2017年度NASA“創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃”項(xiàng)目分析與啟示

李立新 趙琪 （ 中國(guó)空間技術(shù)研究院， 北京空間科技信息研究所）

2017年4月7日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布了本年度新立項(xiàng)的22個(gè)“創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃”（NIAC）項(xiàng)目，繼續(xù)秉持其一貫的超前特點(diǎn)，以任務(wù)使命為背景、面向空間探索布局研究工作。下面以22個(gè)新立項(xiàng)目為基礎(chǔ)，結(jié)合NIAC創(chuàng)新項(xiàng)目的組織管理進(jìn)行分析，為我國(guó)航天創(chuàng)新工作提供借鑒和參考。

1 2017年度NIAC創(chuàng)新項(xiàng)目概況

2016年8月2日，NASA在其官網(wǎng)發(fā)布了年度創(chuàng)新項(xiàng)目征集通知，啟動(dòng)年度創(chuàng)新項(xiàng)目的征集工作。項(xiàng)目申報(bào)面向NASA各下屬機(jī)構(gòu)、相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)、商業(yè)公司、非盈利機(jī)構(gòu)以及個(gè)人，主要征集包括深空旅行、空間生存、材料、制造技術(shù)、自動(dòng)裝備、儀器以及計(jì)算技術(shù)等。

經(jīng)過(guò)遴選，NASA最終確定了22個(gè)項(xiàng)目作為本年度的NIAC創(chuàng)新項(xiàng)目，其中第一階段共計(jì)15個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目獲得資助金額約為12.5萬(wàn)美元，項(xiàng)目周期最長(zhǎng)9個(gè)月，開展創(chuàng)新概念的初步定義和分析。第二階段共計(jì)7個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目資助金額不超過(guò)50萬(wàn)美元，項(xiàng)目周期不超過(guò)2年。第二階段項(xiàng)目是由從上一年度的第一階段項(xiàng)目中選擇，在上一年度基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析其創(chuàng)新概念應(yīng)用于NASA工程實(shí)踐的潛力，分析其復(fù)雜性與效益、成本和性能，提出技術(shù)實(shí)施途徑或路線圖，并識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)。

本年度獲批的22個(gè)項(xiàng)目主要面向深空探測(cè)，涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)材料、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、軌道控制、推進(jìn)、探測(cè)載荷、著陸器、漫游車等等，下面分階段進(jìn)行概述。

第一階段

（1）面向農(nóng)業(yè)種植的火星土壤改良的合成生物學(xué)架構(gòu)

該研究主要是利用一種合成生物學(xué)結(jié)構(gòu)，降解和還原火星土壤中存在的高氯酸鹽，同時(shí)還可以通過(guò)合成銨鹽來(lái)使土壤變得更加肥沃。該機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)降解排毒和合成銨鹽的過(guò)程，再通過(guò)生物技術(shù)進(jìn)行融合，從而達(dá)到目的。

（2）面向星際先導(dǎo)任務(wù)的突破性推進(jìn)架構(gòu)

該研究提出了一種新的電推進(jìn)架構(gòu)，可使航天器在12年的時(shí)間里飛行500個(gè)天文單位。該架構(gòu)包括3個(gè)部分，首先通過(guò)超大直徑設(shè)備匯聚太陽(yáng)能，通過(guò)轉(zhuǎn)化設(shè)備將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鋰離子電推系統(tǒng)。

（3）用于火星任務(wù)的真空飛艇

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

（4）面向星際任務(wù)的馬赫效應(yīng)推力器

面向NASA馬赫效應(yīng)推力器，該研究旨在通過(guò)驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)間大推力模型，確定馬赫效應(yīng)推力器的效率，最終應(yīng)用于太陽(yáng)系外的星際任務(wù)中。

（5）冥王星探測(cè)“多級(jí)跳”飛掠方案

該研究設(shè)計(jì)冥王星探測(cè)器飛掠方案，當(dāng)探測(cè)器通過(guò)冥王星大氣層時(shí)，將損失99.99%的動(dòng)能，進(jìn)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(shí)現(xiàn)冥王星表面飛掠和探測(cè)。

（6）渦輪電梯

空間任務(wù)中，長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境引起的航天員生理失調(diào)，將嚴(yán)重影響航天員的健康和安全。該研究計(jì)劃提出一個(gè)類似電梯的機(jī)構(gòu)，采用新的人工重力技術(shù)，通過(guò)反復(fù)給人體加速和減速來(lái)模擬地球重力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)航天員安全。

（7）火星/火衛(wèi)一拉格朗日L1點(diǎn)的系繩實(shí)驗(yàn)

該研究通過(guò)在火星/火衛(wèi)一拉格朗日L1點(diǎn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)火星表面的探測(cè)。

（8）梯度場(chǎng)混合推進(jìn)系統(tǒng)

該研究提出一種新的磁慣性融合方案，將推進(jìn)劑通過(guò)高梯度的磁場(chǎng)中，以實(shí)現(xiàn)在推進(jìn)劑中形成高強(qiáng)度的電流，并以此形成混合推動(dòng)力。

