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载人飞船是人类进入地外空间的运载工具，也是人类地外生存空间的第一站，在广阔的宇宙空间里为人类提供了必要的生存环境。
（1）东方号
苏联最早的载人飞船系列是“东方号”，每艘只能乘坐一名航天员，共发射 6艘。该系列飞船的设计源自天顶号卫星系列，采用两舱式结构，东方号飞船由密封座舱（2 400 kg）和工作舱组成，重约 4 730 kg。球形座舱直径为 2.3 m,能乘坐 1 名航天员，舱壁上有 3 个舷窗。舱外表面覆盖了一层防热材料。座舱内有可供飞行10 昼夜的生命保障系统、弹射座椅和无线电、光学、导航等仪器设备。东方号飞船在返回前抛掉末级运载火箭和仪器舱，座舱单独再入大气层。当座舱下降到离地面约 7 km高度时，航天员弹出飞船座舱，借助降落伞单独着陆。仪器舱位于座舱后，舱内装有化学电池、返回反推火箭和其他辅助设备。东方号飞船既可自动控制，也可由航天员手动控制。飞船飞行轨道的近地点约为 180 km,远地点为 222 ~327 km,倾角约 65°，周期约 89 min。
1961 年 4 月 12 日，世界上第一艘载人飞船“东方 1 号”飞上太空。苏联航天员尤里·加加林乘飞船绕地球飞行 108 min后安全返回地面，成为世界上进入太空飞行的第一人。1963 年 6 月 16 日，苏联的捷列什科娃乘“东方 6 号”飞船进入太空，成为世界上第一位女航天员。
（2）上升号
上升号宇宙飞船是苏联第二代载人飞船，这一系列飞船在 1964—1965 年间共发射了 2 艘。
上升号载人飞船是以东方号飞船为基础改造而成的，其形状和尺寸大体上与东方号相似，长约 5 m,直径 2.4 m,重约 5.5 t,舱内自由空间 1.6 m 3 。和东方号载人飞船相比，其主要变化有：
①为了能容纳 3 名航天员，去掉了弹射座椅，换上了 3 个带有减震器的座椅，但即使这样 3 个人穿着航天服也挤不进去，为此把航天服改成了普通飞行服。
②去掉弹射座椅后，将着陆方式改为座舱整体着陆，主伞由两具面积为 574 m 2 的伞组成。座舱增加了着陆缓冲器，当飞船距地面 1 m时，由触杆式触地开关控制缓冲火箭点火，实现软着陆。
③为了实现出舱活动，增加了一个可伸缩气闸舱。气闸舱收缩后高度为0.7 m,伸长后高度为 2.5 m,内径 1 m。有两个闸门：一个与飞船相连；另一个与外界相通。出舱活动完成后，将其抛掉。
④将生命保障系统的 10 天储备减为 3 天。
（3）联盟号
该系列飞船自 20 世纪 60 年代首飞，目前仍在使用。联盟号飞船是苏联继东方号飞船与上升号飞船之后自行研制的第三款载人飞船，是目前世界上服役时间最长、发射频率最高，同时也是可靠性最好的载人飞船，其设计目的原本是作为苏联载人登月计划中的地月往返工具，然而，由于苏联后来取消了登月计划，联盟号的活动范围就此被限制在地球轨道。1991 年，苏联解体后，联盟号的制造与发射转由俄罗斯联邦航天局掌握，主要负责对和平号空间站与国际空间站的人员运输和物资补给。2011 年，隶属美国国家航空航天局（简称“NASA”）的航天飞机全线退役后，联盟号飞船成了宇航员往返国际空间站的唯一运输工具。联盟号飞船的改进型号众多，其衍生出的其他航天器包括探测器号、联盟号T、联盟号TM、联盟号TMA、联盟号MS及进步号货运飞船等。
（1）水星号
水星号飞船由逃逸部分、天线舱、回收舱和乘员舱四大部分组成。实际上真正的飞船只有一个舱段，即乘员舱，其他部分都是辅助设备。水星号飞船长 2.9 m,呈锥形，重 1.3 ~ 1.8 t,每艘飞船都有所变化和改进。美国人对载人飞船的研制从总体技术的掌握方面要落后于俄罗斯，在他们发射的 25 艘水星号飞船中载人的只有 6 次，而在这 6 次中真正进行轨道飞行的只有 4 次，其他的都是进行各种无人飞行试验。在发射中他们选择了不同的运载火箭，从中找出最佳的配置方案。第一颗水星无人飞船是 1959 年 8 月 21 日用“小兵”运载火箭发射的，实际上是一个金属模型，主要验证飞船的发射和回收技术。美国飞船的回收和俄罗斯不同，可能是国土面积的原因，俄罗斯面积大，所以它的回收选在陆地上，而美国则选在开阔的海面上。
（2）双子星座号
