美國航空航天局創新空間技術管理與計劃研究

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美國航空航天局創新空間技術管理與計劃研究

Research on NASA Innovative Space Technology Management and Program

張蕊（北京空間科技信息研究所）

隨著美國將發展先進技術作為保持空間領導地位的重要推動力量，并隨后實施能力驅動戰略，美國航空航天局（NASA）采取一系列措施推動發展創新技術，于2010-2015年連續出臺了一系列技術發展路線與投資舉措，成立NASA空間技術任務部，管理、研發、投資創新技術，實施創新技術開發計劃，帶動空間探索技術的革命性變化。

1　前言

NASA的創新技術開發計劃促成了許多重要的空間科學和探索任務，滿足了其他政府機構的需求，培育了商業宇航企業，形成了以技術為基礎的美國經濟。展望未來，NASA必須繼續開拓空間科學和探索的道路，提高國家創新能力和經濟增長速度，主要通過為NASA發展方向和美國航天企業提供基礎能力的技術開發活動實現。隨著NASA承擔越來越多富有挑戰性的空間探索任務，明確和發展可以提高任務可負擔性、安全性、可行性并最終使得人類能夠探索從未到達過的目的地的技術至關重要。

為提高未來載人航天任務的經濟性、安全性、應用性和創新性，確保美國空間探索事業的可持續發展，美國重視技術創新水平，于2010—2015年相繼出臺了《NASA空間技術路線圖草案》、《NASA空間技術路線圖與優先級：重塑NASA的技術優勢，為空間新紀元鋪平道路》、《NASA空間技術戰略投資規劃》及2015年版《NASA技術路線圖》（草案）等一系列技術發展路線與投資舉措，并于2013年成立NASA空間技術任務部，管理、研發、投資創新技術，確定NASA未來優先發展和重點投資的技術領域，帶動空間探索技術的革命性變化。

2　NASA創新空間技術發展戰略演變

美國始終將確保全球領導地位作為國家首要目標，在空間探索領域，NASA此前一直以任務驅動發展，在經歷一系列政策演變后，NASA重新審視發展戰略。由于資金不足和缺乏突破性技術，美國于2010年2月取消了“星座”計劃，此后在奧巴馬“太空探索新政策”和《美國國家航天政策》中均將開發創新型技術作為未來發展重點，強調可持續發展能力。為此，美國開展了技術路線的系統研究并制定了技術投資規劃，形成了清晰的技術發展戰略和技術體系。

重新梳理技術體系，完成路線圖草案

2010年，NASA首席專家辦公室出臺了《NASA空間技術路線圖草案》，梳理出由14個技術領域組成的綜合技術路線圖，既考慮技術牽引，又注重技術推動，并研究了提高當前空間能力的技術途徑。該技術路線圖涵蓋140項挑戰、320項技術，橫跨20年，4年更新一次。在出臺此路線圖草案前，NASA沒有制定過全面的技術研發規劃，《NASA空間技術路線圖草案》是NASA首次對未來技術發展路線的頂層、清晰規劃，充分體現其技術研發戰略從任務型到能力驅動型的重大轉變。

2015年，NASA出臺新版《NASA空間技術路線圖》（草案）。相比上一版，2015年版《路線圖》有如下幾個特點：一是技術更加全面，技術領域達到15個，增加航空領域，同時新增2級技術7項、3級技術66項、4級技術1273項，首次從交叉技術領域、火星擴展任務角度分析候選技術；二是所有候選技術都用于實現NASA 2015-2035年的空間探索任務，以實現載人登陸火星這一長遠目標。為進一步完善路線圖，提高其全面性、適用性和指導性，2010年6月，NASA委托美國國家科學研究委員會（NRC）開展路線圖的優先級評價和咨詢工作，為NASA形成最終路線圖提供參考咨詢。國家科學研究委員會是美國國家科學院和工程院下屬的機構，可為政府部門提供戰略咨詢和評估，但不具有法律效力。

依托外部專家咨詢，評定出技術優先級

針對該項工作，美國國家科學研究委員會對14個領域的路線圖進行研究和評審，于2012年2月出臺《NASA空間技術路線圖與優先級：重塑NASA的技術優勢，為空間新紀元鋪平道路》最終報告。此次出臺的技術路線圖優先級涵蓋100項挑戰、83項高優先技術、16項最高優先技術，4年更新一次。

指導未來投資重點，出臺空間技術戰略投資規劃

經過對NASA路線圖優先級評估的進一步研究后，NASA于2013年2月公布了《NASA空間技術戰略投資規劃》（SSTIP）。該規劃是一份全面的戰略規劃，把對完成NASA任務和國家目標至關重要的空間技術進行了優先級的劃分，并為NASA未來4年內的空間技術投資指明了方向，提供了可影響今后20年的有重點的投資方法。該規劃2年更新一次。

