國際空間站日本空間應用項目征集遴選管理研究

韓樾夏 張偉 張麗艷

正在運營中的國際空間站（International Space Station，以下簡稱ISS）是人類目前在近地軌道運行的最大空間實驗平臺，這個世界級的空間實驗平臺由美國國家航天局（NASA）、歐空局（ESA）、俄羅斯聯邦航天局（R0SCOSMOS）、加拿大航天局（CSA）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）共同建設、運營以及維護。ISS擁有現代化科研設備，以及可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的太空實驗室。這是工程技術方面的一項偉大壯舉，極大地推動了空間技術、空間科學以及空間應用的發展，拓展了人類認識地球以及宇宙、創新解決問題的疆域。

作為ISS重要的實驗設施[1]，希望艙利用空間環境-近地軌道微重力這一得天獨厚的優勢進行了大量的科學實驗。希望艙內設有生命科學實驗柜、生物手套箱、材料科學柜、靜電懸浮設備、細胞科學柜、梯度材料加熱機柜，多功能小型載荷集成柜。截至2019年10月，由JAXA管理的科學實驗僅在生物學與生物技術領域就達542項[2]，在該領域進行的實驗總數高居ISS參與國的榜首。同時，不僅是正在進行的科學項目，該實驗艙的教育、文化項目以及商業用途也得到了一定程度的開發與開展。

2021年4月29日，中國空間站天和核心艙發射任務取得圓滿成功，標志著中國載人航天工程“三步走”中的第三步邁出了堅實的步伐，中國空間站將于2022年底完成在軌建造，在軌運營將持續至少十年以上。空間站作為國家級的太空實驗室，確定了空間生命科學與生物技術、微重力燃燒科學、空間材料科學、空間應用新技術等十余個學科方向/領域[3]。運營期的項目征集遴選管理則成為空間站應用與發展的重要組成部分。本文通過對JAXA的項目征集遴選辦法研究，得出空間站應用項目征集遴選的若干啟示，并提出我國空間站應用與發展階段項目征集遴選的建議。

一、日本ISS應用項目征集遴選管理辦法

JAXA采取了一系列措施合理、有序、有效地征集遴選科學項目以及開展教育活動。在項目征集渠道、征集遴選流程、項目遴選標準方面積累了豐富的經驗。其中主要辦法有：①大力拓展應用項目征集渠道;②充分細化征集遴選流程;③ 圍繞必要性、可行性等方面制定應用項目遴選標準。

（一）應用項目征集渠道

1.ISS希望艙的運營是由JAXA的載人航天技術部（Human Spaceflight Technology Directorate）管轄的（JEM Utilization Center）負責。JAXA通過官網定期發布科學項目征集公告[4]，在與JAXA相關的論壇，如日本空間論壇（Japan Space Forum）也開展科學項目征集工作。

2.JAXA通過與日本醫藥公司開展合作征集實驗項目，為空間科學研究與空間技術發展提供新思路。日本醫藥公司如肽夢想（PeptiDream）、日健中外制藥有限公司，日本大鵬藥品工業株式會社通過付費的形式積極參與到希望艙的蛋白質晶體實驗[5]。

3.JAXA通過與頂尖大學校方直接開展合作明確空間科學任務，促進空間科學研究，推動國際合作。在合作中設置任務導向型目標，明確雙方權責。例如JAXA與東京大學開展的合作，帶動空間科學、空間技術以及國際合作的發展。具體而言，JAXA與東京大學聯合通過利用希望艙的艙外暴露平臺與盧旺達政府組織合作研制并部署軌道小衛星（CubeSat）[6]。

4.位于相模原市的空間教育中心（Space Education Center）負責管理JAXA的整體教育活動。空間教育中心會聯合希望艙的使用中心（JEM Utilization Center）開展一系列教育活動的項目征集，這些項目通常是在名為“教育載荷觀察（EPO）”的體系內開展[7]。

5.秉持著“ISS項目不應該只追求科學成果，也同時應為全人類作出有形和無形的貢獻”這一理念[8]，NASDA（JAXA前身）/JAXA早在1996年就與國際高等研究院（International Institute for Advanced Studies， IIAS）開展合同式合作，旨在空間科學方面推動人文、社會科學、藝術以及科學協同式發展。IIAS委托東京藝術學院、京都藝術學院、筑波大學、御茶水女子大學四大高校開展了“從人文、科學與社會學的角度審視希望艙的實驗”系列合作研究[9]。2006年，JAXA發起了第一期“試點任務”（Pilot Missions），并且委任了試點任務遴選委員會（selection committee for the Pilot Missions）主要負責征集計劃書、選拔符合要求的實驗以及評估空間實驗的結果。