1965 年投入使用的“双子星座”飞船是美国第二代飞船。双子星座号是两舱式飞船，由座舱和服务舱组成，形状与第一代飞船“水星号飞船”相似，呈长圆锥形，高 5.6 m,最大直径 3.1 m,重 3.2 ~ 3.8 t,可乘坐两名航天员。
“双子星座”的座舱分密封和非密封两个部分，密封装有显示仪表、控制设备、废物处理装置和两把弹射座椅以及食物和水；非密封装有无线电设备、生命保障系统和降落伞等，全长 3.4 m,最大直径 2.3 m,航天员活动空间 2.55 m 3 ，总重 1 982 kg。座舱前端还有交会对接用的雷达和对接装置，座舱底部覆盖再入防热材料。其服务舱分上舱和下舱两个部分，上舱装有 4 台制动发动机，下舱有轨道发动机及燃料、轨道通信设备、电池等，全长 1.4 m,最大直径 3.05 m,重 1 278 kg,其中，环控生命保障系统重 117 kg。由于服务舱内壁有许多流动冷却液的管子，因此该舱又是一个空间热辐射器。“双子星座”飞船在返回前先抛弃服务舱下舱。然后点燃 4台制动火箭，再扔上舱。座舱再入大气层后，下降到低空时打开降落伞，航天员与座舱一起在海面上溅落。
（3）阿波罗号
阿波罗号飞船是美国第三代载人宇宙飞船系列。1966—1972 年共发射 17 艘:1 ~ 3 号为模拟飞船,4 ~ 6 号为不载人飞船,7 ~ 10 号为绕地球或月球轨道飞行的载人飞船,11 ~ 17 号为载人登月飞船。
飞船总重 45 t,由指挥舱、服务舱和登月舱三大部分组成。指挥舱呈圆锥形，是飞船的主体，宇航员生活和工作的地方。舱内装有各种控制操纵仪器、宇航员的装备、食物、水和废物处理设备等。服务舱为圆筒形，紧连指挥舱下面，是飞船的机房和仓库，主火箭、燃料、电源装置和氧、水等供应品统统都在这里。飞船进入月球轨道、绕月飞行时变轨以及返回地球时脱离月球轨道都靠主火箭的推力来实现。登月舱的形状犹如一个 4 条腿的怪物，是载人登月的专用设备，分下降段和上升段两大部分，各自配备有发动机。起飞时，登月舱装在服务舱下面的铝壳内，在进入奔月轨道后，从壳中出来被对接在整个飞船的最前面。它能够把两名宇航员送到月球表面。上升段里有生命保障系统、通信设备和电源设备。在登月过程中，两名宇航员在月面完成任务后，上升段发动机使他们飞离月面。在“阿波罗 15 号”至“阿波罗 17 号”飞船中还带有一辆月球车。车上有电视摄像机、无线电收发机和测量仪器，宇航员乘坐它在月面上考察。
神舟飞船结构分为轨道舱、返回舱、推进舱、附加段 4 个部分。
神舟飞船的轨道舱是一个圆柱体，总长 2.8 m,最大直径 2.27 m,一端与返回舱相通，另一端与空间对接机构连接。轨道舱被称为“多功能厅”，因为几名航天员除了升空和返回时要进入返回舱外，其余时间都在轨道舱中。轨道舱集工作、吃饭、睡觉和清洁等诸多功能于一体。为了使轨道舱在独自飞行的阶段可以获得电力，在轨道舱的两侧安装了太阳电池板翼，每块太阳翼除去三角部分面积为2.0 m×3.4 m,轨道舱自由飞行时，可以由它提供 0.5 kW以上的电力。轨道舱尾部有 4 组小的推进发动机，每组 4 个，为飞船提供辅助推力和与轨道舱分离后继续保持轨道运动的能力；轨道舱一侧靠近返回舱部分有一个圆形的舱门，为航天员进出轨道舱提供了通道，不过，该舱门的最大直径仅 65 cm,只有身体灵巧、受过专门训练的人，才能自由进出。舱门的上面有轨道舱的观察窗。轨道舱是飞船进入轨道后航天员工作、生活的场所。舱内除备有食物、饮水和大小便收集器等生活装置外，还有空间应用和科学试验用的仪器设备。返回舱返回后，轨道舱相当于一颗对地观察卫星或太空实验室，它将继续留在轨道上工作半年左右。轨道舱留轨利用是中国飞船的一大特色，俄罗斯和美国飞船的轨道舱和返回舱分离后，一般是废弃不用的。
返回舱又称为座舱，长 2.00 m,直径 2.40 m。它是航天员的“驾驶室”，是航天员往返太空时乘坐的舱段，为密闭结构，前端有舱门。神舟飞船的返回舱呈钟形，有舱门与轨道舱相连。返回舱是飞船的指挥控制中心，内设可供 3 名航天员斜躺的座椅，供航天员起飞、上升和返回阶段乘坐。座椅前下方是仪表板、手控操纵手柄和光学瞄准镜等，显示飞船上各系统机器设备的状况。航天员通过这些仪表进行监视，并在必要时控制飞船上系统机器设备的工作。轨道舱和返回舱均为密闭舱段，内有环境控制和生命保障系统，确保舱内充满一个大气压力的氧氮混合气体，并将温度和湿度调节到人体合适的范围，确保航天员在整个飞行任务过程中的生命安全。另外，舱内还安装了供着陆用的主、备两具降落伞。神舟飞船的返回舱侧壁上开设了两个圆形窗口：一个用于航天员观测窗外的情景；另一个供航天员操作光学瞄准镜观测地面驾驶飞船。返回舱的底座是金属架层密封结构，上面安装了返回舱的仪器设备，该底座轻便且十分坚固，在返回舱返回地面进入大气层时，保护返回舱不被炙热的大气烧毁。
