航空航天论文一篇
一、全球商业航天发展总体情况
当前，全球航天产业蓬勃发展，航天经济数据不断上扬。据美国航天基金会发布的数据，2015年全球航天产业总收入约为3230亿美元，其中商业航天收入超过2460亿美元，占比约76%;通信、遥感等商业航天产品和服务收入达到1263.3亿美元，占全球航天产业收入的最大份额，约39%;通信与导航地面设备制造收入1105.2亿美元，占比全球航天产业收入约34%。可见，商业航天已成为世界航天产业的主要构成和全球航天经济发展的主导力量，通信、导航、遥感三大卫星产业成为商业航天发展的支柱产业。全球卫星产业已自上至下形成成熟的卫星制造、发射服务、卫星应用产业链;卫星制造与发射服务构成产业链上游，卫星应用由地面设备制造与卫星运营和服务两部分组成，构成产业链下游。据2017年7月美国卫星产业协会(sia)最新报告显示，2016年全球卫星产业收入为2605亿美元，其中卫星服务和地面设备制造收入达到2411亿美元，占比为92.6%;卫星制造和发射服务收入为194亿美元，占比为7.4%。可见，卫星产业发展重心已完成从产业链上游向下游转移，整个产业结构已趋于稳定，产业下游收入大幅超越上游收入成为价值高地。按应用类别，卫星产业细分为卫星通信产业、卫星导航产业和卫星对地观测产业三部分。根据欧洲咨询公司最新数据，全球卫星通信产业收入1460亿美元，占比约62%;卫星导航产业收入855亿美元，占比约36%;卫星遥感产业收入52.1亿美元，占比约2%。可见，卫星通信产业的发展最为成熟，产业规模最大;卫星导航产业近年来随着智能终端和移动互联网应用的普及，进入发展的快车道，导航地面设备销售与增值服务收入不断攀升;卫星对地观测产业占比不大但发展迅猛，目前正由传统市场向更强调开放、创新和商业化发展的新型市场转型。
二、国外商业卫星通信领域发展情况
卫星通信产业是全球卫星产业中最早实现商业化的领域，是卫星产业三大子产业中收入比重最大的业务领域。伴随近年来信息服务需求(特别是卫星宽带服务需求)的增长以及卫星研制与应用技术的演进，产业规模一直保持稳定的增长态势。传统商业卫星通信领域主要为用户提供卫星直播、卫星音频广播、卫星固定通信和卫星移动通信服务。近年来，卫星宽带互联网市场不断升温，为满足日趋多样化的带宽密集型应用需求，包括成熟通信卫星运营商、各类科技与互联网公司等，纷纷斥巨资打造高通量的宽带互联网星座(包括高、中、低轨各个类型)，瞄准机载wifi、海事宽带和高铁宽带以及个人消费者宽带接入等领域，未来将在极大程度上塑造和影响卫星通信产业的发展和布局。
在轨商业通信卫星统计截至2017年9月5日，国外共有557颗商业通信卫星在轨。在轨商业通信卫星当中，美国数量最多，共计286颗，欧洲129颗，俄罗斯20颗，日本17颗，其他国家共计105颗。如图1所示。从轨道分布来看，geo仍然是各大运营商最为青睐的轨道，其次是leo，meo和heo分布较少，但这一格局将在未来几年内发生巨大变化。随着中低轨道巨型星座计划的持续实施，未来，数千颗、甚至上万颗低轨道卫星在轨的场景也非空想，在轨卫星规模上leo将很有可能快速超越geo。
2.卫星通信产业发展现状
(1)金字塔型的产业价值链从产业链构成的角度来看，卫星通信产业保持了与整个卫星产业基本一致的结构。自上而下依次由卫星制造、发射服务和卫星应用组成，但在细分产业行为主体上具备自身的特点：由于下游的卫星应用领域在全球范围内商业化发展已十分成熟，掘取了产业链的绝大部分收入，导致上下游的收入规模比例达到1：20左右。从公司数目上也能一窥端倪，目前主要的上游制造商和发射服务商仅有20余家公司，进入门槛很高，而下游包括运营商、服务提供商和终端制造商在内，共有超过1700家公司，市场繁荣活跃。
(2)欧美制造商在geo商业通信卫星领域垄断地位明显卫星制造方面，从2012-2016年geo商业通信卫星订单情况来看，共有12家制造商获得90颗geo商业通信卫星订单。劳拉空间系统公司、波音公司、轨道atk和洛马4家北美制造商共获得60%的市场份额，空客防务与航天、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司、不莱梅轨道高科技公司、萨瑞卫星技术公司4家欧洲制造商共获得24%的市场份额，美欧六大制造商继续占据80%以上的市场份额。此外，其他的市场份额分散于俄罗斯的信息卫星系统-列舍特涅夫公司、俄罗斯的达斡亚航天发展中心、日本的三菱电机公司等卫星制造商。如图2所示。
