使中国成为独立掌握近地空间长期载人飞行技术、具备长期开展近地空间有人参与科学技术试验能力、能够综合开发利用太空资源的国家，是我国建造和运营载人空间站的目的。
天和核心舱发射入轨已逾千日，天宫空间站如常运营。我国最大载人航天器在开发利用空间资源的航程中发挥了什么样的作用？未来载人月球探测又将怎样延续这一使命？
▲从神舟十六号飞船看中国空间站（图源：中国载人航天）
（一）太空资源在那里
尽管走得最远的探测器已经飞抵太阳系边缘，人类对宇宙的认知仅仅是迈出了一小步，开发利用其资源的尝试也如萌芽初绽。
与山川河流、土地矿藏等我们熟悉的地球资源相比，太空资源有自己的特性：它就在那里，谁去了，谁就可以利用；但它带不回来，去不了，就用不了。太空中比较典型的已知资源包括：
——高度资源。站得高看得远，通信卫星和遥感卫星占据一定高度，就可以获得对地位置优势，联系地面无法建立通信的地方，拍摄下地面看不到的场景。
——观天条件。太空中没有地球大气对光线的干扰，也没有地球磁场对宇宙射线的影响。我们甚至可以通过轨道设计来规避极微小因素对观测装置的干扰，比如韦布望远镜以日-地引力平衡的拉格朗日2点作为工作地点，以150万公里的距离躲开了地球热辐射和“灰尘”（逃逸的空气分子和星际尘埃）的影响。这些条件是无法在地面获得的。
——宇宙环境。身处地球大气和磁场保护层之外的太空，可以直接获取真实的宇宙环境因素。在宇宙中研究宇宙，正如在海洋中研究海洋。
——长期、持续的微重力。微重力是轨道飞行天然可以获得的资源，而地面通过落塔试验或抛物线飞行只能带来数秒钟到几分钟的微重力。
——可开采利用的资源与能源。近的，有不受大气损耗影响的太阳能；远的，有月球、小行星以及今后人类能力可及的星体上的“矿藏”。
这些空间资源都是开放式的，由全人类所共享。但事实上，谁有能力去那里，谁就有、且才有机会“享”；可共享的往往只是资源加工、改造后的成果，而不是资源本身。即便是那些理论上可以带回来的极少数资源——遥远的外星矿藏、或离得近且短期就可能用得上的空间太阳能，“带回来”的成本目前都是不可接受的，就地取材、原位利用则更为现实。
潜在宝库、明日领地、探索前沿，空间资源的想象空间漫无边界。然而，怎样开发利用这些资源？如果没有进入和常驻太空的能力，一切都是空谈。
▲到小行星采矿并带回地球的想法目前仍是幻想（图源：Detlev van Ravenswaay/Science Photo Library）
（二）航天构建资源利用工具
开发利用空间资源的高门槛并未让人类望而却步。因为，我们有能力创造和升级通往空间资源的工具。
万千年来，工具的使用提升了人类生产力，积累了知识和技术，推动了社会结构的变迁，拓展了我们的认知边界。在地球文明试图认识和利用地外资源的过程中，工具从“立竿见影”观测太阳的小木杆、在地面捕捉天体信息的天文望远镜进化至飞出大气层的航天器，让人类终于拥有了古老传说中的“顺风耳”、“千里眼”。
利用外层空间有利条件解决不同问题，航天器工具大体上可以分为以下几类：
第一类，解决地球上的问题。当前广泛应用的通信、导航、遥感系列人造地球卫星都属此类。已部署超过5000颗的星链卫星相当于将网络基站搬到了太空中，克服了地形地物障碍，获得了全球无死角应用的便利。
第二类，探索地球之外的世界。各种行星探测器、小行星探测器、暗物质探测装置等，将我们手中的观测工具延伸到了距离观测目标更近的地方。例如哈勃和韦布望远镜，将人类的观测视野拓展到百亿光年之遥，让我们看到了亘古的宇宙。