推进舱又称为仪器舱或设备舱。推进舱长 3.05 m,直径 2.50 m,底部直径2.80 m。安装推进系统、电源、轨道制动，并为航天员提供氧气和水。推进舱呈圆柱形，内部装载推进系统的发动机和推进剂，为飞船提供调整姿态和轨道以及制动减速所需的动力，还有电源、环境控制和通信等系统的部分设备。两侧各有一对太阳翼，除去三角部分，太阳翼的面积为 2.0 m×7.5 m。与前面轨道舱的电池翼加起来，产生的电力将 3 倍于联盟号，平均 1.5 kW以上，相当于富康AX新浪潮汽车的电源所提供的功率。这几块电池翼除了提供的电力较大外，还可以绕连接点转动，这样不管飞船怎样运动，它始终可以保持最佳方向获得最大电力，免去了“翘向太阳”所要进行的大量机动，这样可以在保证太阳电池阵对日定向的同时进行飞船对地的不间断观测。
设备舱的尾部是飞船的推进系统。主推进系统由 4 个大型的主发动机组成，它们位于推进舱的底部正中。在推进舱侧裙内四周又分别布置了 4 对纠正姿态用的小推进器，说它们小是和主推进器相比较而言，与其他辅助推进器相比则大很多。另外，推进舱侧裙外还有辅助用的小型推进器。
附加段也称为过渡段，是为了将来与另一艘飞船或空间站交会对接做准备用的。在载人飞行及交会对接前，附加段也可以安装各种仪器用于空间探测。
空间站是一种在近地轨道长时间运行、可供多名航天员巡访、长期工作和生活的载人航天器。空间站分为单模块空间站和多模块空间站两种。单模块空间站可由航天运载器一次发射入轨。多模块空间站则由航天运载器分批将各模块送入轨道，在太空中将各模块组装而成。
礼炮号系列空间站由苏联建造，其中，“礼炮 1 号”是人类的第一个空间站。它们的任务是完成天体物理学、航天医学、航天生物学等方面广泛的科研计划，考察地球自然资源和进行长期失重条件下的技术实验。自 1971 年 4 月 19 日至 1982年 4 月 11 日，苏联一共发射了 7 座礼炮号空间站。前 5 座只有一个对接口，即只能与一艘飞船对接飞行。因空间站上携带的食品、氧气、燃料等储备有限，在太空的使用寿命都不长。经过改进的“礼炮 6 号”和“7 号”空间站为第二代，增加了一个对接口，除接待联盟号载入飞船外，还可与进步号货运飞船对接，用以补给宇航员生活所需的各种用品，上述三者组成航天复合体，是从事宇宙物理、地球大气现象、医学—生物学、地球资源调查等各种科学研究和工艺试验的航天实验室。1977年 9 月 29 日发射上天的“礼炮 6 号”空间站，在太空飞行近 5 年，共接待 18 艘联盟号和联盟T号载人飞船。有 16 批 33 名宇航员到站上工作，累计载人飞行 176 天。其中,1980 年宇航员波波夫和柳明创造了在空间站飞行 185 天的纪录。1982 年 4月 19 日“礼炮 7 号”空间站进入轨道飞行，接待了联盟T号飞船的 11 批 28 名宇航员，其中包括第一位进行太空行走的女宇航员萨维茨卡娅。特别是 1984 年 3 名宇航员基齐姆、索洛维约夫和阿季科夫在空间站创造了 237 天的飞行纪录。“礼炮 7号”空间站载人飞行累计达 800 多天，直到 1986 年 8 月才停止载人飞行。
天空实验室是美国的空间站,1973 年由两级土星 5 号运载火箭发射入轨，同年，先后发射了 3 艘阿波罗号飞船（即阿波罗号飞船）的指挥-服务舱与其交会对接，每次送去 3 名航天员。
天空实验室是美国的第一个试验型空间站，天空实验室是通过两次发射对接而成的。先利用运载火箭把装配好的工作舱、过渡舱、对接舱和太阳能望远镜送入轨道，随后再用运载火箭把乘有 3 名宇航员的阿波罗飞船送入轨道，使飞船和对接舱对接，组成完整的实验室。
工作舱是天空实验室的基本部位，是宇航员主要的工作和生活舱室。舱内设有环境控制系统，它能给宇航员提供舒适的环境，保持室温为 15.6 ~ 20 ℃ 。太阳能望远镜是天空实验室上的一个天文台，可以拍摄太阳的紫外光线和X射线等，获得精美的日冕照片。在天空实验室里有作业室兼实验室、食堂、寝室、厕所等。天空实验室全长 36 m,最大直径 6.7 m,质量约 77 t,包括轨道舱、气闸舱、对接舱、太阳能望远镜等，可提供 360 m 3 的工作场所。
