2017年度NASA“创新先进概念计划”项目分析与启示

李立新 赵琪 （ 中国空间技术研究院， 北京空间科技信息研究所）

2017年4月7日，美国国家航空航天局（NASA）发布了本年度新立项的22个“创新先进概念计划”（NIAC）项目，继续秉持其一贯的超前特点，以任务使命为背景、面向空间探索布局研究工作。下面以22个新立项目为基础，结合NIAC创新项目的组织管理进行分析，为我国航天创新工作提供借鉴和参考。

1 2017年度NIAC创新项目概况

2016年8月2日，NASA在其官网发布了年度创新项目征集通知，启动年度创新项目的征集工作。项目申报面向NASA各下属机构、相关高校、研究机构、商业公司、非盈利机构以及个人，主要征集包括深空旅行、空间生存、材料、制造技术、自动装备、仪器以及计算技术等。

经过遴选，NASA最终确定了22个项目作为本年度的NIAC创新项目，其中第一阶段共计15个项目，每个项目获得资助金额约为12.5万美元，项目周期最长9个月，开展创新概念的初步定义和分析。第二阶段共计7个项目，每个项目资助金额不超过50万美元，项目周期不超过2年。第二阶段项目是由从上一年度的第一阶段项目中选择，在上一年度基础上重点分析其创新概念应用于NASA工程实践的潜力，分析其复杂性与效益、成本和性能，提出技术实施途径或路线图，并识别关键技术。

本年度获批的22个项目主要面向深空探测，涉及多个技术领域，包括基础材料、结构与机构、轨道控制、推进、探测载荷、着陆器、漫游车等等，下面分阶段进行概述。

第一阶段

（1）面向农业种植的火星土壤改良的合成生物学架构

该研究主要是利用一种合成生物学结构，降解和还原火星土壤中存在的高氯酸盐，同时还可以通过合成铵盐来使土壤变得更加肥沃。该机构拟选用可在恶劣环境中生存的两种绿脓杆菌菌株作为突破口，分别实现降解排毒和合成铵盐的过程，再通过生物技术进行融合，从而达到目的。

（2）面向星际先导任务的突破性推进架构

该研究提出了一种新的电推进架构，可使航天器在12年的时间里飞行500个天文单位。该架构包括3个部分，首先通过超大直径设备汇聚太阳能，通过转化设备将太阳能转化成电压，进而驱动锂离子电推系统。

（3）用于火星任务的真空飞艇

该研究引入真空飞艇理念，移除刚性结构内的空气，形成真空以提供升力。该飞艇既可实现障碍环境下火星表面的探测，又可实现高空通信中继。真空飞艇可承担传统飞艇两倍的有效载荷。

（4）面向星际任务的马赫效应推力器

面向NASA马赫效应推力器，该研究旨在通过验证长时间大推力模型，确定马赫效应推力器的效率，最终应用于太阳系外的星际任务中。

（5）冥王星探测“多级跳”飞掠方案

该研究设计冥王星探测器飞掠方案，当探测器通过冥王星大气层时，将损失99.99%的动能，进而以非常低的速度贴近冥王星表面，利用冥王星低重力加速度，实现冥王星表面飞掠和探测。

（6）涡轮电梯

空间任务中，长时间微重力环境引起的航天员生理失调，将严重影响航天员的健康和安全。该研究计划提出一个类似电梯的机构，采用新的人工重力技术，通过反复给人体加速和减速来模拟地球重力，进而实现保护航天员安全。

（7）火星/火卫一拉格朗日L1点的系绳实验

该研究通过在火星/火卫一拉格朗日L1点处部署一颗航天器，从该航天器上释放一条绳子，连接火星表面，并在末端放置多种传感器，进而实现对火星表面的探测。

（8）梯度场混合推进系统

该研究提出一种新的磁惯性融合方案，将推进剂通过高梯度的磁场中，以实现在推进剂中形成高强度的电流，并以此形成混合推动力。

（9）通过微波烧结空中制动器提升临近空间飞行器的进入能力

该研究提出了一种利用小行星物质制造飞行器隔热层的构想，可降低飞行器干质量，携带更多载荷或推进剂，从而支持更多类型的任务。

（10）利用作用区域软体机构探测小行星

该研究设计一种具有很大表面积的新型软体机器人飞船，可在充满碎石堆的小行星表面上自由移动，同时具有非常大的附着力，可实现勘测等功能。

（11）连续电极惯性静电约束混合

该研究利用惯性静电约束技术降低能量转换模块的质量，通过详细建模与数值仿真分析验证该技术的有效性。

（12）面向小行星的新型空间望远镜

该研究综合利用电子、立方体卫星、激光通信等技术，构建低成本、高集成度的三星星座，实现对小尺寸近地天地进行观测。

（13）利用太阳重力透镜任务实现外星球探测

该研究拟在太阳系外的深空区域构建一个具备百万像素分辨率的光学成像望远镜，实现外行星的高分辨率观测，探究地外生命的意义。

（14）“太阳表面冲浪”热控涂层技术

该研究将主要开发一种新的涂层，可以反射99.9%太阳辐射，大大提升太阳辐射防护能力，为水星探测奠定基础。

（15）在太阳系中直接探测暗能量

该研究将未经筛选的原子粒子通过太阳系中一段特殊的重力场区域，通过双差分测量分离暗能量与原子的相互作用，实现暗能量与正常物质相互作用的直接探测，加深人们对基本物理和宇宙的理解。

第二阶段

（1）利用原位能与推进力来实现金星内部探测

该研究设计一种高海拔与低海拔配合的探测模式，实现金星表面极端环境条件下的长期探测。低海拔地区依靠固体氧化物燃料电池来发电，提供能量，并通过贮存的氢气控制高度。高海拔地区利用太阳能电解金星大气中的硫酸和水，为固体氧化物燃料电池充电，并同时通过氢化物贮存氢气。

