“NASA创新先进概念”计划及进展

戴广永（天津航天机电设备研究所）

“NASA创新先进概念”（NIAC）计划是美国国家航空航天局（NASA）的一个技术开发计划，扶持NASA内、外部的概念性技术，以具有突破性的创造力革新未来NASA的任务形态。与此同时，让美国的创新者和企业家都作为合作伙伴参与其中。该计划寻求非传统来源的创新方案，研究创新的、技术上可靠的先进概念方案，期望能够在宇航领域“改变可能性”，旨在维护美国在航空航天领域的领导地位。

1 NIAC计划由来

1998－2007年，NIAC计划曾用名“NASA先进概念研究所”，于2011年正式更名并沿用至今。

研究所时期

NIAC原本是作为“一个独立的开放式论坛，外部创新者接触NASA的高层次入口，一种分析和定义先进航空航天概念方案的外部能力，来补充NASA内部开展的先进概念性活动”而创立的。20世纪90年代中期，NASA总部下设先进概念方案办公室，由宇航技术办公室进行组织管理，直接向NASA局长报告进展。

研究所时期的NIAC计划于1998年设立，由高校空间研究协会（USRA）代NASA宇航技术办公室进行管理。旨在从NASA外部征集建立在合理的科学原理基础之上、有望在10到40年时间框架内实现的前瞻性概念方案，推动NASA探索和创新工作。随着NASA重组，管理监督权移交给探索系统任务部，直到2007年该计划终止。在此期间，该计划作为一个虚拟的“研究所”而存在。在遴选过程之外，该计划的组织机构也是虚拟的。

NRC审查

2007年7月，NASA面临战略转型，做出了终止NIAC的决定。之后，美国国会要求美国国家科学院（NAS）下属美国国家科学研究委员会（NRC）对该计划进行总结考察。这项工作于2009年完成，形成报告并得出结论称，为实现其使命，NASA需要“调查研究富有远见、意义深远的先进概念方案机制”，NRC认可了原NIAC计划的愿景、适用范围和遴选过程，建议应重新设立NIAC或类似NIAC的计划。

新NIAC时期

随着2009年美国总统换届，NASA也改变了空间探索规划和技术发展重点。NASA内部重设了首席技术专家一职，开展了更为丰富的空间技术计划。复办NIAC似乎顺理成章。2011年3月，NASA宣布NIAC计划将在NASA首席技术专家办公室领导下复办，目标不变，更名为“NASA创新先进概念”并保留NIAC的缩写。2013年分离出空间技术任务部（STMD）后，NIAC计划归于该部管理并提供资金。

NIAC计划采纳了NRC报告的大部分建议：同时向NASA员工及其团队开放入口，促进了NIAC研究向其他NASA项目的转化；保留了同样的通用遴选过程，高度依赖但不仅限于非NASA同行评审人员；增加了两个阶段的资助金额。

2 NIAC计划及遴选原则

NIAC计划概述

NIAC鼓励社会各界非附属个人或其他教育机构、商业或非盈利组织、研究型实验室、专业机构或NASA各中心（包括喷气推进实验室）的附属个人提交建议书。主申请人必须为美国公民或在美国工作，但允许非美国组织参与，须遵守NASA关于外国参与的政策。

NASA通过同行评审程序遴选建议书，对创新性和技术可行性进行评估。所有项目都处于早期开发阶段，大多数都需要10年或更长时间的技术培育期，而且都不是NASA的官方任务。一般来说，NIAC计划按照三个阶段资助创新性宇航概念方案。

各阶段遴选原则

第一阶段主要关注前瞻性概念方案的早期可行性研究。为此，第一阶段研究必须满足：

1）宇航领域体系级、任务级或系统级概念方案。宇航领域包括在陆地或地外环境中与航天和航空有关的活动。

2）在任务环境中进行分析。任务环境包括体系架构、科学目标、操作、后勤、系统级设计等，这些构成了详细的创新性。

3）创新且有较大潜在影响。使全新的任务成为可能或大大改善其执行力度，或提供能力上的巨大飞跃。

4）可信且合理。技术上可靠、可实现；必须至少说明一条进一步发展和最终实现的合理途径。

5）非常早期的开发阶段。技术成熟度（TRL）为1～2或3初期；瞄准10年以上出成果。

创新性宇航概念方案的三个阶段

第二阶段继续探索和开发已经通过第一阶段评审的概念方案，首要目标是研究与成本、性能、研发时间和关键技术有关的可行性问题。

第三阶段采用四个同等权重的标准进行评估：

1）创新性和效益。同之前阶段所述。

2）过往实绩。充分描述NIAC第二阶段研究中获得的关键成果，包括所提概念方案的起止技术成熟度，以及当前技术成熟度的依据。确定在第三阶段研究中必须解决的关键差距。

3）拟议里程碑。给出适当的第三阶段里程碑，已解决前述工作中确定的关键技术开发差距，并给出每个关键里程碑的预估完成日期。

4）转型策略。概述了将第三阶段研究成果转化为未来NASA任务或项目的现实策略，并说明为什么NIAC资金是支持成功转型所必需的。转型策略包括在第二阶段研究期间或之后确定的潜在合作伙伴。

3 NIAC资助项目概述

NIAC已资助项目统计

2011－2020年NIAC资助研究项目分类细目（按主申请人所属机构类型）

1998年2月－2007年，NIAC在研究所时期共收到1309份建议书，并授出了126项第一阶段资助基金和42项第二阶段合同，总价值2730万美元；2011－2020年，新NIAC时期已资助224项研究（第一阶段156项，第二阶段65项，第三阶段3项）；2020年，NIAC选出了23项可能具有颠覆性的概念方案，总奖金为700万美元，其中16项为新概念方案（第一阶段），另7项为之前获选过的方案（第二、三阶段）。

