這些創新項目，堪稱科幻與科技的融合

文/曲晶 樸美蘭 李斯戌

▲ 小行星防御方案示意圖

想象一下，未來的某一天。航天員穿著定制的航天服，在火星上行走，呼吸著火星大氣生成的氧氣。外形像鳥一樣的充氣式飛行器在金星的天空中飛行，探測金星的大氣成分和氣象模式……

這簡直就像是科幻作品里的情節，但這種場景或許在不遠的將來就會實現。2022 年2 月，美國宇航局在其官網發布了本年度創新先進概念計劃的遴選結果，共有18 個項目入選，其中第一階段項目13 個，第二階段項目5 個，資助總額達到510 萬美元。美國宇航局創新先進概念（NIAC）計劃旨在資助早期研究，培育航天創新概念，以提供可能改變該局未來任務模式的突破性解決方案，拓展人類深度太空探索。本文選取了其中9 個與深空探測領域密切相關的創新方案進行簡要說明，涉及小行星防御、原位資源利用、生命支持、采樣返回、自主探測器等，希望能給讀者帶來一些啟發。

人類終端防御系統

據報道，直徑大于1 千米的小行星撞擊地球后會使地球發生巨大爆炸并觸發海嘯，人類將面臨滅絕的威脅。6500 萬年前，一個直徑10 千米的小行星撞擊墨西哥尤卡坦半島海岸曾導致了恐龍等地球上近75%的物種滅絕。1908 年和2013 年，俄羅斯西伯利亞的通古斯和車里雅賓斯克分別發生了隕石爆炸事件，造成8000 萬樹木被摧毀、1000 多人受傷。針對小行星可能帶來的危害，世界各國都開展了相關研究，提出了一系列主動防御計劃。目前來看，小行星主動防御的主要方式有三種：一種是動能撞擊改變小行星軌道，例如美國的深空撞擊計劃和雙小行星改道測試計劃（DART）；一種是利用長期作用力改變小行星軌道，例如太空拖船；還有一種是采用核爆方案。

菲利普·魯賓加州大學提出了一種基于現有技術實現的行星防御方案，通過在太空中部署一系列小型超高速動能穿透器，來粉碎和分解小行星或小彗星，從而保護地球不受小行星影響。采用這種方案可有效防御直徑數百米的小行星，但其防御效果主要取決于攔截小行星所需的時間和小行星的大小。據科學家估計，人類終端防御系統只需要在撞擊前5 個小時，就能摧毀通古斯事件中同等大小的小行星（直徑50 米，爆炸威力約為1000兆噸）。而較大的目標如阿波菲斯這種大型行星（直徑370 米），也可以在撞擊前10 天實現攔截。如果預先將該系統部署到軌道或月球基地，那么該系統的響應時間會更短。

小行星主動防御是人類應對行星和彗星撞擊的一種有效手段，也使人類第一次真正具備了應對小行星威脅的自主能力。

金星大氣/云粒子采樣返回

麻省理工學院天文學家提出了一種新的航天器設計方案，用于執行金星采樣返回任務，以評估金星大氣云區域的可居住性，尋找生命的跡象。

幾十年來，人們通過金星的溫帶云層推測它是一個宜居星球。盡管金星云層含水量極低并存在濃硫酸，但長期以來無法解釋的大氣測量以及新的發現，都支持了金星可能存在微生物的這一觀點，但天體生物學研究并非本項目研究的重點。

▲ 金星采樣返回方案示意圖

該方案中的飛行系統由入軌探測器和軌道飛行器組成。入軌探測器由一個可變高度的氣球組成，在45～60千米的高度上工作。氣球的吊艙包含采樣設備和上升飛行器。在完成從不同的大氣層位置采樣后，空中平臺將上升到大約70 千米的高度，上升飛行器啟動并與軌道飛行器會合，隨后采樣返回。該方案支持了美國宇航局通過新的科學發現拓展人類認知的目標，以及“推動科學、技術和空間探索的進步，以拓展人類認知”的使命。

“定制”火星探索航天服

艙外航天服可被認為是人形的“宇宙飛船”，保護航天員不受宇宙空間惡劣環境的影響，為航天員提供一個賴以生存的微環境。但由于各種原因，并不是所有的航天服都能發揮其作用，許多機組人員經歷了肩傷、指甲脫落等問題。因此，定制航天服成為解決不同機組人員所面臨的問題的一種有效途徑。但是如何能夠快速、有效地做到這一點呢？來自得克薩斯農工大學的研究人員給出了答案。他們正在研究制造低成本、高性能火星探索定制航天服的可行性，通過數字人體掃描、數字設計/分析、機器人制造，最終形成數字化模型，為未來航天服的研制提供基礎。