(3)卫星应用服务业整体快速增长态势放缓根据sia的划分标准，卫星通信运营服务业按照业务类型可进一步分为大众消费业务、卫星固定通信业务和卫星移动通信业务。其中，大众消费业务包括卫星电视直播业务、卫星音频广播业务和消费卫星宽带业务;卫星固定通信业务包括转发器租赁业务和管理网络服务;卫星移动通信业务包括移动话音业务和移动数据业务。据sia数据统计，2016年，全球通信卫星运营服务业总收入达1257亿美元，同比增速放缓至0.2%。其中，大众消费通信服务收入1047亿美元，继续在整个卫星通信运营服务业收入中占据最大的比重(83%)，同比微增0.4%;卫星固定通信服务收入174亿美元，同比下滑2.8%，是卫星通信运营服务业中首次出现下滑的部分;卫星移动通信服务业务收入36亿美元，同比增长5.9%，保持了高速的增长态势。
三、国外商业卫星遥感领域发展情况
当前，商业遥感卫星市场正在悄然发生一场变革。政府市场虽仍是这个市场的主角，占据大部分的市场份额，但商业市场也已初露头角，众多新型卫星公司纷纷创立，快速扩展着运营与服务的范围和内容。商业化程度不断提高已成为遥感卫星市场发展的主要趋势。新研制的遥感卫星将朝着更小、更便宜、响应速度更快的方向发展。新兴市场需求的不断增长将带来新的产业机遇。商业遥感卫星市场正在走向空前繁荣。
在轨商业遥感卫星统计截至2017年9月5日，国外共有414颗民商用遥感卫星在轨运行，美国281颗，欧洲40颗，俄罗斯9颗，日本15颗，印度21颗，韩国5颗，其他国家43颗。美国仍是拥有民商用遥感卫星最多的国家，并且在数量和能力上占有绝对优势。如图3所示。从卫星用途来看，民用卫星145颗，约占35%，商用卫星269颗，约占65%。相比2015年底36%的比例，以及2016年底43%的比例，目前在轨商用遥感卫星无论是从绝对数量上还是占比上，都有了提高，可以看出商业化是民商用遥感领域的一个发展趋势。除了纯商业遥感卫星外，俄罗斯、印度、日本、韩国等国家主要通过销售政府遥感卫星数据来推动商业化发展，卫星发展以政府投资为主，仅商业销售其数据产品。
1.卫星遥感产业发展现状
(1)较完整的上下游产业价值链目前，全球卫星遥感产业已经形成较为完整的上下游产业价值链，分别为卫星制造业、发射服务业和卫星应用服务业三大部分，其中卫星应用服务业涵盖卫星运营商、分销商和增值服务商。当前卫星遥感产业仍处于过渡阶段，应用服务市场竞争日益激烈，占据整个遥感卫星市场约85%以上的份额，中高分辨率数据成为主流，创新型数据分发策略与商业开发模式层出不穷，这些都为新产业形态的加速形成创造了条件。此外，新兴产业主体力量和私募资金等不断涌入，使产业内部的并购重组成为新常态。总体而言，卫星遥感产业正处于向市场化、开放式、融合式发展的重要转型时期。
(2)传统商业运营商进军小卫星市场，新兴小卫星星座加速部署一方面，以数字地球(digitalglobe)公司为代表的传统商业运营商继续部署新的.高分辨率遥感卫星，并企图进军小卫星领域，多方面提高行业竞争力。2016年2月，digitalglobe与沙特阿拉伯政府签订合作协议，联合研制光学遥感小卫星星座，卫星数量至少6颗，分辨率优于1m，计划于2018和2019年发射。尽管新兴商业运营商快速发展，但当前主宰商业数据市场的仍为少数公司，即digitalglobe(现已并入加拿大mda公司)提供甚高分辨率光学数据，欧洲空客防务与航天公司同时提供甚高分辨率光学和雷达数据，mda公司提供雷达数据，这些公司共同占据整个商业市场一半以上的份额。另一方面，以行星(planet)公司等为代表的越来越多的新兴运营商进入商业遥感小卫星领域，发展的卫星星座也从原来的光学卫星扩展至气象、雷达卫星等。2016年5月，阿根廷卫星逻辑公司(satellogic)发射了其阿列夫卫星;遥感小卫星星座的首批2颗业务卫星，并计划制造和发射300颗遥感小卫星并构建星座，将能实现5min内对全球任意位置重访;2016年9月，planet公司获得美国国家地理空间情报局(nga)2000万美元采购合同，成为nga推行商业地理空间情报战略的重要服务商，将基于其(flock)星座采集的全球中分辨率遥感图像，为nga快速高效地提供地理空间情报信息支持服务。
