2017年度NASA“創(chuàng)新先進概念計劃”項目分析與啟示

李立新 趙琪 （ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

2017年4月7日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了本年度新立項的22個“創(chuàng)新先進概念計劃”（NIAC）項目，繼續(xù)秉持其一貫的超前特點，以任務使命為背景、面向空間探索布局研究工作。下面以22個新立項目為基礎，結合NIAC創(chuàng)新項目的組織管理進行分析，為我國航天創(chuàng)新工作提供借鑒和參考。

1 2017年度NIAC創(chuàng)新項目概況

2016年8月2日，NASA在其官網發(fā)布了年度創(chuàng)新項目征集通知，啟動年度創(chuàng)新項目的征集工作。項目申報面向NASA各下屬機構、相關高校、研究機構、商業(yè)公司、非盈利機構以及個人，主要征集包括深空旅行、空間生存、材料、制造技術、自動裝備、儀器以及計算技術等。

經過遴選，NASA最終確定了22個項目作為本年度的NIAC創(chuàng)新項目，其中第一階段共計15個項目，每個項目獲得資助金額約為12.5萬美元，項目周期最長9個月，開展創(chuàng)新概念的初步定義和分析。第二階段共計7個項目，每個項目資助金額不超過50萬美元，項目周期不超過2年。第二階段項目是由從上一年度的第一階段項目中選擇，在上一年度基礎上重點分析其創(chuàng)新概念應用于NASA工程實踐的潛力，分析其復雜性與效益、成本和性能，提出技術實施途徑或路線圖，并識別關鍵技術。

本年度獲批的22個項目主要面向深空探測，涉及多個技術領域，包括基礎材料、結構與機構、軌道控制、推進、探測載荷、著陸器、漫游車等等，下面分階段進行概述。

第一階段

（1）面向農業(yè)種植的火星土壤改良的合成生物學架構

該研究主要是利用一種合成生物學結構，降解和還原火星土壤中存在的高氯酸鹽，同時還可以通過合成銨鹽來使土壤變得更加肥沃。該機構擬選用可在惡劣環(huán)境中生存的兩種綠膿桿菌菌株作為突破口，分別實現(xiàn)降解排毒和合成銨鹽的過程，再通過生物技術進行融合，從而達到目的。

（2）面向星際先導任務的突破性推進架構

該研究提出了一種新的電推進架構，可使航天器在12年的時間里飛行500個天文單位。該架構包括3個部分，首先通過超大直徑設備匯聚太陽能，通過轉化設備將太陽能轉化成電壓，進而驅動鋰離子電推系統(tǒng)。

（3）用于火星任務的真空飛艇

該研究引入真空飛艇理念，移除剛性結構內的空氣，形成真空以提供升力。該飛艇既可實現(xiàn)障礙環(huán)境下火星表面的探測，又可實現(xiàn)高空通信中繼。真空飛艇可承擔傳統(tǒng)飛艇兩倍的有效載荷。

（4）面向星際任務的馬赫效應推力器

面向NASA馬赫效應推力器，該研究旨在通過驗證長時間大推力模型，確定馬赫效應推力器的效率，最終應用于太陽系外的星際任務中。

（5）冥王星探測“多級跳”飛掠方案

該研究設計冥王星探測器飛掠方案，當探測器通過冥王星大氣層時，將損失99.99%的動能，進而以非常低的速度貼近冥王星表面，利用冥王星低重力加速度，實現(xiàn)冥王星表面飛掠和探測。

（6）渦輪電梯

空間任務中，長時間微重力環(huán)境引起的航天員生理失調，將嚴重影響航天員的健康和安全。該研究計劃提出一個類似電梯的機構，采用新的人工重力技術，通過反復給人體加速和減速來模擬地球重力，進而實現(xiàn)保護航天員安全。

（7）火星/火衛(wèi)一拉格朗日L1點的系繩實驗

該研究通過在火星/火衛(wèi)一拉格朗日L1點處部署一顆航天器，從該航天器上釋放一條繩子，連接火星表面，并在末端放置多種傳感器，進而實現(xiàn)對火星表面的探測。

（8）梯度場混合推進系統(tǒng)

