美創新先進概念項目聚焦深空探測

文/ 楊開

美國宇航局的創新先進概念（NIAC）計劃創立于1998年，旨在開發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。創新先進概念計劃資助對象以大學、小型創企和研究中心為主，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200萬美元的經費，實現技術孵化和轉移應用。

2020年4月，美國宇航局公布了本年度入選“創新先進概念”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，征集了眾多創新方案。本文針對其中10個與航天領域密切關聯的創新方案進行簡要說明，涉及新型飛行器方案、創新動力、原位資源利用以及太空藥店等，希望帶來一些啟發。

▲ 超材料太陽帆的示意圖

超材料太陽帆——實現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。然而受制于現有的航天動力技術，系外探測任務需要投入龐大的經費和時間成本。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”很可能會出改變現有的任務模式，能夠以較低成本實現需要高速度的深空任務，而且不受發射時間和發射地點的限制。“超材料太陽帆”速度能夠達到每年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材料的極限，開發出每千克質量展開成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行星際運輸的關鍵。喬治亞州科技研究公司提出利用轉基因生物將火星大氣層中的二氧化碳轉為含氧碳氫化合物，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，用以喂養經基因改造的微生物，最終生產出燃料。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，能夠在火星的低溫條件下以液態形式存儲和使用。之后，公司再針對候選燃料開展測試，并開發相應的生物系統。

▲ 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，后者實現速度。不過，現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”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，產生的爆燃在帶磁場的噴管內傳播，從而產生推力，并為下一輪脈沖補充能量。“脈沖式等離子體火箭”方案的結構更小、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

星際航天器反物質減速——實現對類地行星的探測

反物質推進技術作為一種先進的推進技術，能夠實現非常高的比沖。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減速實現對類地行星的探測，不過重點并非聚焦在反物質推進技術上，而是要設計任務框架，實現對類地行星——“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，探測器采用兩級結構，重量為10千克級別，利用反物質推進系統加速至光速的1/10，之后一二級分離。一級通過垂向的小幅加速變軌后，實現對“南門二”三體星系的飛掠探測。二子級利用反物質減速后，釋放自身攜帶的上千個“芯片載荷”（質量僅有1克左右），在“南門二”三體星系內開展深入探測和研究，并向地球傳回探測數據。Hbar技術公司認為利用反物質推進系統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。伴隨著著陸器規模的大幅提升，反推著陸時發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，消除發動機羽流的影響。該技術通過在發動機羽流中混合特殊的顆粒，從而在著陸區域形成硬化涂層，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，可以根據需要調整著陸地點。而且，按照Mastern航天系統公司估計，不用建設固定著陸平臺，至少能夠節約1.2億美元。

先進氣動捕獲系統——幫助實現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生的氣動力，降低軌道能量，實現向目標環繞軌道的轉移，也就是探測器通過穿越大氣層來減速，進入行星的環繞軌道。相比化學推進和電推進等方式，能夠大幅提高探測器的質量，例如土衛六軌道探測器的質量可提高280%。而且，相比傳統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入軌，要求其具有比較好的升阻比特性和熱防護系統，對于探測器設計是非常大的挑戰。

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”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的要求。蘭利研究中心估計，采用“先進氣動捕獲系統”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定性，有一定的保質期，如果面對太空中更嚴苛的環境，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、腎結石、骨質流失等。不過，即使在冷藏條件下，基于蛋白質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藥，利用能夠適應太空環境的孢子形態細胞，以及基于實驗室標準改造的輕質小型生態系統，在發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基來生產生物醫藥。“太空藥房”的終極目標是擺脫細胞，直接采用無細胞的轉錄/翻譯系統生產藥品。這種按需制造藥品的方式能夠解決因為保質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，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，同時獲取更多月球探測任務相關的數據來改進系統，并通過試驗來驗證出艙活動。

▲ BioBot的示意圖

超輕質核電動力探測器——利用小型蜂群探測器開展深空探測

核電推進系統完全依靠自身攜帶的能源，能夠將探測器送往太陽能覆蓋不到的空間，不過反應堆質量通常都比較大，一般都傾向用于大型深空探測任務中。如果能夠將核電推進系統縮減到足夠小的規模，使其能夠利用小型運載火箭發射，那么就可以把小衛星技術和核電推進的長壽命特點結合起來，對太陽系內任意位置開展探測。為此，Howe工業公司在2019年的創新先進概念計劃下提出“基于先進熱電發電機和反應堆的蜂群探測器”（簡稱“SPEAR”）系統方案，采用新型輕質反應堆調節器和先進熱電發電機，大幅縮減推進系統的核心質量。SPEAR采用1100千克的航天器平臺（包括推進劑質量），可以將10顆重7千克的小衛星送入木衛一的衛星軌道上，而上述平臺可利用米諾陶4等商業火箭進行發射。

Howe工業公司已經從理論上證明“先進熱電發動機”能夠實現極高的效率。NIAC計劃在2020年第二階段研究中將繼續支持Howe公司構建“先進熱電發動機”的工作單元，利用試驗環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，會有大片處于極夜中永久凍土，但在月坑上方數十米到數百米的高度上，則是極晝區。在這種地形條件下，可將開采站建在永久凍土區，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或冰層，其中的水受熱揮發后，通過低溫冷卻裝置回收，以液態存儲下來。

“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，可以發射2～5噸重的月球開采車，開采車的液態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示意圖

盡管“創新先進概念”項目的經費并不多，而且大多數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，短期內很難向工程實踐發展，但是這類小型創新項目，在培育新技術萌芽，促進航天技術的顛覆性發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，這類創新活動所發揮的作用更為顯著。“創新先進概念”計劃下的創新方案均是以前沿技術領域的最新進展為基礎，同時結合大膽的任務規劃，建立起全新的飛行器構型、部署形式和任務架構。而這些大膽和創新的基礎研究，可能會在某一天成為現實，支撐各種當前看似不可能實現的空間探索任務。因此，在探索未知的深空領域，這種經費規模“小”但是研究內容卻非常“大”的創新研究計劃，非常值得借鑒。