(3)遥感服务产业增长迅速，应用模式加速创新据sia数据统计，2016年全球遥感卫星服务业收入共计20亿美元，同比2015年遥感服务的收入增长了11%。收入增长主要源自于传统卫星遥感公司业务的持续增长，以及一些新兴公司凭借新近部署的卫星和并购其他公司的卫星获得的业务收入。其中2016年美国遥感卫星服务业收入为8亿美元，占2016年遥感卫星服务总收入的40%。微纳卫星技术迭代创新以及商业资本推波助澜，带动大量新兴运营商进入卫星遥感市场，发展数十星乃至百星规模的小卫星遥感星座，提供全球数据快速更新、成像与视频能力兼备的服务，并借助大数据、云计算等信息技术，向终端用户提供数据分析和增值服务。卫星遥感业务快速增长和应用模式创新发展，推动全球卫星遥感市场格局不断调整。digitalglobe、空客等传统运营商积极面对和适应市场变化，在维持原有服务品类和业务模式的基础上，着力拓展端到端服务能力，推出在线增值服务和定制化的地理信息产品。planet、spire等新兴运营商将卫星遥感与大数据技术深度对接，在进军政府和行业用户市场的同时，积极探索面向大众消费用户的定制化、个性化服务及全新商业模式。
四、国外卫星导航领域发展情况
卫星导航系统是重要的空间基础设施和典型的军民两用系统，世界主要航天国家均已发展或正在发展卫星导航能力，部署卫星导航系统。随着卫星导航应用的不断发展，卫星导航商业应用不断扩展，形成了以行业应用为主的商业应用市场;随着卫星导航与通信、gis系统的不断融合，未来位置服务将成为卫星导航最重要、最具前景的商业服务市场。
在轨导航卫星统计截至2017年9月5日，国外在轨运行导航卫星87颗，其中美国32颗，欧洲18颗，俄罗斯27颗，印度7颗，日本3颗。如图4所示。从导航卫星在轨情况可以看出，美国维持着全球最大的卫星导航星座，工作卫星数量达到31颗;俄罗斯保持着glonass系统星座的稳定，工作卫星数量维持在24颗;欧洲伽利略系统投入初始运行，提供导航服务的卫星为11颗;印度完成irnss区域导航卫星系统部署，但尚未投入运行;日本正在进行卫星导航系统的建设，在轨卫星3颗，其中2017年发射2颗，提供gps增强服务。从整体来看，至2016年底全球卫星导航系统多系统并存的格局已基本形成，至2020年多系统并存的格局将全面形成。仅从全球卫星导航系统的角度分析，2020年左右四大全球卫星导航系统(美国gps系统、俄罗斯glonass系统、中国北斗系统、欧洲伽利略系统)将全部投入运行，届时全球在轨并提供导航服务的全球卫星导航系统卫星数量将达到、甚至超过120颗，将能够为全球用户提供精度更高，可用性、完好性、安全性更好的服务。
卫星导航产业发展现状据sia数据统计，2016年全球gnss设备销售收入846亿美元，较2015年增长8%，占2016年全球卫星地面应用装备销售额的74%，与2015年的73.7%基本持平。如图5所示。由此可看出，gnss应用装备在全球卫星应用装备市场占据绝大部分市场份额。
五、结论
从国外商业航天发展情况来看，技术的发展、信息的融合、公众的应用是商业航天发展的一般范式;创新加剧竞争，竞争撬动增量，增量驱动发展;国外传统航天企业基于全产业链不断开展内核改造与能力布局，提供的商业产品服务类型渐趋多样，但卫星制造和卫星发射仍是其主要业务，并围绕用户需求不断改善服务能力;大卫星朝高容量、高性能、高可靠、高性价比方向发展，小卫星、微纳卫星蓬勃发展;新兴航天公司着力构建产业链独特优势，通过商业模式创新逐渐成为全球商业航天市场的破浪者和改革引领者;商业航天发展需要政府强有力的政策和措施的推动，主要航天国家的发展经验都证明了这一点，但最终支持商业航天可持续良另据2017年5月欧洲gnss局(gsa)发布的第5版《gnss市场报告》显示，2016年全球卫星导航在用装备数量超过50亿部，全球卫星导航应用装置与增强服务收入约500亿欧元(约581.5亿美元)，增值服务收入约600亿欧元(697.8亿美元)，且将保持快速增长。
航空航天论文二篇
1素质能力培养：网络时代思政教育的新视角
1.1网络时代
网络时代中互联网成为大学生获取信息的一种重要平台，互联网有着内容丰富、传播快捷、环境开放、覆盖面广等优点，它也具有难以监控等缺点，因此网络时代的特征不仅给思政教育带来了机遇，同时也带来了挑战。
