NASA“改變游戲規則”計劃探討及其啟示

吳晗玲 黃誠 唐科 宋乾強 （北京宇航系統工程研究所）

NASA“改變游戲規則”計劃探討及其啟示

Discussion and Enlightenment of NASA's Game Changing Development Plan

吳晗玲 黃誠 唐科 宋乾強 （北京宇航系統工程研究所）

2016年6月29－30日，美國航空航天局（NASA）在洛馬公司全球視覺中心舉辦了“改變游戲規則”（GCD）計劃的工業日活動，以加強NASA與政府部門、企業和高校在太空探索創新技術方面的交流合作。本次活動聚焦于學術界、商業界和工業界可能感興趣的先進技術，展示了該計劃所支持的下一代生命保障系統、人機系統、機器人衛星服務、先進近凈成形技術、先進制造技術、集成化顯示與環境感知系統、塊狀金屬玻璃齒輪、納米技術、先進運載器電子系統、高超音速充氣式氣動減速器、緊急防火服的對流受熱改善技術等11個方面的內容。這表明“改變游戲規則”計劃正在持續穩定運行，經過數年的發展，獲得了豐碩的研究成果，NASA的創新研究與管理機制得到了進一步完善和檢驗。

為了解決NASA未來太空探索任務及國家重大工程的迫切需求、加快能徹底改變現有太空任務模式的顛覆性航天技術的識別及其成熟度提升，NASA于2010年7月啟動了“改變游戲規則”計劃。這里介紹該計劃的相關情況，重點對基本概況、資助領域、指導原則、執行愿景和項目管理模式進行介紹，分析三個典型項目的研究情況，并針對該計劃所引發的思考以及對我國航天技術發展的啟示進行了闡述。

1 引言

未來的航天任務充滿著諸多挑戰和風險，只有努力強化顛覆性航天技術的創新，才可能找到低風險和低成本的通往太空之路。2009年，美國國家科學研究委員會（NRC）在其報告《美國太空技術的未來：民用太空項目與國家需求相結合》中建議：NASA應該在其內部建立一個類似美國國防高級研究計劃局（DARPA）的組織，以重振其創新性技術研發項目，它應處于高優先級別的位置，并獨立于NASA的其他研究計劃，面向學術界、工業界、NASA各個研究中心和其他政府實驗室，用于支持那些卓越的民用、國家安全和商業太空項目。

為了響應美國國家科學研究委員會的建議、解決NASA未來太空探索任務及國家重大工程的迫切需求、加快能徹底改變現有太空任務模式的顛覆性航天技術的識別及其成熟度提升，針對介于基礎技術研發（技術推動，達到技術成熟度3級或4級）和應用技術研發（技術拉動，達到技術成熟度5級或6級）之間的投資缺口，NASA于2010年7月提出“改變游戲規則”計劃。該計劃先后由NASA的“首席技術專家辦公室”（OCT，2010年2月成立）和“空間技術任務部”（STMD，2013年2月成立）負責管理和實施。其任務是向社會各界進行廣泛投資，以識別美國未來太空探索任務所必須的、具有顛覆性效果的能力和技術，并能迅速提升其技術成熟度。

2 “改變游戲規則”計劃

基本概況

“改變游戲規則”計劃聚焦于迅速提升能使美國航天項目獲得重大收益的、具有高影響力的技術的成熟度。目標是識別、培育并提升顛覆性、變革性技術及其技術成熟度。該計劃不是為了漸進地逐步提高現有技術，而是試圖革命性地、倍增式地推進航天技術發展。它主要關注具有發展潛力的、中等技術成熟度（3級～5級或6級）水平的創新想法和技術，可變革未來太空任務，為重大國家需求提供解決方案。

它尋求填補有前景的新穎想法和航天系統中實際技術需求之間的空白，專門用來投資那些從發現到使用具有高風險、高回報特征的技術，涵蓋運載火箭子系統、航天器技術、太空能力以及支持機器人和人類探索的外星球地表系統等。為了顯著改善過去50年來太空探索任務中所形成的高成本和有限性能技術，“改變游戲規則”計劃面向各個行業，廣泛征求他們的創新理念。

