美創(chuàng)新先進概念項目聚焦深空探測

文/ 楊開

2021年4月，美國宇航局（NASA）正式敲定了本年度創(chuàng)新先進概念（NIAC）計劃下共計23個項目，其中第一階段項目16個，第二階段項目6個，第三階段項目1個。在美國政府重返月球和載人探火目標的牽引下，NIAC計劃下的新概念和新技術方案都聚焦到太陽系內的各類探測任務和應用場景，一方面是為月球駐留和火星登陸提供支撐，另一方面則是將目的地拓展至木星、土星和冥王星等距離更遠的目標星體，為更遠期的探測計劃打前站。

本文針對其中8個與航天領域密切關聯(lián)的創(chuàng)新方案進行簡要說明，涉及原位資源利用、自主探測器、外星球基礎設施等，希望能給大家?guī)硪恍﹩l(fā)。

用于支撐月球著陸（及操作）的“表層土自適應改造系統(tǒng)”

隨著月球著陸器的規(guī)模大幅擴展（從阿波羅時期大約10噸左右，到阿爾忒彌斯計劃下20~50噸的規(guī)模），為了能夠平穩(wěn)著陸，不僅需要著陸器本身技術過關，還需要對月球表層土進行改造，在月球上建設專用的著陸平臺。目前，關于月球表層土改造的研究大多集中于燒結和土壤聚合等需要大量基礎設施建設的高能耗方案，通過攜帶材料、設備和能源控制月球表層土，實現(xiàn)著陸平臺或者道路的部署和建設。得克薩斯A&M工程實驗站提出的“表層土自適應改造系統(tǒng)”（RAMs），可以選擇性熔化和強化月球表面物質。

▲ RAMs系統(tǒng)的方案示意圖

RAMs利用微膠囊技術在月球表層不同深度布置納米鋁熱混合物和有機硅烷，通過月球表層土的鋁熱熔凝和地質聚合，在表面形成長2~5厘米的固定錨點，在地下25~30厘米處形成一定厚度的提供承載能力的支撐屏障。RAMs通過化學反應固化和物理輔助屏障的方法來減除灰塵并實現(xiàn)承重，不僅特別適用于探月早期缺乏相關基礎設施支撐的階段，也可以用于月球和火星基地初步建成后的拓展建設階段。RAMs涉及到兩項關鍵的技術創(chuàng)新，首先就是基于微膠囊技術的土壤熔化和固化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安全性更高的納米鋁熱劑混合物和土壤穩(wěn)定劑組成，能夠依次激活以形成固定錨點和支撐屏障。第二項關鍵技術就是如何利用存儲在月球表層土組分中的化學鍵能量，來實現(xiàn)加熱熔化和土壤聚合。

利用折疊技術實現(xiàn)千米級尺寸太空結構的單次發(fā)射

由于運載火箭整流罩的空間限制，很多空間載荷和設施的尺寸都不能做得太大，或者只能采用折疊結構來實現(xiàn)，例如詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主鏡片直徑達到6.5米，只有通過折疊的方式才能安裝到阿里安5火箭的外直徑僅有5.4米的整流罩內。卡內基梅隆大學針對空間站人工重力需求，在2021年的NIAC計劃中提出千米級別空間結構的折疊技術，為近期人類在空間環(huán)境下生活和工作提供了一種可行的解決方案。

眾所周知，長時間的太空飛行會對人體構成嚴峻挑戰(zhàn)，包括肌肉萎縮、骨質流失、視力下降和免疫抑制等問題，而這些問題大多都和微重力環(huán)境有關。所以，很多科幻小說中都會描述可以自旋產(chǎn)生人工重力的空間棲息地。不過自旋的最大問題就在于，當轉速超過1~2轉每分鐘時，人體就會感覺到不適。而要在1~2轉每分鐘的轉速下產(chǎn)生與地球相當?shù)闹亓Νh(huán)境，需要空間結構長度達到千米級別。卡內基梅隆大學以阿爾忒彌斯計劃下的月球軌道門戶為應用背景，提出利用機械性能出眾的超輕質材料，實現(xiàn)伸縮比達到150倍或者更高的結構折疊技術，能夠將長度達到千米級別的結構部件折疊安裝到重型獵鷹火箭的整流罩內。發(fā)射進入太空后，折疊結構能夠自主展開，不需要復雜的在軌裝配和制造技術支持。

▲ 基于折疊技術的大型空間站結構示意圖

▲ 鉆孔機器人的示意圖

利用鉆孔機器人在火星南極冰蓋打下1.5千米的鉆孔

2018年7月，意大利宣布利用“火星快車”軌道探測器數(shù)據(jù)，證明在火星南極冰蓋下有液態(tài)水的存在，深度大約為1.5千米。有水存在，蘊含生命的概率就存在，因此南極冰蓋成為火星上最具研究價值的地質區(qū)域之一。不過，目前人類還缺少在火星上開展深孔鉆探的能力。目前大多數(shù)火星車的鉆探深度只有幾厘米，美國洞察號火星車原本計劃在火星上打下5米的鉆孔開展熱流探測，但因表面硬度超過預期導致任務失敗。

