美國航空航天局未來10年空間技術發展的動力與重點領域

王景泉（北京空間科技信息研究所）

□□美國航空航天局（NASA）為了恢復航天技術優勢，為新時代航天發展鋪平道路，制定了空間技術發展路線圖，確定了優先級，描述了高優先級技術的價值，明確了發展的差距及技術發展和計劃變化的戰略。NASA的空間技術發展路線圖包括14個技術類別的83項關鍵技術。

1 未來10年NASA空間技術發展的背景和迫切性

多年來，NASA之所以能取得舉世矚目的成就，很大程度上歸功于廣泛而強有力的先進技術開發。然而，近年NASA的技術基礎在很大程度上已耗盡，很少有經過驗證的技術（較高程度的成熟技術）能有助于NASA實施探索和空間科學的優先級任務。正如美國研究委員會在有關美國民用航天計劃的報告中闡述的那樣：未來美國要想保持在太空的領先地位，需要有持續的技術進步奠定基礎，有能力研制更大能力、高可靠性和低成本的飛行器、運載器，來實現空間計劃目標。強有力的先進技術發展基礎對于增強新任務的技術準備，緩解技術風險，改進成本估算質量，從而優化全任務成本管理等都是十分必要的。

空間技術發展背景及需求

目前美國可利用的技術不足以支持許多設想的空間任務，迫切需要發展新技術予以支持。

（1）對于向月球、火星和低地球軌道（LEO）以遠的其他目的地運送航天員所需要的新技術

· 減輕來自宇宙背景輻射和太陽耀斑的空間輻射影響的技術；

· 推進環境控制和生命保障系統（ECLSS）的技術進步，該系統要具備高可靠性，可在太空維修，能閉環水、空氣和食品循環等特點；

· 在現場資源利用（ISRU）系統中，提供先進的故障自主恢復的移動壓力單元，輕質量漫游車和改進的人機接口，以及能在塵埃、重力減少等環境下操作的其他機械系統。

（2）NASA未來能力要求的新技術

NASA未來能力需要依靠新技術獲得最大效益，有能力研制自動飛行器，使其能在大范圍的重力、各種環境、地表和地下，具有足夠程度的自主性機動，實現在遠離地球的空間進行增強型的操作。

（3）LEO和深空探索的商業空間活動需求的新技術

商業空間活動也需要從先進的發射和空間運輸技術中獲取效益，其中某些活動需要在太空存儲和運輸低溫推進劑，另外深空探索的某些方案的選擇也需要高推力的電和核上面級推進系統。

（4）在太陽系多變的表面著陸需要的新技術

增強飛行器在太陽系多變表面著陸的能力，需要具有很高精度的軌道適應性識別的制導、導航和控制系統。

未來的深空探索航天器想像圖

（5）未來空間科學任務需要的新技術

在天體物理學中能選擇高優先級目標的未來空間科學任務，需要新一代的技術，包括能利用先進制冷器和攝像機系統的低成本天文望遠鏡，能改進焦平面陣列，具有低成本、超穩定的大型光學鏡面能力。同樣，也需要具有對弱目標的空前敏感性、寬視場和光譜能力的高反差外行星成像技術，以便在主星可居住區發現地外行星軌道及其特性。

火星載人探索任務想像圖

確定目標并制定實施規劃

2010年10月11日簽署的授權法案中，要求NASA啟動一個計劃，保持其在空間技術領域的基礎研究。2011年2月14日，NASA提出了2011年戰略計劃，概括了2011-2021年及以后的發展目標及實現這一目標的規劃，主要包括5個戰略目標：①延伸和維持穿越太陽系的載人活動。②擴大對我們生活的宇宙和地球的科學了解。③開發創新的空間技術，用于未來的探索、科學和經濟。④為支持NASA的航空航天活動，開發可能的計劃和技術能力。⑤NASA和公共機構、教育及研究部門分享機會，參與任務，培育創新，為強大的國家經濟貢獻力量。

2 對高優先級技術的需求和重點領域發展分析

美國對新技術分為14類空間技術領域進行概念定義、需求，并確定優先級和重點。

空間推進技術

包括將飛行器送離地球并使其脫離發射火箭，以及與后續推進有關的所有技術，有4個主要方面：化學推進、非化學推進、先進推進和支持技術。該領域高優先級技術包括：

（1）電推進

使用飛行器產生的電力將推進器加速到極高的速度。當今飛行器機動使用的太陽能電推進（SEP）主要包括電弧推進器、霍爾推進器和離子推進系統。現代實驗室模型的霍爾推進器和離子推進系統已經進行了地面驗證，這些推力器的飛行型式正在研制中。未來由核電源支持的多兆瓦電推力器系統將使用目前處于實驗室早期試驗階段的各種推力器的飛行型式。大功率SEP系統（100kW～1MW）的研制將能夠支持大規模或快速任務，在地球軌道的空間運輸系統中實現更高效率和更大的采樣返回任務，用于載人探索任務的貨物和預先定位的ISRU的運輸。

（2）推進劑存儲和轉移

在太空，推進劑的存儲和轉移包括制冷劑的長期存儲，也包括飛行器、上面級、月球和火星著陸器、上升飛行器上的再加注部分和推進系統之間的流體轉移。盡管推進劑的存儲和轉移已經在太空進行過驗證，但這種技術還只在實驗室環境下對低溫流體進行部件級確認。從廣泛應用的角度，推進劑的存儲和轉移之所以被確定為改變策略的技術，主要是由于對于大型有效載荷和載人任務，具有長壽命、高推力和高速度增量的優勢，并將在未來30年中加以利用。