（二）應用項目征集遴選流程

雖然希望艙在2008年才與ISS主體對接成功，完成組裝。但是相關科學實驗的征集工作，早在1992年就得以開展，并于1993年8月進行了本國實驗項目的初選。計劃在加壓艙（Pressurized Module）中進行的生命科學和微重力科學實驗也在國際上進行了廣泛征集。隨著申請項目數量增加以及研究領域的不斷聚焦，JAXA對項目征集流程逐漸做了細化，使得應用項目征集遴選流程的分類變得清晰。以下討論項目征集四類流程：

1.一般流程

一般流程采取兩輪項目審查制度。當申報項目通過形式審查后，第一輪審查由五名專家進行同行評議（Peer Review）審查項目的科學意義，由技術專家考察工程在軌開展的可行性;第二輪審查由JAXA行使機關職能，從行政方面進行考察，側重經費考察等方面[10]。當項目順利通過兩個階段的考察后進入立項階段。

2.快速流程

經過一般流程審查的應用項目通常周期較長，JAXA通過與科研機構或者企業聯合則加快了征集遴選的流程。通常以申請單位與JAXA達成合作協議的方式或者以商業合同的方式開展實施應用項目，合作協議一旦達成，地面培育等準備工作即可全面展開。

3.特殊流程

對于一些技術成熟度不夠，在軌實驗存在一定風險的應用項目，需要特別增加地面培育環節。例如針對材料科學領域的應用項目，申請人需要完成三步：①申請JAXA地面研究經費;②參加空間科學工作小組培訓;③申請空間合作項目，最終進入到“概念研究”階段（definition phase study）[11]。

4.科普教育項目流程

（1）科學實驗類

科學實驗類教育項目流程是：①由學生提交項目申請書;②希望艙亞洲成員國分別組織專家評審;③JAXA作出終審決定。評審通常由教師、研究人員以及有相關“亞洲嘗試零重力”項目經驗的專家組成，JAXA的航天員也會參與到項目的最終選拔。

（2）人文藝術實驗類

人文藝術實驗類的項目培育一般需要較長的周期，且由于人文科學首席專家通常缺乏科學、工程背景，JAXA也參與實驗設計等[12]。流程主要是：①日本高校（包含與IIAS合作的四大院校）提交項目申請書; ②來自科學中心的主任、藝術博物館的館長、研究型大學的教授組成的評委進行項目遴選;③JAXA參與實驗設計;④PI、JAXA、NASA以及航天員聯合開展空間實驗的準備[13]。

研究發現，JAXA項目征集流程有如下幾個特點：①針對不同的應用項目，實行分類的項目征集流程管理，推動項目申請流程高效靈活。②對特定項目進行重點幫扶培育，如材料科學項目、人文藝術實驗類項目。③保持多渠道有效溝通。評審方會通過電郵、書面通知等方式與申請團隊保持及時溝通，確保優秀的申請者脫穎而出。

（三）應用項目遴選標準

應用項目的遴選標準基本上分為兩大類：第一類針對科學技術的一般遴選標準，第二類針對科普教育的遴選標準。

1.一般性項目遴選標準（科學技術）

空間科學項目的遴選標準基本上是圍繞研究的科學價值、在空間站開展研究的必要性以及工程實施的可行性，而業務審查和行政審查的二輪評審則充分考慮諸如經濟方面的可行性。

以生命科學領域為例，JAXA制定的《空間實驗研究規劃指南》中明確提出項目申請人需參照5W1H規范（when、where、who、what、 why， and how）填寫實驗方案表并完成具體實驗方案的細化[14]。5W1H規范充分反映了JAXA在項目遴選時遵循的標準。該規范涉及到的六方面問題經總結歸納如下：

（1）時間相關（when）

由于空間飛行任務的復雜性，科學家需要做好充分的空間實驗“行前”準備。①考慮實驗周期。由于航天員造訪空間站的時間通常為半年，整個實驗周期就變成了一個首要的問題。②考慮樣品周期問題。科學家需要充分考慮樣品生命周期以應對可能出現的由于運輸帶來的問題。③考慮微重力、空間輻射等條件對實驗起到影響所需時長。④考慮應對由于發射時間變更帶來的變化如準備足夠的樣品。

