美創(chuàng)新先進(jìn)概念項(xiàng)目聚焦深空探測(cè)

文/ 楊開(kāi)

2021年4月，美國(guó)宇航局（NASA）正式敲定了本年度創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃下共計(jì)23個(gè)項(xiàng)目，其中第一階段項(xiàng)目16個(gè)，第二階段項(xiàng)目6個(gè)，第三階段項(xiàng)目1個(gè)。在美國(guó)政府重返月球和載人探火目標(biāo)的牽引下，NIAC計(jì)劃下的新概念和新技術(shù)方案都聚焦到太陽(yáng)系內(nèi)的各類探測(cè)任務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)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(yuǎn)的目標(biāo)星體，為更遠(yuǎn)期的探測(cè)計(jì)劃打前站。

本文針對(duì)其中8個(gè)與航天領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新方案進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，涉及原位資源利用、自主探測(cè)器、外星球基礎(chǔ)設(shè)施等，希望能給大家?guī)?lái)一些啟發(fā)。

用于支撐月球著陸（及操作）的“表層土自適應(yīng)改造系統(tǒng)”

隨著月球著陸器的規(guī)模大幅擴(kuò)展（從阿波羅時(shí)期大約10噸左右，到阿爾忒彌斯計(jì)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(shù)過(guò)關(guān)，還需要對(duì)月球表層土進(jìn)行改造，在月球上建設(shè)專用的著陸平臺(tái)。目前，關(guān)于月球表層土改造的研究大多集中于燒結(jié)和土壤聚合等需要大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高能耗方案，通過(guò)攜帶材料、設(shè)備和能源控制月球表層土，實(shí)現(xiàn)著陸平臺(tái)或者道路的部署和建設(shè)。得克薩斯A&M工程實(shí)驗(yàn)站提出的“表層土自適應(yīng)改造系統(tǒng)”（RAMs），可以選擇性熔化和強(qiáng)化月球表面物質(zhì)。

▲ RAMs系統(tǒng)的方案示意圖

RAMs利用微膠囊技術(shù)在月球表層不同深度布置納米鋁熱混合物和有機(jī)硅烷，通過(guò)月球表層土的鋁熱熔凝和地質(zhì)聚合，在表面形成長(zhǎng)2~5厘米的固定錨點(diǎn)，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(guò)化學(xué)反應(yīng)固化和物理輔助屏障的方法來(lái)減除灰塵并實(shí)現(xiàn)承重，不僅特別適用于探月早期缺乏相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)階段。RAMs涉及到兩項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新，首先就是基于微膠囊技術(shù)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(diǎn)和支撐屏障。第二項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是如何利用存儲(chǔ)在月球表層土組分中的化學(xué)鍵能量，來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱熔化和土壤聚合。

利用折疊技術(shù)實(shí)現(xiàn)千米級(jí)尺寸太空結(jié)構(gòu)的單次發(fā)射

由于運(yùn)載火箭整流罩的空間限制，很多空間載荷和設(shè)施的尺寸都不能做得太大，或者只能采用折疊結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡片直徑達(dá)到6.5米，只有通過(guò)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(nèi)。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)針對(duì)空間站人工重力需求，在2021年的NIAC計(jì)劃中提出千米級(jí)別空間結(jié)構(gòu)的折疊技術(shù)，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(zhǎng)時(shí)間的太空飛行會(huì)對(duì)人體構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括肌肉萎縮、骨質(zhì)流失、視力下降和免疫抑制等問(wèn)題，而這些問(wèn)題大多都和微重力環(huán)境有關(guān)。所以，很多科幻小說(shuō)中都會(huì)描述可以自旋產(chǎn)生人工重力的空間棲息地。不過(guò)自旋的最大問(wèn)題就在于，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)1~2轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，人體就會(huì)感覺(jué)到不適。而要在1~2轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生與地球相當(dāng)?shù)闹亓Νh(huán)境，需要空間結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度達(dá)到千米級(jí)別。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)以阿爾忒彌斯計(jì)劃下的月球軌道門戶為應(yīng)用背景，提出利用機(jī)械性能出眾的超輕質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)伸縮比達(dá)到150倍或者更高的結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)，能夠?qū)㈤L(zhǎng)度達(dá)到千米級(jí)別的結(jié)構(gòu)部件折疊安裝到重型獵鷹火箭的整流罩內(nèi)。發(fā)射進(jìn)入太空后，折疊結(jié)構(gòu)能夠自主展開(kāi)，不需要復(fù)雜的在軌裝配和制造技術(shù)支持。