（3）核熱推進

熱推進技術包括使用太陽和核熱源，利用熱能加熱氫推進劑實現高比沖。但只有核熱推進被確定為高優先級技術。核熱火箭（NTR）屬于高推力推進系統，可能比最好的液氫液氧化學火箭的比沖高2倍。關鍵的NTR技術包括核燃料、反應堆（器）和系統控制、長壽命氫泵等，由于以前采用野外試驗途徑，從環保角度不再能接受，因而技術發展還包括地面試驗能力的改進。

（4）微推進

微推進技術包括化學和非化學所有推進領域，可滿足高機動性微衛星（質量小于100kg）和某些精密指向、定位的天體物理任務的要求。由于小衛星受到成本低、研制周期短等因素的驅動，無論是單顆衛星，還是編隊飛行，都將會賦予更加復雜的任務。目前已提出的技術包括現有系統的小型化和創新方案等。

未來的空間探索需要航天員與機器人的合作

能夠勘探和挖掘月球表面凍土的機器人概念圖

空間電源和能源存儲

空間電源和能源存儲主要包括電源產生、能源存儲、電源管理與分配、交叉關鍵技術。該領域的高優先級技術有：

（1）太陽電源產生（光伏和熱）

目前，光伏空間電源系統利用太陽電池片將太陽光變換成電能，轉化效率達到30%，現在的重點是探索能在極端環境下有效工作的高效電池片技術。到目前為止，幾乎絕大多數飛行器都是靠太陽電池供電，而NASA正在瞄準用于大功率電推進任務的光伏電源技術，其核心是提供高質量比和高功率密度的先進電池陣技術。

（2）裂變電源產生

空間裂變電源系統是利用核燃料裂變產生的熱轉換產生電能的裝置，其關鍵分系統包括反應堆、熱交換器、能量變換器、隔熱和輻射屏蔽系統。利用這種電源系統，可為行星表面探索任務提供充足的電力環境，也可為深空探索和科學任務提供高功率的電推進系統。

（3）電源分配管理與傳輸

如果高功率電力系統采用目前的電源分配管理與傳輸技術，那么這種系統必然達到不可接受的質量和復雜性，因此必須開發更有效的電源分配與傳輸方法。研究的重點是提高電源分配與傳輸的電壓，開發空間系統高頻交流電分配方案，找到替換銅導體的材料。

（4）電源變換與調節

任何飛行器的電源利用都是由電源及其分配的體系結構決定的。電源變換與調節的目的是在電源和有效載荷之間提供必要的橋梁，將電源調節到各種有效載荷所要求的允許值范圍。目前的問題是需要對地面的高電壓部件進行空間鑒定，以代替已經落后于商業技術的空間鑒定部件。改進電源變換與調節裝置的重要參數包括提高變換效率、工作溫度范圍和輻射容差。

（5）電化學能源存儲

電池作為電化學能源的存儲形式在航天領域已經使用多年。空間電池要想在變化的空間環境中保證效用，負載的范圍要求大于地面應用。現在有些先進的電池技術還未在空間飛行驗證，而且，新型電化學技術要在高比能量或高比功率方面發展。

（6）放射性同位素電源產生

放射性同位素電源系統（RPS）能支持許多特殊的深空或行星探索任務，進行科學發現。RPS基于钚-238，使用熱電變換器為穿越太陽系的許多任務提供可靠的電力，而且工作壽命可以超過30年。未來的RPS要求提供低功率和高電平。由于目前缺乏可用的钚-238，因此研制理想的RPS還存在諸多問題。對于NASA未來的科學和探索任務，開發可靠且可重復使用的钚-238和研制成熟化的斯特靈放射性同位素發電機是兩項關鍵技術。

機器人、遙機器人和自主系統

機器人、遙機器人和自主系統包括遙感和感知、靈活性、操作性、人機系統集成、自主性、自主交會對接等方面，其高優先級技術有：

（1）相對制導算法

相對制導技術包括在飛行器之間順序進行交會、接近操作和（或）對接、捕獲等的軌道算法。這些算法必須要預測應用環境的影響，軌道變化和所使用的姿態控制受動器的性質，慣性和相對導航狀態數據對制導算法的可利用性等。新技術主要是提供能計算和管理飛行器機動的實時星上算法功能，以實現具體的軌道變化目標。NASA重視相對制導技術的發展，因為這種技術直接關系到載人深空探索、采樣返回、在軌維護和軌道碎片緩解等。

（2）對接、捕獲機構/接口

對接、捕獲機構能實現物理性捕獲和連接，以及分離釋放。研究用于自主交會和對接操作的物理對接和捕獲接口，將大大簡化自主交會對接系統的控制要求，提高系統可靠性。未來的對接和捕獲機構不僅能夠在追蹤飛行器和目標飛行器之間進行乘員轉移，而且可增加設備艙的連接，簡化執行機器人的服務任務，甚至能對非工作狀態甚至翻跟斗的飛行器進行控制和捕獲。

（3）飛行器系統管理，故障檢測、隔離和恢復

這涉及到集成系統完好狀況管理，故障檢測、隔離和恢復及飛行器系統管理的關聯性和搭接。它們是保證自主飛行器的安全和可靠運行的關鍵，可以提供地面和軌道上飛行器乘員進行故障評估的診斷能力；確定故障位置和處理故障的自主能力，提高機器人系統的靈活性以應對故障；在檢測到乘員需要逃逸或中止任務情況后，能增加乘員的安全性。NASA必須重視這種技術的發展，因為它將關系到諸如機器人科學任務、行星漫游器和著陸器等深空探索的許多任務。

（4）靈巧操縱

這是一種系統級的技術，涉及多個技術領域，對NASA目前和未來的任務至關重要，包括“國際空間站”（ISS）的服務和維護、衛星的遙服務、大型結構的在軌組裝和遙探索應用。為此，NASA重點研制了相關機器人，目前在ISS上進行評估，研究適合航天員的接近靈巧性。到目前為止，這類研究活動主要集中在環路中人員的遙操作，這依靠高帶寬存活的限制和快速反應時間的通信要求。NASA將研究多種方案用于擴展機器人技術和改進在慢反應時間和低帶寬環境下操作的能力。