該研究提出一種新的磁慣性融合方案，將推進劑通過高梯度的磁場中，以實現(xiàn)在推進劑中形成高強度的電流，并以此形成混合推動力。

（9）通過微波燒結空中制動器提升臨近空間飛行器的進入能力

該研究提出了一種利用小行星物質制造飛行器隔熱層的構想，可降低飛行器干質量，攜帶更多載荷或推進劑，從而支持更多類型的任務。

（10）利用作用區(qū)域軟體機構探測小行星

該研究設計一種具有很大表面積的新型軟體機器人飛船，可在充滿碎石堆的小行星表面上自由移動，同時具有非常大的附著力，可實現(xiàn)勘測等功能。

（11）連續(xù)電極慣性靜電約束混合

該研究利用慣性靜電約束技術降低能量轉換模塊的質量，通過詳細建模與數(shù)值仿真分析驗證該技術的有效性。

（12）面向小行星的新型空間望遠鏡

該研究綜合利用電子、立方體衛(wèi)星、激光通信等技術，構建低成本、高集成度的三星星座，實現(xiàn)對小尺寸近地天地進行觀測。

（13）利用太陽重力透鏡任務實現(xiàn)外星球探測

該研究擬在太陽系外的深空區(qū)域構建一個具備百萬像素分辨率的光學成像望遠鏡，實現(xiàn)外行星的高分辨率觀測，探究地外生命的意義。

（14）“太陽表面沖浪”熱控涂層技術

該研究將主要開發(fā)一種新的涂層，可以反射99.9%太陽輻射，大大提升太陽輻射防護能力，為水星探測奠定基礎。

（15）在太陽系中直接探測暗能量

該研究將未經篩選的原子粒子通過太陽系中一段特殊的重力場區(qū)域，通過雙差分測量分離暗能量與原子的相互作用，實現(xiàn)暗能量與正常物質相互作用的直接探測，加深人們對基本物理和宇宙的理解。

第二階段

（1）利用原位能與推進力來實現(xiàn)金星內部探測

該研究設計一種高海拔與低海拔配合的探測模式，實現(xiàn)金星表面極端環(huán)境條件下的長期探測。低海拔地區(qū)依靠固體氧化物燃料電池來發(fā)電，提供能量，并通過貯存的氫氣控制高度。高海拔地區(qū)利用太陽能電解金星大氣中的硫酸和水，為固體氧化物燃料電池充電，并同時通過氫化物貯存氫氣。

（2）利用遠程激光實現(xiàn)冷目標光譜儀觀測

該研究利用航天器上的大功率激光照射太陽系冷目標（小行星、彗星、行星、衛(wèi)星），通過光譜儀觀測蒸發(fā)羽流，從而實現(xiàn)對冷目標分子組成的觀測。

（3）膜航天器二期

膜航天器是指集成太陽能電池、電力系統(tǒng)、通信、控制、姿態(tài)確定、姿態(tài)控制、電推進以及形狀控制系統(tǒng)的二維航天器，主要用來清除空間碎片，該項研究涉及薄膜電子通信、智能控制、功率調節(jié)、感知以及外形控制等方面內容。

（4）系外行星的回波成像

恒星本身會產生不同周期的波，經行星反射后可以被儀器探測接收，借助計算機圖像技術就可實現(xiàn)外行星的成像探測。本階段將繼續(xù)深化恒星回波成像的理論，制定外行星成像技術發(fā)展路線圖。

（5）極端環(huán)境自動駕駛漫游車

該項研究的第一階段已經完成低電子設備依賴、低人機交互的機械漫游車的設計與試驗，第二階段將繼續(xù)完善混合動力車信號的切換，并制定了將一輛原型車送往金星進行試驗的計劃。

（6）小行星、月球和行星的光學開采方案

該研究提出了一種航天器系統(tǒng)架構，將小行星包裹在其中，利用外部高強度光照集中照射特定區(qū)域，實現(xiàn)小行星資源的挖掘和搜集。第一階段已完成實驗室環(huán)境下的驗證，第二階段將嘗試開展工程應用。

（7）支持冥王星探測軌道器與著陸器的功率與推進混合系統(tǒng)

基于“普林斯頓反向場配置”的融合式聚變反應器，設計了直接融合驅動裝置，既可產生推力，也可提供功率。第一階段已經完成了裝置的建模，第二階段重點提升超導線圈、射頻加熱和屏蔽器等子系統(tǒng)的技術成熟度。