（9）通過(guò)微波燒結(jié)空中制動(dòng)器提升臨近空間飛行器的進(jìn)入能力

該研究提出了一種利用小行星物質(zhì)制造飛行器隔熱層的構(gòu)想，可降低飛行器干質(zhì)量，攜帶更多載荷或推進(jìn)劑，從而支持更多類型的任務(wù)。

（10）利用作用區(qū)域軟體機(jī)構(gòu)探測(cè)小行星

該研究設(shè)計(jì)一種具有很大表面積的新型軟體機(jī)器人飛船，可在充滿碎石堆的小行星表面上自由移動(dòng)，同時(shí)具有非常大的附著力，可實(shí)現(xiàn)勘測(cè)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(shù)降低能量轉(zhuǎn)換模塊的質(zhì)量，通過(guò)詳細(xì)建模與數(shù)值仿真分析驗(yàn)證該技術(shù)的有效性。

（12）面向小行星的新型空間望遠(yuǎn)鏡

該研究綜合利用電子、立方體衛(wèi)星、激光通信等技術(shù)，構(gòu)建低成本、高集成度的三星星座，實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺寸近地天地進(jìn)行觀測(cè)。

（13）利用太陽(yáng)重力透鏡任務(wù)實(shí)現(xiàn)外星球探測(cè)

該研究擬在太陽(yáng)系外的深空區(qū)域構(gòu)建一個(gè)具備百萬(wàn)像素分辨率的光學(xué)成像望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)外行星的高分辨率觀測(cè)，探究地外生命的意義。

（14）“太陽(yáng)表面沖浪”熱控涂層技術(shù)

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

（15）在太陽(yáng)系中直接探測(cè)暗能量

該研究將未經(jīng)篩選的原子粒子通過(guò)太陽(yáng)系中一段特殊的重力場(chǎng)區(qū)域，通過(guò)雙差分測(cè)量分離暗能量與原子的相互作用，實(shí)現(xiàn)暗能量與正常物質(zhì)相互作用的直接探測(cè)，加深人們對(duì)基本物理和宇宙的理解。

第二階段

（1）利用原位能與推進(jìn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)金星內(nèi)部探測(cè)

該研究設(shè)計(jì)一種高海拔與低海拔配合的探測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)金星表面極端環(huán)境條件下的長(zhǎng)期探測(cè)。低海拔地區(qū)依靠固體氧化物燃料電池來(lái)發(fā)電，提供能量，并通過(guò)貯存的氫氣控制高度。高海拔地區(qū)利用太陽(yáng)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(shí)通過(guò)氫化物貯存氫氣。

（2）利用遠(yuǎn)程激光實(shí)現(xiàn)冷目標(biāo)光譜儀觀測(cè)

該研究利用航天器上的大功率激光照射太陽(yáng)系冷目標(biāo)（小行星、彗星、行星、衛(wèi)星），通過(guò)光譜儀觀測(cè)蒸發(fā)羽流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷目標(biāo)分子組成的觀測(cè)。

（3）膜航天器二期

膜航天器是指集成太陽(yáng)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(jìn)以及形狀控制系統(tǒng)的二維航天器，主要用來(lái)清除空間碎片，該項(xiàng)研究涉及薄膜電子通信、智能控制、功率調(diào)節(jié)、感知以及外形控制等方面內(nèi)容。

（4）系外行星的回波成像

恒星本身會(huì)產(chǎn)生不同周期的波，經(jīng)行星反射后可以被儀器探測(cè)接收，借助計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)外行星的成像探測(cè)。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(shù)發(fā)展路線圖。

（5）極端環(huán)境自動(dòng)駕駛漫游車

該項(xiàng)研究的第一階段已經(jīng)完成低電子設(shè)備依賴、低人機(jī)交互的機(jī)械漫游車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，第二階段將繼續(xù)完善混合動(dòng)力車信號(hào)的切換，并制定了將一輛原型車送往金星進(jìn)行試驗(yàn)的計(jì)劃。

（6）小行星、月球和行星的光學(xué)開采方案

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

（7）支持冥王星探測(cè)軌道器與著陸器的功率與推進(jìn)混合系統(tǒng)

基于“普林斯頓反向場(chǎng)配置”的融合式聚變反應(yīng)器，設(shè)計(jì)了直接融合驅(qū)動(dòng)裝置，既可產(chǎn)生推力，也可提供功率。第一階段已經(jīng)完成了裝置的建模，第二階段重點(diǎn)提升超導(dǎo)線圈、射頻加熱和屏蔽器等子系統(tǒng)的技術(shù)成熟度。