（5）管理控制

管理控制定義為控制機器人利用高級目標而不是低級指令工況需要的一體化技術，這要求機器人有半自主或自主的能力。增加大量機器人后，一個人要有能力同時管理多系統，也具有結合延時管理的能力。目前，需要解決的關鍵技術包括：機器人高級自主工況敏感和控制，多敏感器融合，能使乘員從多個機器人顯示的信息中了解狀況，對時間延遲的解釋、機器人現場提供的信息、觸角反饋及為處理通信損耗需要管理控制系統的手段。由于該技術可以減少管理機器人任務所要求的乘員數量，也由于科學和探索的多重任務，因此，NASA迫切需要這項技術。

（6）機器人挖掘和采樣處理

機器人挖掘和采樣處理技術將實現從機器人任務的科學效益轉移到小天體、月球和行星，也可將載人航天的原位資源利用有效于月球和小天體。新的機器人鉆探、從地層中取出樣品的技術具有重要意義，由于要保證采集的樣本不被污染，它將影響未來行星科學任務的質量。

（7）極端地形上的機動性

極端地形的機動性包括所有地上或地表級地形的機動性。機動性程度越高，支持自主性的能力越強。這種技術可以實現在極端的地形情況下尋找水源的任務，對于火星和月球任務也非常重要。它可用于任何探索任務，包括到行星表面（含月球）的載人和機器人探索。

（8）小天體和微重力條件下的機動性

NASA研制的ECLSS

模擬人體長期暴露在太空輻射環境下，研究太空輻射的影響

在微重力條件下操作機器人存在許多挑戰，如果不能固定或系繩于地面結構會相當困難，即使調節螺絲釘這種很簡單的任務對于沒有連接到其他固定結構的機動平臺來說，也有很大的問題。研制具有感知和自主性支持的自適應機動系統，是在緊湊空間和微重力環境下完成探索和采樣返回任務的關鍵技術。由于這種技術和機器人及載人的小天體（近地行星、地球軌道以遠的載人探索目標）探索有關，因此是未來任務的重要技術。

通信和導航

通信和導航主要包括光學通信和導航，無線電頻率通信，網絡互聯，定位、導航和授時，集成化技術，革命性方案等。其高優先級技術有：

（1）星上自主導航和機動技術

星上自主導航和機動技術對未來的許多任務在改進能力和降低支持要求方面都很關鍵，將減少相對地球的傳統位置的依賴。星上機動的規劃和執行的監視將增加飛行器的敏捷性，形成新的任務能力，通過減少支持傳統飛行器操作所需要的大型工作隊伍而降低成本。這種技術具有較高優先級，因為它將影響載人的深空探索、機器人科學任務、行星著陸器和漫游器。

（2）時間保持和授時分發

NASA通信和導航基礎設施是原子鐘、時間傳遞硬件和軟件。太空使用新的和更精確的原子鐘、時間分發和時間同步的手段，未來幾十年實現基礎設施的改進和NASA擴展任務的要求，都需要發展這種技術。時間保持和授時分發需要幾個數量級的改進，以提供主要效益。由于時間保持和傳遞精度的增加，引起相對和絕對位置及速度精度的增加，因而提供了能更好地交會、對接及著陸初始方案。這種技術具有高優先級，它對很多領域的大多數任務都有重要影響，包括載人和機器人探索所涉及到的交會、相對位置保持和著陸任務等。

（3）自適應網絡拓撲結構

自適應網絡拓撲結構是指網絡改變其拓撲結構的能力，以應對網絡改變或延遲的發生，或增加通信路徑之間相關性的了解。它包括改進任務通信、信道訪問方法，以及保持穿越動態網絡信號質量等技術，為適應增強任務的復雜性，實現強大的任務生命力，要求確保成功的信息交換。

（4）無線電系統

無線電系統技術集中于射頻通信，定位、導航和授時，空間互聯網等探索性技術進步，以發展先進的集成化的空間和地面系統，既提高性能和效率，又降低成本。主要挑戰是將先進的技術集成到操作系統，使未來NASA空間任務的數據率和通信范圍達到最小限制。

NASA為火星探索研制的EVA壓力服

乘員健康、生命保障和居住系統

乘員健康、生命保障和居住系統包括ECLSS及居住系統，乘員健康和能力，艙外活動系統，環境監視和安全。其高優先級技術有：

（1）輻射

大量研究已經證實，輻射是載人航天未能解決長期飛行人員健康問題的主要原因。主要的最高優先級技術是：

· 輻射監視技術 監視輻射環境的能力是航天員安全和任務成功的關鍵。包括在屏蔽中生成的次級粒子在內，必須進行局部環境的測量，以保證使航天員暴露所遭受的總劑量盡可能低。現有的技術既對輻射威脅的全部范圍不敏感，也不能給出對總劑量起主要作用的粒子類型的細節。需要改進的是能主動讀出和對大范圍輻射敏感的小型、低功率放射量測定器。

· 輻射防護系統 輻射防護系統包括限制航天員輻射暴露的材料和其他途徑。對于載人探索的許多部分，屏蔽是關鍵的設計依據。一般認為，單獨的屏蔽不能消除銀河宇宙射線的輻射，但屏蔽較好的飛行器或居住艙能從根本上減少來自太陽粒子事件的輻射。解決上述問題最佳途徑研究中的挑戰，是既要減少輻射暴露，又要滿足整個任務的質量、成本和其他設計考慮。

