美创新先进概念项目聚焦深空探测

文/ 杨开

2021年4月，美国宇航局（NASA）正式敲定了本年度创新先进概念（NIAC）计划下共计23个项目，其中第一阶段项目16个，第二阶段项目6个，第三阶段项目1个。在美国政府重返月球和载人探火目标的牵引下，NIAC计划下的新概念和新技术方案都聚焦到太阳系内的各类探测任务和应用场景，一方面是为月球驻留和火星登陆提供支撑，另一方面则是将目的地拓展至木星、土星和冥王星等距离更远的目标星体，为更远期的探测计划打前站。

本文针对其中8个与航天领域密切关联的创新方案进行简要说明，涉及原位资源利用、自主探测器、外星球基础设施等，希望能给大家带来一些启发。

用于支撑月球着陆（及操作）的“表层土自适应改造系统”

随着月球着陆器的规模大幅扩展（从阿波罗时期大约10吨左右，到阿尔忒弥斯计划下20~50吨的规模），为了能够平稳着陆，不仅需要着陆器本身技术过关，还需要对月球表层土进行改造，在月球上建设专用的着陆平台。目前，关于月球表层土改造的研究大多集中于烧结和土壤聚合等需要大量基础设施建设的高能耗方案，通过携带材料、设备和能源控制月球表层土，实现着陆平台或者道路的部署和建设。得克萨斯A&M工程实验站提出的“表层土自适应改造系统”（RAMs），可以选择性熔化和强化月球表面物质。

▲ RAMs系统的方案示意图

RAMs利用微胶囊技术在月球表层不同深度布置纳米铝热混合物和有机硅烷，通过月球表层土的铝热熔凝和地质聚合，在表面形成长2~5厘米的固定锚点，在地下25~30厘米处形成一定厚度的提供承载能力的支撑屏障。RAMs通过化学反应固化和物理辅助屏障的方法来减除灰尘并实现承重，不仅特别适用于探月早期缺乏相关基础设施支撑的阶段，也可以用于月球和火星基地初步建成后的拓展建设阶段。RAMs涉及到两项关键的技术创新，首先就是基于微胶囊技术的土壤熔化和固化系统，该系统由安全性更高的纳米铝热剂混合物和土壤稳定剂组成，能够依次激活以形成固定锚点和支撑屏障。第二项关键技术就是如何利用存储在月球表层土组分中的化学键能量，来实现加热熔化和土壤聚合。

利用折叠技术实现千米级尺寸太空结构的单次发射

由于运载火箭整流罩的空间限制，很多空间载荷和设施的尺寸都不能做得太大，或者只能采用折叠结构来实现，例如詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜片直径达到6.5米，只有通过折叠的方式才能安装到阿里安5火箭的外直径仅有5.4米的整流罩内。卡内基梅隆大学针对空间站人工重力需求，在2021年的NIAC计划中提出千米级别空间结构的折叠技术，为近期人类在空间环境下生活和工作提供了一种可行的解决方案。

众所周知，长时间的太空飞行会对人体构成严峻挑战，包括肌肉萎缩、骨质流失、视力下降和免疫抑制等问题，而这些问题大多都和微重力环境有关。所以，很多科幻小说中都会描述可以自旋产生人工重力的空间栖息地。不过自旋的最大问题就在于，当转速超过1~2转每分钟时，人体就会感觉到不适。而要在1~2转每分钟的转速下产生与地球相当的重力环境，需要空间结构长度达到千米级别。卡内基梅隆大学以阿尔忒弥斯计划下的月球轨道门户为应用背景，提出利用机械性能出众的超轻质材料，实现伸缩比达到150倍或者更高的结构折叠技术，能够将长度达到千米级别的结构部件折叠安装到重型猎鹰火箭的整流罩内。发射进入太空后，折叠结构能够自主展开，不需要复杂的在轨装配和制造技术支持。

▲ 基于折叠技术的大型空间站结构示意图

▲ 钻孔机器人的示意图

利用钻孔机器人在火星南极冰盖打下1.5千米的钻孔

2018年7月，意大利宣布利用“火星快车”轨道探测器数据，证明在火星南极冰盖下有液态水的存在，深度大约为1.5千米。有水存在，蕴含生命的概率就存在，因此南极冰盖成为火星上最具研究价值的地质区域之一。不过，目前人类还缺少在火星上开展深孔钻探的能力。目前大多数火星车的钻探深度只有几厘米，美国洞察号火星车原本计划在火星上打下5米的钻孔开展热流探测，但因表面硬度超过预期导致任务失败。

因此，行星企业公司以类似于“毅力号”的火星车为应用背景，提出一种全新的钻探系统，采用多个长度1米左右的钻孔机器人，自主从孔眼位置进出，完成钻孔的动作。首先，火星车上的线性执行机构将钻孔机器人从“机舱”送到连接孔眼的管状结构中，机器人利用安装在管状结构内壁上的橡胶履带向下运动到钻孔位置开展作业，每次钻取深度为150毫米左右的冰盖。然后，机器人再沿橡胶履带返回火星车，利用机械臂将钻取的冰盖完整取下并开展研究。下一个机器人紧接着通过管状结构进入到孔眼中继续钻孔作业。这种系统总计大约需要12个钻孔机器人，还需要配备足够的钻头配件。按照行星企业公司的设想，首先需要用90天的任务周期验证，如果能够完成20到50米深度的钻孔，就可以再执行扩展任务，完成1.5千米深度的钻孔任务。