2 創(chuàng)新項(xiàng)目管理

作為專職創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)，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(lǐng)域非線性、原始創(chuàng)新的獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)，旨在面向社會(huì)各界征詢宇航科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新想法。2007年8月，因NASA經(jīng)費(fèi)削減，該研究所被迫關(guān)閉。2011年3月1日，NASA宣布重建NIAC，2013年2月，NIAC作為一個(gè)分支劃歸NASA空間技術(shù)任務(wù)部（STMD）。NIAC的主要職責(zé)是孕育系統(tǒng)級(jí)和任務(wù)級(jí)創(chuàng)新概念，培育可對(duì)NASA未來(lái)任務(wù)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(jié)合宇航體系、系統(tǒng)或任務(wù)；必須是創(chuàng)新概念，不支持重復(fù)研究；具有先進(jìn)性，值得立即開展研究；技術(shù)合理，方案可行，計(jì)劃可信。因其開展的是早期創(chuàng)新概念研究，技術(shù)成熟度較低，工程應(yīng)用往往需要10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

項(xiàng)目遴選嚴(yán)格把關(guān)，確保項(xiàng)目創(chuàng)新性

NIAC創(chuàng)新項(xiàng)目的遴選非常嚴(yán)格，通過(guò)詳細(xì)的評(píng)審要求來(lái)具體實(shí)施。在總體要求的基礎(chǔ)上，針對(duì)第一、第二階段項(xiàng)目發(fā)布了細(xì)化的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)。

總體要求共計(jì)四項(xiàng)：①屬于航天領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與NASA戰(zhàn)略目標(biāo)相一致，具有巨大的潛在應(yīng)用前景；②未來(lái)有望為科技發(fā)展帶來(lái)巨大飛躍；③屬于完全創(chuàng)新的概念，有可能開辟一個(gè)新的領(lǐng)域；④技術(shù)可靠，科學(xué)或工程理論支撐充分。

第一階段項(xiàng)目遴選要經(jīng)過(guò)兩輪評(píng)審。第一輪評(píng)審要求至少有3名相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)一份建議書進(jìn)行評(píng)審，要求包括：①屬于航天領(lǐng)域；②目標(biāo)明確；③完全創(chuàng)新；④有科學(xué)技術(shù)理論支撐；⑤發(fā)展路線合理；⑥關(guān)注NASA戰(zhàn)略目標(biāo)。第二輪評(píng)審重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)方面：①潛在價(jià)值與未來(lái)影響；②技術(shù)優(yōu)勢(shì)與工作安排合理性；③研究團(tuán)隊(duì)實(shí)力與預(yù)算成本。

第二階段項(xiàng)目全部從優(yōu)秀的第一階段提案中遴選，主要評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)與第一階段第二輪評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)基本相同，但重點(diǎn)關(guān)注該項(xiàng)目的潛在價(jià)值與影響。

NIAC作為項(xiàng)目組織與管理者，通過(guò)反復(fù)的評(píng)審和多輪的遴選，寧缺毋濫，最終確保立項(xiàng)的創(chuàng)新項(xiàng)目與NASA發(fā)展戰(zhàn)略、未來(lái)任務(wù)相一致，具有較高的創(chuàng)新性和潛在的應(yīng)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(xiàng)目支持工作，7年間共支持了第一階段115個(gè)項(xiàng)目，并從中遴選出43項(xiàng)進(jìn)一步開展研究，并且從2014年起，從第一階段中遴選出來(lái)的第二階段項(xiàng)目數(shù)量明顯增多，對(duì)長(zhǎng)期項(xiàng)目支持和孵化的力度有所增加。

在創(chuàng)新項(xiàng)目承擔(dān)主體方面，參與機(jī)構(gòu)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(lì)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(xiàng)情況

2011－2017年申報(bào)單位來(lái)源分析

3 總結(jié)

1）以實(shí)際工程任務(wù)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(xiàng)目非常明顯的特征，這也體現(xiàn)著NASA設(shè)立NIAC的初衷。但是，這種創(chuàng)新不是漫無(wú)目的的創(chuàng)新，也不是思維天馬行空的游走，幾乎每個(gè)項(xiàng)目都蘊(yùn)含著兩個(gè)方面的原則：首先是必須具有非常鞏固的理論基礎(chǔ)作為出發(fā)點(diǎn)，其次是都倚靠實(shí)際任務(wù)作為落腳點(diǎn)。可參考NIAC創(chuàng)新項(xiàng)目的申報(bào)原則和遴選方法，面向背景任務(wù)，充分遴選一批有變革作用的創(chuàng)新概念、理念，以此來(lái)促進(jìn)產(chǎn)生新技術(shù)、新理念。

2）以創(chuàng)新為支點(diǎn)，全面提升航天等相關(guān)行業(yè)的研發(fā)能力。從本年度獲批的NIAC來(lái)看，創(chuàng)新計(jì)劃中的部分研發(fā)對(duì)學(xué)術(shù)界、科技界都起到了推動(dòng)作用，促進(jìn)了航天與相關(guān)行業(yè)的深度融合，并在一定程度上促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步。航天本身就是一項(xiàng)多學(xué)科背景下的系統(tǒng)工程，以航天創(chuàng)新為支點(diǎn)，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的研發(fā)能力，并通過(guò)相關(guān)行業(yè)研發(fā)能力的提升，助力航天科學(xué)技術(shù)能力的提升。