“天空实验室”具有 368 m 3 的容积，有 11 个食品贮藏器和 5 个食品冷冻器，可贮藏907 kg食品，不同种类的冷热食品分装在金属盒内。另外，卫生设施也大为改善，有沐浴、香皂、毛巾等。
空间站的最大部分，这是一个“二层小楼”，下层供宇航员生活起居和进行一些实验工作，上层有一个大的工作区和贮水箱、存放食物箱、冷冻箱以及实验设备、用品。
和平号空间站（俄语：Мир，兼有“和平”与“世界”之意）是苏联建造的一个轨道空间站，苏联解体后归俄罗斯。它是人类首个可长期居住的空间研究中心，同时也是首个第三代空间站，经过数年由多个模块在轨道上组装而成。
和平号对接着 7 个不同的模块，分批由质子-K运载火箭发射升空。除了对接舱，这个是由亚特兰蒂斯号带上天空的。
核心模块:1986 年 2 月 19 日发射，搭载质子-K运载火箭（重 20 100 kg）。功能包括主要生活区和所有其他模块对接的核心站。
量子 1 号:1987 年 3 月 31 日发射，搭载质子-K运载火箭。1987 年 4 月 9 日对接。重 10 000 kg,计划为联盟TM-2 号，用于天文和科学实验材料。
量子 2 号:1989 年 11 月 26 日发射，搭载质子-K运载火箭。1989 年 12 月 6 日对接。重 19 640 kg,计划为联盟TM-8 号，更新了更先进的生命支持系统以及一个气密室。
晶体号:1990 年 5 月 31 日发射，搭载质子-K运载火箭。1990 年 6 月 10 日对接。重 19 640 kg。文件是联盟TM-9 号，建立了地球物理和天体物理实验室。
光谱号:1995 年 5 月 20 日发射，搭载质子K-运载火箭。1995 年 6 月 1 日对接。重 19 640 kg,计划为联盟TM-21 号，为和平号航天飞机计划做准备。
对接舱号:1995 年 1 月 12 日发射，搭载亚特兰蒂斯号（STS-74）。1995 年 1 月15 日对接。计划为联盟TM-22 号（重 6 134 kg），为美国的航天飞机安装扩展坞槽以适应和平号航天飞机计划。
自然号:1996 年 4 月 23 日发射，搭载质子K-运载火箭。1996 年 4 月 26 日对接。重 19 000 kg,计划为联盟TM-23 号，作为远程地球遥感模块。
国际空间站是目前在轨运行最大的空间平台，是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站项目由 16 个国家共同建造、运行和使用，是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自 1998 年正式建站以来，经过十多年的建设，于2010 年完成建造任务转入全面使用阶段。目前，国际空间站主要由美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大空间局共同运营。
国际空间站总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其他服务设施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站。从大体上看，国际空间站可视为由两大部分立体交叉组合而成：一部分是以俄罗斯多功能舱为基础，通过对接舱段及节点舱，与俄罗斯服务舱、实验舱、生命保障舱、美国实验舱、日本实验舱、欧洲航天局的“哥伦布”轨道设施等对接，形成空间站的核心部分；另一部分是在美国的桁架结构上，装有加拿大的遥控操作机械臂服务系统和空间站舱外设备，在桁架两端安装有 4 对大型太阳能电池帆板。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，不仅加强了空间站的刚度，而且有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥，有利于航天员出舱装配与维修等。
