美創(chuàng)新先進概念項目聚焦深空探測

文/ 楊開

美國宇航局的創(chuàng)新先進概念（NIAC）計劃創(chuàng)立于1998年，旨在開發(fā)顛覆性的前沿探索技術，變革美國宇航局的空間探索方式，重點服務于美國宇航局未來的空間探索任務。創(chuàng)新先進概念計劃資助對象以大學、小型創(chuàng)企和研究中心為主，在第一階段會提供約12.5萬美元的資金，開展方案原理和可行性研究。如果項目有深入研究的價值，美國宇航局會在第二階段提供50萬美元的經(jīng)費支持，進一步驗證技術方案，評估其在未來探索任務中的應用前景。美國宇航局從2019年啟動美國宇航局第三階段項目，為一到兩個項目提供200萬美元的經(jīng)費，實現(xiàn)技術孵化和轉(zhuǎn)移應用。

2020年4月，美國宇航局公布了本年度入選“創(chuàng)新先進概念”的23個項目。在明確以月球為跳板的深空探測計劃，即“阿爾忒彌斯”之后，NIAC計劃下的項目也變得更有針對性，能夠支持月面的長期駐留探測，以及未來的火星探測。與此同時，NIAC計劃也在為更遙遠的太陽系和太陽系外探索活動打前站，征集了眾多創(chuàng)新方案。本文針對其中10個與航天領域密切關聯(lián)的創(chuàng)新方案進行簡要說明，涉及新型飛行器方案、創(chuàng)新動力、原位資源利用以及太空藥店等，希望帶來一些啟發(fā)。

▲ 超材料太陽帆的示意圖

超材料太陽帆——實現(xiàn)深空探測任務的突破

美國宇航局一直在致力于拓展深空探測的范圍，通過對太陽系邊緣和太陽系外的星際空間開展探測，來更深入地研究關于宇宙起源的問題。然而受制于現(xiàn)有的航天動力技術，系外探測任務需要投入龐大的經(jīng)費和時間成本。以2013年和2018年分別飛離太陽系進入星際空間的旅行者1號和旅行者2號探測器為例，都在1977年發(fā)射，分別用36年和41年才飛離太陽系，兩個項目的成本加起來接近9億美元。加州大學提出“超材料太陽帆”很可能會出改變現(xiàn)有的任務模式，能夠以較低成本實現(xiàn)需要高速度的深空任務，而且不受發(fā)射時間和發(fā)射地點的限制?！俺牧咸柗彼俣饶軌蜻_到每年60個天文單位，是“旅行者1號”速度的20倍，能夠5個月內(nèi)飛抵木星，10個月飛抵海王星，兩年半的時間追趕并超越“旅行者1號”。而且，“超材料太陽帆”承受高溫環(huán)境的能力非常強，能夠抵近太陽，最近距離為2到5個太陽半徑。加州大學將在該項目下挑戰(zhàn)材料的極限，開發(fā)出每千克質(zhì)量展開成1000平方米的超薄太陽帆。

火星上的燃料原位制造——為載人探火任務補充燃料

人類正在擴展在太陽系的活動范圍，火星是最重要的目的地之一，而推進劑是能夠在火星居住探索和實現(xiàn)行星際運輸?shù)年P鍵。喬治亞州科技研究公司提出利用轉(zhuǎn)基因生物將火星大氣層中的二氧化碳轉(zhuǎn)為含氧碳氫化合物，作為燃料，為火星上的活動提供能源，也可以作為從火星出發(fā)時采用的推進劑。該公司準備在火星上利用少量的水資源培育藻類，藻類在光照條件下消耗二氧化碳不斷生長，用以喂養(yǎng)經(jīng)基因改造的微生物，最終生產(chǎn)出燃料。該公司重點開展熔點較低的C3-C4二元醇（零下36攝氏度）開發(fā)，能夠在火星的低溫條件下以液態(tài)形式存儲和使用。之后，公司再針對候選燃料開展測試，并開發(fā)相應的生物系統(tǒng)。

