2022年，中国空间站全面建成，开启了大规模的空间科学、应用与技术实验。空间生命科学和物理科学是国际空间研究的重点领域之一。迄今，利用空间站长期微重力条件及其他环境，已开展了系列化的生命与物理科学研究，取得了一批重要的科学发现。

 

空间生命和物理科学主要是利用空间站的长时间微重力条件和其他环境开展研究。微重力存在于做自由落体等惯性运动的物体参考系中，近地轨道飞行实际是无限延长的抛物线运动。微重力下，流体中由重力引起的沉降分层、流体静压和热对流基本消失，液体表面/界面张力梯度、溶质浓度梯度等分子力驱动的微流动显现，造成界面形态、流动状态、热质传输显著变化，进而影响物质的凝聚、相变、结晶等过程。重力场的跨尺度效应，影响生物体从分子、细胞、组织、器官到系统和整体各层次，以及物理体系的固体、流体、多相体系和原子分子。

 

航天员在轨开展工作

 

空间生命和物理科学关联生命科学、医学、流体力学、热力学、材料科学、燃烧学、基础物理等重要学科，成为诸学科解决重要科学问题独特的有效途径，是发展特种技术和应用的重要途径，也为地面泛在的热质输运、能源转化、材料制备、动力工程、生物工程、医药健康等提供知识和技术，为长期载人探索提供科技支撑。

空间站长时间微重力条件和航天员参与、定期上下行运输等支持能力使其成为生命和物理科学系统开展研究的首选平台，中国未来10余年的空间生命和物理科学研究将主要依赖于中国空间站，目前项目整体实验进展顺利，效益显著。

 

生命是最复杂的物质存在形式，地球各类生物和生态系统是在地球环境下长期进化形成的。空间站生命科学研究地球生物在微重力以及宇宙辐射、亚磁、封闭环境、节律变化等条件下，生命体各层次的感知和传导、应激和适应、损伤和修复、生理和病理、生存和繁衍、遗传和变异等重要科学问题。具体研究内容包括生物物理、空间生理病理和繁育研究及相关细胞分子生物学机制，空间生态生物学应用基础，以及生命起源分子机制等交叉前沿问题。空间生物技术利用空间环境创制新药、生物资源和医疗技术，开展转化应用。

 

空间亚磁-微重力环境果蝇三代培育及其生物学效应研究

 

空间生命科学和生物技术研究的目的是促进对生命现象本质的理解，获得生命科学和医学重大科学问题的突破，为人类健康服务，为长期载人太空探索打下坚实基础。

 

1.微重力流体物理和热物理

主要研究微重力条件下连续介质流体、界面过程和空间热质输运规律，验证相关理论模型。研究内容包括微重力流体动力学及应用、多相流与相变传热以及近年十分受关注的复杂流体等，该方向聚焦微重力下胶体、高分子、生物流体、活性物质、颗粒流等的聚集、自组织、结晶、相变和非平衡动力学等研究。

 

流体物理实验柜中球形BM对流实验

 

微重力流体物理和热物理研究目的是揭示被重力掩盖的微（低）重力流体和空间热质输运特殊规律，为空间和地面应用提供知识、方法和技术。

 

2.微重力燃烧学科学

微重力环境下，燃烧中强烈的浮力对流消失，而扩散、辐射和热泳等弱效应主导燃烧过程，为揭示燃烧过程中的物理本征过程和化学动力学提供了难得条件。研究内容包括近可燃极限和基础燃烧规律，液滴和液滴群、固体动力燃料等重要应用燃烧机理，以及微重力下材料着火特性和防护研究。

 

更换燃烧科学实验柜气体实验插件内部燃烧器

 

微重力燃烧研究目的是发展燃烧模型和理论，实现技术转化，为地面高效低碳燃烧、动力推进效能提升做出贡献，消除空间飞行器火灾发生风险。

 

3.空间材料科学

材料是所有制造业和高技术的基础。空间站适合开展长期微重力、无容器和外空暴露等条件下的材料研究，研究内容包括微重力环境材料制备过程机理、熔体热物理性质测量、重要应用新材料制备技术、利用外太空暴露环境开展空间应用材料使役行为研究。

 

无容器柜实验腔体样品清理与更换

 

空间材料科学研究目的是揭示材料物理和化学过程规律，丰富和完善材料科学理论，研究制备地面难以获得的高性能材料，指导和推动地面材料加工工艺的提升，为中国材料科技和产业发展做出显著贡献。

 

4.微重力基础物理

基础物理对科技和社会发展具有革命性和奠基性作用。空间微重力下的基础物理研究可获得更接近绝对零度的超冷原子体系、更高精度的量子频标和测量技术、更大尺度的实验检验，以及创造三维各向同性体系等。研究内容包括空间超冷原子物理和相关精密测量技术、高精度时频与引力物理研究，以及复杂等离子体物理研究等。