▲ 火星探索航天服示意圖

▲ 便攜式制氧機工作原理

該項目旨在解決深空探索面臨的幾個主要問題：1.根據不同航天員的個體差異，快速設計、制造艙外活動航天服的能力；2.建立數字孿生系統，并根據經驗教訓，不斷優化完善航天服設計的能力；3.深空探索人員可根據數字文件在原地制造或修復某些艙外航天服組件；4.實現航天服數字化納入整個火星任務構架和操作方案中，包括再補給、原地修復和制造以及原材料的再利用。

火星固定、便攜式制氧機

人類火星任務的關鍵挑戰之一就是原位資源利用（ISRU）技術，以解決長時間火星探索無法立即獲得補給的問題。特別是氧氣——既是火星上升飛行器（MAV）的推進劑，也是維持生命的必要資源。亞利桑那州立大學提出的制氧機方案，主要利用所謂的變溫吸附/解吸（TSSD）過程，以火星大氣為原料來生產氧氣，與現有技術相比，生成相等量的氧氣，可以降低10 倍能耗。

2021 年4 月，美國宇航局在毅力號火星車上進行了“火星氧氣原位資源利用實驗”（MOXIE），首次成功制造出5.37 克氧氣，相當于火星上的航天員呼吸10 分鐘所需要的氧氣量。預計采用這種技術每小時可以制造10克以下的氧氣，在理論上每小時至多可生產12 克氧氣。MOXIE 的工作原理是從二氧化碳分子中將氧原子分離出來。分離后產生的廢物——一氧化碳，則被排放到火星大氣中。

與MOXIE 技術相比，TSSD 技術在效率、能耗、魯棒性、靈活性等方面都具有優勢。效率方面，采用TSSD 技術生成氧氣的效率比MOXIE技術預計高10 倍。對于MOXIE 技術來說，生產氧氣推進劑的功率至少需要30 千瓦，而TSSD 只需要4 千瓦。靈活性方面，TSSD 的啟動時間僅為幾分鐘（MOXIE 為幾小時)，并且能夠處理間歇和重啟等情況。魯棒性方面，TSSD 技術簡單，價格低廉，無旋轉部件，使用壽命長，并且不容易產生積碳。這兩種技術都需要能量的轉化來實現氧氣制備，TSSD 技術轉化溫度為260℃左右，MOXIE 技術轉化所需溫度約為800℃，因此對于儀器耐熱材料也提出了更高的要求。如果方案可行，那么TSSD 將大幅提升火星原位資源利用能力，顯著降低人類火星探索的風險，可以讓火星任務的著陸區選址更具靈活性。

▲ 外行星探索方案示意圖

外行星探索科學方案

由于成本高昂、技術難度大等，人類對于外太陽系的探索極為有限：在過去60 多年的太空探索中，土星以外的天體僅被到訪過一次。最近的研究表明太陽帆推進每年可實現10 AU，那么，利用太陽帆推進，人類將不到2 年就可到達海王星，不到3 年就可到達冥王星，這在當今的推進技術中也是前所未有的。

太陽帆為深空探索提供了一種全新的方案，為低成本和快速運輸任務鋪平了道路。基于太陽帆推進的思路，美國宇航局戈達德航天飛行中心提出了一個突破性的航天器架構，它將科學儀器和航天器集成到一起，通過直接在太陽帆材料上打印基于量子點的光譜儀，從而解決了過去因質量限制無法實現的載荷功能。與僅用于小型立方體衛星推進的傳統太陽帆不同，該航天器架構方案將其廣闊的區域用于光譜學，幾個航天器架構同步工作將大大縮短飛行時間，拓展外太陽系科學探索的邊界。

用于極端環境和區域探索的仿生鰩魚

用于極端環境和區域探索的仿生鰩魚（BREEZE）項目是在2019 年美國宇航局創新計劃資助下開展的，由布法羅大學研究人員提出，旨在設計并建造一種多功能航天器來開展金星大氣層探測。

該飛行器將充氣結構與仿生運動學相結合，機翼可以像鰩魚的胸鰭一樣拍動，從而產生升力。該設計可以有效利用行星大氣中的強風，同時為飛行器提供較好的控制能力。BREEZE將在海拔 50～60 千米的大氣層中飛行，每4～6 天對金星進行一次環繞，以太陽能為動力，開展金星的天氣模式、大氣成分、金星磁場圖繪制等相關研究。

▲ 仿生鰩魚方案概念圖

▲ 千米級空間結構示意圖

項目第一階段啟用了BREEZE結構、空氣動力學、穩定性和充氣的初步計算研究，使技術成熟度(TRL) 從1 級（基礎理論研究階段）提升到2 級（技術方案應用初級階段）。第二階段任務將驗證其可行性，技術成熟度將達到4 級（實驗室環境下樣本生產測試階段）。第一個測試將是使用先進的運動捕捉技術評估機翼的運動范圍和撲動速度，確定BREEZE 的機動能力，為風洞試驗奠定基礎。之后，基于物理數據開展試驗，以獲得空氣動力和力矩，用于校準和驗證計算流體力學結果，從而驗證系統的推進和控制能力。最終通過縮比模型試驗來評估BREEZE的主動控制能力。