1992 年 9 月 21 日，中国政府决定实施载人航天工程，并确定了三步走的发展战略。第一步，发射载人飞船（即神舟飞船），建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验；第二步，在第一艘载人飞船发射成功后，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，并利用载人飞船技术改装、发射一个空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造载人空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。
天宫一号是中国载人航天工程发射的第一个目标飞行器，是中国第一个空间实验室，天宫一号为全新研制，采用实验舱和资源舱两舱构型，全长 10.40 m,舱体最大直径 3.35 m,起飞质量 8 506 kg,舱体最大直径达 3.35 m,设计在轨寿命 2 年。实验舱主要负责航天员工作、训练及生活，为全密封环境，内设睡眠区以及航天员保持骨骼强健的健身区。该舱由密封舱和非密封后锥段组成，最大直径 3.35 m,轴向长度 6.4 m,密封舱有效活动空间约 15 m 3 ，非密封后锥段安装遥感试验设备。实验舱前端安装被动对接机构及交会对接测量合作目标，与飞船对接后，可形成直径为 0.8 m的转移通道。资源舱的主要任务是为天宫一号的飞行提供能源保障，并控制飞行姿态；主要为柱状非密封舱，配置推进系统、太阳电池翼等，为空间飞行提供动力和能源。舱体直径 2.775 m,轴向尺寸 3.2 m。电池翼展开后总长为 18.405 m。
天宫二号为中国载人航天工程发射的第二个目标飞行器，是中国首个具备补加功能的载人航天科学实验空间实验室。天宫二号采用实验舱和资源舱两舱构型，全长 10.4 m,最大直径 3.35 m,太阳翼展宽约 18.4 m,重 8.6 t,设计在轨寿命 2年。为满足推进剂补加验证试验需要，天宫二号在天宫一号目标飞行器备份产品的基础上，对推进分系统进行了适应性改造；为满足中期驻留需要，对载人宜居环境进行了重大改善，具备支持 2 名航天员在轨工作、生活 30 天的能力。
中国空间站（China Space Station,又称天宫号空间站）是中华人民共和国建成的国家级太空实验室。于 2022 年建成。空间站轨道高度为 400 ~ 450 km,倾角为42° ~ 43°，设计寿命为 10 年，长期驻留 3 人，总重可达 180 t,可进行较大规模的空间应用。
中国空间站由核心舱、实验舱梦天、实验舱问天、载人飞船（即已经命名的“神舟”号飞船）和货运飞船（天舟一号飞船）5 个模块组成。各飞行器既是独立的飞行器，具备独立的飞行能力，又可以与核心舱组合成多种形态的空间组合体，在核心舱统一调度下协同工作，完成空间站承担的各项任务。
核心舱全长约 18.1 m,最大直径约 4.2 m,发射重量为 20 ~ 22 t。核心舱模块分为节点舱、生活控制舱和资源舱。主要任务包括为航天员提供居住环境，支持航天员长期在轨驻留，支持飞船和扩展模块对接停靠并开展少量的空间应用实验。核心舱是空间站的管理和控制中心，有 5 个对接口，可以对接一艘货运飞船、两艘载人飞船和两个实验舱，另有一个供航天员出舱活动的出舱口。
实验舱全长均约 14.4 m,最大直径均约 4.2 m,发射重量均为 20 ~ 22 t。空间站核心舱以组合体控制任务为主，实验舱Ⅱ以应用实验任务为主，实验舱Ⅰ兼有二者功能。实验舱Ⅰ、Ⅱ先后发射，具备独立飞行功能，与核心舱对接后形成组合体，可开展长期在轨驻留的空间应用和新技术试验，并对核心舱平台功能予以备份和增强。
2020 年 5 月 5 日 18 时，中国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭，搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱在文昌航天发射场点火升空，首飞任务取得圆满成功，为中国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。
2020 年 10 月 1 日，第三批 18 名预备航天员加入航天员队伍，包括 7 名航天驾驶员、7 名航天飞行工程师和 4 名载荷专家，分别参加了空间站运营阶段各次飞行任务。
2021 年 1 月，中国空间站天和核心舱、天舟二号货运飞船、空间应用系统核心舱任务，分别顺利通过主管部门组织的出厂评审，标志着中国空间站建造即将转入任务实施阶段。