該技術投資途徑集中于3級投資，以引導未來空間技術的開發成本。這3級投資分別為核心技術投資、鄰近技術投資和補充技術投資。核心技術投資是NASA技術投資的中心，未來4年內NASA約70%的投資都屬于核心技術投資。鄰近技術投資代表了其他的高優先級投資領域，未來4年內NASA約20%的投資都屬于鄰近技術投資。補充技術投資代表著廣度，而核心和鄰近技術投資代表著深度。補充技術投資占NASA總投資的10%。這些投資并不會馬上起到作用，而只可能在20年內產生影響。

3　NASA創新空間技術組織管理和研發體系

成立空間技術任務部，組合開發先進空間技術

為滿足自身和國家發展需要，NASA大力投資空間技術，并于2013年2月成立空間技術任務部（STMD）。該部領導開發NASA當前及未來任務所需的跨領域技術、先進技術和前沿技術，以維護NASA在空間領域的領導地位并促進美國經濟發展。NASA將針對現有的空間技術項目突出領導職責，提升對跨機構關鍵技術投資活動的溝通、管理與審計能力。

空間技術任務部采取基于業績的競爭模式，利用投資組合式方式，開展一系列學科領域和技術成熟度評估研究。相關研究與技術開發工作將在NASA各中心、學術界和工業界內開展，并將充分利用其他政府部門及國際合作伙伴關系。通過投資當前工業界無法解決的前沿的、可廣泛應用的顛覆性技術，空間技術任務部尋求發展完善用于NASA未來科學和探索任務的技術并為其他政府機構和商業航天活動驗證能力并降低成本。其主要職責包括：加速技術應用與轉化，為各類用戶提供解決方案；基于各自的技術優勢，在學術界、工業界和NASA中心之間選定最佳研究成果；在其他政府機構、學術界和工業合作伙伴之間權衡技術投資；協調與內外部利益相關者的關系，包括學術界、工業界和其他政府機構；以服務國家未來需求為目標，形成新發明、新能力并培育創新者的成長途徑；培育國家創新型經濟模式，創造高技術就業崗位。該部未來工作的重點是在跨領域技術和轉型技術方面的投資。

設立空間技術專項經費，年度預算逐年上漲

NASA 2011財年預算申請中新增“空間技術”項目，旨在資助與技術轉移與商業應用、跨領域空間活動和探索任務相關的空間技術，具體包括小企業創新研究（SBIR）/小企業技術轉移（STTR）、跨領域空間技術（CSTD）和探索技術開發（ETD）三部分。

2010-2016年NASA載人航天相關預算　百萬美元

從近幾年NASA預算可以看出，空間技術領域投資呈逐年上漲趨勢，重視程度加大。預算中重點提出要加大對關鍵和前沿空間技術的投資，這些技術將提高人類在太空的活動能力，降低探索成本，為其他政府和商業航天活動鋪平道路。其中2014—2016年探索技術研發投入占空間技術領域投入的50%左右，可見探索領域先進技術開發是NASA技術開發的重點。探索技術開發計劃正在開發近地軌道以遠載人探索所需的支撐技術，尤其重視需要長期開發的先進技術，包括太陽能電推進，環控生保系統，原位資源利用，進入、下降與著陸，低溫燃料在太空中的貯存和運輸，以及機器人系統等。

NASA的技術驅動探索

NASA的先進材料制造

實施研發投資組合，設立九類研發投資計劃

空間技術任務部設立九類研發投資計劃，分別是：技術驗證任務（TDM）、小衛星技術計劃（SSTP）、改變游戲規則計劃（GCD）、NASA創新性先進概念（NIAC）計劃、空間技術研究資助（STRG）、中心創新基金（CIF）、百年挑戰（CC）、飛行機會（FO）和小企業創新研究/小企業技術轉移（SBIR/STTR）計劃。上述計劃中，除SBIR/STTR計劃外，均屬于跨領域空間技術開發計劃，其中百年挑戰和技術驗證任務還屬于探索技術開發計劃。

NASA創新空間技術研發投資計劃

續表

這些空間技術計劃具有以下特點：①遵循基于利益相關者的投資戰略，包括：NASA戰略規劃、NASA空間技術路線圖/美國國家科學研究委員會報告和戰略空間技術投資規劃；②投資綜合性研發投資組合：覆蓋低到高技術成熟度、學生獎學金、助學金、有獎競賽、樣機研制、技術驗證；③提高變革性的和跨領域技術：使得這些技術能直接用于未來任務；④基于業績的競爭：向學術界、工業界、NASA中心和其他政府機構開放；⑤按照結構性流程執行計劃：清晰的起止日期，明確的預算和計劃，確定的里程碑事件，以及項目授權和問責；⑥了解承擔的風險：加速技術成熟，盡快了解風險承受力；⑦NASA在前沿技術中的定位：形成新創意、新能力，培養創新人才。