1.2素质能力培养：网络时代思政教育的出发点和落脚点
1.2.1什么是素质能力
教育中的“素质”是指通过合适的教育、引导与影响，学生获得的某些将来从事社会工作、活动等需要的优良特征，“素质”应包括基础知识、基本技能等学识特征、发现和解决问题的思维方法等能力特征和道德修养、精神境界等品质特征。素质与能力具有一定的交叉性，在此不将素质与能力割裂开来研究。以南京航空航天大学为例，该校用了一年多时间开展了面向学生、家长、教师、企事业用人单位等不同群体的调研，凝练出了南航学生应着重培养的理想信仰、责任意识、诚信意识、文明礼仪等十二项素质能力指标。
1.2.2将素质能力培养作为网络时代思政教育的出发点
使思政教育彰显工具理性中国传统文化重统一、轻差别，重集体、轻个人，传统思政教育过分强调学生对国家、社会的贡献，忽视了个体的素质能力培养。将素质能力培养作为网络时代思政教育的出发点，利用现实资源和网络资源，围绕素质能力指标设计思政教育活动，不仅使思政教育的政治化色彩削弱，更易被学生接受，而且符合马克思主义哲学中的“人的全面发展”学说，在培养学生素质能力的过程中充满人文关怀，最终使思政教育彰显工具理性。
1.2.3将素质能力培养作为网络时代思政教育的落脚点
使素质能力培养彰显价值理性知识并不是高校教育工作的唯一目标，它的目标是全面发展———积累知识、发展能力、提高素质。能力是知识外化的表现，素质是知识内化的结果。知识、能力、素质在教学过程中互相促进、相辅相成，只有这样，才能促使学生的综合素质全面提升。因此，网络时代开展思政教育，必须将素质能力培养作为落脚点，只有这样，才能“倒逼”教师提高思政教育的吸引力、感染力和实效性。素质能力培养是漫长而缓慢的过程，其过程是无形的。开展思政教育，必须使素质能力培养彰显价值理性，只有这样，思政教育才能实现对素质能力的培养。
2素质能力培养：走出传统思政教育困境的新动力
2.1传统思政教育在培养素质能力方面的困境
2.1.1教育主体不平等
导致行政色彩严重目前素质能力培养的现状是教师提要求、学生被要求，甚至教师单纯以行政手段推动，忽略了引导学生自觉要求提升素质能力的阶段。这导致了学生在思政教育中的主体地位没有得到体现，师生间存在着对立情绪，同时也导致了学生对素质能力培养的抵制情绪。
2.1.2教育过程不互动
导致教师唱“独角戏”传统思政教育中，教师的“教”和学生的“学”相互割裂，在培养素质能力的过程中，师生共同演绎的舞台自觉或不自觉地变成了教师一个人的舞台，学生成为了配角甚至观众，学生逐渐对提升素质能力失去兴趣，同时也大大降低了思政教育的实效性。
2.1.3教育介体失去吸引力
导致平台建设流于形式传统思政教育介体形式单调、内容枯燥、信息量有限。搭建的平台是联系师生主体的教育介体，但因教育介体失去吸引力，素质能力培养中的平台建设也变得流于形式，同时也大大降低了思政教育的吸引力。
2.1.4评估和反馈机制不足
导致无法形成教育闭环在素质能力培养中，学校、教师对学生考核多、对自身工作反思少，评估和反馈机制不足，这也导致师生间的教育闭环没有形成，大大降低了思政教育的科学性。
2.2网络时代思政教育在培养素质能力方面的机遇
2.2.1教育阵地转移为培养素质能力
提供了新视角网络时代，网络已经成为大学生聚集的地方，教师应该到大学生聚集的地方开展思政教育。将网络作为思政教育的一个重要阵地，充分利用了网络实时性、多样性、自主性的育人功能，有利于加强师生沟通，更好地引导学生向积极健康的方向成长。
2.2.2海量网络教育资源为搭建平台
提供了便利学生对教育平台的感官是最直接的，因而平台是否对学生具有吸引力是能否培养素质能力的关键。传统思政教育很难吸引学生，但有视觉冲击、心理冲击、知识爆炸功能的海量网络资源解决了这一难题，在无法把学生从网络完全拉到现实中来的情况下，思政教育工作者利用网络搭建平台，也是有效培养素质能力的途径。
2.2.3网络的匿名性使师生关系
趋于平等、互动加强随着网络时代的到来，网络匿名性的优势逐渐显现，教师在网络上可以变为“学生”，学生在网络上可以成为“教师”，两者的界限逐渐模糊，网络犹如师生之间的润滑剂、缓冲带，使师生关系趋于平等、互动加强。学生素质能力培养推动着网络时代思政教育的发展，犹如网络时代思政教育的新动力。