因此，行星企業(yè)公司以類似于“毅力號”的火星車為應用背景，提出一種全新的鉆探系統(tǒng)，采用多個長度1米左右的鉆孔機器人，自主從孔眼位置進出，完成鉆孔的動作。首先，火星車上的線性執(zhí)行機構將鉆孔機器人從“機艙”送到連接孔眼的管狀結構中，機器人利用安裝在管狀結構內壁上的橡膠履帶向下運動到鉆孔位置開展作業(yè)，每次鉆取深度為150毫米左右的冰蓋。然后，機器人再沿橡膠履帶返回火星車，利用機械臂將鉆取的冰蓋完整取下并開展研究。下一個機器人緊接著通過管狀結構進入到孔眼中繼續(xù)鉆孔作業(yè)。這種系統(tǒng)總計大約需要12個鉆孔機器人，還需要配備足夠的鉆頭配件。按照行星企業(yè)公司的設想，首先需要用90天的任務周期驗證，如果能夠完成20到50米深度的鉆孔，就可以再執(zhí)行擴展任務，完成1.5千米深度的鉆孔任務。

基于原位推進劑實現(xiàn)土衛(wèi)六采樣返回

▲ 土衛(wèi)六采樣返回飛行器的示意圖

美國宇航局在2019年公布將在2027年發(fā)射 “蜻蜓”去探測土星最大衛(wèi)星——土衛(wèi)六（Titan）上可能存在的生命跡象，2036年抵達。“蜻蜓”依靠核電池工作的四旋翼飛行探測器（類似于和“毅力號”火星車一同在火星著陸的“機智號”直升機），相比大多數(shù)漫游車已經(jīng)是很大的創(chuàng)新。但是，為了能夠實現(xiàn)從土衛(wèi)六上采樣返回，美國宇航局格林研究中心提出在發(fā)射“蜻蜓”同時，增加一個采樣返回飛行器。采樣返回器包括著陸級和上升級，著陸器采集土衛(wèi)六上的揮發(fā)物，生成液態(tài)甲烷和液氧，提供給上升級。上升級攜帶“蜻蜓”采集的土衛(wèi)六樣本，利用甲烷和液氧工作，返回地球。另外，該局計劃2026年發(fā)射火星采樣返回任務，使用兩級固體火箭作為上升級，也就是返回所需的推進劑都需要從地球發(fā)射到火星。相比而言，格林研究中心提出的土衛(wèi)六采樣返回方案，雖然探索的目的地更遠，但是由于整體技術難度更高，所需的發(fā)射質量和成本卻更少。

FLOAT：柔性軌道懸浮系統(tǒng)

噴氣推進實驗室（JPL）一直都是美國宇航局深空探測的排頭兵，為了實現(xiàn)2030年前后在月面長期駐留的目標，JPL在今年的NIAC計劃下提出在月球上建設首個軌道運輸系統(tǒng)，作為月球基地日常運營的重要基礎設施，在著陸點、月球基地和哨站之間完成資源和材料運輸。JPL的方案稱為“柔性軌道懸浮系統(tǒng)”（FLOAT），由軌道和運輸機器人組成。軌道采用3層彈性結構：石墨烯層利用磁懸浮讓機器人被動懸浮在軌道上方；柔性電路層產(chǎn)生電磁推力控制和推動機器人沿軌道行駛；可選的薄膜太陽能板能夠在光照條件下為電路層提供電能。FLOAT系統(tǒng)采用無動力的磁性機器人，沒有活動部件，懸浮在軌道上方，相比采用車輪、履帶和其他活動機械結構的運輸方式，能夠大幅降低磨損，適用于月球上的重灰塵環(huán)境。FLOAT另外一個重要優(yōu)勢，就是直接鋪在月球表面即可，省去了像公路和鐵路那樣的道路建設工作，而且還能夠根據(jù)需求進行折疊和重新部署。在參數(shù)指標上，機器人最大承載能力為每平方米33千克，運輸速度高于0.5米每秒。一套大型FLOAT運輸系統(tǒng)能夠在一天時間內把100噸的貨物運輸數(shù)千米，所需功率大約為40千瓦。在NIAC計劃第一階段的支持下，JPL首先會以1米級別的機器人和千米級別軌道進行驗證。

