载人航天前的准备阶段（１９４８～１９６１年）动物航天实验的目的前苏联和美国在２０世纪４０年代末就开始了动物航天实验。这些实验的目的是：
（１）探查陌生的空间环境，观察空间辐射和微重力等因素对动物的影响，并查明这些因素是否会引起动物损伤性的变化，以推断将人送上天是否有危险，以及如何防止这些危险。
（２）检验载人飞船的发射过程，并对飞船的一些重要系统进行空间实验，确定飞船系统的效能和可靠性，以保证载人航天的顺利进行。
动物航天实验的方式
在载人航天前的准备阶段，动物航天实验的方式主要是生物火箭实验和生物卫星实验。
形形色色的宇航任务（１）生物火箭实验
从２０世纪４０年代末到５０年代的这十多年中，前苏联和美国用火箭将猴、狗和其他动物发射上天，在接近航天的条件下进行了生物医学研究，目的是了解近轨道飞行的环境因素对动物的影响。
美国在１９４８～１９５２年先后发射了８枚生物火箭，飞行的动物是７只麻醉的猴和１４只清醒的小鼠，火箭飞行高度为５８～１３４千米。该实验记录了飞行中猴的心率、呼吸和血压，并拍摄了小鼠的行为。从这些实验中不仅可以了解整个飞行中动物的状态，对载人航天器的设计和改进也提供了科学数据。
例如，１９４８年将一只猴发射到６２千米的高空，可惜的是在返回时由于降落伞系统失火，动物受冲击而死亡。１９５１年９月，将十一只小鼠和一只猴发射到７１千米的高空，由于使用了改进的降落伞回收系统，小鼠都活着顺利回到地面，而猴仍在冲击着陆后死亡。在随后的１９５２年５月发射的两只猴因生命保障系统得到改进而成功地返回地面。１９５８年，美国利用火箭进行了三次载小鼠的亚轨道飞行实验，飞行高度为２２４千米，目的是研究动物在２０～３０分钟失重时间内的生理反应。通过遥测心电说明，小鼠可以耐受整个飞行过程。１９５８～１９５９年，美国利用“丘比特”火箭进行了三次载动物飞行，目的是观察未麻醉的猴在飞行过程中的意识和确定保障生命活动的基本条件。虽然其中的两次飞行没有回收到动物，但采集的遥测资料为以后的载人航天飞行提供了参考数据。
与美国相比，前苏联的空间动物实验处于领先地位，这些实验也为前苏联载人航天的首次发射成功起到了重要的保障作用。在１９４９年以前，苏联就用A—３和A—４系列地理火箭将狗送入空间。
１９４９～１９５２年，前苏联进行了密闭舱生物火箭探测，发射了６枚火箭，飞行高度为１１０千米，有９只狗参加实验，其中三只参加了两次飞行。此实验的目的是检测动物密闭舱的生保系统和回收系统，并了解动物高空飞行时的生理功能和行为状态。飞行结果证明，采用再生气体的密闭舱可以保证两只狗飞行三小时，而飞行综合因素却没有引起动物行为和生理功能的明显改变。
１９５３～１９５６年，前苏联发射了９枚火箭，飞行高度为１１０千米，１２只狗参加实验，记录了狗在飞行中的四大生理指标（呼吸、心率、血压和体温）。目的是研究穿密闭服的动物在非密闭舱内的生理反应以及在不同高度弹射回收动物的安全性。后来飞行结果证明，在非密闭舱中穿着密闭服的动物，在７９～８６千米高度以５６５～７２８米／秒的速度和在３９～４６千米高度以１０２０～１１５０米/秒的速度弹射回收是可行的；在完全和部分失重的情况下，动物的脉搏、呼吸和血压无明显异常。
１９５５～１９６０年，前苏联发射了１１枚火箭，飞行高度为２１２～４５０千米，１４只狗参加实验，部分动物飞行了２～３次。目的是探测更高高度的飞行对动物的影响，研究有关设备与防护措施在保证动物安全中的作用。飞行结果证明，失重对狗的生理功能影响不大，在整个飞行期间，密闭舱提供了维持动物生命的可靠条件；在再入阶段，由于引导伞释放前振动和翻滚产生的多项加速度对狗有严重影响，回收后即刻发现部分狗的肛门、鼻和眼巩膜有出血现象。此结果对载人航天器的发射和返回技术提出了更高的要求。
我国在１９６４～１９６６年成功地发射了T７A—S１和T７A—S２生物探空火箭，先后将狗、大白鼠和小白鼠等动物垂直发射到７０～８０千米高空，用于研究火箭发射过程中的主动段、失重段和返回段环境对动物机体的影响。
研究证明，通过生物火箭实验达到了以下目的：
①获取了火箭在飞行过程中的一些动力学因素（如超重、失重、噪声和振动冲击）对动物生理功能影响的实验资料；②初步了解了高空大气的物理性质和宇宙辐射的强度；③初步解决了密闭舱弹射、回收和安全救生的方法；④研究了密闭舱生命保障系统和防护装置；⑤发展了生物遥测技术。
（２）生物卫星实验