· 輻射風險評估模型 輻射風險一向被列為長期載人探索的最高風險，基于以癌癥為最嚴重影響程度而建立的目前風險模型的風險限度，僅在深空停留4～6個月就將超過。風險限度分為幾個層次，包括NASA的允許暴露限度和由重大不確定性決定的某些方面的量化。減少有關生物的不確定性，對減少有關癌癥的不確定性、量化選擇屏蔽的價值和量化可能的輻射緩解對策功效均有重要價值。

· 載人輻射的預測 能夠預測輻射環境，特別能預測太陽粒子事件和由太陽風暴導致的電離輻射的強輻射周期，對于保證航天員安全和任務成功至關重要。提高預報能力將改進任務效能，通過延長作出響應的時間，減少屏蔽下停留的時間，并避免虛警，能夠實施更大效費比的策略。

· 輻射緩解 一般認為，單獨的屏蔽不能消除銀河宇宙射線的輻射，因此需要探索生物學和藥理學的相關對策，以降低連續輻射暴露的影響，同時限制嚴重敏感的輻射影響，同時在太陽粒子事件期間，對于大劑量輻射暴露的航天員要限制其敏感輻射影響的嚴重程度。

航天員準備在火星表面鉆孔設想圖

（2）ECLSS和居住系統

居住技術領域的重點是與生保系統有緊密接口的方面，包括食品生產、食品準備和處理、乘員衛生、代謝廢物的采集和穩定、衣服及洗熨、后勤廢物的再利用及循環等。技術難度是提供理想的食品和衛生條件，使乘員舒適并受防護。

· ECLSS廢物管理 廢物管理涉及保護乘員健康，提高安全性和性能，再生資源和保護行星表面等。其涉及的關鍵技術包括減少體積，穩定，控制異味，水、氧和其他氣體及礦物質等物質的再生。

· ECLSS水的再生和管理 這種技術提供安全、可靠的水供應，以滿足乘員消耗和操作需要。由于對于整個發射任務來說，水占有很大的發射質量，從地球補充水又是不切實際的，因此，從廢水和廢物中再生水就是具有高優先級的非常關鍵技術。

· ECLSS空氣再生 對于長期飛行任務，空氣的再生也至關重要。關鍵的技術包括二氧化碳的去除或減少，氧的供應，氣體微量污染物的去除，微粒去除、溫度控制、除濕和通風等。

（3）乘員健康和能力

主要是長期乘員的健康。自主的、靈活的和自適應的技術和系統對長期健康非常關鍵，因為意外事件發生和生病以后，有效的快速恢復技術無疑具有最高優先級。在與長期健康有關的技術中，有可能引起規則改變的技術主要是人造重力的評估和實現，該技術有可能緩解骨質損失、肌肉和心血管失調以及神經紊亂等，其中的最高優先級技術包括：在微重力環境中飛行過程的外科能力、自動化醫學檔案、信息和程序管理，以及飛行過程的醫學診斷等。

（4）艙外活動（EVA）系統

· EVA壓力服 壓力服是能保證EVA人員工作和生存的擬人航天系統。理想的航天服應該容易穿、脫，對于穿用者具備高度關節化并容易調整，切合人體動力學，使穿用者完成所有任務所增加的力和力矩達到最小。目前正在使用的壓力服技術較之30多年前已經有了巨大進步，今后發展的高優先級技術是提高壓力服的性能，改進其操作能力。

· EVA便攜式生命保障系統 盡管這種技術對于航天任務的基本功能并不是十分關鍵，因為所有便攜式生命支持系統并非只用于航天，但用于航天的便攜式生命支持系統中，熱控和二氧化碳捕獲技術必須作為最高優先級給予特別關注。提高個人生命支持系統的能力、可靠性、可維護性，延長壽命周期，減輕使用者的支撐質量是最關鍵也是最難實現的。

（5）環境監視和安全

· 火災的監視和抑制 這種技術關注如何通過減少火災，確保乘員的健康和安全的可能性。如果一旦發生火災，要能夠使乘員、任務和系統達到最小風險。重點研究領域包括：火情的預防、探測和抑制，并提出關于處理火情的自由飛行試驗床。

· 火災的補救 之所以對這種技術給予高優先級，是由于和平號、ISS和航天飛機上都曾有過火災發生和火災發生后的補救經驗，在執行長期任務以前，一般不選擇放棄飛行器的方案，必須徹底了解和認識到發生故障以后需要徹底了解需解決的問題，系統應該能執行貫穿全任務的操作，態勢感知能力是航天員是否能生存的關鍵。

人類探索目的地系統

未來火星基地想像圖

該技術領域包括ISRU、維持和支持能力、先進的載人機動系統、先進的居住系統、任務操作和安全系統及交叉關鍵技術等。其高優先級技術有：

（1）ISRU

· ISRU的產品及生產 如果目的地資源能夠被用于生產太空探索用的關鍵產品，就能帶來巨大的經濟效益，關鍵產品包括返回用推進劑、氧、水、燃料、金屬、混凝土、玻璃和陶瓷、織物/紡織品/纖維、揮發性氣體、合成樹脂和碳氫化合物等。這種技術定為可改變規則的高優先級，因為對于載人和機器人任務，它可顯著降低成本，提高生產力。氧、水、燃料、金屬、建筑結構材料效益尤其巨大，美國太空探索計劃對其有迫切需求。從效益和需求角度，原位資源生產系統部件的研制和自動工廠的操作，也安排為最高優先級。

· ISRU的基礎設施制造 包括原位基礎設施、原位建筑結構和原位衍生結構的建造，建造基礎設施的風化層深度挖掘技術，備用部件制造和風化層穩定性技術。由于可以通過減少體積和質量，大大降低發射成本，因而該技術有巨大的效益和需求。

· ISRU的資源獲取 用于或加工成適當產品的原始材料的采取和獲取，包括風化層和巖石的獲取、大氣獲取、材料凈化和資源預處理、冷凝技術、干風化層的淺層挖掘和冰風化層的挖掘。這種技術由于減少發射成本而有巨大效益。