▲ FLOAT運輸系統(tǒng)的方案示意圖

▲ SWIM系統(tǒng)方案的示意圖

SWIM：探測海洋星球的獨立微型游泳機器人

未來幾十年內，美國宇航局會把深空探測的目標聚焦到海洋星球上，包括土衛(wèi)二、木衛(wèi)二和土衛(wèi)六等星球的冰蓋下都存在廣闊的海洋，因為海洋環(huán)境中最有可能孕育生命。為了能夠對液態(tài)環(huán)境進行探測，該局正在開發(fā)和完善一系列海洋任務方案，其中比較重要的任務就是在木衛(wèi)二上鉆開15～25千米的冰蓋以進入海洋環(huán)境的“歐羅巴科學探索地下訪問機制”（SESAME）計劃。JPL提出用“獨立微型游泳機器人探測”（SWIM）系統(tǒng)來拓展SESAME任務，大幅提高探測效果。SWIM系統(tǒng)包括很多厘米級的3D打印微型機器人，這些機器人帶有MEMS傳感器和微型推進器，用超聲波遠程控制，JPL稱之為微型游泳機器人。SESAME任務的主探測器鉆開冰蓋之后，就可以釋放微型游泳機器人，對海洋環(huán)境進行取樣和分布式測量，更好地勾畫探測星球的海洋環(huán)境。在計劃第一階段，JPL將聚焦微型游泳機器人的方案分析論證及其關鍵技術研究，包括MEMS傳感器、光譜儀、照相機等科學儀器，超聲、壓電和機械形式的動力機構，超聲波通信技術，電池和能量捕獲等電源技術。

冥王星探測器氣動減速和跳躍探測

對于冥王星和海王星等距離非常遙遠的太陽系天體，如果設計成低速軌道，探測器可能需要20~30年的時間才能抵達。如果設計成速度比較高的飛行軌道，例如美國在2006年發(fā)射的“新視野號”，借助木星引力耗時10年時間可抵達冥王星附近，但是只能以14千米每秒的速度飛掠過冥王星進入太陽系的柯伊伯帶，因為其攜帶的能量很少，不可能減速進入冥王星軌道。冥王星等遠距離深空探測任務在任務時長和速度之間存在矛盾，如果不花費高昂的成本去研制核動力小推力的推進系統(tǒng)或者其他新型推進技術，利用動力反推進入冥王星軌道，有沒有其他更加經(jīng)濟的著陸方案呢？

▲ 冥王星探測器氣動減速和跳躍探測方案的示意圖

全球宇航公司在2017年提出采用類似“新視野號”的飛行軌道發(fā)射小型冥王星探測器，利用充氣式的輕質減速裝置和冥王星的稀薄大氣層完成探測器的減速、捕獲和著陸。其方案的關鍵核心技術就是“包圍式氣動減速器”（EDA），一種橫截面非常大的輕質充氣結構，能夠通過熱輻射把進入大氣層過程中的絕大多數(shù)能量耗散，而不必安裝熱防護系統(tǒng)。結構材料可以選用成熟的聚酰亞胺薄膜。為了避免進入大氣層過程中的振動對探測器產(chǎn)生影響，可以將探測器包裹在EDA內部，同時將迎風面做成球形，減小振動水平。雖然冥王星的大氣層高達1600千米，但是非常稀薄，需要將EDA的直徑做到十幾米的量級才能將14千米每秒的速度降低到120米每秒。探測器在冥王星著陸之后，將充分利用冥王星重力較低的特點，利用跳躍方式前往不同地點開展探測。今年該方案又在NIAC計劃第二階段得到經(jīng)費支持，重點證明該方案用于冥王星探測的可行性。

搭載中微子探測器的立方星飛行任務

入選今年NIAC計劃第三階段的仍只有一個項目，是由衛(wèi)奇塔州立大學在2017年提出來的太陽中微子探測器飛行任務，在2019年得到NIAC計劃第二階段的支持。中微子是一種電中性的基本粒子，質量非常小，穿過一般物質時不會受到太多阻礙，且難以檢測。中微子可以通過放射性衰變以及核反應等多種方式產(chǎn)生，而地球上檢測到大多數(shù)中微子都是來自太陽輻射，地球面向太陽的區(qū)域每秒鐘在每平方厘米上都會穿過大約650億個來自太陽的中微子。由于中微子性質特殊，對于基礎物理學和天文物理學都有重要意義。但是由于中微子電中性和質量小的特征，它只參與弱相互作用，很難進行探測，現(xiàn)在世界上用到的中微子探測器都建造得非常大，而且都在地底深處以屏蔽宇宙射線以及其它背景輻射的影響。為了更容易實現(xiàn)中微子探測，衛(wèi)奇塔州立大學提出將搭載中微子探測器的立方星部署在距太陽較近的空間位置上，利用更高的中微子密度（在距離太陽7個太陽半徑的位置上，中微子密度是地球上的1000倍），能夠更容易實現(xiàn)中微子的探測及其他相關聯(lián)的研究，同時探測器的規(guī)模和成本也會大幅降低。

按照以往的經(jīng)費規(guī)模，NIAC計劃第一階段項目每個最多得到12.5萬美元支持，第二階段項目每個最多得到50萬美元支持，第三階段項目每個最多得到200萬美元支持，所以2021年NIAC項目總經(jīng)費不超過700萬美元，但是就帶動技術發(fā)展，以及支撐未來美國宇航局的旗艦級探測任務而言，起到了非常重要的技術儲備作用。

本文介紹的8個項目中可以看到，大多都有相對明確的應用背景，為未來5到10年內的具體任務提供支撐，不僅僅是閉門造車，純粹開展理論和概念研究，而是希望某些新技術、新方案在未來的大型飛行任務中得到實踐和應用。這種創(chuàng)新研究的理念和思路非常值得我們思考與借鑒。

▲ 中微子探測器立方星任務方案的概念圖