的時候，向內的離心加速度（顯然向外的力）取代重力，這樣失去負載的效果就消失了！不過，旋轉環境並沒有完全模擬實際重力場，而是有一些副作用對小的半徑（穿過太空飛行器的重力梯度）更加強化，體重隨著具有角速度的運動而變化以及更加重要的是具有干擾內耳血管系統的科里奧利（Coriolis）力。由於這些困難以及建造一艘這樣的旋轉飛行器需要的巨大成本，這種概念還沒有科學幻想變成對健康的實際好處。那么在其他星球上生活和工作又會怎樣呢？雖然人工重力可以使我們穿過廣袤的太空，當到了火星以及其他星球就沒有什麼幫助了。人類在重力水平不同的星球或月球上生活不需要通過晝夜不停自身旋轉來保持像地球那樣的舒適的重力環境。沒有一個人知道哺乳動物是否能夠適應減重力環境。雖然在地球上對離心機的研究一直在考察超重力（高於地球重力）對哺乳動物的影響，對於零到1g重力之間的重要領域所作的太空試驗非常有限。圖2反映神經血管機能、體液和電解質、心血管機能、紅細胞質量以及輻射效應的時間變化曲線，表明多數生理參數在頭幾天到幾周內的起伏變化很大，後來最終接近一個自適應“設定點（set-point）”。

難題

獨特（也十是重要的）例外是骨骼損失，人類在微重力下似乎是不斷損失骨骼質量，即使採取了反措施也是如此。考察圖2的兩個設定點時可以問這樣的問題，對火星重力而言，這樣的設定點在哪裡？它比較接近地球還是接近零重力環境？骨骼的損失會無規律繼續還是施加部分重力可以使得這種危險的的退化停止下來？目前沒有堅實的研究能夠回答這些問題，但是必須回答。人類有朝一日要到重力只有地球1/3的火星旅行並且在那裡生活，必須知道是否能夠適應，如果能夠適應，是否能夠再次安全返回地球？

項目計畫將豚鼠（齧齒動物）上天兩個月為載人火星考察打前站，它有足夠的時間再生成熟的紅細胞。豚鼠生活在模擬火星的重力環境（相當地球的1/3，0.38g）的軌道飛行器內。圖3是這種環境的概念圖。圖4為“豚鼠太空人”候選隊員站在太陽能面板上。這個太空飛行器在軌道上以每分鐘34轉的速度旋轉。產生的重力為0.38g。他們將活著回到地球。每一隻豚鼠都有自己的“房間”，便於密切觀察。每一個“房間”裝備一台照相機。一舉一動都會被拍攝。每一個“房間”有自己的供水系統，豚鼠的水消耗情況將被跟蹤。豚鼠的排泄物也嚴格收集在“房間”下面的容器中，專門的分析儀器將分析各種代表骨骼損失的生物標記物。通過降落傘降落。封裝的容器參考了阿波羅登月計畫使用的容器。降落地點為澳大利亞Woomera附近。在太空中創造人工重力環境在宇航探索中屬於首次。飛船返回地球以後豚鼠及其後代將被跟蹤研究。以期發現太空中減重力環境的生理影響。圖1展示的是包含火星重力生成模型的生物衛星概念模型。豚鼠所在“房間”也裝備體重感測器，在5周內對豚鼠的體重變化進行跟蹤。為了讓豚鼠的太空生活開心，配備了一些木質玩具，便於豚屬齧咬（但是不能齧咬它們居住的“房間”）。還有供它們娛樂的可以穿行的小管。參加這次太空研究的豚鼠是雌性，有兩個原因：一是雄性豚鼠的食量比較大；另外一個是有研究表明，雌性豚鼠受低重力的影響比雄性更大。圖5為豚鼠居住“房間”的一個設計方案。

生物衛星計畫機構構成

雖然要求參與的大學生非常多，根據項目負責人最近的透露，大約將有250名大學生參與研究。三個大學的分工為：麻省理工學院為項目負責和協調單位，負責設計豚鼠“房間”和生命支撐系統。華盛頓大學負責提供電力供應、推進系統、高度控制、熱控制以及所有地面通信。昆士蘭大學負責衛星返回，包括進入大氣層、降落以及著陸所需要的熱禁止和降落傘。這個分工構成火星重力生物衛星計畫（MGBP）的三大子系統。在衛星上天以前，要進行一系列地面預試驗。例如，排泄廢料收集系統、豚鼠7周生命支撐系統以及空氣檢查和過濾系統等。

生物衛星計畫經費構成

如果獨立進行這項研究，花費需要1500萬美元，如果搭載在其他目的研究的近地火箭和衛星，費用只要200萬美元。太空飛行器的建造費用為40萬美元。一位匿名私人捐贈者願意贊助二分之一的費用。NASA對這項研究具有很大興趣並且給予資助。按照計畫這顆生物衛星將於2006年年初或年中發射，豚鼠將在低軌道太空中生活7個星期。