（2）交叉關鍵技術

· 塵埃的防護與緩解 塵埃防護和緩解可能會對行星任務帶來異常的挑戰和健康風險，因此減少塵埃有害影響的防護與緩解技術的發展成為高優先級，這種技術需要了解塵埃的化學知識和粒子尺寸的分布情況，必須禁止塵埃侵入居住區及艙外航天服。

· 結構與組裝 結構與組裝是指在空間任何地方裝配結構的技術和工藝，主要針對非常大、非常重或又大又重的結構在一次任務中難以發射等情況。不同于ISS建造中大模塊的停靠和安裝，這里所指技術領域，其大多數功能在地球上容易實現，但在空間飛行中難以采用。這種技術應該允許移動到可展開的結構以外，或按模塊組裝成垂直結構，包括可利用的部件能在現場獲取或制造，這也有對減少重力情況下非常關鍵的特別技術。為建造和組裝目的所研制的部件，必須對有關環境能夠長期適應和使用達到提高堅固性或精度的可選擇模式而不再是使用笨重部件。

（3）維持和支持能力

· 自主后勤管理 自主后勤管理包括任務硬件、軟件的位置，可利用性和狀態的集成化跟蹤，以簡化隊伍關于消耗使用、備份可用性以及飛行器、分系統的完好性和能力進行的決策。該系統能實現若硬件在飛行器或居住艙周圍移動時自主的修改硬件項的位置，生存周期次數的蹤跡和設備情況，并按相同的方式通知任務隊伍再供應需求。可能長期的未來任務，加上對于再供應需要較長的響應時間，必須了解飛行器或居住艙的完好性，而且任務隊伍還必須了解集成系統故障的容差。

· 食品的生產、加工與保存 在任何持久性的旅行中，減少與任務的食品供應有關的體積、廢物和質量的能力都是高優先級技術。除了簡單地提供乘員需要攝取的熱量外，食品供應還需要提供必要的營養平衡，以確保長期任務中的乘員健康。

· 維護系統 增強有利于乘員服務所設計設備的價值，能簡化乘員的服務，去除一些乘員服務的需求，都需要系統維護技術，這種技術能自主確定和報告系統狀態，顯示功能衰減和自維修能力的智能化，這對飛行器和居住艙發展有重大價值。

（4）先進的載人機動系統

表面機動技術，由于能從一個著陸點擴展到大面積的科學研究，也由于這種技術使得分散的著陸區成為可接受的途徑，因而對于月球和火星探索具有高優先級。要求具有在整個月球、火星表面進行遠距離機動的能力，以便在那種環境中進行大規模的科學研究。

（5）先進的居住系統

· 居住艙的發展 先進概念的居住系統，能提高技術發展水平，提供較高程度的安全和可靠性，緩解遠距離的航天任務中微重力和輻射長期暴露對乘員的長期影響。居住艙的發展至關重要，包括集成化系統，自維護材料，可充氣式結構，腳踏車等，也包括允許利用實質性的原位資源，以提供足夠質量的屏蔽。

· 靈巧居住系統 包括先進電子設備、基于知識的系統和可能的機器人服務能力的發展，能在明顯減少診斷、維護和修理從而減少人力占用的情況下創造可長期居住的條件。

科學儀器、觀測和敏感系統

科學儀器、觀測和敏感系統的高優先級技術包括：

（1）強反差成像和光譜儀技術

這種技術的發展能擴展高動態范圍的成像，支持地外行星成像，能夠發現可能適合人類居住的行星，促進太陽物理學的進步，支持研究發光目標周圍的模糊結構。這種技術將大大增加敏感性、拓寬視場和地外行星系統的光譜范圍。

（2）光學系統（儀器和敏感器）

主動波陣面控制和切線攝入光學系統這兩種光學系統技術特別關鍵。主動波陣面控制能夠修改鏡面成像，存在外部擾動時進行調整，允許光學系統自主的軌道校準，可使用輕質量的鏡面和望遠鏡系統。這種技術是NASA發展下一代大孔徑天文望遠鏡、激光通信系統和行星任務的高性能軌道觀測器必須的技術。切線攝入光學系統在不增加單位面積質量的情況下，將改進空間分辨率達到原來的10倍，是未來X射線天文任務的關鍵技術，能實現諸如活動性銀河系中心等亮目標的細節成像。

（3）探測和焦平面

亞絕對溫標制冷器和高敏感度探測器對未來的空間天文任務具有高優先級，它與新一代低成本天文望遠鏡發展的頂層技術挑戰有緊密聯系。亞絕對溫標制冷器能支持長期的空間利用，也能支持如超導和量子處理、超導電子等具有巨大商業和社會影響的新型設計，提高探測器的敏感度，能使多種波長的探測有數量級的改進，因此能實現新的任務。

（4）原位儀器和敏感器

原位儀器和敏感器能幫助確定，合成的有機物是否當今存在，是否有曾經存在過生命的跡象，是否存在在其他行星系統維持生命必需的生活環境。需要設計地質、地球物理、地球化學需要的敏感器和儀器，以便在諸如高大氣壓力、高溫或低溫等極端環境下運行。

（5）無線飛行器技術

飛行器的電子部分和儀器使用無線系統，可以引導飛行器和空間任務的設計和實施途徑出現新的和改變策略的方法。為使無線系統用于為飛行器作準備，目前需要對地基網絡技術進行調整和改進，以適應太高或太低的數據率、提供高容量和低延遲的無線協議、支持無數的電子接口、能夠抑制包括多路徑自干擾在內的干擾等。由于這種技術能滿足直接關系到增強飛行器設計、試驗、操作，降低飛行器計劃風險和質量的頂層技術挑戰，能將無線系統結構融進飛行器電子和儀器設計，因此確定為高優先級技術。

