2017年度NASA“創新先進概念計劃”項目分析與啟示

李立新 趙琪 （ 中國空間技術研究院， 北京空間科技信息研究所）

2017年4月7日，美國國家航空航天局（NASA）發布了本年度新立項的22個“創新先進概念計劃”（NIAC）項目，繼續秉持其一貫的超前特點，以任務使命為背景、面向空間探索布局研究工作。下面以22個新立項目為基礎，結合NIAC創新項目的組織管理進行分析，為我國航天創新工作提供借鑒和參考。

1 2017年度NIAC創新項目概況

2016年8月2日，NASA在其官網發布了年度創新項目征集通知，啟動年度創新項目的征集工作。項目申報面向NASA各下屬機構、相關高校、研究機構、商業公司、非盈利機構以及個人，主要征集包括深空旅行、空間生存、材料、制造技術、自動裝備、儀器以及計算技術等。

經過遴選，NASA最終確定了22個項目作為本年度的NIAC創新項目，其中第一階段共計15個項目，每個項目獲得資助金額約為12.5萬美元，項目周期最長9個月，開展創新概念的初步定義和分析。第二階段共計7個項目，每個項目資助金額不超過50萬美元，項目周期不超過2年。第二階段項目是由從上一年度的第一階段項目中選擇，在上一年度基礎上重點分析其創新概念應用于NASA工程實踐的潛力，分析其復雜性與效益、成本和性能，提出技術實施途徑或路線圖，并識別關鍵技術。

本年度獲批的22個項目主要面向深空探測，涉及多個技術領域，包括基礎材料、結構與機構、軌道控制、推進、探測載荷、著陸器、漫游車等等，下面分階段進行概述。

第一階段

（1）面向農業種植的火星土壤改良的合成生物學架構

該研究主要是利用一種合成生物學結構，降解和還原火星土壤中存在的高氯酸鹽，同時還可以通過合成銨鹽來使土壤變得更加肥沃。該機構擬選用可在惡劣環境中生存的兩種綠膿桿菌菌株作為突破口，分別實現降解排毒和合成銨鹽的過程，再通過生物技術進行融合，從而達到目的。

（2）面向星際先導任務的突破性推進架構

該研究提出了一種新的電推進架構，可使航天器在12年的時間里飛行500個天文單位。該架構包括3個部分，首先通過超大直徑設備匯聚太陽能，通過轉化設備將太陽能轉化成電壓，進而驅動鋰離子電推系統。

（3）用于火星任務的真空飛艇

該研究引入真空飛艇理念，移除剛性結構內的空氣，形成真空以提供升力。該飛艇既可實現障礙環境下火星表面的探測，又可實現高空通信中繼。真空飛艇可承擔傳統飛艇兩倍的有效載荷。

（4）面向星際任務的馬赫效應推力器

面向NASA馬赫效應推力器，該研究旨在通過驗證長時間大推力模型，確定馬赫效應推力器的效率，最終應用于太陽系外的星際任務中。

（5）冥王星探測“多級跳”飛掠方案

該研究設計冥王星探測器飛掠方案，當探測器通過冥王星大氣層時，將損失99.99%的動能，進而以非常低的速度貼近冥王星表面，利用冥王星低重力加速度，實現冥王星表面飛掠和探測。

（6）渦輪電梯

空間任務中，長時間微重力環境引起的航天員生理失調，將嚴重影響航天員的健康和安全。該研究計劃提出一個類似電梯的機構，采用新的人工重力技術，通過反復給人體加速和減速來模擬地球重力，進而實現保護航天員安全。