▲ 利用生物技術和火星大氣層中的二氧化碳制造燃料

脈沖式等離子體火箭——人類能快速抵達火星的方式

為了能夠更高效、更快速地將人員和貨物運抵火星，要求動力系統(tǒng)在達到高比沖的同時，還必須具有比較大的推力，前者保證效率，后者實現(xiàn)速度。不過，現(xiàn)有高比沖動力形式的推力一般都比較低，例如美國宇航局在研的“先進電推進系統(tǒng)”比沖為2900秒，但是推力僅為2.3牛。美國Howe公司提出“脈沖式等離子體火箭”方案，比沖5000秒，推力達到89千牛。該方案源于美國宇航局的“脈沖式裂變-聚變”方案，采用Z箍縮壓縮裂變-聚變目標，產(chǎn)生的爆燃在帶磁場的噴管內(nèi)傳播，從而產(chǎn)生推力，并為下一輪脈沖補充能量?！懊}沖式等離子體火箭”方案的結(jié)構(gòu)更小、更簡單，而且成本更低。而采用這種動力方案，只需要3個月就能從地球到達火星。

▲ 脈沖式等離子體火箭的概念圖

星際航天器反物質(zhì)減速——實現(xiàn)對類地行星的探測

反物質(zhì)推進技術作為一種先進的推進技術，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的比沖。Hbar技術公司此前就在NIAC計劃開展過多年的研究，該公司今年再次提出利用反物質(zhì)減速實現(xiàn)對類地行星的探測，不過重點并非聚焦在反物質(zhì)推進技術上，而是要設計任務框架，實現(xiàn)對類地行星——“南門二”三體星系中的“比鄰星B”的探測，這是目前已知的距離地球最近的宜居星球。

按照Hbar技術公司的任務設想，探測器采用兩級結(jié)構(gòu)，重量為10千克級別，利用反物質(zhì)推進系統(tǒng)加速至光速的1/10，之后一二級分離。一級通過垂向的小幅加速變軌后，實現(xiàn)對“南門二”三體星系的飛掠探測。二子級利用反物質(zhì)減速后，釋放自身攜帶的上千個“芯片載荷”（質(zhì)量僅有1克左右），在“南門二”三體星系內(nèi)開展深入探測和研究，并向地球傳回探測數(shù)據(jù)。Hbar技術公司認為利用反物質(zhì)推進系統(tǒng)不僅能夠為探測器提供足夠的加速和減速能力，還能夠為系統(tǒng)通信和探測等功能提供充足的電源。

▲ Hbar技術公司提出的反物質(zhì)推進航天器概念圖

臨時著陸平臺——用于“阿爾忒彌斯”任務的月球著陸

作為“阿爾忒彌斯”計劃的第一步，美國首先將在2024年實現(xiàn)載人重返月球，相比“阿波羅”重約10噸的著陸器，“阿爾忒彌斯”的月球著陸器將達到20～60噸。伴隨著著陸器規(guī)模的大幅提升，反推著陸時發(fā)動機羽流造成的影響會更嚴重，包括被羽流噴射起的高速濺射物可能會損壞著陸器，羽流甚至會在著陸地點造成柱狀深坑，影響著陸成功率。

Mastern航天系統(tǒng)公司的“飛行中氧化鋁噴霧技術”能夠在著陸器下降過程中，在正下方形成臨時著陸平臺，消除發(fā)動機羽流的影響。該技術通過在發(fā)動機羽流中混合特殊的顆粒，從而在著陸區(qū)域形成硬化涂層，具有更高的抗熱和抗燒蝕性能，有效防止著陸區(qū)被侵蝕形成深坑。相比固定的著陸平臺，臨時著陸平臺靈活性更好，可以根據(jù)需要調(diào)整著陸地點。而且，按照Mastern航天系統(tǒng)公司估計，不用建設固定著陸平臺，至少能夠節(jié)約1.2億美元。

