這些創(chuàng)新項(xiàng)目，堪稱科幻與科技的融合

文/曲晶 樸美蘭 李斯戌

▲ 小行星防御方案示意圖

想象一下，未來(lái)的某一天。航天員穿著定制的航天服，在火星上行走，呼吸著火星大氣生成的氧氣。外形像鳥(niǎo)一樣的充氣式飛行器在金星的天空中飛行，探測(cè)金星的大氣成分和氣象模式……

這簡(jiǎn)直就像是科幻作品里的情節(jié)，但這種場(chǎng)景或許在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)實(shí)現(xiàn)。2022 年2 月，美國(guó)宇航局在其官網(wǎng)發(fā)布了本年度創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃的遴選結(jié)果，共有18 個(gè)項(xiàng)目入選，其中第一階段項(xiàng)目13 個(gè)，第二階段項(xiàng)目5 個(gè)，資助總額達(dá)到510 萬(wàn)美元。美國(guó)宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃旨在資助早期研究，培育航天創(chuàng)新概念，以提供可能改變?cè)摼治磥?lái)任務(wù)模式的突破性解決方案，拓展人類深度太空探索。本文選取了其中9 個(gè)與深空探測(cè)領(lǐng)域密切相關(guān)的創(chuàng)新方案進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，涉及小行星防御、原位資源利用、生命支持、采樣返回、自主探測(cè)器等，希望能給讀者帶來(lái)一些啟發(fā)。

人類終端防御系統(tǒng)

據(jù)報(bào)道，直徑大于1 千米的小行星撞擊地球后會(huì)使地球發(fā)生巨大爆炸并觸發(fā)海嘯，人類將面臨滅絕的威脅。6500 萬(wàn)年前，一個(gè)直徑10 千米的小行星撞擊墨西哥尤卡坦半島海岸曾導(dǎo)致了恐龍等地球上近75%的物種滅絕。1908 年和2013 年，俄羅斯西伯利亞的通古斯和車?yán)镅刨e斯克分別發(fā)生了隕石爆炸事件，造成8000 萬(wàn)樹(shù)木被摧毀、1000 多人受傷。針對(duì)小行星可能帶來(lái)的危害，世界各國(guó)都開(kāi)展了相關(guān)研究，提出了一系列主動(dòng)防御計(jì)劃。目前來(lái)看，小行星主動(dòng)防御的主要方式有三種：一種是動(dòng)能撞擊改變小行星軌道，例如美國(guó)的深空撞擊計(jì)劃和雙小行星改道測(cè)試計(jì)劃（DART）；一種是利用長(zhǎng)期作用力改變小行星軌道，例如太空拖船；還有一種是采用核爆方案。

菲利普·魯賓加州大學(xué)提出了一種基于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的行星防御方案，通過(guò)在太空中部署一系列小型超高速動(dòng)能穿透器，來(lái)粉碎和分解小行星或小彗星，從而保護(hù)地球不受小行星影響。采用這種方案可有效防御直徑數(shù)百米的小行星，但其防御效果主要取決于攔截小行星所需的時(shí)間和小行星的大小。據(jù)科學(xué)家估計(jì)，人類終端防御系統(tǒng)只需要在撞擊前5 個(gè)小時(shí)，就能摧毀通古斯事件中同等大小的小行星（直徑50 米，爆炸威力約為1000兆噸）。而較大的目標(biāo)如阿波菲斯這種大型行星（直徑370 米），也可以在撞擊前10 天實(shí)現(xiàn)攔截。如果預(yù)先將該系統(tǒng)部署到軌道或月球基地，那么該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)更短。

小行星主動(dòng)防御是人類應(yīng)對(duì)行星和彗星撞擊的一種有效手段，也使人類第一次真正具備了應(yīng)對(duì)小行星威脅的自主能力。

金星大氣/云粒子采樣返回

麻省理工學(xué)院天文學(xué)家提出了一種新的航天器設(shè)計(jì)方案，用于執(zhí)行金星采樣返回任務(wù)，以評(píng)估金星大氣云區(qū)域的可居住性，尋找生命的跡象。