（7）火星/火衛一拉格朗日L1點的系繩實驗

該研究通過在火星/火衛一拉格朗日L1點處部署一顆航天器，從該航天器上釋放一條繩子，連接火星表面，并在末端放置多種傳感器，進而實現對火星表面的探測。

（8）梯度場混合推進系統

該研究提出一種新的磁慣性融合方案，將推進劑通過高梯度的磁場中，以實現在推進劑中形成高強度的電流，并以此形成混合推動力。

（9）通過微波燒結空中制動器提升臨近空間飛行器的進入能力

該研究提出了一種利用小行星物質制造飛行器隔熱層的構想，可降低飛行器干質量，攜帶更多載荷或推進劑，從而支持更多類型的任務。

（10）利用作用區域軟體機構探測小行星

該研究設計一種具有很大表面積的新型軟體機器人飛船，可在充滿碎石堆的小行星表面上自由移動，同時具有非常大的附著力，可實現勘測等功能。

（11）連續電極慣性靜電約束混合

該研究利用慣性靜電約束技術降低能量轉換模塊的質量，通過詳細建模與數值仿真分析驗證該技術的有效性。

（12）面向小行星的新型空間望遠鏡

該研究綜合利用電子、立方體衛星、激光通信等技術，構建低成本、高集成度的三星星座，實現對小尺寸近地天地進行觀測。

（13）利用太陽重力透鏡任務實現外星球探測

該研究擬在太陽系外的深空區域構建一個具備百萬像素分辨率的光學成像望遠鏡，實現外行星的高分辨率觀測，探究地外生命的意義。

（14）“太陽表面沖浪”熱控涂層技術

該研究將主要開發一種新的涂層，可以反射99.9%太陽輻射，大大提升太陽輻射防護能力，為水星探測奠定基礎。

（15）在太陽系中直接探測暗能量

該研究將未經篩選的原子粒子通過太陽系中一段特殊的重力場區域，通過雙差分測量分離暗能量與原子的相互作用，實現暗能量與正常物質相互作用的直接探測，加深人們對基本物理和宇宙的理解。

第二階段

（1）利用原位能與推進力來實現金星內部探測

該研究設計一種高海拔與低海拔配合的探測模式，實現金星表面極端環境條件下的長期探測。低海拔地區依靠固體氧化物燃料電池來發電，提供能量，并通過貯存的氫氣控制高度。高海拔地區利用太陽能電解金星大氣中的硫酸和水，為固體氧化物燃料電池充電，并同時通過氫化物貯存氫氣。

（2）利用遠程激光實現冷目標光譜儀觀測

該研究利用航天器上的大功率激光照射太陽系冷目標（小行星、彗星、行星、衛星），通過光譜儀觀測蒸發羽流，從而實現對冷目標分子組成的觀測。

（3）膜航天器二期

膜航天器是指集成太陽能電池、電力系統、通信、控制、姿態確定、姿態控制、電推進以及形狀控制系統的二維航天器，主要用來清除空間碎片，該項研究涉及薄膜電子通信、智能控制、功率調節、感知以及外形控制等方面內容。

（4）系外行星的回波成像

恒星本身會產生不同周期的波，經行星反射后可以被儀器探測接收，借助計算機圖像技術就可實現外行星的成像探測。本階段將繼續深化恒星回波成像的理論，制定外行星成像技術發展路線圖。

（5）極端環境自動駕駛漫游車

該項研究的第一階段已經完成低電子設備依賴、低人機交互的機械漫游車的設計與試驗，第二階段將繼續完善混合動力車信號的切換，并制定了將一輛原型車送往金星進行試驗的計劃。

（6）小行星、月球和行星的光學開采方案

該研究提出了一種航天器系統架構，將小行星包裹在其中，利用外部高強度光照集中照射特定區域，實現小行星資源的挖掘和搜集。第一階段已完成實驗室環境下的驗證，第二階段將嘗試開展工程應用。

（7）支持冥王星探測軌道器與著陸器的功率與推進混合系統

基于“普林斯頓反向場配置”的融合式聚變反應器，設計了直接融合驅動裝置，既可產生推力，也可提供功率。第一階段已經完成了裝置的建模，第二階段重點提升超導線圈、射頻加熱和屏蔽器等子系統的技術成熟度。