（2）實驗地點相關（where）

科學家需要充分考慮實驗地點的特殊性。①距離地面四百公里左右的太空實驗室雖然遙不可及，但是科學家可以通過地面控制中心掌握實驗的進度并且可以建議操作步驟的變化，實驗操作流程應該是盡可能簡單并且可以實現自動控制。②采購樣品采取就近原則（發射場附近采購）。

（3）樣品與容器（what）

科學家需要重點討論在軌實驗所需材料，實驗樣品的需求與容器的要求。①JAXA已經在官網明確了實驗設備、儀器規格等方面的要求。因此科學家提出的實驗一定要滿足上述需求。②充分考慮微重力條件，根據實驗要求選用專用容器。③樣品的選取要充分考慮樣品與容器壁的兼容性。④澄清每一步實驗的操作意圖。

（4）利益相關人（who）

主要利益相關人包含科學家、工程師、航天員。科學家在實驗要求中需要說明每位利益相關人承擔的相關職責。由于太空實驗室所面對的情況也相應比地面復雜得多，通常科學家提出科學方案，結合工程師的建議提出在軌實施方案，最后由航天員完成科學實驗。首席科學家需要大力推動各責任方協同努力以減輕航天員的在軌實驗負擔。

（5）意義與必要性（why）

科學家需要重點闡明兩方面內容：①項目的科學意義以及圍繞實現科學目標的相應科學準備。②實驗在空間開展的必要性以及在軌實驗需求。

（6）怎么做（how）

科學家需要確保JAXA充分了解實驗方案以及在軌實施方案。因此，“怎么做”涉及兩個關鍵問題：①實驗方案設計即方案本身需要設計得具體、合理。②在軌實施方案設計包含在軌操作流程與應急處置方案。

2.科普教育類項目遴選標準

（1）科學實驗類科普項目

由于參與者主要為青年研究人員以及中小學生，項目的遴選標準也相應做了調整，以“亞洲嘗試零重力項目”（Asian Try Zero-G）為例，主要基于如下幾方面：①航天員在軌操作時間（10分鐘左右）;②科學方面展示度（science visibility）;③安全因素;④ 基于在軌材料/設備[15]。

（2）人文藝術實驗類項目

人文藝術類實驗項目涵蓋音樂、藝術、教育等主題。項目的遴選標準主要圍繞：①文化、人文、社會的價值;②項目的可讀性、創新性、獨特性;③科學使用希望艙的環境;④與大眾有效分享空間實驗成果的舉措[16]。

JAXA 的應用項目征集遴選標準體現了分類明確、標準清晰、材料規范等特點。其中提煉出的5W1H標準為科學家撰寫項目申請書形成了規范性的指導，提供了清晰的思路，也為JAXA遴選優秀的項目提供了保障。JAXA高度重視項目的地面培育，這點在特殊流程與快速流程中也得到了體現。科普教育類項目的遴選標準考慮因素很全面：充分考慮了申請者的年齡、研究方向、實驗所需時長，項目的價值以及項目的普及度等問題。

二、日本空間應用項目征集遴選的啟示

截至2019年10月，日本在軌完成的各項應用項目總計達728項[17]，占到了ISS應用項目總數的大約四分之一，其中占據前三位的分別是生物與生物技術（542項），技術發展與展示（75項），教育與文化活動（50項）。JAXA通過與高校、科研院所、商業機構等單位充分合作實現了全社會、多渠道積極參與ISS的應用項目。下面總結幾點啟示：

1.多種評價方法提升項目申報質量。JAXA根據應用項目申報的方向采取了多種評價方法。這種個性化的評價模式充分考慮了研究內容的整體方向性，兼顧研究方案本身的特殊性，保證了入選的應用項目的可靠性，提升了項目的申報質量。科學家也可以根據相應的遴選標準，開展具體的項目申報準備、地面培育等工作。

2.發動社會各界力量，獲取更多支持。針對不同類型、不同目的的應用項目，JAXA采取了發動社會各界力量支持項目的舉措。對于科普類項目，考慮到項目申請方缺乏空間科學實驗經驗與在軌實施經驗，JAXA采取了重點幫扶措施，如通過JAXA/IIAS聯合扶持“試點任務”（Pilot Missions），提升了項目申報的質量，提高了入選的成功率。對于科學類項目，JAXA與日本藥企開展精準對接，JAXA圍繞客戶實驗需求，采取對方付費形式，將蛋白質樣品的數量從5個增加到30個[18]。由于獲得多渠道資金的支持，從而能夠滿足開展大規模晶體實驗研究的需求，推動空間蛋白質晶體研究取得新發現、新突破。

