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來源：互聯網

希望號（英文名：Hope，日語：Kibō），是日本太空實驗艙（Japanese Experiment Module，JEM），由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）于2001年9月制造完成，希望號實驗艙是日本有史以來第一座連接到空間站上的載人太空艙，是國際太空站上最大的艙組。

希望號的研制工作開始于1984年。2005年9月，希望號實驗艙建造完畢，在筑波航天中心接受整體測試，2006年5月，希望號的增壓艙運往美國肯尼迪航天中心，8月末進行了增壓艙與節點艙（模擬裝置）的集成試驗。2008年3月11日，日本希望號太空艙隨著美國航空航天局奮進號航天飛機自佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空，前往國際空間站，該次升空的是實驗艙的艙內保管室。5月31日，發現號航天飛機攜帶了希望號實驗艙的巨大核心單元——日本加壓艙（JPM）升空。2009年7月15日，美國奮進號航天飛機將希望號日本實驗艙（JEM）的曝露設施（EF）送入太空，此后，希望號開始全面運行。

希望號實驗艙整體由五部分組成：“加壓模組”（Pressurized Module，PM），長11.2米、直徑4.4米，是希望號的核心模組； “曝露設施”（Exposed Facility，EF），又被稱為“平臺”，是一個實驗平臺，被固定在加壓模組外部； “實驗后勤模組”（Experiment Logistics Module，ELM），包含加壓部分（ELM-PS）和不加壓部分（ELM-ES），主要做為儲藏和移動物品使用；“遙控操縱系統”（Remote Manipulator System，JEMRMS），包括可以移動7噸重物的主機械臂，在有需要時，還可以接入一個小機械臂，來完成精細作業。希望號執行各種任務，包括微重力環境下的科學實驗、利用空間站外部環境進行的空間觀測、在軌釋放衛星等。

歷史沿革

研制歷程

希望號的研制工作開始于1984年，總研制費用27.2億美元。在發展初期，日本克服了經驗不足等多方面的困難，其中最重要的是解決了加壓艙的防火，減壓病和有害氣體泄矚等安全問題。由于太空中沒有重力，空氣的循環無法自然進行，因此需要為希望號設計特殊的通風系統。日本科研人員在決定采用分布式系統還是集中式系統方面費了不少周折。整個實驗艙段的各種設備的電功率達到了6千瓦，工作時會產生大量的熱，所以冷卻系統必須具有很高的效率，為此科研人員設計了一種水冷系統。設備界面與空間站其他部分的兼容問題也是設計希望號時遭遇的一大挑戰，包括安裝美國實驗臺架等。

作為提供實驗臺架空間的回報，美國為希望號提供電力系統，井負責回收變熱的制冷水。在完成設計發展工作后，日本宣布“希望’號的設計壽命僅為10年。但日本宇宙航空研究開發機構（JAxA）的有關官員表示，希望號的大多數元器件都可以在軌更換，從而能夠將壽命延長到15～20年。無法更換的水管和電纜將最終限制希望號的最長壽命。按照原計劃，希望號實驗艙會于1998年完成地面總裝和測試，2000年左右用航天飛機送上國際空間站。但直到2000年9月，“希望號”的艙內實驗室才宣布完工，并被立即運往筑波宇宙中心以進行整體實驗。

發展歷程

2005年7月25日，日本宇宙航空研究開發機構在美國國家航空和航天局肯尼迪宇航中心，向外界展示了作為國際空間站一部分的日本希望號實驗艙的艙內實驗室。2005年9月，希望號實驗艙建造完畢，在筑波航天中心接受整體測試。

2006年5月，增壓艙運往美國肯尼迪航天中心。同月，日本確定隨希望號實驗艙第一部分升空的宇航員，時年51歲的土井隆雄，他會在太空停留2周，之后隨航天飛機一起返航，其間，他將在空間站完成保管室的組裝工作。8月末進行了增壓艙與節點艙（模擬裝置）的集成試驗。10月4~5日，筑波航天中心、約翰遜航天中心和肯尼迪航天中心聯合進行了端對端模擬試驗。希望號實驗艙預定于2007年至2008年由航天飛機分3批攜帶至國際空間站并進行組裝。