先進氣動捕獲系統(tǒng)——幫助實現(xiàn)大型高速行星探測器

▲ 航天器通過氣動捕獲進入軌道的示意圖

氣動捕獲是利用行星大氣產(chǎn)生的氣動力，降低軌道能量，實現(xiàn)向目標環(huán)繞軌道的轉(zhuǎn)移，也就是探測器通過穿越大氣層來減速，進入行星的環(huán)繞軌道。相比化學推進和電推進等方式，能夠大幅提高探測器的質(zhì)量，例如土衛(wèi)六軌道探測器的質(zhì)量可提高280%。而且，相比傳統(tǒng)的化學推進入軌方式，每千克的任務成功能夠降低32%。不過，探測器要利用氣動捕獲技術實現(xiàn)入軌，要求其具有比較好的升阻比特性和熱防護系統(tǒng)，對于探測器設計是非常大的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問題，美國宇航局蘭利研究中心在“先進氣動捕獲系統(tǒng)”項目中，提出在探測器的鼻錐附近安裝磁鐵，來增加弓形激波脫體距離，以大幅降低駐點熱通量，從而降低對探測器熱防護系統(tǒng)的要求。蘭利研究中心估計，采用“先進氣動捕獲系統(tǒng)”可以將載人火星任務的飛行時間從3個月縮短到39天，飛行至火星附近后利用火星大氣層減速，完成入軌捕獲。

太空藥房——為太空中的人類提供基本的醫(yī)療保障

隨著人類在太空活動范圍越來越大，駐留時間越來越長，疾病將成為必須要面對和解決的問題。然而，很多藥物在地球上就存在不穩(wěn)定性，有一定的保質(zhì)期，如果面對太空中更嚴苛的環(huán)境，更難保證其長期有效。因此，美國宇航局埃姆斯研究中心提出在太空中按需制造藥物的方案——“太空藥房”。

“太空藥房”主要是針對肽和蛋白類的生物醫(yī)藥，因為這些藥物能夠有效治療航天員可能在太空中遇到的各類疾病，包括栓塞、出血、腎結(jié)石、骨質(zhì)流失等。不過，即使在冷藏條件下，基于蛋白質(zhì)的生物藥劑也只能保存6個月。埃姆斯研究中心提出在太空中量身定制這類藥物的方案。在起步階段瞄準非糖基化的生物醫(yī)藥，利用能夠適應太空環(huán)境的孢子形態(tài)細胞，以及基于實驗室標準改造的輕質(zhì)小型生態(tài)系統(tǒng)，在發(fā)射前對細胞進行基因工程改造，就可以在太空中通過添加無菌培養(yǎng)基來生產(chǎn)生物醫(yī)藥?！疤账幏俊钡慕K極目標是擺脫細胞，直接采用無細胞的轉(zhuǎn)錄/翻譯系統(tǒng)生產(chǎn)藥品。這種按需制造藥品的方式能夠解決因為保質(zhì)期或空間輻射導致藥物失效的問題，以最低的成本和資源投入保證太空中的人類健康。

▲ “太空藥店”在太空中按需制造藥品

BioBot——為航天員減少負載，更高效地開展探測活動

航天員抵達月球、火星等目的地后，需要穿著厚重的艙外航天服才能開展探測活動，使得活動效率大幅降低。因此，馬里蘭大學在2108年創(chuàng)新先進概念計劃下提出“BioBot”（意為生物機器人）項目。跟隨航天員的機器人為其提供生命維持系統(tǒng)，機器人與航天員之間通過自動對接臍帶連接。機器人能夠在很大程度上減少航天員的負載，提供更多的補給，從而實現(xiàn)更遠距離、更長時間的艙外活動。馬里蘭大學給出了一個非常直觀的例子，“阿波羅”計劃的A7L-B艙外航天服重192千克，但是僅能夠支持6小時的艙外活動，而BioBot則能夠大大延長這樣的活動周期。

隨著美國實施載人重返月球，BioBot再次得到重視，入選2020年創(chuàng)新先進概念計劃第二階段項目。馬里蘭大學計劃重點研究自動臍帶系統(tǒng)，同時獲取更多月球探測任務相關的數(shù)據(jù)來改進系統(tǒng)，并通過試驗來驗證出艙活動。