人类首次生物卫星实验是前苏联在１９５７年１１月３日发射第二颗人造地球卫星时进行的。该卫星上携带了一只名叫“莱伊卡”的狗，这也是第一次在轨道上进行的长时间生物医学研究。这次生物卫星实验研究了空间综合因素对高等动物的影响，并考验了从１９５６年开始研制的生保系统和生理遥测系统等飞行装置的效能。因这颗人造地球卫星不能返回地面，“莱伊卡”在消耗完卫星上的氧气后死亡。但此次飞行说明高等动物可以耐受发射和轨道的飞行环境，特别是能在失重环境下生活。
１９６０～１９６１年，前苏联利用可返回地面的卫星式飞船进行了生物研究，先后发射了５艘卫星式飞船，除第一艘外，其他的飞船上都载有动物（狗、大鼠、小鼠、豚鼠、蛙和果蝇等）。在卫星式飞船飞行期间，利用遥测技术记录了狗的四项生理指标，并用舱内的电视摄像机记录了动物的反应和行为。
美国在载人航天前的准备阶段也进行了生物卫星实验，主要以猴和黑猩猩作为实验对象。最后，美国还在“水星”号飞船上进行了载人前的生物飞行实验。１９６１年１月３１日，一只叫做“哈姆”的黑猩猩在“水星”号飞船的座舱内完成了１６分３２秒的亚轨道飞行实验。三个月后，宇航员谢泼德完成了首次载人亚轨道飞行。同年１１月，另一只叫做“埃罗斯”的黑猩猩也乘“水星”号飞船上天，完成了三圈轨道飞行。１９６２年２月２０日，美国宇航员格伦完成了首次载人轨道飞行。
与生物火箭相比，生物卫星飞行的时间更长，而且具有较长时间的失重环境，因此可以获得更多的实验资料。通过在生物卫星上的动物实验，人们进一步消除了上天前的一系列疑虑，排除了空间因素对人体有重大危害的可能性，证实了载人航天的可能性和可靠性。它为载人航天起到了“开路先锋”的作用。
登月前的准备阶段（１９６６～１９７０年）
美国在苏联赢得了载人航天“第一”之后，为了与其进行空间竞赛，制定了“阿波罗”登月计划。与此同时，前苏联也在进行着载人登月的准备。而此阶段开展的航天动物实验就是为配合载人登月任务而开展的。实验的主要目的是研究地球—月球—地球飞行和较长时间飞行时失重、电离辐射与其他因素对动物体的影响，以便为宇航员的登月和更长时间的飞行提供科学依据。
２０世纪６０年代中后期，美国先后发射了６颗生物卫星，由于种种原因只有两次飞行成功，进行实验的动物包括猴、甲虫、寄生蜂和果蝇等。不过，猴未完成原定的３０天飞行，飞行了８天半后就返回地面，回收后１２小时便因心室纤颤而死亡。实验结果也表明，辐射与失重或航天其他因素的综合作用可使果蝇对辐射的敏感性增加。美国在实现载人登月后仍未放弃动物航天实验，１９７３年发射的“阿波罗１７”号飞船还首次进行了哺乳动物与人的结伴飞行，有五只囊鼠与三名宇航员一起飞往月球，并绕月球轨道飞行了数天，其目的是研究高能宇宙粒子辐射对动物大脑的影响。
国际生物医学计划实施阶段
前苏联从１９７０年开始发射以“宇宙”命名的一系列生物卫星，之后还邀请美国、法国、匈牙利、波兰、捷克、保加利亚、罗马尼亚、民主德国等国参加该生物卫星计划。２０世纪７０年代发射的“宇宙”系列卫星中携带的哺乳动物主要是大鼠，而到８０年代后期还增加了猴。“宇宙”生物卫星计划研究的目的是了解短期失重和辐射对动物的影响，以及研究保护动物免受失重影响的方法。
除了在生物卫星上进行研究外，美国、前苏联／俄罗斯和欧洲空间局还利用有人和无人飞船以及空间站、航天飞机等进行了大量的搭载动物实验。例如，前苏联在“卫星１～５”号飞船、“联盟”号飞船、“礼炮”号空间站与“和平”号空间站中都进行过动物实验。动物实验研究的范围很广，包括遗传学、胚胎学、细胞学、组织学、形态学、解剖学、生理学、生物化学、行为学、放射生物学等。研究的结果不仅证实了以前短期航天飞行时所观察到的一些生物现象，而且还获得了一些新的发现。宇航员的工作载人航天是为了探索宇宙空间，开发和利用宇宙空间独有的资源为人类服务。宇航员上天当然也离不开这些目的，宇航员在太空飞行期间要按照预先在地面上编好的工作程序一步步去工作。如果一项工作没完成，就会影响到下一项工作；所以，宇航员在天上的工作是相当紧张的。
那么，宇航员在天上到底有哪些工作要做呢？由于宇航员在太空中的任务很多，不可能在一次飞行中完成所有的任务，所以每一次飞行都有自己的侧重点。每次飞行的任务量与宇航员在太空中停留的时间有很大关系，飞行时间少的，工作内容就少。下面以航天飞机和国际空间站的宇航员为例，来说明宇航员在太空中的工作。
航天飞机宇航员在飞行中的主要工作
