“NASA創新先進概念”計劃及進展

戴廣永（天津航天機電設備研究所）

“NASA創新先進概念”（NIAC）計劃是美國國家航空航天局（NASA）的一個技術開發計劃，扶持NASA內、外部的概念性技術，以具有突破性的創造力革新未來NASA的任務形態。與此同時，讓美國的創新者和企業家都作為合作伙伴參與其中。該計劃尋求非傳統來源的創新方案，研究創新的、技術上可靠的先進概念方案，期望能夠在宇航領域“改變可能性”，旨在維護美國在航空航天領域的領導地位。

1 NIAC計劃由來

1998－2007年，NIAC計劃曾用名“NASA先進概念研究所”，于2011年正式更名并沿用至今。

研究所時期

NIAC原本是作為“一個獨立的開放式論壇，外部創新者接觸NASA的高層次入口，一種分析和定義先進航空航天概念方案的外部能力，來補充NASA內部開展的先進概念性活動”而創立的。20世紀90年代中期，NASA總部下設先進概念方案辦公室，由宇航技術辦公室進行組織管理，直接向NASA局長報告進展。

研究所時期的NIAC計劃于1998年設立，由高校空間研究協會（USRA）代NASA宇航技術辦公室進行管理。旨在從NASA外部征集建立在合理的科學原理基礎之上、有望在10到40年時間框架內實現的前瞻性概念方案，推動NASA探索和創新工作。隨著NASA重組，管理監督權移交給探索系統任務部，直到2007年該計劃終止。在此期間，該計劃作為一個虛擬的“研究所”而存在。在遴選過程之外，該計劃的組織機構也是虛擬的。

NRC審查

2007年7月，NASA面臨戰略轉型，做出了終止NIAC的決定。之后，美國國會要求美國國家科學院（NAS）下屬美國國家科學研究委員會（NRC）對該計劃進行總結考察。這項工作于2009年完成，形成報告并得出結論稱，為實現其使命，NASA需要“調查研究富有遠見、意義深遠的先進概念方案機制”，NRC認可了原NIAC計劃的愿景、適用范圍和遴選過程，建議應重新設立NIAC或類似NIAC的計劃。

新NIAC時期

隨著2009年美國總統換屆，NASA也改變了空間探索規劃和技術發展重點。NASA內部重設了首席技術專家一職，開展了更為豐富的空間技術計劃。復辦NIAC似乎順理成章。2011年3月，NASA宣布NIAC計劃將在NASA首席技術專家辦公室領導下復辦，目標不變，更名為“NASA創新先進概念”并保留NIAC的縮寫。2013年分離出空間技術任務部（STMD）后，NIAC計劃歸于該部管理并提供資金。

NIAC計劃采納了NRC報告的大部分建議：同時向NASA員工及其團隊開放入口，促進了NIAC研究向其他NASA項目的轉化；保留了同樣的通用遴選過程，高度依賴但不僅限于非NASA同行評審人員；增加了兩個階段的資助金額。

2 NIAC計劃及遴選原則

NIAC計劃概述

NIAC鼓勵社會各界非附屬個人或其他教育機構、商業或非盈利組織、研究型實驗室、專業機構或NASA各中心（包括噴氣推進實驗室）的附屬個人提交建議書。主申請人必須為美國公民或在美國工作，但允許非美國組織參與，須遵守NASA關于外國參與的政策。

NASA通過同行評審程序遴選建議書，對創新性和技術可行性進行評估。所有項目都處于早期開發階段，大多數都需要10年或更長時間的技術培育期，而且都不是NASA的官方任務。一般來說，NIAC計劃按照三個階段資助創新性宇航概念方案。

各階段遴選原則

第一階段主要關注前瞻性概念方案的早期可行性研究。為此，第一階段研究必須滿足：

1）宇航領域體系級、任務級或系統級概念方案。宇航領域包括在陸地或地外環境中與航天和航空有關的活動。

2）在任務環境中進行分析。任務環境包括體系架構、科學目標、操作、后勤、系統級設計等，這些構成了詳細的創新性。

3）創新且有較大潛在影響。使全新的任務成為可能或大大改善其執行力度，或提供能力上的巨大飛躍。

4）可信且合理。技術上可靠、可實現；必須至少說明一條進一步發展和最終實現的合理途徑。

5）非常早期的開發階段。技術成熟度（TRL）為1～2或3初期；瞄準10年以上出成果。

創新性宇航概念方案的三個階段

第二階段繼續探索和開發已經通過第一階段評審的概念方案，首要目標是研究與成本、性能、研發時間和關鍵技術有關的可行性問題。

第三階段采用四個同等權重的標準進行評估：

1）創新性和效益。同之前階段所述。

2）過往實績。充分描述NIAC第二階段研究中獲得的關鍵成果，包括所提概念方案的起止技術成熟度，以及當前技術成熟度的依據。確定在第三階段研究中必須解決的關鍵差距。

3）擬議里程碑。給出適當的第三階段里程碑，已解決前述工作中確定的關鍵技術開發差距，并給出每個關鍵里程碑的預估完成日期。

4）轉型策略。概述了將第三階段研究成果轉化為未來NASA任務或項目的現實策略，并說明為什么NIAC資金是支持成功轉型所必需的。轉型策略包括在第二階段研究期間或之后確定的潛在合作伙伴。

3 NIAC資助項目概述

NIAC已資助項目統計

2011－2020年NIAC資助研究項目分類細目（按主申請人所屬機構類型）

1998年2月－2007年，NIAC在研究所時期共收到1309份建議書，并授出了126項第一階段資助基金和42項第二階段合同，總價值2730萬美元；2011－2020年，新NIAC時期已資助224項研究（第一階段156項，第二階段65項，第三階段3項）；2020年，NIAC選出了23項可能具有顛覆性的概念方案，總獎金為700萬美元，其中16項為新概念方案（第一階段），另7項為之前獲選過的方案（第二、三階段）。