資助領域

“改變游戲規則”計劃主要資助5個技術領域，包括：①輕質材料和先進制造（LMAM）；②革命性的機器人和自主系統（RRAS）；③未來推進和能源系統（FPES）；④經濟型的目的地系統和儀器（ADSI）；⑤先進的進入、下降以及著陸系統（AEDL）。

指導原則

該計劃的指導原則包括：①推進有廣泛應用前景的技術，以使各方用戶受益；②推進可用的探索技術發展（ETD）項目中的技術，以使其與探測系統任務部（ESMD）的用戶需求一致；③采用兼顧牽引技術發展和面向學術界、工業部門、NASA及其他政府部門競爭性資助的方式開展工作，致力于研發最好的想法和技術；④使用一種結構化的、開放的和數據驅動的分析方法來確定所需投資項目的優先級別及資助額度；⑤在整個NASA和更廣泛的業界提升技術創新能力，以滿足未來的國家需求。

執行愿景

“改變游戲規則”計劃的執行愿景包括：①研發能改變游戲規則、對NASA太空探索和科學任務產生巨大推動作用的技術；②充分利用資金杠桿與外部組織（如國防部、其他國家實驗室、私企和學術界）進行成本分擔，并使NASA和其他組織在技術層面互惠互利；③規劃技術項目研究內容并執行，確保在規定時間和成本下達到所需要的性能；④交付技術細節，可供NASA的各種任務使用，也可以供整個航空航天工業界使用。

項目管理模式

“改變游戲規則”計劃由NASA的空間技術項目辦公室和位于蘭利研究中心的“改變游戲規則”計劃項目辦公室共同管理和實施。項目管理功能，如項目選取由NASA總部來完成，而日常性的項目管理與執行則由“改變游戲規則”計劃項目辦公室負責?！案淖冇螒蛞巹t”計劃中每個項目的資助年限通常為2～3年，由項目負責人帶領項目團隊開展工作。對于大多數項目，一般組建多個研究團隊，根據項目規劃要求，并行開展工作，以加快提升所研究技術的技術成熟度。此外，項目辦公室開展不定期、經常性的非正式審查，從而確保研究方法合理可行，以推動技術創新的步伐。由于所選項目的技術風險較高，因此，30%～40%的項目由于無法實現預期研究目標而提前終止。項目負責人應對技術轉移到終端用戶手中負責，并在整個應用過程中征求顧客需求。

“改變游戲規則”計劃既支持大項目（系統級），也支持小項目（單機級）。相對于小單機或專業級的項目，大項目由于其系統的復雜性及其所涉及領域，需要更多資源。此外，為了最大限度地加快創新的步伐，在項目選取及管理方面，該計劃不采用“一刀切”的方法，而是針對項目自身的特點采取針對性的管理模式。

3 典型項目介紹

自“改變游戲規則”計劃開展以來，已有數百個項目獲得了資助，如火星地面氧氣生成系統、整體加筋圓柱殼體新型制造技術、自適應可展開再入與定位技術、復合材料低溫貯箱技術與演示驗證、高動態范圍立體X射線攝像技術、塊狀金屬玻璃齒輪、自主系統、三維多功能燒蝕型熱防護系統、高性能太空飛行計算技術、快速循環胺系統、可變氧調節器和高性能艙外活動手套等。在此主要介紹3個典型項目的情況。

整體加筋圓柱殼體新型制造技術

整體加筋圓柱殼體新型制造技術是一種先進近凈成形制造工藝，在一次成型過程中可以制造出圓柱殼體及對應筋條，不再需要進行機銑及縱向焊接，消除了焊接缺陷所帶來的隱患，使得加筋圓柱殼體更加安全、結構更輕，適用于航空航天中的加筋圓柱結構件生產。與傳統的生產工藝相比，一次成型、無焊接，制造成本能降低50%，結構件質量能節省10%。對于航天飛機外貯箱規模的貯箱，使用該制造工藝能使原材料切屑量從90%降到5%，每個貯箱節約成本約800萬美元。

其進一步的研究目標是應用到運載火箭低溫推進劑貯箱的生產制造中，NASA正在開展相關研究工作，以將該制造工藝用于生產大尺寸的鋁鋰合金低溫貯箱。其遠期發展目標是用于制造“航天發射系統”的低溫貯箱（9m級直徑）。