 

高精度时频实验柜展示介绍

 

空间站开展基础物理研究的主要目的是检验现有物理理论，发现新的物理现象，推动新的物理理论发展。

 

中国空间站规划并建成了具有国际先进水平的空间站生命和物理科学实验设施群。密封舱内的装置采用主结构、热管理和信息管理统一设计，内部嵌入不同科学实验装置的科学实验柜，成为功能高度集成的小型科学实验室，其模块化架构便于在轨维护升级更新。科学实验柜和舱外暴露装置可分类满足不同领域方向大部分共性需求，实现集约支持和高效运行，部分实验柜可供领域共用，并可灵活支持个性化实验需求。

 

空间站内部分科学实验柜

 

中国空间站的超冷原子实验柜、高精度时频系统、高微重力实验柜和两相系统实验柜作为专业共用装置均为国际首创；变重力实验柜具有国际上在轨最大尺寸的离心机（直径0.9m转子）；实验柜内部采用数字全息诊断，双波长激光加热、X射线成像模块、主动电磁/冷气推进组合减振等技术应用均为国际首次。实验诊断采用了相当数量的视频/图像和解译技术。

空间站高速大容量信息管理和热管理系统可支持上百台科学装置，适应配置变化。在云架构上运行的地面有效载荷运行管理中心、科学数据中心与在轨信息系统组成天地一体强大支持能力。同时，地面还建设了物理镜像系统、部分虚拟科学实验镜像等设施，共同有效支持空间站的生命和物理科学实验。

 

空间站建造以来，共实施了120余项生命和物理科学实验，回收空间科学实验样品近百种，下行科学数据超过450TB，已发表700多篇高水平科学引文索引论文，授权专利近200项，部分成果已实现转移转化。2024年和2025年，中国载人航天工程办公室遴选出若干代表性研究进展，向全社会发布《空间站空间科学与应用进展报告》。由于实验周期等原因，大部分实验研究还在进行中，总体上看空间站建成以来取得的科学与应用研究进展令人鼓舞，体现了自主创新和较高水平，为后续任务奠定了坚实基础。

 

 

空间生命科学与生物技术领域成功开展了多种植物、微生物、动物（线虫、涡虫、斑马鱼、果蝇、小鼠）以及批量细胞和组织、蛋白质、微流控类器官、生物力学等实验。突破了小鼠空间密闭饲养关键技术，成功实现了中国首次小鼠空间实验并安全返回，地面已成功繁育了3胎小鼠，开展小鼠空间应激响应的分子与整合生物学研究；首次解析了微重力抑制骨髓间充质干细胞成骨分化的调控机制，为骨折修复和骨流失防护提供了新技术手段；发现微重力显著促进肝细胞内的脂滴累积和抑制机制，为理解空间代谢相关脂肪性肝病的机理提供新思路；首次在空间完成水稻“从种子到种子”的全生命周期培育，获得空间发育的水稻和再生稻新的种质资源，用于指导空间和地面植物育种实践。

 

空间站小鼠在饲养装置内活动

 

微重力物理科学领域，材料科学方面精确测定了难熔合金液态性质，实现了合金表面形核控制和表面结构调控，共晶合金的“解耦”生长，有助于开发出更加精密的材料设计和制造技术，研究了微重力环境下枝晶与共晶生长动力学局域效应，发现获得的共晶组织具有更优异的力学性能，为高性能铌合金和锆合金制备工艺优化提供了实验和理论依据；首次在空间微重力条件下制备出铟砷锑（InAsSb）三元半导体单晶，其晶体质量和组分均匀性明显优于地基样品，在室温红外探测领域有广泛的应用前景。

流体物理方面，首次揭示了长时微重力条件下，柱状微结构表面耦合流动与射流的复合沸腾传热特性，实现沸腾换热最大热通量相较传统光滑表面显著提升，为完善极端条件下的沸腾换热理论体系提供了关键实验依据。

燃烧科学方面，揭示微重力下甲烷多射流火焰耦合机制及其对碳烟生成的影响，阐明射流相互作用调控火焰辐射与污染物生成的规律，建立碳烟排放预测模型，为空间与地面清洁燃烧提供理论支撑。

基础物理方面，国际首次实现空间微重力下的冷原子干涉陀螺和基于原子干涉的量子惯性传感测量。

 

未来，随着更多空间科学实（试）验的开展，中国空间站有望在生命起源、物质科学、燃烧机理等前沿方向产出更多原创性、引领性成果，为人类认知边界拓展和长期载人太空探索提供坚实的科技支撑。期待更多科学发现从这里走向世界。

 

来源：[1]顾逸东.中国空间站科学与应用任务布局、进展和展望[J].科技导报,2026,44(10):23-30.