（6）激光器

激光器是地形學激光雷達（LIDAR）、大氣成分探測器和多撲勒風場儀器的主要組成部分，提高激光效率和延長工作壽命是這種技術支持空間研究的關鍵。其應用價值決定該技術具有高優先級。NASA將評估和鼓勵新出現的空間技術，以支持10年調查報告中確定的空間任務的未來需求，并著重解決激光系統空間鑒定的途徑問題。

（7）儀器和敏感器的電子技術

未來能支持大型探測器規模的可讀集成電路的設計要求相應的設計、布局、仿真手段和組裝技術，采用專用集成電路的技術工藝（ASIC）。這種技術廣泛應用于許多任務，它和短時間內的研究制造技術頂層技術挑戰的進步有緊密聯系，確定為高優先級。

探測器在火星著陸想像圖

再入、下降和著陸系統

再入、下降和著陸（RDL）系統對許多美國里程碑任務都是關鍵技術，包括地球再入、月球著陸和火星機器人著陸。

（1）制導、導航和控制敏感器

能夠精確地進入再入軌道，在再入和下降期間能控制飛行器，能在RDL的所有階段對飛行器導航，并使飛行器在危險的地面安全并精確著陸，是制導、導航和控制系統的基本設計目標。制導、導航和控制敏感器和系統對所有可預見的RDL一類任務都是通用的，與NASA的專門技術、能力和設施及其吻合，由于這種技術能顯著提高運往行星表面物品的質量，能實現在任意地方和任意時間著陸，因此成為能改變策略的技術。

（2）剛性熱防護系統

剛性熱防護系統主要用于防護再入飛行器有效載荷，在超音速再入階段飛行器耐受高溫和高剪切氣流環境。NASA的大多數飛行器都有剛性熱防護系統，該系統一般安裝在剛性降落傘結構中，能處理高速和高熱通量問題，但也占再入飛行器相當部分的質量。近期的研究主要集中于低密度燒蝕材料的研制，它能減少全部飛行器的質量因子，能高速進入有大氣的外層行星或其衛星，也要研究能應對極端環境的新材料，包括高傳導和輻射性材料。由于該領域的技術進步能實現極端溫度環境下的新任務，也能降低質量，以增加有效載荷、改進性能遠超以前的水平，因此成為策略改變的技術。

（3）柔性熱防護系統

像剛性熱防護系統一樣，柔性熱防護系統或其組件也能重復使用或可耐燒蝕。由于具有柔性特點，這種熱防護系統可封裝進緊縮體積，適應非規則表面，并在必要時展開。除了具備熱防護功能外，這種系統也有希望承擔重要的空氣動力學負載。由于其可變的形狀能改進飛行器在超音速再入階段的空氣動力學性能，提供升力和相反移動能力，這種材料也用于控制局部邊界層狀態，最終控制熱負載，由于柔性材料的進步，其本身就能促使熱防護系統質量和尺寸的減少，因而也作為策略改變的技術。

（4）可展開超音速制動器

目前的再入系統主要利用傳統的剛性制動器體系結構，提供熱防護和進入界面后的減速，剛性裝置的形狀和尺寸決定空氣動力學的性能，為了改進這種性能，尺寸就會變成最重要的驅動參數。可展開式制動器，能夠增大RDL早期階段的飛行器阻力面積，推進這種技術的進步，能使來自地球拋射的亞軌道大型目標安全著陸，也能使重型有效載荷成功到達行星目的地。必須研究能夠成功展開制動器的技術，也要研究使用剛性和可膨脹制動器的現有技術的各種優勢。由于這種技術能夠利用更大的阻力面積，相對于剛性系統有更新穎的飛行器形狀，由此它們可增強熱防護，且進入界面后能減速，從而實現純粹意義的新任務，因而也作為策略改變的新技術。

（5）RDL系統建模與仿真

建模與仿真技術在RDL系統任務的所有階段為實現精準和有效的設計提供處理必要的計算預測能力。這種技術包括流體動力學分析、有限元建模、流體結構相互作用分析、氣動熱力學建模、連接的穩定性和六自由度（DOF）軌道分析、多學科建模和其他高逼真度分析。這種技術也包括涉及飛行試驗的經驗驗證的研究與應用。該技術廣泛應用于所有RDL任務，并對路線圖中其他高優先級技術起到成功發展與實現的作用。

2012年8月將在火星上著陸的好奇號火星車示意圖

（6）儀器及其完好性監視

在地面條件下的再入環境完整性仿真實際是不可能的，因此地基試驗條件雖然在熱防護系統的研制中是不可缺少的，但熱防護系統設計算法的全部嚴格驗證，只能通過對飛行數據預測的比較來實現。同樣，完好性監視儀器也能在再入以前提供系統性能數據和飛行器系統正常運行的依據。這種技術不僅能廣泛應用，而且還能改進RDL任務的安全與可靠性。

（7）大氣和表面特性

這種技術的目的是提供行星大氣與表面足夠詳細的描述，以簡化行星任務的規劃與實施。在行星大氣的環境下，要求建立能確定全球、帶狀區域、局部區域尺度上空間與時間大氣特性的預測模型，包括年度、季節和每天的變化。目前已經有了針對月球、火星和金星的這種模型，但都未能達到足夠詳細的程度。對于其他行星，具有的模型更是粗略的描述。對于再入任務，大氣模型異常重要，因為它與增加著陸精度的飛行機動和增加著陸質量的大氣捕獲有直接關系。特別重要的研究與技術發展課題包括，火星分布式天氣測量、為所有火星著陸任務研制標準的低撞擊測量數據報、為風和大氣具有的特性研制軌道器儀器，研究高逼真度大氣模型。基礎科學研究和研究預測工程模型是這一技術的關鍵部分。