根據技術發展的成熟度和發展方向，可將上述九類計劃分為三大類：營造創新環境和市場、概念創新和發展創新團體、技術轉移和跨領域技術突破。

依照技術成熟度布局管理，重點投資中低技術成熟度技術

空間技術任務部構建了完整的技術研發體系，按照技術成熟度（TRL）進行布局和管理。空間技術任務部管理900余項研發項目，95%低于50萬美元。重點投資技術成熟度3、4、5級技術，對技術成熟度1和2級技術保持較高投入，技術成熟度6和7級技術投入渠道多樣，減少從研發經費支出。其中：NASA創新性先進概念計劃主要承擔體系、系統和任務級創新概念開發和技術識別，改變游戲規則計劃主要承擔技術培育和成熟度提升，技術驗證任務和小衛星技術計劃主要承擔重大技術向空間應用的轉化。

九類研發計劃對應的技術成熟度

4　重點計劃及主要研發項目

以下重點介紹九類研發投資計劃中的NASA創新性先進概念計劃和技術驗證任務計劃的特點及主要研發項目。

創新性先進概念計劃

（1）主要特點

創新性先進概念研究項目的確定評選過程如下：以“NASA空間技術路線圖與優先級”和“NASA空間技術戰略投資計劃”為主要指導文件和依據；不設定研究主題，面向NASA、學術界和工業界廣泛征集創新思想；由創新性先進概念技術委員會組織評審組進行遴選，提出計劃建議，由空間技術任務部部長審批實施。

創新性先進概念項目需滿足以下要求：結合宇航體系、系統和任務；創新概念，不支持重復性研究；具有先進性；技術合理，方案可行，計劃可信。

創新性先進概念計劃分2個階段對項目提供資助：

階段I：周期9個月，資助10萬美元，重點研究創新概念的可行性和生命力。分2步進行，第一步采取同行函審形式進行初審，第二步采取分組會議評審進行詳細評審。

階段II：周期2年，資助50萬美元，從階段I項目中選擇，重點研究創新概念融入NASA的潛力，分析概念復雜性與效益、成本和性能之間的相互關系，提出技術實施途徑或路線圖，識別關鍵使能技術。采取會議評審。項目中期要進行現場審查。

（2）正在開展的項目

近兩年創新性先進概念計劃數量趨于穩定，每年約12個階段I項目和5個階段II項目，其中2014年，創新性先進概念計劃完成12個階段I項目和5個階段II項目，同時開展2項階段I和10項階段II項目的研究。每年創新性先進概念計劃經費投入約400萬美元，NASA內部、宇航企業和高等院校獲得的經費各占1/3。

2014年創新性先進概念計劃開展的階段II項目包括：太陽系小天體探測器/漫游器復合體、利用銀河宇宙射線二次粒子對小天體內部測繪、10m亞軌道大型氣球反射器、軌道彩虹、輕質平板光子成像儀等。

太陽系小天體探測器/漫游器復合體

軌道彩虹

2015年5月，NASA公布了15項創新性先進概念計劃項目，主要包括平流層雙飛行器平臺虛擬飛行驗證、生命保障系統中新型空氣再生方法、帆船與恒星導航、可儲存推進劑在軌制造、星際探測用直接定向能推進、海衛一跳躍式漫游器、電動力發電的軟體機器人漫游器、小天體地震勘測、蟋蟀、小行星原位供給、氣體巨星持久原位科學探測器、薄膜寬帶大區域成像、超大口徑精確可展開反射式望遠鏡、裝有納米結構傳感設備的立方體衛星深空探測器和低溫可調表面。

技術驗證任務計劃

（1）主要特點

技術驗證任務計劃的研究范圍為滿足NASA新的任務需求或對現有任務有顯著改進的跨領域技術。這些跨領域技術可廣泛應用于NASA未來科學和探索任務并能滿足其他聯邦機構和產業需求，覆蓋不同成熟度的技術，從概念研究到飛行驗證。