3素质能力培养：构建网络时代思政教育闭环的新优秀
3.1建立平等性教育主体、激发学生参与素质能力培养的主体意识
美国学者普遍认为：“所有真正的学习都是主动的，不是被动的，它需要运用头脑，不仅仅要靠记忆。它是一个发现的过程，在这个过程中，学生要承担主要的角色，而不是教师。”“、当学生积极参与教学过程时，能学到更多东西”。为避免传统思政教育灌输式的方式，让学生积极主动地要求思政教育，教师和学生主体必须达到平衡，加强互动。在当今的网络时代中，教师有三种选择：一是坚持权威、排除异己;二是放弃权威，投降于新的趋势;三是既不放弃也不固守、既不盲目排斥也不盲目跟随，而是将网络时代与教育的发展联系在一起，不断整合新的信息重数权威。很显然，第三种选择是明智的。体现在素质能力培养中，就是教师要放下自己的想法，不先入为主地教育学生，在倾听、理解、接纳、宽容学生的思想的基础上，再进行思政教育，通过与学生探讨、辩论、质疑甚至经历否定之否定才得出正确结论的过程，培养学生的理想信仰、表达能力和求是精神等素质能力指标，同时这个过程也是提高学生主体地位、提升学生主体能力、帮助学生实现主体价值的过程，也就是激发学生参与素质能力培养主体意识的过程。
3.2整合现实和网络资源
设计互动式教育过程，构建体系化教育介体，搭建素质能力培养平台在当前的思政教育中，教育介体非常零碎，教师缺乏梳理和整合。在构建教育介体时，出发点往往不是培养学生的素质能力，学生感受不到来自思政教育的人文关怀，即思政教育对人的素质、能力、情感、思想等的关注和启发，学生感知到的教育介体是“冷漠”的。网络终究只是虚拟的空间，有时并不能从根本解决一些问题，这就需要思政工作者进行网络资源和现实资源的整合，网络资源和现实资源相补、并进。利用好网络资源进行创新教育的同时，用现实资源解决一些重点、难点问题，增进情感交流，同时也引导学生建立良好的生活方式和人际关系，避免沉溺于网络虚拟世界的情况。在素质能力培养的视角下，结合网络时代的特征，教师对日常思政教育工作中的现实和网络资源进行整合，根据工作模块分门别类构建体系化教育介体，构建教育介体的过程也就是搭建素质能力培养平台的过程。在每个工作模块中，可以将工作资源分为现实资源和网络资源，现实资源和网络资源可以在交叉的过程中实现互补。在工作途径方面，在以思政教师、班主任和辅导员为主的教师主体与以群体和个体构成的学生主体间搭建具有“平等性教育主体、互动性教育过程、体系化教育介体”特点的素质能力培养平台。
3.3建立信息化双向评估体系
所谓信息化双向评估体系，就是利用网络时代的信息化手段，建立教师对学生的素质能力评估体系和学生对教师的思政教育评估体系。网络思政教育评估机制是衡量思政教育成果、把握思政教育水准的“计量器”和“风向标”，是完善网络思政教育的重要举措。在教师对学生的素质能力评估体系中，应采用对十二项素质能力指标逐一考核的方式，这样能充分保证专才(即某一项或某几项素质能力指标特别突出的人才)、通才(即绝大多数素质能力指标都优秀的人才)都能得到认可，同时应采用定性和定量评估相结合的方式，定性评估的结果使用旨在助困，即帮助某一项或几项素质能力较差的学生;定量评估的结果使用旨在奖优，即作为学生评优评奖的主要依据。在学生对教师的思政教育评估体系中，可以利用网络的匿名性调动学生的参与热情，评估体系着重评估思政教育中教师的主体地位是否过于突出、教育过程是否互动、教育介体是否体系化，学生将评估结果反馈给教师后，教师应及时调整工作目标、工作模块、工作资源和工作途径。
航空航天论文三篇
长期飞行的航天器环境是一种特殊类型的生态环境，适合属于特殊物种的细菌和真菌的生长发育和繁殖。细菌和真菌主要驻留在空间室内装饰物和结构与设备材料的表面。这些地方聚集着有机化合物和空气冷凝水，足以让各种异养微生物(如霉菌青霉、曲霉、枝孢菌)生长和繁殖。在航天器长期飞行期间，菌群的数量变化和结构动力学特性不是线性的，在生物群落激活和停滞的交替期间呈现出一个波形周期变化，变化周期由内部生物机制的自我调节能力和外部空间环境控制。菌群激活期间，充满着医疗和技术风险，显著地影响着飞行安全和硬件的可靠性。微生物可以轻易地借助航天员或者货运飞船进入空间站，同时迅速适应空间站内的环境并四处蔓延，微生物主要来源及在载人航天器中可能存在的位置如图1所示。