（8）系統集成和分析

RDL系統設計和包括硬件、軟件部分和多學科內容的綜合能力緊密相關和相互依賴。這些問題的性質，通過完成諸如多學科信息化的系統集成和分析的改進模型，促進該領域的技術發展。系統集成和分析列為高優先級技術。

納米技術

一種納米材料的結構圖

該技術領域有工程材料和結構、能源產生和存儲、推進、敏感器電子及裝置。高優先級技術包括：

（1）（納米）輕質量材料和結構

納米尺寸的材料有希望對部件和結構的熱、電和機械性能實現徹底的改進，并實現輕質量，能實現多功能、輕質量的材料和結構，由此引發航天系統設計和能力的革命。這種技術由于結構的縮小和有效載荷質量的降低，可實現在增加有效載荷能力的前提下提高發射效率，在任務設計中實現較大靈活性，因而成為改變策略的技術。如果對縮小尺寸的制造技術缺乏研究，會放慢輕質結構和材料的發展。另外，如果納米粒子擴散、排序和界面特性的控制技術得不到解決，強度和性能也無法提高。

（2）（納米）能源產生

納米技術通過改進現有能源存儲和電源產生系統的材料，將對電源產生技術帶來巨大影響。由于輕質量和更高強度的材料和結構可允許裝載更多用于電源產生和能源存儲的有效載荷，而更高效率的電源產生允許發射更輕的有效載荷，因此該技術作為可改變策略的技術。

（3）（納米）推進

納米推進包括使用納米材料作為推進劑的成分，也作為液體燃料的凝結劑。納米材料具有很大的反應面，因此使用這種材料作為推進劑的成分可以解決包括可能存在的毒性、自燃和固體推進劑的環境危害、低溫的處理要求等許多問題，同時還可以提高燃燒效率，甚至影響對點燃和燃燒反應的控制。使用納米材料可以提高效率達到15%～40%，可能提供多種功能。

（4）（納米）敏感器和動作器

納米材料制作的敏感器和動作器，可以改進敏感度和探測能力，又能工作在很低功率的電平上。納米敏感器具有小型、更高能量效率和敏感度的特點，可進行更加完整和精確的完好性評估，最適合作為瞄準目標敏感器使用。由于該技術對許多任務都有效益，故作為高優先級技術。

建模、仿真、信息技術和處理

該技術領域主要有計算、建模、仿真和信息處理。高優先級技術包括：

（1）飛行計算

低功率、抗輻射和高性能的處理機仍具有廣泛應用的需求。滿足性能要求的處理機在地面很容易使用，但抗輻射加固的處理機卻截然不同。核心問題是如何確保抗輻射加固集成電路在太空的連續利用。需要解決的問題是商業產品如何應用于空間環境，由于多芯和加速飛行處理機能對星上計算容量、故障管理、實現智能決策和科學數據捕獲的改進產生重要影響，也能自主著陸并避免損壞，其應用將穿越所有等級的任務領域，故這種技術有重要發展前景。

（2）地面計算

地面計算技術包括多芯、混合和加速計算機體系結構的編程，需要研究能幫助端口的現有編碼進入新結構的計算手段。歷史工程的巨庫和科學代碼在將使用的新計算機結構中不能有效地運行，需要開發技術和開發軟件手段，幫助編程者變換歷史代碼和采用新的算法，使其在新的計算機系統中能夠有效地運行。隨著計算機結構不斷地改變，需要不斷進行上述技術改進。

（3）科學建模和仿真

這種技術包括多尺度建模，要求能夠處理具有大范圍尺度，或其他物理變量的復雜天體物理和地球物理系統，這種技術將有重要影響。

（4）分布式仿真

分布式仿真技術在軟件研制者、科學家和數據分析者之間建立一種分享仿真的能力。這需要大規模的、共享的和安全的分布式環境，要求有充足的互聯帶寬和顯示能力，能進行分布式分析，可視化觀察和復雜仿真。該技術能支持協作的高效率改進，特別是多學科研究，能在多個領域獲得更大效益。

美國未來的空間探索航天器想像圖

材料、結構、機械系統和制造

該技術領域主要有材料，結構，機械系統，制造和交叉關鍵技術。高優先級技術包括：

（1）創新的多功能概念（結構）

結構所完成的功能，除了能承載負載和維持形狀外，還能增加任務能力，減少質量和體積。多功能結構的概念涉及到提高系統集成化程度，并為提高自主性提供基礎。多功能結構概念的例子如居住結構，為減少輻射暴露要具有綜合性屏蔽，對于長期空間飛行任務要能規避有關風險。多功能結構技術的載人航天應用被視為應用重點。多功能結構還涉及到熱結構、電結構，發展這種技術需要全面考慮。

（2）輕量化概念（結構）

輕質量結構概念，能夠明顯增強未來的探索和科學任務，而且能拓展新任務。例如輕重量的低溫儲箱概念，能改進發射飛行器的性能，支持軌道燃料存儲倉庫，支持可展開的太陽帆、精確的空間結構和可膨脹結構、可展開的熱屏蔽等輕質量結構概念可以為新任務提供機會，對計劃的科學任務也有重大效益。由NASA和宇航工業部門開發的輕質量結構概念已經廣泛應用于運輸、商業飛機和軍事系統。

（3）輕質量結構（材料）

為未來的航天系統發展輕質量結構，要求先進的復合材料、金屬和陶瓷材料，以及高效費比的處理和制造方法。由NASA、其他政府機構、科學院和宇航工業部門開發的輕質量結構材料也廣泛應用于運輸、商業飛機和軍事系統。NASA持續不斷領先進行空間應用的材料研究將產生具有降低質量和節省成本等重大效益的新材料系統。這種技術有可能明顯降低實際上所有的發射飛行器和有效載荷的質量，為新任務創造機會、改進性能和降低成本。