3.地面培育是重中之重。日本在長期的空間科學項目管理中發現，空間實驗任務應該由95%的地面實驗以及5%的空間實驗構成[19]。這一點對于空間科學的應用項目管理具有決定性的意義。對需要在軌開展實驗的研究（特別是材料科學類），JAXA通過經費支持、科學工作組等方式大力支持前期地面研究的開展。

4.打造一系列教育、人文、藝術應用項目。JAXA通過其希望艙利用中心（JEM Utilization Center）與空間教育中心（Space Education Center）等平臺聯合發展了教育、藝術活動。例如“教育載荷觀測”（Education Payload Observation，EPO），EPO項目范圍包含了文化、人文、社會科學、藝術以及哲學。JAXA發展的這些教育、人文、藝術應用項目，極大地豐富了自身項目的多樣性、推動了全社會對希望艙、ISS的認知，激發了孩子們對空間科學的興趣，從而促進其個性的發展[20]。

三、對我國空間站應用項目征集遴選的建議

我國空間站建成以后將開展大規模空間科學與應用研究[21]。結合日本經驗，提出對我國空間站項目征集遴選的建議。

1.多措并舉，高效、高質量推動項目征集遴選。我國在空間應用項目征集遴選時，可采取分類培育、定點幫扶、精準對接、及時跟申報者進行溝通等措施，提高征集效率和質量，促進項目入選率。可借鑒航天工程體系，生成我國應用項目征集遴選的質量控制體系（Quality Control System）。

2.上下聯動，重視地面培育，多渠道大力支持地面實驗開展。建議多渠道籌措研究經費（院校、省/部、國家層面），推動應用項目的培育和實施;建立、完善地面微重力模擬設施，建立健全設施使用機制，提升設施有效利用率，確保項目地面培育充分、高效完成任務。

3.盡早布局謀劃，重視科普，提升空間站群眾參與度、影響力與號召力。早在上世紀90年代，JAXA已經開始科普工作的布局謀劃，重視推動社會各界對空間科學、空間技術以及空間應用的進一步關注。我國已由航天員王亞平在“天宮一號”開展太空授課，推動青少年對科學的熱愛，取得了良好的效果。可參考日本案例，重視科普，推動人文、藝術類等項目的征集遴選，鼓勵引導中國青少年對空間科學的熱情，大力提升青年一代的想象力、創造力，提升中國空間站的群眾參與度、影響力與號召力。

注釋：

[1]Japanese lab installed on space station.Nature， 2008，（453）：837.

[2][17]ISS Program Science Forum.ISS Utilization Statistics.2020[2021]. https：//www.nasa.gov/mission_pages/station/research/utilization-statistics.

[3][21]劉艷、張偉：《空間應用項目管理的問題分析與初步思考》，《中國航天》，2021年第4期，第49-53頁。

[4]JAXA.2020 KIBO FS Invitations. 2020[2021].https：//h-umans-in-space.jaxa.jp/kibouser/subject/invitation/fs/71587.html.

[5]NASA.International Space Benefits for humanity （3rd Edition）.

[6]UTokyo and JAXA Partnership Agreement to Promote Kibo U-se.2018[2021]. https：//global.jaxa.jp/press/2018/04/20180426_kibo.html.

[7][20]Kikuchi， k. Yamanaka， R.， & Yamaguchi T.Riyo. JAXA’s Edu-cational Activities through JEM Utilization. Int. J. Microgr-avity Sci. Appl.， 2016， 33（2）：1-3.

[8][9][12][13][16]JAXA. Report on the Pilot Missions of Utilization for Cul-ture/Humanities and Social Sciences （Summary Report）.

[10]JAXA.2020 年度「きぼう」利用 FS テーマ募集（國の戦略的研究募集區分）.2020[2021]. https：//humans-in-space.jaxa.jp/kibouser/subject/invitation/fs/71587.html.

[11][14][19]JAXA.Planning guide for space experiment research.2007[2021]. https：//humans-in-space.jaxa.jp/en/biz-lab/kuoa/.

[15]Asian Try Zero-G 2016 ideas selected.2016[2021]. https：//iss.jaxa.jp/en/kuoa/news/try_zero_g_2016_theme.html.

[18]JAXA.New direction for research on Kibo.2016[2021]. https：//global.jaxa.jp/article/2016/special/iss/sakashita.html.

（韓樾夏為中國科學院空間應用工程與技術中心助理研究員，張偉、張麗艷為中國科學院空間應用工程與技術中心研究員）

責任編輯：馬莉莎