第三类，让人置身于太空现场去研究、体验太空，同时研究太空中的人。这是载人航天器的基础任务，身在其中的人既是研究的主体也是客体。
对地、对天、对人，航天器三大功能。具备载人能力的航天器一定是有足够空间和体量的，它们往往兼顾三者的工具效用。国际空间站搭载了寻找暗物质的阿尔法磁谱仪（AMS）等观天仪器，俄罗斯的下一代空间站采用了极地轨道，以兼顾观测关乎其地缘政治重大利益的地球北极和高纬度地区。
中国空间站也是这样一种多功能工具。与无人飞行器相比，它把使用工具的主体从地球带上太空，将不得已而为之的远程控制工具变为直接、高效的现场操作工具。与执行短期任务的载人飞船相比，长期绕地飞行、支持人员常驻的空间站进一步放大了人在现场的效益，人与工具的关系更加紧密，人与工具的相互促进更加活跃。
有了空间站，我们就有了人在现场开发利用空间资源的基础平台。正如火的使用催生了地球上的农业畜牧业，空间站的运行又将见证什么样的新发现？
▲詹姆斯·韦布望远镜让我们看到了更遥远的星系（图源：NASA）
（三）空间站开启近地资源利用
支持航天员现场探索近地空间并开发利用其资源，为天宫空间站的大器大任。作为国家太空实验室的日常工作，站上所开展的科学和技术探索研究项目是与近地资源特征相契合、与应用技术需求相匹配而做出的选择。
根据2023年8月载人航天工程办公室在空间应用与发展情况介绍会上公布的信息，我国空间站已在轨开展多个研究项目并取得阶段性应用成果。它们都充分利用了空间站在近地轨道上所获得的空间资源：
在空间生命科学领域，开展了水稻的全寿命周期培养实验，对其在太空微重力及辐射环境下功能基因调控进行了研究。
在航天医学实验领域，开展了长期航天飞行条件下失重、辐射等复合因素对航天员健康、行为与能力的影响机理探索，在人体心血管、骨骼等方面获得了新发现，发展了航天员健康维护的新方法和新技术。
在空间科学领域，利用微重力环境开展了空间材料科学实验和流体物理及燃烧等基础科学的研究。
在空间新技术领域，对高效热电转换装置和导电环磨屑迁移进行了试验。这些装置及其运行机理都对重力敏感，在地面环境下无法获得在轨工作的真实状态。空间站成为消除天地差异的试验平台，站上进行的技术试验成果是载人月球探测等未来航天任务和深空探测的基础。
特别值得一提的是，这些研究项目通过载人飞船下行返回了近300个实验样品。这正是载人航天的有利条件之一：飞行乘组中的载荷专家能在空间站上实施、参与实验，地面众多专业研究人员也能依托比站上更复杂、更丰富的专业设备对天上获得的样品进行更加深入的研究；位于开发利用空间资源前沿阵地的为航天员，从事这项工作的是一个更大群体，惠及面自然更广。
天宫空间站上的一切皆为中国人新篇。在利用空间资源的领域我们为后来者， 于未知中勇往，在探索中尝试。空间站，就是奇迹生长的原点。
▲中国空间站无容器材料实验柜中的壳/核型样品熔化实验（图源：中国载人航天）
（四）应用效益源自航天器设计
近地空间资源并非唾手可得，开发利用它的方式和结果是通过航天器的设计来实现的。作为长期载人飞行的平台，天宫空间站配置了几类实（试）验装置，以保障各类研究项目的开展和人在现场作用的充分发挥。
舱内实（试）验装置包括：
——专用实验机柜。利用空间站的大容量，以约1m × 2m × 1.5m体积和约400kg重量的规格为一个单元配置整体机柜，相当于在国家太空实验室内又构建了多个小型综合实验室。航天员可设置、更换试验件或样品，观测分析实验过程，调整实验参数。同一个机柜可更替样品，以开展同类专业实验。