前苏联科学家曾经在“礼花”号空间站与“和平”号空间站内发现上百种对人体和空间站设备有害的致病细菌和微小真菌。“和平”号空间站曾发生过微生物“蚕食”电缆的事故。国际空间站上也发现了危险的微生物，这些微生物可能导致设备发生故障，可能会对空间站结构造成灾难性后果。它们不仅会损伤金属，也会损伤高分子聚合物制成的设备，进而可能导致技术故障。2003年国际空间站内，细菌堵塞了3套舱外航天服的冷却泵，航天员不得不使用穿脱更为麻烦的备用服装完成了太空行走，造成问题的细菌生活在作为冷却液的水中。研究人员对空间站的水样进行分析后曾发现，空间站自身冷却系统内细菌数量增加的速度远比预料的快，这让人担心细菌有可能腐蚀冷却系统最为脆弱的组成部分。根据各种体外研究，空间微重力环境促进微生物的生长。不同的细菌在空间或在地球上模拟的微重力试验表明，重力变化可能直接或间接地影响它们的生长和微生物的代谢和生理，例如增加自身的抗药性和毒性，改变生物膜增长方式等。长期暴露于高剂量的空间电离辐射中，也能影响微生物的代谢和生理。除了封闭和微重力条件外，还存在各种未知因素影响微生物的生长，如热交换影响，磁变影响，细胞悬浮，营养物的浓度梯度、毛细特性、流体行为等均可能引起生物体的遗传和生物学特性的变异反应，这导致了某些微生物最终变得更难消除。因此，空间环境条件可能会促进微生物生长的这一新特征，并且增加了损害航天员健康和导致环境恶化的风险，影响生命支持系统的稳定性。
2空间应用系统生物安全工程技术体系框架
空间应用系统生物安全工程技术体系覆盖了在空间应用有效载荷的工程研制过程中应遵循的生物安全要求、分析、设计防护以及评价等各项技术范畴，其总体框架如下图2所示。图中可以看出，在空间有效载荷产品研制过程中，空间生物安全在工程上首先需要解决的是空间生物安全要求指标问题，然后根据生物安全要求，结合空间应用的需求情况，对应用系统的生物危害材料进行危害等级的识别，再依据危害等级的识别结果确定相应的安全性包覆等级，作为空间实验载荷设备的生物安全性设计准则要求，依据此设计准则开展相应的安全性设计防护;在采用了必要的防护措施同时，有效载荷对于生物危害还应具备有效的监测手段，确保空间应用实验过程中的生物危害可检测。最后，空间应用载荷在上站之前，应对生物安全问题进行风险评估，其结果将作为空间科学实验载荷上站安全性认证的重要考核内容之一，从而为工程决策提供安全性方面的依据。
2空间应用系统生物安全的工程设计要素
2.1空间应用系统生物安全指标要求借鉴实验室生物安全标准以及国际空间站有关生物安全的经验，生物安全指标主要是指针对微生物的最低可接受阈值，相关指标又可细分为饮用水、食品、舱内空气、表面四个主要方面，其中，饮用水、食品以及舱内空气的最低可接受阈值与航天员的医学要求密切相关。对于表面的生物安全要求，涉及舱内舱体内表面、舱内平台设备和有效载荷设备表面等多个方面，其可能的影响除了传染到航天员(航天员有可能接触的情况下)，影响航天员健康外，另一个重要的影响就是对硬件设备的腐蚀和侵蚀，最终导致硬件设备的失效或者污染舱内环境。因此，对于空间应用系统设备，应提出明确的表面生物安全指标要求，该要求可以参照空间站平台的表面微生物最低可接受阈值要求，也可根据空间应用系统载荷研制的特点和使用需求单独提出。另外，对于影响实验任务成功的可致病的病原体(包括植物可致病病原体和动物可致病病原体)也应根据实际情况提出有针对性的指标要求。空间应用系统生物安全相关指标体系框架如图3所示。图中涉及的植物可致病菌主要是寄生性病菌，病原体有病毒、类病毒、支原体、衣原体、立克次氏体、细菌、真菌、藻类、线虫和高等植物，其中以细菌、真菌、病毒、支原体和线虫诱发的病害较普遍和严重，尤以真菌性病害为最，如水稻的瘟病、小麦锈病、棉花的萎蔫病等。各种病原体的生理、生态、增殖方法和生活史以及侵染寄主的方式、途径和时期各不相同。可根据具体实验样品和实验要求确定需要检测的植物可致病菌。动物可致病菌主要是微生物，包括原生动物、细菌、真菌、病毒、支原体、酵母等，其中细菌和真菌污染是最常见的，如各种沙门氏菌等。可根据具体实验样品和实验要求确定需要检测和加以控制防护的动物可致病菌。以微生物污染为主要检测对象，包括原生动物、细菌、真菌、病毒、支原体、酵母等，其中检测重点为细菌和真菌。空间站微生物主要存在于舱内气体、食品、水、舱体材料、硬件设备表面以及有效载荷等地方，因此，其微生物控制的要求也应根据这些方面进行规定。例如，国际空间站微生物控制的指标要求如表1所示。我国空间站工程微生物控制定量要求主要参照国际空间站制定，在我国载人航天工程一期和二期阶段，未对微生物控制提出明确的定量要求，在载人空间站阶段，提出的初步医学要求中，也仅仅对空气和物体表面微生物控制提出了限值，与表1中国际空间站的相关规定是一致的，而对于食品和水未作明确规定。