下一代生命保障技術

為滿足艙外活動便攜式生命保障系統要求，下一代生命保障項目資助研發的技術主要包括快速循環胺系統、可變氧調節器和高性能艙外活動手套。

1）快速循環胺系統。該系統可以連續進行CO2和H2O去除、濕度控制、在太空行走過程中可實時循環再生固體胺吸附劑。該系統的主要優點是同時處理CO2和水蒸氣并再生吸附劑，可以簡化航天服的熱控系統、能明顯降低質量和體積，大幅度延長航天員的艙外活動時間。

2）可變氧調節器。該項目是研發一種供氧可調的、耐污染的氧氣調節器，同時能極大增加航天服上壓力設定點數量。其主要特性有：氧氣可調、名義壓力源207bar、防污染（1.1×10-3mg/mm2）、耐燃、壓力調節范圍為0～0.58bar、壓力點數量為8000。其主要優點有：①可以連續控制航天服內壓力，提高艙外活動的靈活性和安全性；②便于集成到其他類型的航天器/任務中；③防止減壓病的預吸氧可以在航天服內完成一部分，從而減少了艙外活動的準備時間，便于更快速地執行任務；④具有較好防污染能力，使得航天員有足夠的時間安全返回到航天器內。

3）高性能艙外活動手套。該項目是為未來人類太空探索任務研發先進的艙外活動手套并制定相應的、可用于定量評估的技術標準，新手套中將采用新技術和制造工藝以解決手指和手的運動性、減少受傷及提高在外太空及星球表面環境中的使用壽命?；诓煌墓ぷ髟?，目前已經研制了三個原理樣機：機器人輔助手套、機械反壓手套和氣體增壓手套。

自主系統

在自主系統項目方面，目前正在研發軟件、傳感器和其他技術以使航天器、太空居住地、推進劑加注系統等能夠自動運行，可以在無外界信息輸入情況下獨立運行，從而滿足未來的NASA任務需求。在未來深空探索任務中，如載人火星登陸任務，單程光速通信會有22min的延遲，這就需要航天員在沒有地面技術人員支持下能夠獨立處理各種突發問題。要研發能夠輔助航天員處理各種問題的技術，這些技術包括自動探測和診斷航天器或分系統故障的健康管理軟件和傳感器、可以根據任務目標來自動規劃行動順序的軟件等。

自主系統項目包括兩個獨立但又相互補充的子項目：居住地自動化和自主低溫加注操作子項目。居住地自動化子項目當前正在第二代深空居住地里進行測試與演示驗證。自主低溫加注操作子項目主要是致力于低溫推進劑的自動化加注操作，當前正在NASA肯尼迪太空中心的低溫試驗臺上進行測試。

4 啟示

“改變游戲規則”計劃作為NASA為尋求顛覆性航天技術突破而在航天創新研究計劃方面的重大舉措，憑借其軍民融合、高效扁平化的管理模式和開放競爭、風險寬容的項目機制，在美國航天先進技術研究領域充當著承上啟下的角色，同時也為美國積累了雄厚的科技資源儲備，并引領美國航天變革的步伐乃至世界航天創新技術研發的潮流，其機制設計和運作模式等對我國航天的創新研究具有重要的啟示。

研究未來航天技術發展趨勢，大力推進顛覆性航天技術識別與培育

應加強國內外航天科學技術的發展趨勢研究，科學謀劃并選擇關系全局和長遠發展的戰略領域和優先方向，制定我國航天技術發展路線圖，提出重點領域、優先發展主題和技術群，篩選出關鍵技術、共性技術和跨領域技術，從中識別出并努力培育可能極大推進未來航天技術發展的突破性和顛覆性技術，進而提高其技術成熟度，為我國未來各種航天任務及國家重大工程需求儲備雄厚的技術力量。

（1）加強顛覆性航天技術的識別與預測研究

越早識別出顛覆性技術，越容易搶占技術制高點，并能提早獲得顛覆性能力。但從另一方面來看，試圖在技術發展初期就識別和預測出其顛覆性效果，其難度很大。因而，在選擇顛覆性航天技術時，不僅要將已經顯現出顛覆性效果的技術遴選出來，更重要的是努力識別出那些處于前沿的、新興的、甚至非傳統航天領域的顛覆性技術，并對其發展潛力給出判斷和預測。