——通用实验柜+载荷抽屉。以专用机柜同等大小的空间配置通用框架和标准化的抽屉，框架统一提供机电热接口，以一个或若干个抽屉单元安装载荷设备。这种配置下，单项实验载荷所获得的资源较小，但好处是标准化抽屉可以整体更换，即同一套保障设备（一个通用柜）可以分期分批支持不同类型的实验项目，从而实现资源的滚动利用。对于实验时间有限的众多项目，这种方式十分高效，人在现场也很容易完成抽屉的更替。
舱外实（试）验装置包括：
——标准载荷适配器。基于标准化的接口，以主被动适配器的形式为载荷提供安装、信息、供电和散热接口。一套适配器类似一对小型对接机构，空间站舱壁安装适配器的被动端，内含电缆和光纤接插件和热控流体回路的断接器；载荷上安装适配器的主动端，在机械臂的辅助下通过主动锁紧机构与被动端锁紧，连通信息、供电与散热回路，实验结束后解锁分离。适配器按其支持载荷的尺寸、功耗和散热需求形成标准系列，站上的被动端资源则可以实现通用化和轮换使用，让利用效益最大化。
简单地说，空间站外壁分布了各种大小的标准插座，实验载荷根据需要配相应插头，谁做实验就插在分配的插座上，实验完成后腾出插座给后续实验使用。只要配上标准插头，不同国家、不同单位、不同专业均可利用空间站资源开展实验。
这个过程中，机械臂负责插拔，航天员参与机械臂操作并随后在舱内监控实验。有了人的现场工作，载荷可以在舱内完成设置和测试后再出舱安装，可以在轨组装、调整以适应不同插座，可以在实验结束被机械臂取回舱内并由航天员取下并更换样品，还能在装置出现问题时由航天员在舱内维修维护。人的直接参与大大提高了实验工作的可靠性与灵活性。
——定制安装平台。对少数有特殊要求和需要长期开展实验的舱外载荷，可以不使用标准适配器，而是专门为其设置安装接口。火箭整流罩容纳得下的小尺寸载荷可在地面安装，随空间站舱段发射入轨。大尺寸或对振动敏感的载荷可由航天员出舱安装，在轨完成机械固定、线缆连接等工作，这就解决了它们的发射上行难题；而且，只要预留标准的螺钉孔和电气接插件，就可以在空间站运营期间接纳新研载荷。因此，载荷安装因为人在站上而有了多种选择。
——扩展载荷挂点。对于更大型载荷，空间站舱外预先配置了专门的安装挂点，机械臂抓持载荷并安装到挂点上，航天员出舱辅助操作。
——微纳卫星释放。天宫空间站配有小卫星和立方星释放装置，由机械臂抓持出货物气闸舱并释放。释放前，航天员可在舱内根据任务需求选择、组装相应部件并完成测试和设置。人的现场决策优势与小卫星的模块化特色叠加，几乎是把卫星工厂开到了天上。
从舱内到舱外，天宫空间站为实验载荷配备各种通用或专用的装置，同时提供机、电、热、信息、排气等保障条件，由站上计算机自动、地面遥控或航天员手动控制实现。航天员现场手控特别适用于充放气、舱外真空排气等操作，不仅便捷，而且可以通过在气路管路上串联手动阀等措施增加安全保障。
▲天宫空间站上的航天基础试验机柜（图源：中国载人航天）
（五）工作模式强化任务目标
有的放矢地“利其器”，就能更好地“善其事”。而后者的工作机制同样是瞄准高效利用空间资源来规划的，比如人机协同的实施。
在协同最有成效的机械臂应用中，机械臂极大提升了航天员在舱外的活动能力和安全性，并能辅助开展大型载荷的安装和维护等操作。航天员不再需要将宝贵的体力和时间用于身体控制，而是可以专注于必须由人完成的精准操作。人机配合可胜任更大、更难的工作，比如大型机构的展开。为进一步支持航天员主观能动性的有效发挥、更广泛地开展高效人机协同模式探索，后续还可以研发空间智能机器人，配合、辅助航天员开展舱内外作业。