幾十年來(lái)，人們通過(guò)金星的溫帶云層推測(cè)它是一個(gè)宜居星球。盡管金星云層含水量極低并存在濃硫酸，但長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法解釋的大氣測(cè)量以及新的發(fā)現(xiàn)，都支持了金星可能存在微生物的這一觀點(diǎn)，但天體生物學(xué)研究并非本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)。

▲ 金星采樣返回方案示意圖

該方案中的飛行系統(tǒng)由入軌探測(cè)器和軌道飛行器組成。入軌探測(cè)器由一個(gè)可變高度的氣球組成，在45～60千米的高度上工作。氣球的吊艙包含采樣設(shè)備和上升飛行器。在完成從不同的大氣層位置采樣后，空中平臺(tái)將上升到大約70 千米的高度，上升飛行器啟動(dòng)并與軌道飛行器會(huì)合，隨后采樣返回。該方案支持了美國(guó)宇航局通過(guò)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)拓展人類認(rèn)知的目標(biāo)，以及“推動(dòng)科學(xué)、技術(shù)和空間探索的進(jìn)步，以拓展人類認(rèn)知”的使命。

“定制”火星探索航天服

艙外航天服可被認(rèn)為是人形的“宇宙飛船”，保護(hù)航天員不受宇宙空間惡劣環(huán)境的影響，為航天員提供一個(gè)賴以生存的微環(huán)境。但由于各種原因，并不是所有的航天服都能發(fā)揮其作用，許多機(jī)組人員經(jīng)歷了肩傷、指甲脫落等問(wèn)題。因此，定制航天服成為解決不同機(jī)組人員所面臨的問(wèn)題的一種有效途徑。但是如何能夠快速、有效地做到這一點(diǎn)呢？來(lái)自得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員給出了答案。他們正在研究制造低成本、高性能火星探索定制航天服的可行性，通過(guò)數(shù)字人體掃描、數(shù)字設(shè)計(jì)/分析、機(jī)器人制造，最終形成數(shù)字化模型，為未來(lái)航天服的研制提供基礎(chǔ)。

▲ 火星探索航天服示意圖

▲ 便攜式制氧機(jī)工作原理

該項(xiàng)目旨在解決深空探索面臨的幾個(gè)主要問(wèn)題：1.根據(jù)不同航天員的個(gè)體差異，快速設(shè)計(jì)、制造艙外活動(dòng)航天服的能力；2.建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷優(yōu)化完善航天服設(shè)計(jì)的能力；3.深空探索人員可根據(jù)數(shù)字文件在原地制造或修復(fù)某些艙外航天服組件；4.實(shí)現(xiàn)航天服數(shù)字化納入整個(gè)火星任務(wù)構(gòu)架和操作方案中，包括再補(bǔ)給、原地修復(fù)和制造以及原材料的再利用。

火星固定、便攜式制氧機(jī)

人類火星任務(wù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一就是原位資源利用（ISRU）技術(shù)，以解決長(zhǎng)時(shí)間火星探索無(wú)法立即獲得補(bǔ)給的問(wèn)題。特別是氧氣——既是火星上升飛行器（MAV）的推進(jìn)劑，也是維持生命的必要資源。亞利桑那州立大學(xué)提出的制氧機(jī)方案，主要利用所謂的變溫吸附/解吸（TSSD）過(guò)程，以火星大氣為原料來(lái)生產(chǎn)氧氣，與現(xiàn)有技術(shù)相比，生成相等量的氧氣，可以降低10 倍能耗。

2021 年4 月，美國(guó)宇航局在毅力號(hào)火星車上進(jìn)行了“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”（MOXIE），首次成功制造出5.37 克氧氣，相當(dāng)于火星上的航天員呼吸10 分鐘所需要的氧氣量。預(yù)計(jì)采用這種技術(shù)每小時(shí)可以制造10克以下的氧氣，在理論上每小時(shí)至多可生產(chǎn)12 克氧氣。MOXIE 的工作原理是從二氧化碳分子中將氧原子分離出來(lái)。分離后產(chǎn)生的廢物——一氧化碳，則被排放到火星大氣中。