▲ BioBot的示意圖

超輕質(zhì)核電動力探測器——利用小型蜂群探測器開展深空探測

核電推進系統(tǒng)完全依靠自身攜帶的能源，能夠?qū)⑻綔y器送往太陽能覆蓋不到的空間，不過反應堆質(zhì)量通常都比較大，一般都傾向用于大型深空探測任務中。如果能夠?qū)⒑穗娡七M系統(tǒng)縮減到足夠小的規(guī)模，使其能夠利用小型運載火箭發(fā)射，那么就可以把小衛(wèi)星技術和核電推進的長壽命特點結(jié)合起來，對太陽系內(nèi)任意位置開展探測。為此，Howe工業(yè)公司在2019年的創(chuàng)新先進概念計劃下提出“基于先進熱電發(fā)電機和反應堆的蜂群探測器”（簡稱“SPEAR”）系統(tǒng)方案，采用新型輕質(zhì)反應堆調(diào)節(jié)器和先進熱電發(fā)電機，大幅縮減推進系統(tǒng)的核心質(zhì)量。SPEAR采用1100千克的航天器平臺（包括推進劑質(zhì)量），可以將10顆重7千克的小衛(wèi)星送入木衛(wèi)一的衛(wèi)星軌道上，而上述平臺可利用米諾陶4等商業(yè)火箭進行發(fā)射。

Howe工業(yè)公司已經(jīng)從理論上證明“先進熱電發(fā)動機”能夠?qū)崿F(xiàn)極高的效率。NIAC計劃在2020年第二階段研究中將繼續(xù)支持Howe公司構(gòu)建“先進熱電發(fā)動機”的工作單元，利用試驗環(huán)境下的核反應堆驗證其工作效率。

▲ SPEAR探測器的概念圖

月球極地推進劑開采站——月表長期探測活動的基礎設施

為了實現(xiàn)月球表面的長期駐留，需要在原位資源利用技術上進行突破，為此TransAstra公司在2019年的創(chuàng)新先進概念計劃下開展了“月球基地推進劑開采站”（簡稱“LPMO”）的研究項目，并得到2020年創(chuàng)新先進概念計劃第二階段的支持，說明這種方案具有一定應用前景。而該公司提出LPMO建設方案是基于兩個前提。首先是對月球表面地形的特點，即在近極地的小型月坑內(nèi)，會有大片處于極夜中永久凍土，但在月坑上方數(shù)十米到數(shù)百米的高度上，則是極晝區(qū)。在這種地形條件下，可將開采站建在永久凍土區(qū)，同時設置高100米左右的塔架，其上安裝折疊太陽電池板，利用極晝條件為開采活動持續(xù)提供電力。其次，該公司的“輻射氣體動力”（RGD）開采技術能夠通過月球開采車上的無線電、微波和紅外輻射等方式加熱凍土區(qū)或冰層，其中的水受熱揮發(fā)后，通過低溫冷卻裝置回收，以液態(tài)存儲下來。

“TransAstra”估計，利用“藍色起源”的新格倫或者美國宇航局的SLS重型火箭，可以發(fā)射2～5噸重的月球開采車，開采車的液態(tài)水年開采能力約是其自重的20～100倍。

▲ 月球極地推進劑開采站的方案架構(gòu)示意圖

盡管“創(chuàng)新先進概念”項目的經(jīng)費并不多，而且大多數(shù)方案的技術成熟度都非常低，處于理論研究和原理驗證階段，甚至還有一定的科幻色彩，短期內(nèi)很難向工程實踐發(fā)展，但是這類小型創(chuàng)新項目，在培育新技術萌芽，促進航天技術的顛覆性發(fā)展方面卻有非常積極的意義。在美國明確重返月球和載人探火的目標后，這類創(chuàng)新活動所發(fā)揮的作用更為顯著。“創(chuàng)新先進概念”計劃下的創(chuàng)新方案均是以前沿技術領域的最新進展為基礎，同時結(jié)合大膽的任務規(guī)劃，建立起全新的飛行器構(gòu)型、部署形式和任務架構(gòu)。而這些大膽和創(chuàng)新的基礎研究，可能會在某一天成為現(xiàn)實，支撐各種當前看似不可能實現(xiàn)的空間探索任務。因此，在探索未知的深空領域，這種經(jīng)費規(guī)?！靶　钡茄芯績?nèi)容卻非?！按蟆钡膭?chuàng)新研究計劃，非常值得借鑒。