2021 年4 月23 日上午，空间站天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体在中国文昌航天发射场垂直转运至发射区，意味着中国空间站建设大幕已经开启。
2022 年 10 月 31 日，搭载空间站梦天实验舱的长征五号B谣四运载火箭，在我国文昌航天发射场发射成功。
2022 年 11 月 3 日，神舟十四号航天员乘组进入梦天实验舱。随着空间站梦天实验舱的顺利完成转位，中国空间站天和核心舱、问天实验舱与其相拥，标志着中国空间站“T”字基本构型在轨组装完成，朝着建成空间站的目标迈出了关键一步。
在载人航天刚刚起步的 20 世纪 60 年代初，美国和苏联的生命保障技术专家和生物学家开始了对生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System,BLSS）的探索。他们清楚地认识到，载人航天的目标不只是近地轨道上的短期飞行，还有月球基地、火星基地和更加遥远的外太空，要实现这些目标，必须依靠BLSS技术,BLSS是利用高等植物和微生物等物质来生产食物、处理废物，同时再生空气和水，为航天员生命活动提供物质保障的独立、完整、复杂的系统。它是在物理/化学的非再生式和再生式环境控制与生命保障系统（Environmental Control and Life Support System,ECLSS）的基础上，引入生态平衡概念和生物技术，力图创造工程控制技术和生物技术相结合的人工小型生态环境，实现在一定的密闭空间内人和其他生物之间氧气、水分和有机物的循环再生，从而大大减少长期空间活动的地面补给，降低运行成本，并为航天员创造一个更为舒适和安全的生活环境。
自 20 世纪 50 年代开始实验研究如何建立有人居住的闭合生态系统以来，其在苏联、美国、日本、德国、英国和中国有不同程度的发展。在自然生物圈外建立人类生命保障系统，人们自己控制作为其中一个生物组成的闭合人造生态系统中的物质循环。研究表明，与不受任何人控制的生物圈相反，一个小的闭合生态系统只有在人为控制下才能维持运转。这些研究不仅有利于解决空间生命保障问题，还将对解决全球生物圈问题起着基础性的重要作用。
苏联是世界上最早开始研究BLSS的国家，为了开展BLSS研究，专门成立了生物物理研究所，位于克拉斯诺亚尔斯克。1961—1965 年，研究者发展了微藻类连续栽培的生物工艺学，并在BIOS-1 系统进行了实验，这是生命保障系统中大气和水再生的关键环节。1969 年，高等植物的栽培得到了精细研究，在BIOS-2 系统中，进行了 90 天的封闭实验。这两次实验成功的结果是BIOS-3 综合系统的基础。苏联科学家所建立的地基生物再生式生命保障系统——BIOS-3 综合实验系统是世界上第一个也是目前最成功的循环系统，“有人试验”中试验了 95%的闭合度。
（1）ALS
与俄罗斯的BIOS不同，美国在BLSS方面的研究并不只是局限于某一项目，其研究规模非常庞大，有大大小小许多项目遍布全美，时间跨度逾半个世纪。
1978 年， NASA启动了受控生态生命保障系统（ Controlled Ecological Life Support System,CELSS）项目，致力于全面利用生态学和生物学技术研究BLSS,研究内容包括环境控制、植物高效栽培、食物加工、系统模拟与分析等。该项目主要由NASA约翰逊航天中心、艾姆斯研究中心和肯尼迪航天中心负责，同时汇集了一大批高校和企业的力量。作为CELSS项目的后续研究,1985 年初,NASA肯尼迪航天中心开始实施高级生命保障（Advanced Life Support, ALS）计划实验模型项目（Breadboard Project），其总体目标是发展、整合大型和无人的试验基地，用来评价生物部件和验证生物再生式ALS计划的可行性。1995 年秋,NASA中心的不同ALS计划成员聚集在约翰逊航天中心讨论ALS的研究任务，包括生物再生食物和资源的技术。在NASA的艾莫斯研究中心，约翰逊航天中心和肯尼迪航天中心进行了一系列的远程电信会议，会议公布了初步计划。1996 年 9 月，由NASA不同中心和大学组成的植物研究小组在JSC举行了会议，总结了近些年的研究成果，并确定了发展完全综合的生命保障系统测试装置BIO-Plex （ Bioregenerative Planetary Life Support Systems Test Complex）的目标。1996 年 10 月,NASA指定肯尼迪航天中心负责管理和调整生物再生式研究以支持ALS计划。