技術驗證任務計劃的目標是實現技術向應用轉化的紐帶。

（2）主要項目

1）低溫推進劑存儲和轉移。低溫推進劑在軌長期存儲、轉移和測量上的改進，防止由于“蒸發”帶來的燃料損耗，有助于開展近地軌道以遠的新任務。

2）深空原子鐘。飛行驗證小型、超精確水銀-離子原子鐘，可潛在降低任務運營成本、傳送更多科學數據，實現自主、深空無線電導航。

3）綠色推進劑注入任務。航天器首次高性能、高效燃料和推進系統的驗證任務，作為毒性較大的傳統肼燃料的替代品，期望改進未來衛星和空間任務的性能。

4）載人探索遙機器人。試驗NASA各類機器人，驗證遙機器人-遠程控制機械臂、漫游器和其他設備如何讓航天員更安全，大幅提高其在空間的生產力。

5）激光通信中繼驗證。研究實現空間收發數據、視頻和其他信息的重大變革的技術，相比無線電傳輸，利用激光器編碼實現以更小的質量和功率將傳輸速率提高10～100倍。

低密度超音速減速器

用于試驗電推進的真空室

6）低密度超音速減速器。突破飛行技術相關研究，驗證利用膨脹結構在高速進入階段通過行星大氣時降低航天器速度，提高著陸精確性，擴大安全著陸區域。

7）“火星實驗室”進入、下降與著陸儀器。2012年“火星科學實驗室”在火星大氣進入和下降期間，利用儀器開展防熱板的地面破壞分析，現在重新改寫防熱硬件設計用于未來的行星著陸器。

8）太陽電推進。太陽電推進系統替代傳統的化學推進技術，可對太陽系探索任務和近地商業應用產生變革性影響。

9）太陽帆驗證。采取創新方案代替利用傳統推進劑執行飛行任務的方案，在小衛星項目中，展開并運行由太陽光提供動力的面積約為1170m2的帆板，為推進劑缺乏的飛行任務提供各種解決方案。

5　啟示

開展技術發展戰略規劃系統分析，確保計劃可持續發展

在推動先進技術發展的過程中，NASA非常重視先進技術的優先選定方法、組織管理和投資方法，以保持技術創新能力和領先水平，確保NASA的技術能夠獲取最大的效益。在此次制定的空間技術戰略投資規劃中，基于目前的技術發展優先級、新的任務需求、合作伙伴機會來調整投資，并充分利用杠桿資源提供所需能力。投資的調整隨著國家優先級、NASA任務完成情況、新任務的開始以及航天基礎設施和探索活動中開發和包含的新技術等的變化而變化。

我國航天目前處于高速發展階段，多個重大工程并行發展，要充分考慮資源和資金問題，做到合理、最優使用各類資源和資金。為保證關鍵技術的穩定進展，要制定科學、合理的技術發展規劃。

提高重點技術的技術成熟度，重視中低技術成熟度技術的研發

NASA通過制定空間技術發展規劃，明確技術發展目標，開展系統投資，對不同優先級的技術采取不同投資策略，加大對最高優先級技術的投資，是實現其能力驅動發展戰略的重要途徑。同時重視對目前技術成熟度較低，但一旦突破，技術能力將獲得巨大提升的技術項目的投入。在NASA空間技術任務部管理的900余項研發項目中，重點集中于中低技術成熟度技術研發投資，美國期望通過這些項目的投資，激發企業的創新能力。

我國在開展關鍵技術攻關和研制中，需提高重點技術的技術成熟度，加強對目前技術成熟度較低、有發展潛力的技術的投入。

將概念創新作為研發體系前端，給予長期穩定投入

在NASA研發計劃中，非常重視前沿技術和顛覆式創新概念研發。比如創新性先進概念計劃，旨在培育可對NASA未來任務有重大變革作用的創新概念；改變游戲規則計劃，旨在面向未來任務，識別、推動重大能力與技術的成熟度。為支持這些創新概念，營造創新環境，設立投資計劃，支持創新概念的發展。

未來，我國相關部門應著力培育可對未來航天任務有重大變革作用的創新概念，這些計劃需結合宇航體系、系統或任務，實現創新概念并具有先進性，值得短期內開展研究，而且新概念技術合理，方案可行，計劃可信。為推動創新概念的研發立項，也應設立專門的投資計劃，形成研發投資組合計劃，加速創新概念的立項和技術轉化。

重視技術轉移和成果轉化，采取產學研結合方式加速發展

NASA非常重視提高其技術轉移活動的速度、規模和質量，目的是增強政府技術投資的經濟效益和公眾效益。NASA空間技術戰略投資規劃中指出：加強NASA范圍內的技術轉移活動，再次強調技術研究、開發和演示驗證。在NASA研發體系中，小企業創新研究/小企業技術轉移計劃的目的就是鼓勵小企業在NASA研究和技術開發活動中的參與度，并促進NASA研究成果在商業領域的應用。

我國航天部門應廣泛開展與其他政府機構、大學、研究院所、商業公司等的技術合作，通過合作借用各方資源，加速成果轉化，獲取經濟和社會效益。