2008年3月11日，日本希望號太空艙隨著美國航空航天局奮進號航天飛機自佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射升空，前往國際空間站。該次升空的是實驗艙的艙內保管室，重4.2噸，長3.9米。5月31日，日本希望號（Kibo）實驗艙的主要組件正由NASA發現號航天飛機運往國際空間站，“發現號”航天飛機攜帶了希望號實驗艙的巨大核心單元——日本加壓艙（JPM），這個單元將成為國際空間站上最大的獨立實驗艙，長11.2米。

2008年6月3日，發現號航天飛機機組兩名宇航員在國際空間站上出艙太空行走，成功將重15噸，價值10億美元的日本希望號實驗艙的加壓艙段安裝到空間站的預定位置。“希望號”成為國際空間站最大的艙體，用于進行生物醫學和材料學的研究。

2009年7月15日，美國奮進號航天飛機從肯尼迪航天中心39A發射臺升空，并將希望號日本實驗艙（JEM）的曝露設施（EF）送入太空。此后，該實驗艙開始全面運行。希望號實驗艙執行各種任務，包括微重力環境下的科學實驗、利用空間站外部環境進行的空間觀測、在軌釋放衛星等。

2013年11月，正在國際空間站值守的日本宇航員若田光一從日本的希望號實驗艙向宇宙空間釋放了3顆超小型衛星。其中一顆是日本東京大學與越南國立衛星中心共同開發的超小型衛星“Pico-Dragon”，它是邊長約10厘米的立方體，重約1公斤。若田光一利用機械臂將裝在箱子內的衛星移動到釋放地點，利用彈簧的力量，將衛星向國際空間站前進的反方向彈出。同時釋放的還有美國航空航天局選出的兩顆超小型衛星。

2019年11月，日本巴斯庫爾公司（Bascule）、日本衛星公司（JSAT）及JAXA聯合宣布，于2020年在希望號實驗艙設立太空直播站，正式啟動太空媒體業務，并將分3個階段進行，階段1（2020年）：開設希望號實驗艙太空直播站，在太空和地面之間實現實時通信和雙向互動直播；階段2（2021年）：在視頻放送中使用VR/AR技術，實現希望號實驗艙艙外超高質量直播系統；階段3（2022年）：開發一種新型通信系統，提供太空和地面間超高質量視頻直播及流媒體傳輸服務。

2020年6月，日本JAXA發布面向2030年的希望號實驗艙應用戰略，戰略制定了至2024年和2025~2030年希望號實驗艙的應用計劃。其一，至2024年，利用希望號實驗艙持續開展空間研究和應用活動，靈活運用機器人、遠程操控和人工智能等技術，實現空間研究和應用自動化。將小動物培育和分析技術、蛋白質結晶和分析技術、靜電懸浮技術等日本自主研發技術向其他國家推廣，使其成為國際通用的標準方法。研發超長載人空間駐留和探索所必須的關鍵技術，研究空間環境對人體的影響，包括失重、輻射、精神和心理變化等。參與美國主導的月球探索計劃，力爭讓日本航天員登上月球。宣傳日本民間企業參與釋放超小型衛星、開展艙外實驗的成功案例，吸引民間企業參與航天活動并向其移交相關業務。參考美國國家實驗室，發展日本本國的研發平臺，并且運用多種方式向民間擴大開放，實現民間企業獨立運營。其二，2025~2030年，利用希望號實驗艙繼續開展相關技術研發。推動民間力量獨立開展近地軌道活動，JAXA將通過采購企業服務的方式繼續使用空間環境，并探討在月球“門戶”開展實驗和研究。

日本時間2021年3月14日，宇航員野口聰一正逗留的國際空間站內日本希望號實驗艙向太空釋放了包括南美巴拉圭首顆人造衛星在內的8顆衛星。巴拉圭的人造衛星除了拍攝地球畫面和通信試驗外，還將收集在該國成為傳染病原因的昆蟲生息地分布數據。