▲ 基于折疊技術(shù)的大型空間站結(jié)構(gòu)示意圖

▲ 鉆孔機(jī)器人的示意圖

利用鉆孔機(jī)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(cè)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(yùn)含生命的概率就存在，因此南極冰蓋成為火星上最具研究?jī)r(jià)值的地質(zhì)區(qū)域之一。不過(guò)，目前人類還缺少在火星上開(kāi)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(guó)洞察號(hào)火星車原本計(jì)劃在火星上打下5米的鉆孔開(kāi)展熱流探測(cè)，但因表面硬度超過(guò)預(yù)期導(dǎo)致任務(wù)失敗。

因此，行星企業(yè)公司以類似于“毅力號(hào)”的火星車為應(yīng)用背景，提出一種全新的鉆探系統(tǒng)，采用多個(gè)長(zhǎng)度1米左右的鉆孔機(jī)器人，自主從孔眼位置進(jìn)出，完成鉆孔的動(dòng)作。首先，火星車上的線性執(zhí)行機(jī)構(gòu)將鉆孔機(jī)器人從“機(jī)艙”送到連接孔眼的管狀結(jié)構(gòu)中，機(jī)器人利用安裝在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上的橡膠履帶向下運(yùn)動(dòng)到鉆孔位置開(kāi)展作業(yè)，每次鉆取深度為150毫米左右的冰蓋。然后，機(jī)器人再沿橡膠履帶返回火星車，利用機(jī)械臂將鉆取的冰蓋完整取下并開(kāi)展研究。下一個(gè)機(jī)器人緊接著通過(guò)管狀結(jié)構(gòu)進(jìn)入到孔眼中繼續(xù)鉆孔作業(yè)。這種系統(tǒng)總計(jì)大約需要12個(gè)鉆孔機(jī)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(shè)想，首先需要用90天的任務(wù)周期驗(yàn)證，如果能夠完成20到50米深度的鉆孔，就可以再執(zhí)行擴(kuò)展任務(wù)，完成1.5千米深度的鉆孔任務(wù)。

基于原位推進(jìn)劑實(shí)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(guó)宇航局在2019年公布將在2027年發(fā)射 “蜻蜓”去探測(cè)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(dá)。“蜻蜓”依靠核電池工作的四旋翼飛行探測(cè)器（類似于和“毅力號(hào)”火星車一同在火星著陸的“機(jī)智號(hào)”直升機(jī)），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?qū)崿F(xiàn)從土衛(wèi)六上采樣返回，美國(guó)宇航局格林研究中心提出在發(fā)射“蜻蜓”同時(shí)，增加一個(gè)采樣返回飛行器。采樣返回器包括著陸級(jí)和上升級(jí)，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(jí)。上升級(jí)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(jì)劃2026年發(fā)射火星采樣返回任務(wù)，使用兩級(jí)固體火箭作為上升級(jí)，也就是返回所需的推進(jìn)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(yuǎn)，但是由于整體技術(shù)難度更高，所需的發(fā)射質(zhì)量和成本卻更少。

FLOAT：柔性軌道懸浮系統(tǒng)