與MOXIE 技術(shù)相比，TSSD 技術(shù)在效率、能耗、魯棒性、靈活性等方面都具有優(yōu)勢(shì)。效率方面，采用TSSD 技術(shù)生成氧氣的效率比MOXIE技術(shù)預(yù)計(jì)高10 倍。對(duì)于MOXIE 技術(shù)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)氧氣推進(jìn)劑的功率至少需要30 千瓦，而TSSD 只需要4 千瓦。靈活性方面，TSSD 的啟動(dòng)時(shí)間僅為幾分鐘（MOXIE 為幾小時(shí))，并且能夠處理間歇和重啟等情況。魯棒性方面，TSSD 技術(shù)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，使用壽命長(zhǎng)，并且不容易產(chǎn)生積碳。這兩種技術(shù)都需要能量的轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)氧氣制備，TSSD 技術(shù)轉(zhuǎn)化溫度為260℃左右，MOXIE 技術(shù)轉(zhuǎn)化所需溫度約為800℃，因此對(duì)于儀器耐熱材料也提出了更高的要求。如果方案可行，那么TSSD 將大幅提升火星原位資源利用能力，顯著降低人類火星探索的風(fēng)險(xiǎn)，可以讓火星任務(wù)的著陸區(qū)選址更具靈活性。

▲ 外行星探索方案示意圖

外行星探索科學(xué)方案

由于成本高昂、技術(shù)難度大等，人類對(duì)于外太陽(yáng)系的探索極為有限：在過(guò)去60 多年的太空探索中，土星以外的天體僅被到訪過(guò)一次。最近的研究表明太陽(yáng)帆推進(jìn)每年可實(shí)現(xiàn)10 AU，那么，利用太陽(yáng)帆推進(jìn)，人類將不到2 年就可到達(dá)海王星，不到3 年就可到達(dá)冥王星，這在當(dāng)今的推進(jìn)技術(shù)中也是前所未有的。

太陽(yáng)帆為深空探索提供了一種全新的方案，為低成本和快速運(yùn)輸任務(wù)鋪平了道路?；谔?yáng)帆推進(jìn)的思路，美國(guó)宇航局戈達(dá)德航天飛行中心提出了一個(gè)突破性的航天器架構(gòu)，它將科學(xué)儀器和航天器集成到一起，通過(guò)直接在太陽(yáng)帆材料上打印基于量子點(diǎn)的光譜儀，從而解決了過(guò)去因質(zhì)量限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的載荷功能。與僅用于小型立方體衛(wèi)星推進(jìn)的傳統(tǒng)太陽(yáng)帆不同，該航天器架構(gòu)方案將其廣闊的區(qū)域用于光譜學(xué)，幾個(gè)航天器架構(gòu)同步工作將大大縮短飛行時(shí)間，拓展外太陽(yáng)系科學(xué)探索的邊界。

用于極端環(huán)境和區(qū)域探索的仿生鰩魚

用于極端環(huán)境和區(qū)域探索的仿生鰩魚（BREEZE）項(xiàng)目是在2019 年美國(guó)宇航局創(chuàng)新計(jì)劃資助下開(kāi)展的，由布法羅大學(xué)研究人員提出，旨在設(shè)計(jì)并建造一種多功能航天器來(lái)開(kāi)展金星大氣層探測(cè)。

該飛行器將充氣結(jié)構(gòu)與仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)相結(jié)合，機(jī)翼可以像鰩魚的胸鰭一樣拍動(dòng)，從而產(chǎn)生升力。該設(shè)計(jì)可以有效利用行星大氣中的強(qiáng)風(fēng)，同時(shí)為飛行器提供較好的控制能力。BREEZE將在海拔 50～60 千米的大氣層中飛行，每4～6 天對(duì)金星進(jìn)行一次環(huán)繞，以太陽(yáng)能為動(dòng)力，開(kāi)展金星的天氣模式、大氣成分、金星磁場(chǎng)圖繪制等相關(guān)研究。