（2）利用远程激光实现冷目标光谱仪观测

该研究利用航天器上的大功率激光照射太阳系冷目标（小行星、彗星、行星、卫星），通过光谱仪观测蒸发羽流，从而实现对冷目标分子组成的观测。

（3）膜航天器二期

膜航天器是指集成太阳能电池、电力系统、通信、控制、姿态确定、姿态控制、电推进以及形状控制系统的二维航天器，主要用来清除空间碎片，该项研究涉及薄膜电子通信、智能控制、功率调节、感知以及外形控制等方面内容。

（4）系外行星的回波成像

恒星本身会产生不同周期的波，经行星反射后可以被仪器探测接收，借助计算机图像技术就可实现外行星的成像探测。本阶段将继续深化恒星回波成像的理论，制定外行星成像技术发展路线图。

（5）极端环境自动驾驶漫游车

该项研究的第一阶段已经完成低电子设备依赖、低人机交互的机械漫游车的设计与试验，第二阶段将继续完善混合动力车信号的切换，并制定了将一辆原型车送往金星进行试验的计划。

（6）小行星、月球和行星的光学开采方案

该研究提出了一种航天器系统架构，将小行星包裹在其中，利用外部高强度光照集中照射特定区域，实现小行星资源的挖掘和搜集。第一阶段已完成实验室环境下的验证，第二阶段将尝试开展工程应用。

（7）支持冥王星探测轨道器与着陆器的功率与推进混合系统

基于“普林斯顿反向场配置”的融合式聚变反应器，设计了直接融合驱动装置，既可产生推力，也可提供功率。第一阶段已经完成了装置的建模，第二阶段重点提升超导线圈、射频加热和屏蔽器等子系统的技术成熟度。

2 创新项目管理

作为专职创新研究机构，孕育变革性前沿创新概念

NIAC的历史可以追溯到1998年成立的新概念创新研究所，该研究所致力于宇航领域非线性、原始创新的独立研究机构，旨在面向社会各界征询宇航科学领域的创新想法。2007年8月，因NASA经费削减，该研究所被迫关闭。2011年3月1日，NASA宣布重建NIAC，2013年2月，NIAC作为一个分支划归NASA空间技术任务部（STMD）。NIAC的主要职责是孕育系统级和任务级创新概念，培育可对NASA未来任务有重大变革作用的创新概念。这些创新概念要求具有以下特征：须结合宇航体系、系统或任务；必须是创新概念，不支持重复研究；具有先进性，值得立即开展研究；技术合理，方案可行，计划可信。因其开展的是早期创新概念研究，技术成熟度较低，工程应用往往需要10年甚至更长时间。

项目遴选严格把关，确保项目创新性

NIAC创新项目的遴选非常严格，通过详细的评审要求来具体实施。在总体要求的基础上，针对第一、第二阶段项目发布了细化的评审标准。

总体要求共计四项：①属于航天领域体系结构设计或系统设计，与NASA战略目标相一致，具有巨大的潜在应用前景；②未来有望为科技发展带来巨大飞跃；③属于完全创新的概念，有可能开辟一个新的领域；④技术可靠，科学或工程理论支撑充分。

第一阶段项目遴选要经过两轮评审。第一轮评审要求至少有3名相关领域专家对一份建议书进行评审，要求包括：①属于航天领域；②目标明确；③完全创新；④有科学技术理论支撑；⑤发展路线合理；⑥关注NASA战略目标。第二轮评审重点关注三个方面：①潜在价值与未来影响；②技术优势与工作安排合理性；③研究团队实力与预算成本。

第二阶段项目全部从优秀的第一阶段提案中遴选，主要评审标准与第一阶段第二轮评审标准基本相同，但重点关注该项目的潜在价值与影响。

NIAC作为项目组织与管理者，通过反复的评审和多轮的遴选，宁缺毋滥，最终确保立项的创新项目与NASA发展战略、未来任务相一致，具有较高的创新性和潜在的应用前景。

持续开展年度创新研究，取得丰硕成果

自2011年起，NIAC持续开展创新项目支持工作，7年间共支持了第一阶段115个项目，并从中遴选出43项进一步开展研究，并且从2014年起，从第一阶段中遴选出来的第二阶段项目数量明显增多，对长期项目支持和孵化的力度有所增加。

在创新项目承担主体方面，参与机构多样，除NASA本身以外，同样倚重院校和商业公司，以开放的姿态鼓励各界参与航天创新，培育并从中汲取创新思想与智慧。

2011－2017年各年度立项情况

2011－2017年申报单位来源分析

3 总结

1）以实际工程任务和发展战略规划为牵引，选择性培育航天创新理念。打破固有思维是NIAC获批项目非常明显的特征，这也体现着NASA设立NIAC的初衷。但是，这种创新不是漫无目的的创新，也不是思维天马行空的游走，几乎每个项目都蕴含着两个方面的原则：首先是必须具有非常巩固的理论基础作为出发点，其次是都倚靠实际任务作为落脚点。可参考NIAC创新项目的申报原则和遴选方法，面向背景任务，充分遴选一批有变革作用的创新概念、理念，以此来促进产生新技术、新理念。

2）以创新为支点，全面提升航天等相关行业的研发能力。从本年度获批的NIAC来看，创新计划中的部分研发对学术界、科技界都起到了推动作用，促进了航天与相关行业的深度融合，并在一定程度上促进了相关产业的科技进步。航天本身就是一项多学科背景下的系统工程，以航天创新为支点，促进相关行业的研发能力，并通过相关行业研发能力的提升，助力航天科学技术能力的提升。