（2）研究并制定顛覆性航天技術發展策略

對于不同類型的顛覆性航天技術，根據顛覆性效果、技術實現的難易程度、所需成本與周期，可采取主導、跟進、關注的不同策略，確定資助優先級別及投入經費額度，以區別對待。這就需要結合多方力量，爭取不同渠道的研究經費支持，以培育并促進顛覆性航天技術的發展。此外，眾多的顛覆性航天技術源自基礎研究，應當與從事相關基礎性研究的高校及研究所建立長期合作關系，以持續強化基礎研究，為顛覆性航天技術的產生與成長培育沃土。

探索創新管理模式，為顛覆性航天技術的發展提供動力

在當前新的形勢下，推進顛覆性航天技術的研發，探索創新管理模式意義重大，應建立技術協同創新體制，注重頂層設計，統籌各方創新資源，吸納社會科技力量，共同推動顛覆性航天技術的發展。對具有重大戰略價值但短期難以見效的技術項目，或未來有重大現實需求的前瞻性技術，應進行持續性不間斷的資助。

（1）完善機制，設立顛覆性航天技術資助直通車

盡管我國已經有很多種類型的創新基金項目，但目前尚無和“改變游戲規則”計劃類似的專注于顛覆性航天技術識別與技術成熟度提升的專項基金，對于一些具有“可能為航天任務帶來革命性影響”潛質的概念/技術在完成原理可行性研究后，由于缺少進一步的資金資助而處于停滯狀態，若用于飛行任務卻又存在技術成熟度不夠的問題，于是，或者放棄使用，或者重新投入經費短時間內提升其技術成熟度，而這往往又因時間短、進度緊使得研究工作不徹底，導致飛行任務存在一定的技術風險。因此，我們應完善顛覆性航天技術研究機制，設立相關的專項基金，培育可能對航天任務模式產生顛覆性影響的新技術，使得未來航天任務獲得源源不斷的技術儲備與支撐。

（2）寬容失敗，為創新者提供最大的支持和保障

寬容失敗是“改變游戲規則”計劃的一個重要特點，在其運行過程中，會不斷地淘汰和確定新的項目，每年都有超過30%的項目因無法達到預期目標而提前結束。這說明顛覆性航天技術是具有高風險特征的創新技術，在其生命周期的鏈條中，從技術發明到產品設計到市場轉化再到應用效果的體現，每個環節都有其風險，都有可能導致無法達到所預定的研究目標，或者效果遠低于預期，無法產生顛覆性的影響，或者當前社會條件下該技術無法實現。因此，在顛覆性航天技術的研究過程中需要寬容失敗，為創新者營造良好的研究環境。

（3）開放思維，借力外部智慧資源促進顛覆性航天技術研究

開放性與競爭性是“改變游戲規則”計劃的另一個重要特點。只要有好的想法或主意，而不論其來源，同一項目允許多個團隊采用不同的方法開展研究工作。正因為“改變游戲規則”計劃向全社會大眾開放，吸收各方資源參與，提倡有效競爭，從而可以打破NASA自身長久以來規章和企業文化的束縛，從更開放的角度來思考顛覆性航天技術的創新與成熟度提升，并利用全社會的智慧資源來實現它。

（4）共享技術，推動我國航天產業整體發展

“改變游戲規則”計劃的執行愿景之一就是在整個行業內共享技術，以促進美國航天行業整體創新能力和創新水平的提升。我國也應加快和推動航天創新型研究技術及其成果的共享與轉讓，從而可以避免重復研發、重復投資，在借鑒和吸收消化新技術的過程中快速發展與創新，形成創新、競爭合作、共享的連鎖反應機制，加快新技術、新思維的擴散，使新型技術從個別創新擴散到產業創新，從單一團隊創新變為院所企業群體創新，推動我國航天產業的整體能力提升。

5 結語

“改變游戲規則”計劃是NASA為加強顛覆性航天技術研究的重要舉措。與其他研究計劃不同的是，“改變游戲規則”計劃以識別和培育顛覆性航天技術為主要目標，為美國未來航天探索任務和重大工程提供技術儲備。該計劃及其所資助的各種研究項目對我國航天的創新研究具有重要的啟示，我國也應大力開展顛覆性航天技術的研發及其技術成熟度提升工作，并與成本戰略相結合，推行節約化和經濟可承受性的顛覆性技術，滿足未來各種航天任務及國家的重大戰略工程需求，進而推動社會經濟與科技的發展。