2.2空间应用系统生物安全等级的识别开展空间生物安全防护设计时，首先应对生物危害的等级(或称生物安全等级，biosafetylev-el，bsl)进行识别，根据不同的危害等级制定不同的设计防护策略，避免设计上的冒进所带来的安全患，或者设计过于保守而带来的资源浪费和技术瓶颈。根据nasa的生物安全小组的工作经验，所有有关生物学的材料都要进行生物危害识别，对识别出的生物危害材料都要分配一个生物安全等级[18]。因此，生物危害材料生物安全等级的确定是生物安全工程设计的首要出发点。nasa的jsc中心针对空间应用项目的生物安全等级制定了专门的规定[19]，如表2所示。空间生物安全等级主要来源于地面公共卫生系统和实验室生物安全的相关标准，在空间上用时考虑了空间环境可能带来的影响，由于空间飞行独特的环境和条件，bsl-2微生物又被分为两类，bsl-2(中等风险)和bsl-2(高风险)。主要是由于在微重力环境下，微生物气溶胶可能比在地球1g重力下具有更大的风险，对于地面上bsl-2等级的微生物在空间应用时可能产生更严重的后果。因此，在对空间生物安全等级的规定上进行了适应性修改，其原则为:对于地面上可能导致灾难性后果(高致病性)的微生物(bsl-3和bsl-4)禁止在太空项目中使用;对于地面上可能造成中等危害后果的微生物，其在空间环境影响下可能带来更严重的后果，甚至是灾难性的，因此，地面上bsl-2级微生物在太空中又分为中等危害和高危害两类。我国载人航天工程目前采用的生物安全等级划分标准主要遵照现有的国内实验室生物安全防护等级相关规定，对于空间生物安全等级尚无具体的标准进行规定。因此，合理的划分生物安全等级对于工程中遴选生物样本和明确有效的控制措施具有重要的意义。
2.3空间应用系统生物安全包覆等级的识别与设计
2.3.1空间应用系统生物安全包覆等级的确定工程实践中，在已明确了有效载荷生物安全等级bsl的基础上，需要根据生物安全等级确定相应的包覆设计等级(levelofcontainment，loc)要求。两个重要的原则是:1)生物安全防护的包覆等级不得低于其生物安全等级;2)存在多种微生物的情况下，其包覆等级应根据生物安全等级最高的生物样品来确定。我国空间站空间应用规划了多项有关生物、生命、生态、医学等应用与科学领域实验项目。以当前规划的有关生命科学研究的实验平台为例，确定其初步的生物安全包覆等级，如表3所示。
2.3.2空间生物安全设计准则空间应用载荷生物安全控制的优先级主要包括五个层次(见图4)。工程设计实现过程中，有效载荷研制单位应根据识别出的生物载荷的生物安全等级确定相应的防护设计准则，遵循以下原则:1)生物材料的选择上，应在满足科学实验需求的前提下，尽量选择危害等级低的生物材料和样品;2)生物实验载荷的生物包覆等级应与其生物安全等级相对应，不得低于其生物安全等级;3)对于具有致病性或可能导致设备故障的主要微生物应具有实时监测或者离线检测能力;4)包覆设计应按照最小风险控制或者故障容限，或者两者相结合的设计准则进行设计，如金属结构采用较高的安全系数要求;采用多层密封包覆等;5)包覆设计应考虑最大使用条件下进行设计，并采用试验的方法验证;多层包覆设计时，应对每层包覆手段的有效性进行独立验证;6)采用物理隔离的方式进行包覆设计时，应满足密封设计要求，如所有泄漏路径均采用软密封件，垫片或其他密封材料进行双重密封;金属零件沿着所有接口有两个密封(如盖);流体连接器内部和外部的双道密封;电连接器外部双道密封和引脚周围双密封等;7)采用密封设计时，需要考虑容器材料与有害生物质的相容性设计与验证问题;8)采用多层包覆设计时，应尽量采用组合式包覆形式，即不同形式的隔离方式，如物理隔离与负压相结合，确保各级包覆是相互独立的，不会发生关联失效;样本操作用手套箱采用在手套故障的情况下保持负压的双故障容限的设计等;9)对于有限寿命的生物危害防护措施，如hepa过滤器，应具有有效的寿命预测手段，以便采取定期的更换或者清洗消毒等措施。