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）一直都是美國(guó)宇航局深空探測(cè)的排頭兵，為了實(shí)現(xiàn)2030年前后在月面長(zhǎng)期駐留的目標(biāo)，JPL在今年的NIAC計(jì)劃下提出在月球上建設(shè)首個(gè)軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，作為月球基地日常運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在著陸點(diǎn)、月球基地和哨站之間完成資源和材料運(yùn)輸。JPL的方案稱為“柔性軌道懸浮系統(tǒng)”（FLOAT），由軌道和運(yùn)輸機(jī)器人組成。軌道采用3層彈性結(jié)構(gòu)：石墨烯層利用磁懸浮讓機(jī)器人被動(dòng)懸浮在軌道上方；柔性電路層產(chǎn)生電磁推力控制和推動(dòng)機(jī)器人沿軌道行駛；可選的薄膜太陽(yáng)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(wú)動(dòng)力的磁性機(jī)器人，沒(méi)有活動(dòng)部件，懸浮在軌道上方，相比采用車輪、履帶和其他活動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)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(gè)重要優(yōu)勢(shì)，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(shè)工作，而且還能夠根據(jù)需求進(jìn)行折疊和重新部署。在參數(shù)指標(biāo)上，機(jī)器人最大承載能力為每平方米33千克，運(yùn)輸速度高于0.5米每秒。一套大型FLOAT運(yùn)輸系統(tǒng)能夠在一天時(shí)間內(nèi)把100噸的貨物運(yùn)輸數(shù)千米，所需功率大約為40千瓦。在NIAC計(jì)劃第一階段的支持下，JPL首先會(huì)以1米級(jí)別的機(jī)器人和千米級(jí)別軌道進(jìn)行驗(yàn)證。

▲ FLOAT運(yùn)輸系統(tǒng)的方案示意圖

▲ SWIM系統(tǒng)方案的示意圖

SWIM：探測(cè)海洋星球的獨(dú)立微型游泳機(jī)器人

未來(lái)幾十年內(nèi)，美國(guó)宇航局會(huì)把深空探測(cè)的目標(biāo)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?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境中最有可能孕育生命。為了能夠?qū)σ簯B(tài)環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，該局正在開(kāi)發(fā)和完善一系列海洋任務(wù)方案，其中比較重要的任務(wù)就是在木衛(wèi)二上鉆開(kāi)15～25千米的冰蓋以進(jìn)入海洋環(huán)境的“歐羅巴科學(xué)探索地下訪問(wèn)機(jī)制”（SESAME）計(jì)劃。JPL提出用“獨(dú)立微型游泳機(jī)器人探測(cè)”（SWIM）系統(tǒng)來(lái)拓展SESAME任務(wù)，大幅提高探測(cè)效果。SWIM系統(tǒng)包括很多厘米級(jí)的3D打印微型機(jī)器人，這些機(jī)器人帶有MEMS傳感器和微型推進(jìn)器，用超聲波遠(yuǎn)程控制，JPL稱之為微型游泳機(jī)器人。SESAME任務(wù)的主探測(cè)器鉆開(kāi)冰蓋之后，就可以釋放微型游泳機(jī)器人，對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行取樣和分布式測(cè)量，更好地勾畫探測(cè)星球的海洋環(huán)境。在計(jì)劃第一階段，JPL將聚焦微型游泳機(jī)器人的方案分析論證及其關(guān)鍵技術(shù)研究，包括MEMS傳感器、光譜儀、照相機(jī)等科學(xué)儀器，超聲、壓電和機(jī)械形式的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，超聲波通信技術(shù)，電池和能量捕獲等電源技術(shù)。

冥王星探測(cè)器氣動(dòng)減速和跳躍探測(cè)

對(duì)于冥王星和海王星等距離非常遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系天體，如果設(shè)計(jì)成低速軌道，探測(cè)器可能需要20~30年的時(shí)間才能抵達(dá)。如果設(shè)計(jì)成速度比較高的飛行軌道，例如美國(guó)在2006年發(fā)射的“新視野號(hào)”，借助木星引力耗時(shí)10年時(shí)間可抵達(dá)冥王星附近，但是只能以14千米每秒的速度飛掠過(guò)冥王星進(jìn)入太陽(yáng)系的柯伊伯帶，因?yàn)槠鋽y帶的能量很少，不可能減速進(jìn)入冥王星軌道。冥王星等遠(yuǎn)距離深空探測(cè)任務(wù)在任務(wù)時(shí)長(zhǎng)和速度之間存在矛盾，如果不花費(fèi)高昂的成本去研制核動(dòng)力小推力的推進(jìn)系統(tǒng)或者其他新型推進(jìn)技術(shù)，利用動(dòng)力反推進(jìn)入冥王星軌道，有沒(méi)有其他更加經(jīng)濟(jì)的著陸方案呢？