值得一提的是仿人机器人及“化身+学习”工作模式。仿人机器人并不是简单的“长得像人”，而是要统一人机操作界面，让人进行的工作和使用的工具也适用机器人。“化身”模式是指人的操作通过动作采集和工具上的传感器等获取的信息同步给机器人，让其复制同样的动作和操作。这种模式单独使用时，就像《流浪地球II》中遥控操作水下机器人的场景；“化身”模式与机器学习结合并经过若干任务专家的若干次专业操作训练后，机器人的自主操作能力可能超过任何一个专家，人机协同将更接近人与人的协同，不同环境和现场的分工合作（如人在站内、机器在站外）将产生更高效更安全的工作方式。
开发利用空间资源的目标贯穿于天宫空间站的设备设施配置和人机工作设计。实际上，在更高的系统级设计层面，我国载人航天一系列宏观规划同样服务于空间资源主题。
例如，常态化载人飞行任务决定了货船与载人飞船的定期往返，而载荷装置、实验样品、备品备件同样也可利用这些“航班”实现科学实验的持续滚动开展及升级换代、维修维护；另一类特别的科学应用——太空授课和青少年在轨实验设计，则大幅拓宽了公众参与空间资源应用的路径。
载人航天是我国系统最复杂、技术难度最大的航天工程，对太空资源的孜孜以求为其重要的内在逻辑。它是空间站现实价值的体现，也闪烁着人类生存发展的理想之光。
▲机械臂与神舟十七号航天员协同执行出舱任务（图源：中国载人航天）
（六）在轨工具的进化与孵化
人类文明前行之路是发明、使用工具之路，工具进化的历史是用工具制造新工具的历史，就像原始的铜铁器步步发展为机械工具，工业机器人被用于辅助制造汽车飞机。
作为另一项系统级设计，天宫空间站不仅是载人平台，也是在轨维护工具的太空母港和制造新工具的太空工厂。
长期运行且始终有人的天宫空间站被设计为一个太空母港，可为停靠其上的外来飞行器提供维护保障。未来发射的巡天空间望远镜大部分时间独立飞行开展天文观测，定期或视情停靠天宫空间站，由其补加推进剂或对设备实施维护、升级、维修。更多航天器将采取这种与天宫空间站共轨飞行的方式接受在轨服务，空间站就是在轨道上维护其他工具飞行器的工具。
利用有人参与的优势，天宫空间站还可在轨进行空间天线、空间望远镜等大型航天器的组装建造，解决其展开机构复杂、在轨部署困难的问题。在机械臂工作与航天员精细操作的协同配合下，空间站将迎来在轨制造新工具飞行器的新任务。
石器时代以来的人类工具进化之路上，这或将成为又一里程碑。
▲巡天空间望远镜将以空间站为“太空母港”进行维护维修（图源：中国空间站工程巡天望远镜科学工作联合中心）
（七）下一站工具：月球
从地球文明走向太空文明，飞天重器与宇宙天体都是人类的舆马与舟楫。比如，距离我们最近的月球。
月球储有地球上没有或稀有、且可能被人类利用的资源，月球及其所处空间具备地外星球和深空的典型特征，月球与地球的距离使它成为人类基于现有科技水平可望而又可及的目的地。以更广义的视角看月球，它是我们理解深空、试验新技术、开发星际“移民”能力的演习场，是我们抵达更深远宇宙的工具。
在现代科技、特别是新一代AI技术的帮助下，用无人探测器和机器人开展月球探索活动具有经济性和安全性。无人活动不涉及人的生命安全，所需运载能力、轨道转移和月面运动能力也相对较小，这就决定了它们可以比人更早、更多地被送上月球工作。
那么，还需要派人去月球吗？答案是肯定的。如同空间站构筑了人在近地空间利用资源的平台，载人登月是我们获取深空更广袤资源的必需。