2.4空间生物危险的监测空间微生物的监测是实施微生物控制的前提条件。目前对于载人航天工程领域，较为先进的微生物监测技术主要包括以下几项:1)非培养核酸技术(基于pcr聚合酶链反应);2)三磷酸腺苷生物发光技术(atp);3)生物传感器，直接激光检测;4)流式细胞术方法;5)基质辅助激光解析/电离飞行时间质谱(matrix-assistedlaserdesorption/ionizationtimeofflight(maldi-tof)massspectrometry);6)微观方法(microscopicmethods)。传统上，环境和人员的微生物监测主要集中在采用基于培养技术的细菌和真菌。然而，在空间环境中，采用大量的分子、生化和理化实验系统，建立在非培养技术基础之上。采用单一的监测技术往往难以满足微生物监测的需求，因此，在工程实践中，空间科学实验载荷研制单位应根据自身产品的特点，结合各种检测技术的优缺点，合理选用生物检测技术。生物检测技术选用参考表如表4所示。另外，空间科学实验载荷应重点监测bsl-2级以上的微生物。根据国外的经验(iss，mir)[10]，空气中主要的细菌种类为金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌，内表面主要的细菌种类为金黄色葡萄球菌和芽孢杆菌等;真菌主要为青霉属和曲霉。在监测点设置方面，对于密闭的实验培养箱，应从空间应用的需求出发，对于影响实验效果的入口端应设置微生物监控装置，防止舱内空气和水源中的有害微生物影响实验效果;同时对于出口端同样需要设置微生物监控装置，防止科学实验产生的有害微生物污染舱内大气环境和热控管路。
2.5空间应用系统生物安全风险评估国际空间站上，有效载荷生物材料的生物危害风险评估在发射前必须进行，评估生物有害物质的标准包括微生物的特性，感染剂量，微生物的存量、感染途径，以及与实验协议相关的危害。识别出的所有有害微生物被分配一个生物安全等级(bsl)。有效载荷安全审议小组参照bsl为每个有效载荷制定必要的防护等级。空间应用生物安全风险评估的实施流程如图5所示。
3结论
本文在借鉴国外空间站生物安全工程经验的基础上，提出了我国空间应用系统开展科学实验载荷生物安全设计的工程体系，并对生物控制定量要求、空间生物安全等级的识别、空间科学实验载荷的生物安全包覆设计、空间生物危险的监测、空间生物危害风险评估等问题进行了剖析。在我国后续空间站空间应用系统的研制过程中，应结合相关科学实验应用的实际，针对空间生物安全这一影响航天员安全和空间站长期稳定运行的重要安全性问题，开展专门的研究，研究的重点应关注以下几个方面:1)空间应用系统的生物安全指标要求(即最低可接受阈值的确定)。随着在轨驻留时间以及空间应用任务规模的大幅增加，对于空间生物险材料的种类、生物危害的影响、航天员和空间站硬件系统所能承受的阈值等都带来了更大的不确定性。因此，有必要结合未来空间应用系统生物应用的实际需求，针对空间生物安全的指标要求开展更为深入研究。2)空间生物安全等级的识别与确定。生物安全等级划分的正确性和适当性直接影响着后续系统的设计方案与控制措施的有效性和合理性，生物安全防护措施的过设计将造成设计成本的增加和设计实现上的瓶颈，而生物安全防护措施的欠设计则带来难以接受的安全性风险。因此，有必要结合空间站应用系统的建设需求和实际，遴选满足科学实验需求的实验样品和实验项目，准确识别其生物安全等级，为工程设计提供安全、可靠、稳妥的设计基准。3)空间生物安全防护的工程实现问题。根据合理的生物安全等级确定生物安全防护等级(loc)，制定包覆设计准则，对于有效控制空间生物危害和最大限度、最高效地实施空间科学任务具有重要的意义。同时，生物安全防护的工程实践也是空间应用系统中有关生物危害材料选择和科学实验设施、设备研制的重要参考和依据。因此，有必要在空间站空间应用系统研制的早期，紧密结合空间应用系统的建设需求，梳理应用系统生物生态科学相关的科学实验载荷，在合理确定生物安全等级的基础上，研究制定有效的空间生物安全防护的安全性设计准则。
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