其实，研究人员在设计航天飞机时，便已确定它在太空中一次飞行时间不超过两个半星期。航天飞机宇航员在这时期的主要工作是：
（１）保证航天飞机的正常运行
宇航员在太空的首要任务是要保证航天飞机的正常运行，这样才能执行其他的任务。例如，要进行航天器控制的常规操作，维修航天飞机生活舱或工作舱内的仪器、仪表系统，定期向地面通报航天器运行状况和自身的身体状况等。
（２）释放卫星和回收卫星
宇航员在太空可以释放卫星或利用航天器上的机械臂将有故障的卫星“抓”回来，并进行维修。也许航天飞机有史以来发射的最有名的卫星要算“哈勃”太空望远镜了。航天飞机后来曾经三次回到太空为“哈勃”更换部件。在更换部件前，一名宇航员必须用航天飞机上的机械手将它捕获，运送到有效载荷舱内。宇航员进入有效载荷舱，爬上“哈勃”太空望远镜，安装新部件。当地面控制人员确信“哈勃”望远镜运行状态良好后，再由机械臂将它释放回太空。
（３）进行科学试验
宇航员在太空可以利用空间的特殊环境进行很多科学实验，具体地说，包括以下三部分内容：
①空间生命科学试验。观察宇航员在失重环境下机体出现的生理、生化变化，探讨其机理和验证防护措施的有效性；研究动物和植物在太空环境中的生长、发育和变异等。
②空间科学的研究。宇航员在航天器上可以操作各种观察和测量设备，对地球环境、太阳、月球面、地球磁场、电离层、大气层等进行深层次的观察与研究，通过载人航天器上的天文望远镜，进一步揭示天体的真实面貌。
③对地球进行观察。宇航员利用远离地球的有利条件，可对地球表面进行全面的观察、摄影和光谱测定。通过这些工作，收集有关地球自然资源、地质地貌、大气层状态、耕地季节变化、世界海洋变化、水生生物状态、沙漠植被作物覆盖、森林的覆盖与储量等信息。
（４）太空生产
在太空中还可以利用太空独特的失重环境，研究、加工和生产在地球上不能生产的、性能优良的新材料和新产品。宇航员在天上操纵“合金”和“结晶”的电加热炉，便可制取非常纯的半导体材料砷化锢和砷化镓。它们的经济价值很高，估计每千克价值可达１００万美元。空间制药和生物制品可以大大提高药品的纯度和产量。据推测，目前能在天上生产的药品多达三四十种。在天上生产药物一个月的产量可相当于地球上同样设备２０年的产量。
（５）组装国际空间站
国际空间站是有史以来规模最庞大、设施最先进的“人造天宫”。据资料显示，国际空间站总质量可达４００多吨，大致相当于两个足球场大小。这个庞然大物是不可能在地面组装好发射到太空的，它采用的是桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他各种服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站。而组装国际空间站的任务则落到美国航天飞机和俄罗斯“联盟”号宇航员身上。他们必须将组装的部件送上太空，并进行舱外活动，将它们组装起来。通过宇航员的工作，国际空间站建成了“曙光”、“星辰”等６个舱以及机械臂和太阳能电池等外部设施。在２０００年１１月２日，首批三名宇航员进驻空间站，现在在国际空间站的是第九批长期考察组。
国际空间站宇航员的任务
国际空间站与航天飞机的最大不同点是，它可以长时间地环绕着地球运行。按照设计，国际空间站的寿命是１５年。在国际空间站上的宇航员可以长时间地生活在太空，地面将不断地派遣长期考察组进入国际空间站，并停留较长时间。他们在太空的工作内容基本上类似于航天飞机上的宇航员，不同考察组的工作有其侧重面。例如，国际空间站第一长期考察组的任务是：
（１）安装和调试空间站上的现有设备和陆续到达的新设备，将目前对接在一起的“恒星”号服务舱、“曙光”号功能货舱和“团结”号节点舱的电脑连成统一的电脑系统，并对这些设备和系统进行测试；负责搬运“进步”号货运飞船和航天飞机运来的仪器等货物，并将它们安置在相关舱室的相应位置。
（２）完成涉及医学、生物学和工艺技术等方面的２３项科研项目。
（３）进行出舱活动，完成一些组装工作及国际空间站各部分之间电力和通信线路的连接工作等。
由于宇航员在国际空间站停留的时间长，他们可以进行更长时间、更深入的科学研究。例如，在进行失重对人体影响的研究时，在航天飞机中，只能观察短期失重对人体的影响，而在国际空间站上可以观察长期失重对人体的影响，并且由于空间站上实验设备齐全，宇航员们可以进行更深入的研究。
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