除了金星，BREEZE 還可以探測具有稠密大氣層的其他天體（如土衛六），為美國宇航局后續開展行星探索提供了一種低成本、低風險的解決方案。

千米級可折疊空間結構

長時間太空飛行會對人體構成嚴峻挑戰，從骨骼退化到肌肉損失再到腦結構改變等，這些都與重力不足有關。因此，人類想要長久地在太空生活下去，就需要創造人造重力環境。

2021 年，卡內基梅隆大學在美國宇航局創新先進概念計劃下提出了一種通過千米級的空間結構自旋產生離心力來實現人工重力的方案。該方案以阿爾忒彌斯計劃下的月球軌道門戶為應用背景，利用機械性能出眾的輕質超材料，實現伸縮比達到150 倍或者更高的結構折疊技術，從而使這種千米級的結構部件可成功安裝在火箭的整流罩內進行發射。

卡內基梅隆大學通過第一階段的研究已經證明了這種方法的可行性，第二階段將聚焦以下4 個具體方向：1.對結構展開“動特性”進行建模。2.利用仿真手段和設計優化，解決在存在制造誤差和外部干擾時，結構展開而面臨的一系列問題。3.通過快速原型設計并不斷迭代，實現模型校準和子系統組件評估。4.對具有數千條鏈路的米級原型進行試驗，以驗證無干擾的展開和高擴展率。第二階段的工作將持續兩年，如果該想法能夠實現，將對美國宇航局未來星際探索產生直接和長期的影響。在短期內，千米級的空間結構將使人類在月球空間的持續居住成為可能。從中長期來看，這種結構對人類長時間太空生存至關重要。

▲ 小型攀爬機器人示意圖

小型攀爬機器人

面對火星復雜的地表現象，傳統的輪式探測器的探測范圍有限，有些區域無法達到。因此，美國宇航局開始思考無法到達區域（如懸崖峭壁）該如何探測。斯坦福大學研究人員正在嘗試解開美國宇航局的疑惑。他們正在開發一種任務架構，包括一個遠程爬行機器人、錨定位置的機器人，可以使用延伸吊桿進行移動操作，在火星洞穴復雜地形中探索采樣。

在火星或月球的重力作用下攀爬時，爬行機器人必須抓住錨點來移動和操縱物體，才不會漂浮或墜落。這種機器人是一種高度可重構機械裝置，匯集了自主機器人、機器人操作、機械設計、仿生抓取和地質行星科學領域的跨學科專家團隊的智慧。

項目第一階段，專家團隊研究了小型攀爬機器人洞穴探索任務的可行性，發現這款洞穴機器人可達空間和扳手工作空間更加廣泛；帶有多爪、輕質抓取器的解決方案可實現巖石表面的成功抓取。此外，由于攀爬機器人的強機動性和操縱性，可實現對重要科學目標的探索。在第二階段，專家團隊將在完善第一階段可行性研究的基礎上，重點解決系統魯棒性和端到端方案驗證問題，包括拓展攀爬機器人的工作空間；確定抓取器容易成功抓取的洞穴地點，解決其他機器人在洞穴探索時遇到的導航局限性問題；研究降低任務風險的途徑，如研制控制器來降低機器人抓取失敗所導致的振動影響；研究機器人在現實任務環境中的性能。

▲ 探測海洋星球的獨立微型游泳機器人示意圖

探測海洋星球的獨立微型游泳機器人

液態海洋位于數千米的冰殼之下，是太陽系中最有可能孕育生命的地方。進入和探索這些水生環境是科學家長期關注的重點。2021 年，美國噴氣推進實驗室（JPL）提出用“獨立微型游泳機器人探測”（SWIM）系統來拓展海洋星球的探索，利用多個厘米級的3D 打印微型機器人深入海洋冰面下方開展探測。機器人配備傳感器，由微型執行器驅動，通過超聲波進行無線通信、可單獨部署也可以集群部署。

項目第一階段，JPL 確定了微型游泳機器人的原型設計方案。2022 年，該項目成功入選第二階段資助，研究重點將聚焦以下5 個方面：進行三輪原型樣機測試，對系統設計不斷迭代；通過仿真手段識別滿足高可靠性、最少硬件要求的游泳機器人的工作策略；利用商業貨架產品實現傳感器有效載荷的設計、制造和測試；研發超聲換能器節點，測試水中雙向通信能力；通過機動/控制性能研發驗證水中機動性、狀態評估和閉環控制。

作為提升國家基礎創新能力、豐富人類認知、拓展人類生存空間的新興重大科技創新領域，深空正持續受到各主要航天國家的高度關注，成為國際航天活動熱點。2022 年美國宇航局創新計劃支持的新概念和新技術方案很多都是圍繞深空探測展開，將具有變革作用的創新概念、理念融入深空探索領域必然會促進新理論、新技術的產生，從而拓展人類的認知邊界，推動科學技術的進步。