▲ 仿生鰩魚方案概念圖

▲ 千米級(jí)空間結(jié)構(gòu)示意圖

項(xiàng)目第一階段啟用了BREEZE結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性和充氣的初步計(jì)算研究，使技術(shù)成熟度(TRL) 從1 級(jí)（基礎(chǔ)理論研究階段）提升到2 級(jí)（技術(shù)方案應(yīng)用初級(jí)階段）。第二階段任務(wù)將驗(yàn)證其可行性，技術(shù)成熟度將達(dá)到4 級(jí)（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下樣本生產(chǎn)測(cè)試階段）。第一個(gè)測(cè)試將是使用先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)評(píng)估機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)范圍和撲動(dòng)速度，確定BREEZE 的機(jī)動(dòng)能力，為風(fēng)洞試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。之后，基于物理數(shù)據(jù)開(kāi)展試驗(yàn)，以獲得空氣動(dòng)力和力矩，用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)結(jié)果，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的推進(jìn)和控制能力。最終通過(guò)縮比模型試驗(yàn)來(lái)評(píng)估BREEZE的主動(dòng)控制能力。

除了金星，BREEZE 還可以探測(cè)具有稠密大氣層的其他天體（如土衛(wèi)六），為美國(guó)宇航局后續(xù)開(kāi)展行星探索提供了一種低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案。

千米級(jí)可折疊空間結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)時(shí)間太空飛行會(huì)對(duì)人體構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從骨骼退化到肌肉損失再到腦結(jié)構(gòu)改變等，這些都與重力不足有關(guān)。因此，人類想要長(zhǎng)久地在太空生活下去，就需要?jiǎng)?chuàng)造人造重力環(huán)境。

2021 年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在美國(guó)宇航局創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃下提出了一種通過(guò)千米級(jí)的空間結(jié)構(gòu)自旋產(chǎn)生離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)人工重力的方案。該方案以阿爾忒彌斯計(jì)劃下的月球軌道門戶為應(yīng)用背景，利用機(jī)械性能出眾的輕質(zhì)超材料，實(shí)現(xiàn)伸縮比達(dá)到150 倍或者更高的結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)，從而使這種千米級(jí)的結(jié)構(gòu)部件可成功安裝在火箭的整流罩內(nèi)進(jìn)行發(fā)射。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)通過(guò)第一階段的研究已經(jīng)證明了這種方法的可行性，第二階段將聚焦以下4 個(gè)具體方向：1.對(duì)結(jié)構(gòu)展開(kāi)“動(dòng)特性”進(jìn)行建模。2.利用仿真手段和設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決在存在制造誤差和外部干擾時(shí)，結(jié)構(gòu)展開(kāi)而面臨的一系列問(wèn)題。3.通過(guò)快速原型設(shè)計(jì)并不斷迭代，實(shí)現(xiàn)模型校準(zhǔn)和子系統(tǒng)組件評(píng)估。4.對(duì)具有數(shù)千條鏈路的米級(jí)原型進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證無(wú)干擾的展開(kāi)和高擴(kuò)展率。第二階段的工作將持續(xù)兩年，如果該想法能夠?qū)崿F(xiàn)，將對(duì)美國(guó)宇航局未來(lái)星際探索產(chǎn)生直接和長(zhǎng)期的影響。在短期內(nèi)，千米級(jí)的空間結(jié)構(gòu)將使人類在月球空間的持續(xù)居住成為可能。從中長(zhǎng)期來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)對(duì)人類長(zhǎng)時(shí)間太空生存至關(guān)重要。

▲ 小型攀爬機(jī)器人示意圖

小型攀爬機(jī)器人

面對(duì)火星復(fù)雜的地表現(xiàn)象，傳統(tǒng)的輪式探測(cè)器的探測(cè)范圍有限，有些區(qū)域無(wú)法達(dá)到。因此，美國(guó)宇航局開(kāi)始思考無(wú)法到達(dá)區(qū)域（如懸崖峭壁）該如何探測(cè)。斯坦福大學(xué)研究人員正在嘗試解開(kāi)美國(guó)宇航局的疑惑。他們正在開(kāi)發(fā)一種任務(wù)架構(gòu)，包括一個(gè)遠(yuǎn)程爬行機(jī)器人、錨定位置的機(jī)器人，可以使用延伸吊桿進(jìn)行移動(dòng)操作，在火星洞穴復(fù)雜地形中探索采樣。