▲ 冥王星探測(cè)器氣動(dòng)減速和跳躍探測(cè)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(hào)”的飛行軌道發(fā)射小型冥王星探測(cè)器，利用充氣式的輕質(zhì)減速裝置和冥王星的稀薄大氣層完成探測(cè)器的減速、捕獲和著陸。其方案的關(guān)鍵核心技術(shù)就是“包圍式氣動(dòng)減速器”（EDA），一種橫截面非常大的輕質(zhì)充氣結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)熱輻射把進(jìn)入大氣層過(guò)程中的絕大多數(shù)能量耗散，而不必安裝熱防護(hù)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)材料可以選用成熟的聚酰亞胺薄膜。為了避免進(jìn)入大氣層過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生影響，可以將探測(cè)器包裹在EDA內(nèi)部，同時(shí)將迎風(fēng)面做成球形，減小振動(dòng)水平。雖然冥王星的大氣層高達(dá)1600千米，但是非常稀薄，需要將EDA的直徑做到十幾米的量級(jí)才能將14千米每秒的速度降低到120米每秒。探測(cè)器在冥王星著陸之后，將充分利用冥王星重力較低的特點(diǎn)，利用跳躍方式前往不同地點(diǎn)開(kāi)展探測(cè)。今年該方案又在NIAC計(jì)劃第二階段得到經(jīng)費(fèi)支持，重點(diǎn)證明該方案用于冥王星探測(cè)的可行性。

搭載中微子探測(cè)器的立方星飛行任務(wù)

入選今年NIAC計(jì)劃第三階段的仍只有一個(gè)項(xiàng)目，是由衛(wèi)奇塔州立大學(xué)在2017年提出來(lái)的太陽(yáng)中微子探測(cè)器飛行任務(wù)，在2019年得到NIAC計(jì)劃第二階段的支持。中微子是一種電中性的基本粒子，質(zhì)量非常小，穿過(guò)一般物質(zhì)時(shí)不會(huì)受到太多阻礙，且難以檢測(cè)。中微子可以通過(guò)放射性衰變以及核反應(yīng)等多種方式產(chǎn)生，而地球上檢測(cè)到大多數(shù)中微子都是來(lái)自太陽(yáng)輻射，地球面向太陽(yáng)的區(qū)域每秒鐘在每平方厘米上都會(huì)穿過(guò)大約650億個(gè)來(lái)自太陽(yáng)的中微子。由于中微子性質(zhì)特殊，對(duì)于基礎(chǔ)物理學(xué)和天文物理學(xué)都有重要意義。但是由于中微子電中性和質(zhì)量小的特征，它只參與弱相互作用，很難進(jìn)行探測(cè)，現(xiàn)在世界上用到的中微子探測(cè)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(shí)現(xiàn)中微子探測(cè)，衛(wèi)奇塔州立大學(xué)提出將搭載中微子探測(cè)器的立方星部署在距太陽(yáng)較近的空間位置上，利用更高的中微子密度（在距離太陽(yáng)7個(gè)太陽(yáng)半徑的位置上，中微子密度是地球上的1000倍），能夠更容易實(shí)現(xiàn)中微子的探測(cè)及其他相關(guān)聯(lián)的研究，同時(shí)探測(cè)器的規(guī)模和成本也會(huì)大幅降低。

按照以往的經(jīng)費(fèi)規(guī)模，NIAC計(jì)劃第一階段項(xiàng)目每個(gè)最多得到12.5萬(wàn)美元支持，第二階段項(xiàng)目每個(gè)最多得到50萬(wàn)美元支持，第三階段項(xiàng)目每個(gè)最多得到200萬(wàn)美元支持，所以2021年NIAC項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)不超過(guò)700萬(wàn)美元，但是就帶動(dòng)技術(shù)發(fā)展，以及支撐未來(lái)美國(guó)宇航局的旗艦級(jí)探測(cè)任務(wù)而言，起到了非常重要的技術(shù)儲(chǔ)備作用。

本文介紹的8個(gè)項(xiàng)目中可以看到，大多都有相對(duì)明確的應(yīng)用背景，為未來(lái)5到10年內(nèi)的具體任務(wù)提供支撐，不僅僅是閉門造車，純粹開(kāi)展理論和概念研究，而是希望某些新技術(shù)、新方案在未來(lái)的大型飛行任務(wù)中得到實(shí)踐和應(yīng)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(cè)器立方星任務(wù)方案的概念圖