編者按：
隨著“天和”核心艙的成功發射，我國載人航天已全面邁入空間站時代。預計2022 年前后，中國載人空間站將完成建造，并開展大規模多學科的空間科學研究、技術驗證和空間應用。為面向全國科學家征集空間站科研項目，中國載人航天工程辦公室在2019年4月向科學界發布了《中國空間站空間科學實驗資源手冊》（以下簡稱《空間站實驗手冊》），其中，太空拉曼光譜儀也赫然在列，這是我國載人航天首次在空間站科學研究中引入拉曼光譜技術，看點滿滿。今天，簡智儀器就帶你進行獨家解讀。
一． 空間站實驗室簡介
什么是中國空間站實驗室？
在2021年4月29日天和成功發射入軌之前，全人類在地球近地軌道正在運營的僅有一個國際空間站。國際空間站由16個國家共同建設，于2010年完成建造任務轉入全面使用階段�，F如今，國際空間站已正式運營11年，接近設計壽命，很可能將于2024年徹底停運。也就是說，在2024年之后，人類唯一的太空空間站將是中國空間站。
本次發射的“天和核心艙”只是中國空間站的一部分，未來一兩年內還將陸續發射“問天”，“巡天”兩個實驗艙，并在太空“組裝”成完整的中國空間站。
中國空間站運行于傾角41~42 度、軌道高度340~450 千米的近圓低地球軌道，約90 分鐘繞地球一圈。 目前空間站實驗室共規劃安排了11 個空間科學與應用研究方向，包括航天醫學、空間生命科學與生物技術、微重力流體物理與燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間天文與天體物理學、空間物理與空間環境、空間地球科學及應用、航天元器件與部件、航天新技術、空間應用新技術等方向。
為什么要在太空中開展科學實驗？
太空實驗室由于其特殊的物理環境，具備地面實驗室無法擁有的特殊實驗條件，包括：
1） 微重力環境
在微重力水平下（殘余微振動加速度10^-3～10^-4g），流體形態和物理（化學）過程等發生顯著變化，影響或改變流動和燃燒機制，也影響到相關的材料加工及制備過程；微重力還會對一些基礎物理的實驗條件產生影響，能夠以更高的指標和精度開展實驗。此外，微重力環境對一直生在重力圈內的生物體及其各層次的影響也十分顯著。因此，微重力環境是開展相關科學研究獨特而寶貴的資源。
2） 在軌觀測
由于空間站所處的近地軌道位置，使得其對地觀測區域可以覆蓋南北緯42 度以內、地球人口居住90％的區域。又因為其完全脫離了地球大氣，處于地球電離層F2 層，適于開展空間天文觀測和特定空間物理研究。
3） 輻射環境
宇宙射線的主要成分是質子（約占90%）、氦核即α粒子（約9%）以及電子、各種重離子、伽馬射線等（約1%）。宇宙射線復雜的成份和能譜形式是地面無法模擬的，是開展輻射生物學，探索生命起源等研究的有利條件，也是開展高能天文觀測和粒子天體物理研究的必要條件。
4） 極端環境
空間站可利用外太空極端條件在艙外開展實驗，包括極熱和極冷循環、高真空、原子氧侵蝕、太陽紫外輻射和宇宙高能射線輻射等。這些特殊環境（及其復合環境）在地面很難模擬。
中國空間站實驗資源有哪些？
中國空間站設計實驗資源分三大類：
a. 艙內科學實驗裝置
主要在密封艙內進行各種科學實驗。目前在核心艙和兩個實驗艙中，已安排了十余個科學實驗柜，數十臺各類科研儀器單元，拉曼光譜儀也在其中。由于大多數的在軌科研實驗需要科研人員進行必要的操作，因此都是在密封艙內進行的。
b. 艙外暴露實驗裝置