NIAC向所有与NASA相关的技术领域开放，虽然很难严格分类，但NIAC一般将建议书分为以下几个主要领域：

1）运输，包括从地球到轨道、太空中飞行、进入/下降/着陆、基础设施和航空学；

2）载人探索，包括环境控制、辐射缓解、居住地和基础设施；

3）机器人技术，包括机动和样品采集；

4）科学，包括使天文学、天体物理学、行星科学、太阳物理学和地球科学任务得以实现或显著增强的创新技术；

5）其他，包括导航、电源、通信、结构和小行星/轨道碎片缓解等领域，如果它们没有直接映射到上述定义的区域之一。

NIAC计划成果

最初在NIAC计划下开发的几个技术概念方案已经取得了显著成功，或获得了额外的外部资金，或提交了专利，或成立了致力于实现新型宇航能力的新创业公司。例如，开发出一种新型高反射性涂层材料，以实现极端热防护和深空低温；核聚变概念方案获得超过100万美元的ARPA-E基金用于进一步开发；超长持续时间的银河/银河系外ULDB光谱太赫兹观测站（GUSTO）气球任务将于2021年发射，结合了NIAC“大型气球反射器”技术；“突破摄星”计划基于先前NIAC定向能概念方案研究；成立了航天运输公司（Trans Astronautica）等几家新公司，分别在小行星采矿架构和地外行星建造技术开发中处于行业领先地位。随着直接聚焦于技术应用的第三阶段新研究机会的到来，预计NIAC概念方案向任务现实的成功转型必然会加速。

进入第三阶段的概念方案

到目前为止，已有3项概念方案进入第三阶段研究，其中一项由NASA喷气推进实验室（JPL）提出，另两项由商业公司提出。

（1）利用太阳引力透镜对系外行星进行直接多像素成像和光谱分析（2020年第三阶段）

太阳引力透镜望远镜对系外行星成像示意图

太阳引力透镜（SGL）具有显著的特性：提供了高达约1011倍亮度放大倍数和极高的角分辨率（约10-10弧秒）。该项目在NIAC前两个阶段的创新性包括：①证明了太阳引力透镜望远镜对类地宜居系外行星进行高分辨率、多像素成像的可行性；②设计了用于探索星际介质的小卫星群体系结构，允许在任务中同时观测外太阳系的多颗行星/卫星；③设计了低成本的太阳电池翼推进系统，以实现任务所需的太阳系逃逸速度。经过前两个阶段研究，研究团队确定大部分基础技术已经存在或处于中等成熟度。第三阶段建议书将继续填补技术成熟度缺口，并使任务概念方案更加成熟。

（2）自动勘探月球坑的机器人技术（2019年第三阶段）

目前已经完成的行星表面巡视往往由大型、缓慢的机器人花费数年时间实现，但规模小、时间短、数据有限的月球任务需要快速、自主的微型巡视机器人技术。该项目在NIAC前两个阶段的技术创新性主要包括：勘探自主性、原位三维建模、快速远距离微型巡视和实现一周内任务的综合手段；其潜在的效益包括：行星表面自主性飞越，现场处理数据产品，所有表面任务相关的快速远距离巡视；从实际任务中获取科学认识；与其他月球着陆任务的相关性。

（3）演示验证Apis任务架构和光学采矿技术的“迷你蜂”样机（2019年第三阶段）

演示验证Apis任务架构旨在革新NASA的载人深空探索，并使大规模的空间产业化和人类定居成为可能。Apis通过公私合作伙伴关系（PPP）方式和一系列发明（包括光学采矿小行星资源采收方法、Omnivore太阳热能推力器和新型航天器架构）来实现。任务由NIAC、NASA新兴太空办公室和NASA“小型企业创新研究”（SBIR）计划联合资助。在前两个阶段研究中，该项目技术成熟度已从1～2提高到3～4。

4 结语

NIAC重视技术敏锐性和想象力，鼓励研究人员和研究机构跳出固有的思维模式，发挥创造性。NIAC的主要任务是从NASA内部、外部以及宇航科学领域之外搜寻原始创新的解决方案，以克服未来科学和探索任务所面临的挑战，在航天事业中实现跨越式发展。

NIAC研究的一个关键特点就是这些概念方案是在航天任务环境中接受评估的，而不是直接资助某项技术的开发，主要关注点是确定可行性并与现有任务/概念方案比较性能。基础技术或概念方案在任务环境中的执行必须在技术上是可行的，并以坚实的科学和工程原则为基础。NIAC概念方案通常基于新技术，但也可以基于现有技术，以全新的创新方式应用于任务，例如将通常应用于非宇航领域的技术应用于NASA任务环境。

在NASA内部和美国各地都有很多宇航研究和技术项目，但NIAC确实有其独特性。虽然科学家和工程师通常被限制在循序渐进的框架中，但NIAC鼓励研究人员变得大胆和富有想象力。NIAC计划吸引了科学界、独立研究人员、政府机构、工业界、学术界和普通公众的广泛参与，通过各种媒体渠道报道了众多科学学科的概念方案。NIAC的传播和推广也吸引广大学生参与教育宣传活动，鼓励年轻一代从事科学、技术、工程行业，激励下一代敢于梦想，敢于挑战。