（2）生物圈二号
生物圈二号（BiosphereⅡ）是美国建于亚利桑那州图森市以北沙漠中的一座微型人工生态循环系统，为了与生物圈一号（地球本身）区分而得此名，它由美国前橄榄球运动员约翰·艾伦发起，是爱德华·P.巴斯及其他人员主持建造的人造封闭生态系统。并与几家财团联手出资，主要投资者为美国石油大王洛克菲勒委托空间生物圈风险投资公司承建，历时 8 年，几乎完全密封，占地 12 000 m 2 ，容积达 141 600 m 3 ，由80 000 根白漆钢梁和 6 000 块玻璃组成，耗资 1.5 亿美元。其建造地址为亚利桑那州图森市大沙漠，生物圈二号组成部分如图 1.4 所示，结构参数见表 1.1。
表 1.1 生物圈二号内各组成部分及结构参数一览表
注：上述两“肺”的体积仅为其完全膨胀的 50%。
1991 年 9 月 26 日,4 男 4 女共 8 名科研人员首次进驻生物圈二号,1993 年 6月 26 日出“圈”，共计停留 21 个月，他们在各自的研究领域内均积累了丰富的科学数据和实践经验。生物圈二号第 2 次任务于 1994 年 3 月启动,4 男 3 女共 7 位实验人员在对首批结果进行评估并改进技术后，离开了生物圈二号。在这期间，他们对大气、水和废物循环利用及食物生产进行了广泛而系统的科学研究。生物圈二号是世界上最大的封闭式人工生态系统之一。它使人类首次能够在整体水平上研究生态学，从而开辟了了解目前地球生物圈全球范围生态变化过程的新途径。更为重要的是，它将作为首例永久性生物再生式生命保障系统的地面模拟装置而有可能应用于人类未来的地外星球定居和宇宙载人探险。
在 1991—1993 年的实验中，研究人员发现：生物圈二号的氧气与二氧化碳的大气组成比例，无法自行达到平衡；生物圈二号内的水泥建筑物影响正常的碳循环；生物圈二号因为物种多样性相对单一，缺少足够分解者的作用，多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。经广泛讨论，确认生物圈二号实验失败，未达到设计者的预期目标。这证明了在已知的科学技术条件下，人类离开了地球将难以永续生存。同时也证明了地球目前仍是人类唯一能依赖与信赖的维生系统。
图 1.4 生物圈二号
在 20 世纪 90 年代日本研究者成立了环境科学研究所，在青森县洛卡石村建造了封闭式生态系统实验设施（Closed Ecology Experiment Facilites,CEEF），利用此系统进行痕量 14 C在生态系统中转移转化的模拟实验。
随着载人航天技术的不断完善，他们利用CEEF系统，研究密闭环境条件下动植物等生物与环境之间的物质交换和能量流动情况，为太空基地密闭生态生命保障系统的建立提供有价值的依据。
CEEF由密闭种植实验系统（CPEF）、动物饲养和居住实验系统（CABHEF）及密闭岩石和水圈实验系统（CGHEF）3 个部分组成。 CPEF包括种植舱、种植保障舱和物质循环系统;CABHEF包括动物饲养和居住舱及物质循环系统;CGHEF包括土壤和水圈舱及物质循环系统。
BLSS能够在将来的建立月球基地、探索火星等人类的长期空间任务中实现呼吸作用所需的大气再生、水循环、废物处理和食物再生四项基本功能。从经济、技术角度而言,BLSS具有物理/化学生命保障系统不可比拟的优越性。欧洲航天局很早就意识到这一点，并提出了构建微生态生命保障系统方案（Micro-Ecological Life Support System Alternative,MELiSSA）作为BLSS模型，研究适于长期空间任务的生物生命保障系统。 MELiSSA是基于微生物与高等植物构建的生态系统，它采用彼此相连的工程化微生物反应器和植物栽培舱作为基本单元建立生命保障系统，其目的是通过研究阐明人工密闭生态系统的长期工作状况，发展新的生物生命保障技术以满足将来长期载人空间任务的需求，其目标是通过微生物种群、高等植物与人之间的联合作用，在整个密闭生态系统链环中实现空气和水的再生、食物的生产及废物的循环利用。