此類裝置安裝在艙外，實驗樣品或實驗單元在進行艙外暴露實驗后，可由機械臂抓取，通過氣閘艙進入密封艙內。目前實驗艙I和實驗艙II設計有共計3個艙外暴露實驗裝置（空間生物學暴露實驗，材料艙外暴露，元器件與組件艙外暴露）。
c. 艙外獨立載荷
艙外獨立載荷通過機械臂安裝于艙外暴露平臺或載荷掛點上，采用適配器進行機械連接，并提供機械、電源、信息、熱控接口，可獨立在艙外工作。其中，標準實驗載荷可安裝于兩個實驗艙外的暴露平臺上，空間站為其提供100V最高1000W的供電接口和信息傳輸接口（1553B和FC-AE-1553 總線）。而對于大型的非標大型載荷，核心艙和實驗艙I 艙體外設置了大型載荷掛點和擴展實驗平臺掛點，支持在軌安裝重達共計2500KG的大型掛接載荷和擴展實驗平臺。
二． 拉曼光譜技術在載人航天領域的應用
根據中國載人航天辦公室已公開的信息，太空拉曼光譜分析儀被安裝于“人系統研究機柜”中，用于航天醫學方向科學研究。其主要研究方向包括：長期失重對航天員健康的影響與防護技術研究、空間輻射對航天員健康的影響與防護技術研究、航天員行為與能力研究、在軌監測與醫學處置技術研究以及傳統醫學航天應用技術研究。
（上圖摘自《中國空間站空間科學實驗資源手冊》 p.14 圖5.1）
其中，太空拉曼光譜儀主要負責“基于拉曼光譜分析的在軌營養代謝組學研究”，根據《空間站實驗手冊》中公開信息描述，拉曼光譜技術將用于“檢測人體尿液中的代謝產物水平”，其核心指標為“太空拉曼光譜儀增敏倍數（與比色皿相比）≥40 倍” （見《空間站實驗手冊》p.15 表5.1）
根據已公開的信息，相信從事拉曼光譜工作研究的小伙伴們已經好奇心爆棚了，下面簡智儀器就幾個同行比較關心的問題帶大家一一解讀。
為什么是在軌營養代謝組學研究？
拉曼光譜近幾年獲得了非常迅速的發展，其無損、準確、快速、不受水影響等諸多優勢使得其應用領域涵蓋材料，生物，礦物，理化分析等諸多行業。相對而言，拉曼技術在尿液中代謝物分析研究上，顯得比較冷門。拉曼技術首次應用到空間站研究中，為什么會選擇這樣一個研究方向一定是很多人感到疑惑的。
簡智解讀
首先，太空實驗環境與地面實驗環境截然不同，其關注重點，適用技術手段也有很大的差別。我國此前并未有過航天員長期在空間站生活的經驗，而此次中國空間站中，航天員將生活超過90天，微重力環境對航天員生理系統影響的研究就顯得非常重要了。因此在《空間站實驗手冊》中，“人系統研究機柜”被編為01號研究柜，也是首批隨天和核心艙發射升空的研究機柜。并且根據功能描述，其兼具研究和監測功能，使用周期將貫穿整個空間站的運行周期。
其次，從研究手段來講，地面環境中對尿液中代謝組分的測量有非常成熟的方法，如采用GC、GC/MS等方法進行分析研究已經非常成熟。但空間站環境截然不同。由于空間站的微重力，全密封環境，使得很多儀器無法正常工作，并且實驗環境也無法保證，例如微重力環境下的液液混合操作，不僅很難進行而且有很大的風險，更不要說實驗處理過程中用到的揮發性液體在空間站密閉環境中產生的危害。這樣一來，更適合進行原位無損測量的拉曼光譜技術反而成為了非常適合的選擇。
增敏倍數（與比色皿相比）≥40 倍
《空間站實驗手冊》中關于太空拉曼光譜儀的核心性能指標只有這樣一條，為什么增敏倍數如此重要？而近幾年飛速發展的SERS表面增強拉曼技術，已經可以做到比較穩定的106以上倍數的增敏，這里的40倍又是怎樣的指標？