（4）設計和鑒定方法（結構）

目前的結構鑒定途徑主要依靠基于統計的材料鑒定和基于經驗的負載要素和安全要素的保守綜合，然后進行設計研究和鑒定試驗。以往的鑒定試驗和任務的經驗數據表明，結構如果只注重超安全標準設計，那么就會重于所要求的質量范圍。現在提出了一種基于模型的“虛擬設計鑒定”方法，可更有效地設計和鑒定空間結構。這種技術為開發輕質量、更經濟而又保證足夠可靠性的空間結構提供了另一種途徑，可應用于NASA所有的飛行器，包括科學任務中使用的無人、機器人和載人飛行器和延長時間周期的載人探索。

（5）非破壞性評估和敏感器（關鍵交叉）

非破壞性評估已經從早期利用產品控制質量驗收、周期性檢查的方法，發展到不間斷的完好性監視和自主檢查。對危機情況較早地進行檢測、定位和緩解將增強任務安全性和可靠性。NASA已經在“虛擬數字飛行前導”計劃中提出了集成化非破壞性評估和敏感器技術能力，包括具有飛行器結構完好性實時評估的飛行器數字表述，以預測性能并確定為實現飛行器性能必須的操作措施。非破壞性評估和敏感器技術有可能影響多個領域和多種任務，特別是當任務周期持續時間延長時更是如此。

（6）設計、分析手段及方法（機械系統）

高保真度運動學和動力學的設計分析手段和方法是先進空間結構和機械系統建模、設計和鑒定的關鍵。機械的相互關系和相關分析方法能夠建立飛行器機械系統的單一模型，并可減少貫穿學科的累加裕度。這種模型可集成進完好性管理系統，用于診斷、預測和性能評估，也可集成進虛擬數字飛行前導系統。這種技術適用于NASA所有的飛行器。

NASA研制的用于空間交會對接的軟捕獲機構

（7）展開、對接及接口（機械系統）

該技術涉及到成像和科學數據采集的許多未來的科學任務，都會從大孔徑和精確幾何關系的結合中獲取效益，其功能最可能涉及到展開技術，其中包括柔性材料和組裝、空間制造等其他途徑。對接和連接接口可以提供利用較小型平臺構建成大型平臺的另一種途徑。這些機械系統和結構必須能在極端環境下可靠地展開，并構成具有高精度的期望空間，其中某些部分可能要求使用控制系統，使得在操作擾動下保持精確的形狀。大型精確的孔徑系統對NASA的某些科學任務和國防部的某些監視任務都至關重要。因為可實現較高的性能，使得NASA一定要引導該領域技術的發展。作為分離、釋放和展開系統故障的結果，空間系統都會受到影響，無疑技術發展需要進行這種系統的可靠性改進。

（8）可靠性/壽命評估/完好性監視（機械系統）

根據最近的經驗，機械系統的可靠性比為了滿足當時的鑒定標準而設計的結構可靠性，對空間任務故障有更大的作用。集成化敏感器系統可為確定機械系統的目前狀態和預測未來的工況提供基礎。為了最有效地確保任務的可靠性，必須具備在系統設計中融進矯正措施的能力，該技術和可展開領域有更密切的關系。

（9）智能集成化制造和網絡空間的物理系統（制造）

空間應用中需要的高性能材料、結構和機械要求專門的制造能力，通過技術進步特別是基于IT技術的發展，可采用更綜合和更靈活的方法生產專門的部件和系統。現有的工業能力和空軍研究實驗室對類似技術的投資極大促進其發展，由于這種技術可能影響到未來的應用，因此預計它的發展還會繼續。如果長期載人任務需要的話，這種技術能實現部件在太空制造，對于某些探索任務來說可減少必須運載到太空的質量。這種技術適用于NASA所有的飛行器發展。

地面和發射系統處理

該技術領域主要有最佳運行壽命周期技術、環境和環保技術、提高可靠性和任務可利用性技術、改進任務安全和降低任務風險技術。該領域沒有確定高優先級技術。

熱管理系統

該技術領域主要有低溫系統、熱控系統和熱防護系統。高優先級技術包括：

（1）上升/進入熱防護系統

在上升和進入期間，有效的熱屏蔽和熱隔離是所有進入行星大氣層的機器人和載人任務的關鍵。由于對每一次探測任務來說，上升和進入是必須經歷的，因此上升/進入熱防護系統被定為策略改變的技術，其關鍵技術包括剛性隔熱熱防護系統、退化驅動的熱防護系統材料和處理研究、多功能熱防護系統和柔性熱防護系統。

（2）低溫系統的有源熱控

該技術的目標是研究全面的低溫系統設計，既要將有源和無源的技術集成到最佳系統中，也要用儀器和敏感器監視流體質量。通過有效利用無源控制，降低有源系統容量的額度，有助于提高整個系統的可靠性。這種技術廣泛適用于長期任務。

發射推進系統

該技術領域包括從地球表面到地球軌道再到地球逃逸交付空間任務所要求的所有推進技術，分為固體火箭推進系統、液體火箭推進系統、吸氣式推進系統、輔助推進系統和非常規及其他推進系統。目前，到地球軌道的發射技術可依賴很成熟的技術，今后主要是局部改進。而突破性技術已經超出近期的視野，其研究和發展需要足夠的時間和資金投入。其高優先級技術主要包括兩類：

（1）基于渦輪的組合循環（TBCC）

這種推進系統有可能將燃氣渦輪和火箭的優勢組合起來，主要目的是降低發射成本，并能更快響應。

（2）基于火箭的組合循環（RBCC）

RBCC推進系統將高比沖的吸氣式噴氣引擎和利用高推重比化學火箭的超音速沖壓噴射發動機組合起來，可比目前發射系統的成本低。NASA多年研究火箭與吸氣式循環，其中超音速吸氣式循環的主要例子是X-43計劃。■