MELiSSA生态系统框架包括 5 个隔间：多物种厌氧堆肥器，用于分解植物物质和人类粪便；用于吸收挥发性有机酸的光异养细菌室；好氧硝化室氧化铵；光合作用链（微藻和高等植物），用于生产食物、净化水和恢复空气活力；载人舱。高等植物室采用水培、传送带式栽培系统，采用交错种植，可生产多达 20 个植物品种。其他微生物室的副产物为高等植物提供营养。这些废物处理隔间包含纯微生物菌株，除了堆肥装置，其中包括从人类肠道引进的混合物种。堆肥装置已被证明是基础设施中技术要求最高的部分，废物分解已被证明是最难以简化和稳定的过程。实验结果表明，通过堆肥的粪便矿化可能太慢，而废物矿化的物理化学环节对生命维持系统至关重要。在 20 世纪 90 年代,MELiSSA项目的很多工作都集中在单个隔间的技术开发、机械过程建模和控制的算法开发上。
（1）航天员生保系统
中国航天员科研训练中心，简称中国航天员中心，前身为 507 所，位于北京市海淀区，成立于 1968 年 4 月 1 日，是中国载人航天领域内医学与工程相结合的综合型研究机构，如图 1.5 所示为中国航天员科研训练中心的空间站组合模拟器。
中国航天员科研训练中心于 1985 年经国务院学位委员会批准开始招收研究生。招生专业涉及心理学、生理学、病理学、生物学、生物物理、生物化学、医疗、卫生、药物、营养食品、生物工程、物理、化学、数学、飞行器设计、自动控制、系统工程、流体力学、计算机应用、电子技术、仿真技术、热力学、机械制造、精密仪器、仪表、传感器等几十个专业领域。设有 15 个研究室、一个实验工厂，拥有航天医学基础与应用国家重点实验室和人因工程国家级重点实验室 2 个国家级重点实验室。拥有一个藏有各科类、多种语言的图书资料、各类刊物共计 12 万册的图书馆。此外，设有计算机培训实验室、多功能学术报告厅，现有硕士研究生导师近百名，其研究水平和学术水平在国内居于领先地位。
图 1.5 中国航天员科研训练中心的空间站组合体模拟器
中国航天员生命保障系统主要分为两个系统：一是以航天员为中心的航天员系统；二是以航天员环境与生命保障为中心的生保系统。形成了完整的航天员选拔训练体系，建造了航天飞行模拟器、模拟失重水槽、舱外航天服试验舱等十余个大型地面训练试验设施，选拔培养了 30 多名优秀航天员；建立了具有中国特色的航天员健康保障机制，走出了中西医结合的航天员健康保障之路；突破和掌握了航天飞行器环境控制与生命保障关键技术，实现了航天员从短期飞行到中长期飞行的生命安全保障；自主研制了以“飞天”舱外航天服为代表的航天员系列化功能服装，展现了航天员良好形象；研制生产了 6 大类上百种航天食品，把“舌尖上的中国”带进茫茫宇宙；设计并完成了超百项有人参与的空间科学试验，为后续空间站建设和深空探测收集了宝贵数据；提出了飞行器设计和飞行试验各个阶段的医学要求，全面建立了有害环境因素医学评价标准和评价方法体系；设计了企鹅服、太空跑台等多项失重防护措施，有效减少了太空特因环境对航天员的不良影响；创建了航天工效学评价体系，确保了航天员安全、高效地完成各项工作。
该中心成立 50 多年来，坚持以系统论为指导，以载人航天中人、机、环境三要素的相互影响及合理组合为着眼点，以确保航天员的安全、健康和高效工作为主要目标，开展了诸多科学研究和研制工作，取得了丰硕成果，并逐步形成了一支高素质的科技人才队伍。尤其是作为国家载人航天工程主要参加单位之一，承担了航天员选拔训练、医学监督和医学保障、飞船环境控制与生命保障系统研制、航天服与航天食品研制、大型地面模拟试验和训练设备研制等多项重要任务，为中国载人航天的圆满成功作出了突出贡献。
（2）嫦娥四号月面微型生态系统
由国家国防科工局、教育部、中国科学院、中国科协、共青团中央五部委于2015年联合举办的“月球探测载荷创意设计征集活动”，经教育部深空探测联合研究中心组织、重庆大学牵头研制的生物科普试验载荷，因创意新颖和工程可实现性等优势，通过初选、专家评选、网络投票、资深专家评选等，从全国近 300 份作品中脱颖而出，荣获一等奖，并被探月工程“两总”系统遴选为嫦娥四号搭载试验载荷。在工程总体、探测器总体的指导下，在山东航天电子技术研究所、中科院成都光电技术研究所、兰州空间技术物理研究所等单位的支持下，生物科普试验载荷研制团队先后开展了生物筛选、培育实验 200 多项次，工程研制试验 40 余项。经该团队的集体努力与攻关，最终在月面构建了一个密闭小型的适宜生存的环境并在月球上成功地实现了人类首次植物培育实验，培育出月球上第一片绿叶，这是人类在地外星球构建适宜生存环境具有里程碑意义的实验，如图 1.6 所示。
图 1.6 全球首个月面微型生态系统