簡智解讀
前面已經提到了在空間站實驗環境的特殊性，因此基于溶膠液液混合，或芯片式的SERS增敏方式就不太適用了。另外，太空中也缺乏做復雜前處理的條件，因此無法采用在地面環境中常見的尿液代謝物檢測的技術手段。
如果不使用SERS增敏，那么要對拉曼信號進行增強，綜合近年來多種文獻，方法包括相干拉曼，差分拉曼，夜芯波導拉曼，共振拉曼等幾種。這些增敏方式的增敏效果都不可能和SERS方法相比，因此不能以SERS增敏效果指標來看待。其中，相干拉曼和共振拉曼更適于進行單組分測定，不太適用于多組分測定。而根據“在軌營養代謝組學研究”的要求，不可避免的會涉及到定量測量，因此其增敏效果不僅需好，還需要穩定。這樣看來，差分拉曼技術和夜芯波導拉曼技術就是最可能使用的技術了。
另外，由于保密要求，《空間站實驗手冊》中也只會公布個別核心指標，在實際要求中，對于交付產品的各項性能指標應該都有非常詳盡的設定。
拉曼光譜技術在空間站將來是否會拓展更多的研究方向
根據本次公布的《空間站實驗手冊》中公開的內容，目前太空拉曼光譜儀僅用于“在軌營養代謝組學研究”，對于拉曼技術而言，似乎可以有更多的研究方向。
簡智解讀
這是當然的！載人航天辦公室發布《空間站實驗資源手冊》的目的，就是向科學界征集有價值的研究方向和實驗項目，相當于告訴全國的科學家，我們建立了一個獨一無二的實驗室，里面有這么多實驗儀器資源，你們有好的研究課題都可以來申請進行研究。
同時我們通過已發布的信息可以看到，本次太空拉曼光譜儀設計采用“標準抽屜單元SDU”設計。SDU標準模塊對實驗單元的結構尺寸，安裝方式，電源特性，通訊接口等方面都做了標準化約定，這使得采用SDU設計的實驗單元，可以被很容易的拆裝到其他實驗機柜上，自然是為了拓展其他領域的實驗項目做的準備。
（上圖摘自《中國空間站空間科學實驗資源手冊》 p.8）
同時，由于空間站將運行超過十年的時間，為了保證在軌儀器設備可以保持最佳的工作狀態并應用最新的技術成果，空間站儀器大多會采用ORU設計（Orbital Replacement Unit），使得其核心組件做到可在軌更換。這樣，在未來如果相應技術獲得一些突破或者指標的顯著提升時，可以通過貨運飛船發送ORU組件，并在空間站內實現儀器的升級更新。當然，采用SDU設計的實驗單元本身也可以進行整體更換或新增。
空間站儀器研制難點
一直以來，產品都有“民用級”，“工業級”，“軍工級”，和“航天級”幾種研制難度劃分。其中前三種大家都比較熟悉，而“航天級”作為碾壓前三類的存在，到底有哪些研制難點？
簡智解讀
所有的產品“級別”都是根據其應用場景來定義的。航天級產品研制主要難點包括以下幾點：
1. 微重力環境設計要求
在所有應用場景中，只有航天級產品會對“微重力”有要求。在這樣的環境下，很多傳統的設計工藝都會被顛覆。而且更難的是，這樣的環境還無法進行事前模擬。宇航員可以通過潛水裝置在水下模擬失重狀態下的身體運動，但對于儀器設備而言，每個部件長期所處的微重力環境是無法在地面模擬的。這就要求設計者具有極強的推導設計能力和豐富的經驗。
2. 極端機械環境適應性要求
航天產品在發射過程中需要經歷極端的加速度和震動情況，在輸運過程中會經歷極端低溫。對于航天級光學儀器，特別是拉曼光譜儀這種精密儀器，甚至每一處光路耦合設計，每一個元件在極端環境下可能產生的形變，都需要反復推敲和大量實驗。
3. 太空特殊的輻照環境