2 創新項目管理

作為專職創新研究機構，孕育變革性前沿創新概念

NIAC的歷史可以追溯到1998年成立的新概念創新研究所，該研究所致力于宇航領域非線性、原始創新的獨立研究機構，旨在面向社會各界征詢宇航科學領域的創新想法。2007年8月，因NASA經費削減，該研究所被迫關閉。2011年3月1日，NASA宣布重建NIAC，2013年2月，NIAC作為一個分支劃歸NASA空間技術任務部（STMD）。NIAC的主要職責是孕育系統級和任務級創新概念，培育可對NASA未來任務有重大變革作用的創新概念。這些創新概念要求具有以下特征：須結合宇航體系、系統或任務；必須是創新概念，不支持重復研究；具有先進性，值得立即開展研究；技術合理，方案可行，計劃可信。因其開展的是早期創新概念研究，技術成熟度較低，工程應用往往需要10年甚至更長時間。

項目遴選嚴格把關，確保項目創新性

NIAC創新項目的遴選非常嚴格，通過詳細的評審要求來具體實施。在總體要求的基礎上，針對第一、第二階段項目發布了細化的評審標準。

總體要求共計四項：①屬于航天領域體系結構設計或系統設計，與NASA戰略目標相一致，具有巨大的潛在應用前景；②未來有望為科技發展帶來巨大飛躍；③屬于完全創新的概念，有可能開辟一個新的領域；④技術可靠，科學或工程理論支撐充分。

第一階段項目遴選要經過兩輪評審。第一輪評審要求至少有3名相關領域專家對一份建議書進行評審，要求包括：①屬于航天領域；②目標明確；③完全創新；④有科學技術理論支撐；⑤發展路線合理；⑥關注NASA戰略目標。第二輪評審重點關注三個方面：①潛在價值與未來影響；②技術優勢與工作安排合理性；③研究團隊實力與預算成本。

第二階段項目全部從優秀的第一階段提案中遴選，主要評審標準與第一階段第二輪評審標準基本相同，但重點關注該項目的潛在價值與影響。

NIAC作為項目組織與管理者，通過反復的評審和多輪的遴選，寧缺毋濫，最終確保立項的創新項目與NASA發展戰略、未來任務相一致，具有較高的創新性和潛在的應用前景。

持續開展年度創新研究，取得豐碩成果

自2011年起，NIAC持續開展創新項目支持工作，7年間共支持了第一階段115個項目，并從中遴選出43項進一步開展研究，并且從2014年起，從第一階段中遴選出來的第二階段項目數量明顯增多，對長期項目支持和孵化的力度有所增加。

在創新項目承擔主體方面，參與機構多樣，除NASA本身以外，同樣倚重院校和商業公司，以開放的姿態鼓勵各界參與航天創新，培育并從中汲取創新思想與智慧。

2011－2017年各年度立項情況

2011－2017年申報單位來源分析

3 總結

1）以實際工程任務和發展戰略規劃為牽引，選擇性培育航天創新理念。打破固有思維是NIAC獲批項目非常明顯的特征，這也體現著NASA設立NIAC的初衷。但是，這種創新不是漫無目的的創新，也不是思維天馬行空的游走，幾乎每個項目都蘊含著兩個方面的原則：首先是必須具有非常鞏固的理論基礎作為出發點，其次是都倚靠實際任務作為落腳點。可參考NIAC創新項目的申報原則和遴選方法，面向背景任務，充分遴選一批有變革作用的創新概念、理念，以此來促進產生新技術、新理念。

2）以創新為支點，全面提升航天等相關行業的研發能力。從本年度獲批的NIAC來看，創新計劃中的部分研發對學術界、科技界都起到了推動作用，促進了航天與相關行業的深度融合，并在一定程度上促進了相關產業的科技進步。航天本身就是一項多學科背景下的系統工程，以航天創新為支點，促進相關行業的研發能力，并通過相關行業研發能力的提升，助力航天科學技術能力的提升。