基本設計

希望號實驗艙最多可容納4人，它由艙內保管室、艙內實驗室、艙外實驗平臺、艙外集裝架、機械臂和通信系統6大部分組成。也可表述為希望號實驗艙整體由五部分組成：加壓模組（PM）、實驗后勤模組-加壓部分（ELM-PS）、曝露設施（EF）、實驗后勤模組-不加壓部分（ELM-ES）、遙控操縱系統（JEMRMS）。

艙內保管室又稱實驗后勤模組，包括加壓部分（ELM-PS）和不加壓部分，加壓部分這個模組主要用作儲存區域。它可以與加壓模組對接，還可以由航天飛船運回地球裝載新的物資。實驗后勤模組的加壓部分長3.9米，直徑4.4米，自重4.2噸。

實驗后勤模組-不加壓部分（ELM-ES）：這個外部倉庫被固定在曝露設施上，長4.2米，寬4.9米。可以借助機械臂，將HTV貨運飛船不加壓貨架托盤上的貨物卸載到實驗艙模組的不加壓部分。該模組在第一次服役時（STS-127飛行任務）用來運輸實驗物品，完成任務后被航天飛機帶回了地球，并不長期停留在軌道上。

艙內實驗室又稱加壓模組（PM），是希望號的核心模組，航天員在這里完成實驗，在希望號柱狀艙體的正面，有一個小的氣密艙，可以為曝露設施中進行的實驗提供保障。由三菱重工名古屋市航空航天系統制造廠完成，是一個外徑4.4米、內徑4.2米、長11.2米的圓筒狀設備。實驗室內的氣體成分和地表大氣幾乎相同，保持著1個標準大氣壓以及便于宇航員活動的溫度和濕度，所以宇航員可以身穿普通衣服在實驗室內工作。實驗室重152噸，耗資380億日元。在這座實驗室里，安裝實驗設備和空調器等控制裝置以及通信器材、電力供應裝置等，可供4名宇航員進行新材料和生物技術等各種科學技術實驗研究活動，艙外安裝有機械臂，能夠通過遙控實施艙外作業。

艙外實驗平臺又稱曝露設施（EF），質量約4噸，實際上是一個長6米、寬5米的外部平臺，以在空間環境進行科學試驗，通信試驗和材料試驗等。外部平臺上設有10個可安裝實驗設備的臺架，每個長1.85米、寬0.8米、質量500千克。艙外實驗平臺可利用宇宙微重力、高真空等特殊條件進行地球觀測、通信、材料實驗等研究。?艙外集裝架是向艙外實驗平臺運送以及回收實驗設備的過渡平臺。

日本實驗艙遙控操縱系統（JEMRMS）由主機械臂和子臂兩大部分組成，主機械臂長9.9米、最多可以移動7噸重物，在有需要時，還可以接入一個小機械臂，來完成精細作業。宇航員可在艙內實驗室里利用監視器，通過操縱臺控制機械臂工作。

應用及成果

科學領域

科學領域的應用是在實驗艙內實施的應用，包括兩方面：一方面是與物質科學有關的研究，利用希望號上的微重力環境對在地面條件下研究存在困難的物質凝同機理、流體運動等基礎現象進行研究，其研究成果有潛力應用于改良半導體材料的制造工藝；另一個方面是與生命科學相關的研究，研究生物對于不同于地面環境的適應能力和生物是如何利用重力的。科學領域的應用研究是最早開展的，因此也是研究課題最多的。如：橫浜國立大學關于“馬拉格尼對流中的端流及它的轉變過程”的課題研究；北海道大學關于“有生物聚合物存在下的冰晶體生成”的課題研究等。