NIAC向所有與NASA相關的技術領域開放，雖然很難嚴格分類，但NIAC一般將建議書分為以下幾個主要領域：

1）運輸，包括從地球到軌道、太空中飛行、進入/下降/著陸、基礎設施和航空學；

2）載人探索，包括環境控制、輻射緩解、居住地和基礎設施；

3）機器人技術，包括機動和樣品采集；

4）科學，包括使天文學、天體物理學、行星科學、太陽物理學和地球科學任務得以實現或顯著增強的創新技術；

5）其他，包括導航、電源、通信、結構和小行星/軌道碎片緩解等領域，如果它們沒有直接映射到上述定義的區域之一。

NIAC計劃成果

最初在NIAC計劃下開發的幾個技術概念方案已經取得了顯著成功，或獲得了額外的外部資金，或提交了專利，或成立了致力于實現新型宇航能力的新創業公司。例如，開發出一種新型高反射性涂層材料，以實現極端熱防護和深空低溫；核聚變概念方案獲得超過100萬美元的ARPA-E基金用于進一步開發；超長持續時間的銀河/銀河系外ULDB光譜太赫茲觀測站（GUSTO）氣球任務將于2021年發射，結合了NIAC“大型氣球反射器”技術；“突破攝星”計劃基于先前NIAC定向能概念方案研究；成立了航天運輸公司（Trans Astronautica）等幾家新公司，分別在小行星采礦架構和地外行星建造技術開發中處于行業領先地位。隨著直接聚焦于技術應用的第三階段新研究機會的到來，預計NIAC概念方案向任務現實的成功轉型必然會加速。

進入第三階段的概念方案

到目前為止，已有3項概念方案進入第三階段研究，其中一項由NASA噴氣推進實驗室（JPL）提出，另兩項由商業公司提出。

（1）利用太陽引力透鏡對系外行星進行直接多像素成像和光譜分析（2020年第三階段）

太陽引力透鏡望遠鏡對系外行星成像示意圖

太陽引力透鏡（SGL）具有顯著的特性：提供了高達約1011倍亮度放大倍數和極高的角分辨率（約10-10弧秒）。該項目在NIAC前兩個階段的創新性包括：①證明了太陽引力透鏡望遠鏡對類地宜居系外行星進行高分辨率、多像素成像的可行性；②設計了用于探索星際介質的小衛星群體系結構，允許在任務中同時觀測外太陽系的多顆行星/衛星；③設計了低成本的太陽電池翼推進系統，以實現任務所需的太陽系逃逸速度。經過前兩個階段研究，研究團隊確定大部分基礎技術已經存在或處于中等成熟度。第三階段建議書將繼續填補技術成熟度缺口，并使任務概念方案更加成熟。

（2）自動勘探月球坑的機器人技術（2019年第三階段）

目前已經完成的行星表面巡視往往由大型、緩慢的機器人花費數年時間實現，但規模小、時間短、數據有限的月球任務需要快速、自主的微型巡視機器人技術。該項目在NIAC前兩個階段的技術創新性主要包括：勘探自主性、原位三維建模、快速遠距離微型巡視和實現一周內任務的綜合手段；其潛在的效益包括：行星表面自主性飛越，現場處理數據產品，所有表面任務相關的快速遠距離巡視；從實際任務中獲取科學認識；與其他月球著陸任務的相關性。

（3）演示驗證Apis任務架構和光學采礦技術的“迷你蜂”樣機（2019年第三階段）

演示驗證Apis任務架構旨在革新NASA的載人深空探索，并使大規模的空間產業化和人類定居成為可能。Apis通過公私合作伙伴關系（PPP）方式和一系列發明（包括光學采礦小行星資源采收方法、Omnivore太陽熱能推力器和新型航天器架構）來實現。任務由NIAC、NASA新興太空辦公室和NASA“小型企業創新研究”（SBIR）計劃聯合資助。在前兩個階段研究中，該項目技術成熟度已從1～2提高到3～4。

4 結語

NIAC重視技術敏銳性和想象力，鼓勵研究人員和研究機構跳出固有的思維模式，發揮創造性。NIAC的主要任務是從NASA內部、外部以及宇航科學領域之外搜尋原始創新的解決方案，以克服未來科學和探索任務所面臨的挑戰，在航天事業中實現跨越式發展。

NIAC研究的一個關鍵特點就是這些概念方案是在航天任務環境中接受評估的，而不是直接資助某項技術的開發，主要關注點是確定可行性并與現有任務/概念方案比較性能。基礎技術或概念方案在任務環境中的執行必須在技術上是可行的，并以堅實的科學和工程原則為基礎。NIAC概念方案通常基于新技術，但也可以基于現有技術，以全新的創新方式應用于任務，例如將通常應用于非宇航領域的技術應用于NASA任務環境。

在NASA內部和美國各地都有很多宇航研究和技術項目，但NIAC確實有其獨特性。雖然科學家和工程師通常被限制在循序漸進的框架中，但NIAC鼓勵研究人員變得大膽和富有想象力。NIAC計劃吸引了科學界、獨立研究人員、政府機構、工業界、學術界和普通公眾的廣泛參與，通過各種媒體渠道報道了眾多科學學科的概念方案。NIAC的傳播和推廣也吸引廣大學生參與教育宣傳活動，鼓勵年輕一代從事科學、技術、工程行業，激勵下一代敢于夢想，敢于挑戰。