空間站運行在維度±42°范圍的低地球軌道，盡管由于地球磁場的作用，使低能帶電粒子向極區偏轉，只有較高能量的帶電粒子（約1GeV/n 以上）才能到達，降低了總輻射劑量，但由于空間站穿過地球內輻射帶的南大西洋異常區下部，輻射帶捕獲的帶電粒子對空間站有顯著
影響，并且太陽質子事件具有一定隨機性，會在短時間內顯著增加輻射劑量。高能粒子仍能穿透具有一定防護能力的艙壁（輻射劑量降低1-2個數量級），對儀器和宇航員造成傷害。因此宇航員一次在空間站停留在90天左右。而儀器設備則需要長期在空間站運行，輻射傷害必須加以考量。
4. 環境安全性及損害控制
空間站是一個完全密閉的環境，而且沒有逃生裝置。因此對其中運行的儀器設備，有非常嚴格的安全性要求，包括溫度、噪音、電磁輻射、電源沖擊等諸多方面。并且即使在發生故障時，也不能產生自燃、泄露、或者危害到空間站整體電源、通訊的情況。
5. 超長的使用壽命和可靠性
中國空間站設計壽命10年，根據國際空間站的經驗，在實際運行過程中還會適當延長，其中的在軌儀器設備壽命要求都不會低于10年。由于設備在空間站維修和更換成本非常高，因此在研制過程中，對于可靠性有非常嚴苛的要求和測試方法規范。
太空拉曼光譜儀研制難點
拉曼光譜儀目前已經非常普及，從各科研實驗室，到公安，市場監督一線，甚至考古，珠寶鑒定等各行各業，都能越來越多的見到拉曼光譜儀的身影。而本次太空拉曼光譜儀，從已公布的信息看，似乎進行了特殊設計，除了上面提到的空間站儀器通用要求之外，太空拉曼光譜儀與常用的普通拉曼儀到底有多大區別？
簡智解讀
由于部分信息涉及國家安全和航天機密，本次《空間站實驗手冊》中公布信息中只涉及“人體尿液中的代謝產物水平”的測量和“增敏≥40倍”，那么就以這一應用為例，在太空中實現也是困難重重的。
根據公布的信息可以看出，本次的太空拉曼光譜儀與其說是一個儀器，不如說是一整套的應用系統。
在拉曼本身技術層面，需要考慮到空間站特殊環境下，各光學性能指標的實現，測量一致性保障，以及長壽命運行下的累計誤差校正等等方面。單就增敏倍數≥40一項指標，在地面實現已具有相當難度，由于普通拉曼光譜儀對尿液無法進行直接測量，因此本次的太空拉曼光譜儀自身各項光學性能一定是頂級的（ 《手冊》中并未公布其他光學指標 ），在此基礎之上，不改變測試條件的情況下還要再實現40倍以上的信號增強，難度可想而知。
從應用技術上看，尿液測量中必然涉及如何進液，容器清洗，廢液處理等，而這些都要可以在航天員不干涉的情況下全自動完成。被測液中混有的氣泡也會對測量產生很大的影響，而在微重力環境下的氣液分離也是一大難點。更不要說前面所述的航天級產品嚴苛的各種通用要求。
以上這些都需要長期的潛心攻關和過硬的技術積累才可能實現，也絕不是市面上普通的拉曼光譜儀可相提并論的。
三． 展望
4 月 29 日，空間站天和核心艙發射成功。這是中國空間站建造階段的首次發射，也是舉世矚目的"第一棒"。建成后的中國空間站將成為國家級太空實驗室，全面開啟我國空間科學研究與應用的新時代，也會為全球科學家提供一個非常好的從事空間科學研究的平臺，為人類的科學進步作出貢獻。
拉曼光譜技術首次被應用在載人航天領域，成為空間站實驗室的“標配常駐儀器”，代表我國精密光學儀器研制技術在載人航天領域的一次突破，相信隨著中國空間站的建成，還會有更多的各種精密光學儀器陸續入駐空間站，也將會誕生一大批突破性的科研成果，讓我們拭目以待。