如解析太空中生物細胞的形態變化及其原因時，研究發現非洲蟾蜍的腎臟細胞在地面培養時細胞中會形成一些半球形的突起結構，但是在太空的微重力環境中培養就無法形成這種結構，而在太空中模擬的1g重力環境下會形成比地面上更小、數量更多的突起結構。經過基因層面的分析，發現了以下3個現象：一是形成突起結構的基因沒能正常工作；二是致癌基因異常活躍；三是地面上沒有被發現的基因被激活。特別值得關注的是第三點發現了地面上沒有被發現的基因，這暗示這些基因在可能在很久以前是起作用的。

艙外平臺的應用

艙外平臺的應用是利用艙外平臺在太空中的暴露環境進行理工學實驗、材料實驗和對天對地觀測。如京都大學關于“地球超高層大氣攝像觀測裝置”實驗課題的研究等。艙外平臺還可以釋放超小衛星。希望號是ISS各個艙段中唯一既配備氣閘又配備機械臂的艙段，可用其釋放超小衛星。從空間站直接釋放超小衛星有三大好處：借利用軌道運輸飛行器（HTV3）向空間站運送貨物的機會將超小衛星運送到空間站，尋機釋放超小衛星，拓寬了發射渠道，提供了更多發射機會；這種方式向軌道釋放衛星時振動等環境影響不嚴重；在空間站上可由航天員在小衛星釋放前對其進行必要檢測，減少在軌故障，確保衛星完成任務。如2012年10月4日、5日，希望號實驗艙分兩次釋放了5顆超小衛星。這種利用空間站艙外平臺釋放多顆超小衛星的方法是世界上首次采用。

產業化應用

產業化應用的目的在于把太空中獲得的實驗成果轉化為地面產品。已證實在生成蛋白質晶體和制造納米材料領域所獲得的相關太空實驗成果可有效的應用于產業。蛋白質構造需要使用質量很高的蛋白質晶體，但由于受到對流和下沉的影響，地面上很難取得高質量的晶體，而太空微重力環境的實驗條件就較容易生成高質量的晶體。大阪生物科學研究所的研究組在希望號中培育出了能引起肌肉萎縮癥的蛋白質高品質晶體，通過解析這種蛋白質的結構合成了可以結合這種蛋白質的化合物，準備把這種化合物研制成藥品推向市場。以橫濱大學為代表的研究組通過解析病毒中PBP4蛋白質的高品質晶體，開發了能與PBP4蛋白質相結合的化合物，計劃開發成藥品。高品質蛋白質除可用于醫藥，還可用于環保和能源問題。JAXA通過太空實驗合成了耐綸寡聚物的分解催化物高品質晶體，這項成果將使塑料分解變得更容易。JAXA通過太空實驗開發出可以分解纖維素的催化劑（纖維素是植物細胞壁的主要成分），這種技術能使用非糧食作物的植物產生生物能源。

航天醫學及載人技術

航天醫學及載人技術是為了給未來的載人活動儲備健康管理和載人航天技術。除臨床醫學外，JAXA著眼于空間站未來的長期載人任務，開始基礎醫學即宇宙醫學生物學的研究。如已經完成的“測量宇宙放射線的“瑪特羅什卡”實驗，是日本、歐洲和俄羅斯合作的實驗，主要研究在成年男性的人體模型內安裝被動型輻射劑量測量儀后放置于希望號的艙內F2機柜中大約10個月時間，測量儀被帶回地面后進行解析，評估航天員長期滯留空間站后體內受到的輻射劑量。

文化教育應用

文化和教育的應用目的是喚起日本國民對科學技術和航天開發的關注，讓國民也可參與到希望號的應用中來。希望號第一期教育方面的應用包括把一些植物種子和水蚤卵裝載到希望號上，一段時間后返回地面，分發給學校和科學館，去比較它們在地面環境中和太空中生長的不同。文化應用的課題由選定委員會選出。

有償應用

JAXA根據日本宇宙開發委員會應用分會的報告提出有償應用的方法。在第一期應用階段前進行早期應用的公開招標，通過公開招標選出希望號有償應用的窗口企業，這些窗口企業向希望號購買應用資源，然后向實際應用的企業提供有償服務，比如把白酒的曲霉屬帶入太空，經培養后再帶回地面，成為帶有太空燒酒標志的產品等。

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