2 創(chuàng)新項目管理

作為專職創(chuàng)新研究機構，孕育變革性前沿創(chuàng)新概念

NIAC的歷史可以追溯到1998年成立的新概念創(chuàng)新研究所，該研究所致力于宇航領域非線性、原始創(chuàng)新的獨立研究機構，旨在面向社會各界征詢宇航科學領域的創(chuàng)新想法。2007年8月，因NASA經費削減，該研究所被迫關閉。2011年3月1日，NASA宣布重建NIAC，2013年2月，NIAC作為一個分支劃歸NASA空間技術任務部（STMD）。NIAC的主要職責是孕育系統(tǒng)級和任務級創(chuàng)新概念，培育可對NASA未來任務有重大變革作用的創(chuàng)新概念。這些創(chuàng)新概念要求具有以下特征：須結合宇航體系、系統(tǒng)或任務；必須是創(chuàng)新概念，不支持重復研究；具有先進性，值得立即開展研究；技術合理，方案可行，計劃可信。因其開展的是早期創(chuàng)新概念研究，技術成熟度較低，工程應用往往需要10年甚至更長時間。

項目遴選嚴格把關，確保項目創(chuàng)新性

NIAC創(chuàng)新項目的遴選非常嚴格，通過詳細的評審要求來具體實施。在總體要求的基礎上，針對第一、第二階段項目發(fā)布了細化的評審標準。

總體要求共計四項：①屬于航天領域體系結構設計或系統(tǒng)設計，與NASA戰(zhàn)略目標相一致，具有巨大的潛在應用前景；②未來有望為科技發(fā)展帶來巨大飛躍；③屬于完全創(chuàng)新的概念，有可能開辟一個新的領域；④技術可靠，科學或工程理論支撐充分。

第一階段項目遴選要經過兩輪評審。第一輪評審要求至少有3名相關領域專家對一份建議書進行評審，要求包括：①屬于航天領域；②目標明確；③完全創(chuàng)新；④有科學技術理論支撐；⑤發(fā)展路線合理；⑥關注NASA戰(zhàn)略目標。第二輪評審重點關注三個方面：①潛在價值與未來影響；②技術優(yōu)勢與工作安排合理性；③研究團隊實力與預算成本。

第二階段項目全部從優(yōu)秀的第一階段提案中遴選，主要評審標準與第一階段第二輪評審標準基本相同，但重點關注該項目的潛在價值與影響。

NIAC作為項目組織與管理者，通過反復的評審和多輪的遴選，寧缺毋濫，最終確保立項的創(chuàng)新項目與NASA發(fā)展戰(zhàn)略、未來任務相一致，具有較高的創(chuàng)新性和潛在的應用前景。

持續(xù)開展年度創(chuàng)新研究，取得豐碩成果

自2011年起，NIAC持續(xù)開展創(chuàng)新項目支持工作，7年間共支持了第一階段115個項目，并從中遴選出43項進一步開展研究，并且從2014年起，從第一階段中遴選出來的第二階段項目數(shù)量明顯增多，對長期項目支持和孵化的力度有所增加。

在創(chuàng)新項目承擔主體方面，參與機構多樣，除NASA本身以外，同樣倚重院校和商業(yè)公司，以開放的姿態(tài)鼓勵各界參與航天創(chuàng)新，培育并從中汲取創(chuàng)新思想與智慧。

2011－2017年各年度立項情況

2011－2017年申報單位來源分析

3 總結

1）以實際工程任務和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃為牽引，選擇性培育航天創(chuàng)新理念。打破固有思維是NIAC獲批項目非常明顯的特征，這也體現(xiàn)著NASA設立NIAC的初衷。但是，這種創(chuàng)新不是漫無目的的創(chuàng)新，也不是思維天馬行空的游走，幾乎每個項目都蘊含著兩個方面的原則：首先是必須具有非常鞏固的理論基礎作為出發(fā)點，其次是都倚靠實際任務作為落腳點?？蓞⒖糔IAC創(chuàng)新項目的申報原則和遴選方法，面向背景任務，充分遴選一批有變革作用的創(chuàng)新概念、理念，以此來促進產生新技術、新理念。

2）以創(chuàng)新為支點，全面提升航天等相關行業(yè)的研發(fā)能力。從本年度獲批的NIAC來看，創(chuàng)新計劃中的部分研發(fā)對學術界、科技界都起到了推動作用，促進了航天與相關行業(yè)的深度融合，并在一定程度上促進了相關產業(yè)的科技進步。航天本身就是一項多學科背景下的系統(tǒng)工程，以航天創(chuàng)新為支點，促進相關行業(yè)的研發(fā)能力，并通過相關行業(yè)研發(fā)能力的提升，助力航天科學技術能力的提升。