尽管送人上月球并保障其工作的代价高昂，有人参与的月面工作能力是超强的，专业人员现场分析、判断和视机处置能力是无可替代的。从技术角度看，载人探测的本质是以保障人相关的技术难度为代价获得人在现场的优势，换取探测设备的简单化和探测能力与效率的大幅提升。
以月面采样为例。1969年至1972年，6艘阿波罗飞船的航天员在月球上共停留了近280小时，带回岩石样品约385千克。1972年12月的阿波罗17号任务，两名航天员在三次总计时间仅22小时的月面活动中，乘月球车在陶拉斯-利特罗（Taurus-Littrow）山谷行驶34公里，发现了橘红色的泥土，收集了111千克的月球岩石标本，并将一套完整的科学仪器留在月球表面。尤其令人印象深刻的是登月舱驾驶员、地质学家H·H·施密特，手持钻机在月球表面钻了3个深度为2.5～3米的钻孔。其中两个钻孔内安装了测热探头进行月球热流量探测，另一个钻孔获取了土样和岩心。假如没有人的参与，50年前这些成果所代表的地外星球现场勘测能力，以当今的智能和自动化设备也极难达到。
科研探测和资源开发的能力不能简单量化，载荷、设备重量更不足以成为衡量指标。月球探测踏上载人台阶之后，技术途径完全改变，为载人付出的重量等资源代价也由量变产生了质变，并因此承载了人在现场更为长远的价值：
——“大脑”前移。探测装置和开发工具送上月球，等同于人的四肢和感官被强化并延伸至工作现场；人在月球，则意味着作为指挥和控制中枢的“大脑”前移至现场或相对而言极为接近现场的地方。航天员在这里管理各种设备、指挥无人探测器和机器人、开展人机联合作业，远比人在地球遥控的工作模式效率高得多。
——大规模勘探开发的可靠性有了保障。设备都有其固有的可靠性，数量足够多时就可能发生各种故障与异常，因此需要以设备冗余、自动处置等方式保持随时检查维修的能力。如上节所述，为保障少数人在月球工作所付出的代价需要与运输代价、技术难度等因素权衡，或得不偿失，或难以抉择。然而，当系统规模大到一定程度，两相权衡的临界点将被跨越。也就是说，月球活动规模足够大时，通过人在现场来保证庞大系统可靠运行是必须的，也是合理的。正如人与空间站之间的相辅相成，人与月球探测系统也将构成互为保障、相互提升的正向关系。
——月球上将造出新的工具。工具取代人的部分劳动，被解放出来的人就可以腾出精力和资源去从事其他待探索的工作，可以利用新的资源创造更强大的、适用于新环境新需求的新工具。这一被地球历史实践证明了的规律，在月球上同样有效。比如，六分之一地球重力和无大气的环境中，设计、建造并应用电磁质量加速器这类不同于传统火箭的星际飞行工具就可能由设想变为现实。
最重要的是，有人存在，才能真正宣示存在。从过去、现在到将来，从陆地、海洋到太空，这是跨越时间与空间的真理。
▲设想中在月球上建造的电磁质量加速器（图源：NASA/Wikipedia）
（八）人的存在让一切有意义
更好地探索和开发利用空间资源以满足生存发展的需要，是我们开展航天活动的初心。工具的使用让这一切变得可能，人的存在让工具有了意义。
在宇宙资源浩浩荡荡的星辰大海里，距离地球仅400公里的载人空间站如一叶初离海岸的小舟，人类在船上认识大海，学习航海，并开始试着将海的蕴藏为己所用。月球则是第一个与我们相遇的岛屿。我们将登陆、留驻、探索、研究，努力造出驶向更远处的更大的船。
赫胥黎百年前的箴言犹在耳边：“已知是有限的，未知是无限的。无边无际、神秘莫测的海洋中，我们站在了一个小岛上。继续开拓是每一代人的责任。”
▲我国实现近地轨道人员常驻（图源：中国载人航天）
监制：唐心怡
编辑：张琦
校对：崔祎璁