在火星或月球的重力作用下攀爬時(shí)，爬行機(jī)器人必須抓住錨點(diǎn)來(lái)移動(dòng)和操縱物體，才不會(huì)漂浮或墜落。這種機(jī)器人是一種高度可重構(gòu)機(jī)械裝置，匯集了自主機(jī)器人、機(jī)器人操作、機(jī)械設(shè)計(jì)、仿生抓取和地質(zhì)行星科學(xué)領(lǐng)域的跨學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)的智慧。

項(xiàng)目第一階段，專家團(tuán)隊(duì)研究了小型攀爬機(jī)器人洞穴探索任務(wù)的可行性，發(fā)現(xiàn)這款洞穴機(jī)器人可達(dá)空間和扳手工作空間更加廣泛；帶有多爪、輕質(zhì)抓取器的解決方案可實(shí)現(xiàn)巖石表面的成功抓取。此外，由于攀爬機(jī)器人的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性和操縱性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要科學(xué)目標(biāo)的探索。在第二階段，專家團(tuán)隊(duì)將在完善第一階段可行性研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決系統(tǒng)魯棒性和端到端方案驗(yàn)證問(wèn)題，包括拓展攀爬機(jī)器人的工作空間；確定抓取器容易成功抓取的洞穴地點(diǎn)，解決其他機(jī)器人在洞穴探索時(shí)遇到的導(dǎo)航局限性問(wèn)題；研究降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)的途徑，如研制控制器來(lái)降低機(jī)器人抓取失敗所導(dǎo)致的振動(dòng)影響；研究機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)任務(wù)環(huán)境中的性能。

▲ 探測(cè)海洋星球的獨(dú)立微型游泳機(jī)器人示意圖

探測(cè)海洋星球的獨(dú)立微型游泳機(jī)器人

液態(tài)海洋位于數(shù)千米的冰殼之下，是太陽(yáng)系中最有可能孕育生命的地方。進(jìn)入和探索這些水生環(huán)境是科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)。2021 年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提出用“獨(dú)立微型游泳機(jī)器人探測(cè)”（SWIM）系統(tǒng)來(lái)拓展海洋星球的探索，利用多個(gè)厘米級(jí)的3D 打印微型機(jī)器人深入海洋冰面下方開(kāi)展探測(cè)。機(jī)器人配備傳感器，由微型執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)超聲波進(jìn)行無(wú)線通信、可單獨(dú)部署也可以集群部署。

項(xiàng)目第一階段，JPL 確定了微型游泳機(jī)器人的原型設(shè)計(jì)方案。2022 年，該項(xiàng)目成功入選第二階段資助，研究重點(diǎn)將聚焦以下5 個(gè)方面：進(jìn)行三輪原型樣機(jī)測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不斷迭代；通過(guò)仿真手段識(shí)別滿足高可靠性、最少硬件要求的游泳機(jī)器人的工作策略；利用商業(yè)貨架產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)傳感器有效載荷的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試；研發(fā)超聲換能器節(jié)點(diǎn)，測(cè)試水中雙向通信能力；通過(guò)機(jī)動(dòng)/控制性能研發(fā)驗(yàn)證水中機(jī)動(dòng)性、狀態(tài)評(píng)估和閉環(huán)控制。

作為提升國(guó)家基礎(chǔ)創(chuàng)新能力、豐富人類認(rèn)知、拓展人類生存空間的新興重大科技創(chuàng)新領(lǐng)域，深空正持續(xù)受到各主要航天國(guó)家的高度關(guān)注，成為國(guó)際航天活動(dòng)熱點(diǎn)。2022 年美國(guó)宇航局創(chuàng)新計(jì)劃支持的新概念和新技術(shù)方案很多都是圍繞深空探測(cè)展開(kāi)，將具有變革作用的創(chuàng)新概念、理念融入深空探索領(lǐng)域必然會(huì)促進(jìn)新理論、新技術(shù)的產(chǎn)生，從而拓展人類的認(rèn)知邊界，推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。