基于原位推进剂实现土卫六采样返回

▲ 土卫六采样返回飞行器的示意图

美国宇航局在2019年公布将在2027年发射 “蜻蜓”去探测土星最大卫星——土卫六（Titan）上可能存在的生命迹象，2036年抵达。“蜻蜓”依靠核电池工作的四旋翼飞行探测器（类似于和“毅力号”火星车一同在火星着陆的“机智号”直升机），相比大多数漫游车已经是很大的创新。但是，为了能够实现从土卫六上采样返回，美国宇航局格林研究中心提出在发射“蜻蜓”同时，增加一个采样返回飞行器。采样返回器包括着陆级和上升级，着陆器采集土卫六上的挥发物，生成液态甲烷和液氧，提供给上升级。上升级携带“蜻蜓”采集的土卫六样本，利用甲烷和液氧工作，返回地球。另外，该局计划2026年发射火星采样返回任务，使用两级固体火箭作为上升级，也就是返回所需的推进剂都需要从地球发射到火星。相比而言，格林研究中心提出的土卫六采样返回方案，虽然探索的目的地更远，但是由于整体技术难度更高，所需的发射质量和成本却更少。

FLOAT：柔性轨道悬浮系统

喷气推进实验室（JPL）一直都是美国宇航局深空探测的排头兵，为了实现2030年前后在月面长期驻留的目标，JPL在今年的NIAC计划下提出在月球上建设首个轨道运输系统，作为月球基地日常运营的重要基础设施，在着陆点、月球基地和哨站之间完成资源和材料运输。JPL的方案称为“柔性轨道悬浮系统”（FLOAT），由轨道和运输机器人组成。轨道采用3层弹性结构：石墨烯层利用磁悬浮让机器人被动悬浮在轨道上方；柔性电路层产生电磁推力控制和推动机器人沿轨道行驶；可选的薄膜太阳能板能够在光照条件下为电路层提供电能。FLOAT系统采用无动力的磁性机器人，没有活动部件，悬浮在轨道上方，相比采用车轮、履带和其他活动机械结构的运输方式，能够大幅降低磨损，适用于月球上的重灰尘环境。FLOAT另外一个重要优势，就是直接铺在月球表面即可，省去了像公路和铁路那样的道路建设工作，而且还能够根据需求进行折叠和重新部署。在参数指标上，机器人最大承载能力为每平方米33千克，运输速度高于0.5米每秒。一套大型FLOAT运输系统能够在一天时间内把100吨的货物运输数千米，所需功率大约为40千瓦。在NIAC计划第一阶段的支持下，JPL首先会以1米级别的机器人和千米级别轨道进行验证。

▲ FLOAT运输系统的方案示意图

▲ SWIM系统方案的示意图

SWIM：探测海洋星球的独立微型游泳机器人

未来几十年内，美国宇航局会把深空探测的目标聚焦到海洋星球上，包括土卫二、木卫二和土卫六等星球的冰盖下都存在广阔的海洋，因为海洋环境中最有可能孕育生命。为了能够对液态环境进行探测，该局正在开发和完善一系列海洋任务方案，其中比较重要的任务就是在木卫二上钻开15～25千米的冰盖以进入海洋环境的“欧罗巴科学探索地下访问机制”（SESAME）计划。JPL提出用“独立微型游泳机器人探测”（SWIM）系统来拓展SESAME任务，大幅提高探测效果。SWIM系统包括很多厘米级的3D打印微型机器人，这些机器人带有MEMS传感器和微型推进器，用超声波远程控制，JPL称之为微型游泳机器人。SESAME任务的主探测器钻开冰盖之后，就可以释放微型游泳机器人，对海洋环境进行取样和分布式测量，更好地勾画探测星球的海洋环境。在计划第一阶段，JPL将聚焦微型游泳机器人的方案分析论证及其关键技术研究，包括MEMS传感器、光谱仪、照相机等科学仪器，超声、压电和机械形式的动力机构，超声波通信技术，电池和能量捕获等电源技术。

冥王星探测器气动减速和跳跃探测

对于冥王星和海王星等距离非常遥远的太阳系天体，如果设计成低速轨道，探测器可能需要20~30年的时间才能抵达。如果设计成速度比较高的飞行轨道，例如美国在2006年发射的“新视野号”，借助木星引力耗时10年时间可抵达冥王星附近，但是只能以14千米每秒的速度飞掠过冥王星进入太阳系的柯伊伯带，因为其携带的能量很少，不可能减速进入冥王星轨道。冥王星等远距离深空探测任务在任务时长和速度之间存在矛盾，如果不花费高昂的成本去研制核动力小推力的推进系统或者其他新型推进技术，利用动力反推进入冥王星轨道，有没有其他更加经济的着陆方案呢？

▲ 冥王星探测器气动减速和跳跃探测方案的示意图

全球宇航公司在2017年提出采用类似“新视野号”的飞行轨道发射小型冥王星探测器，利用充气式的轻质减速装置和冥王星的稀薄大气层完成探测器的减速、捕获和着陆。其方案的关键核心技术就是“包围式气动减速器”（EDA），一种横截面非常大的轻质充气结构，能够通过热辐射把进入大气层过程中的绝大多数能量耗散，而不必安装热防护系统。结构材料可以选用成熟的聚酰亚胺薄膜。为了避免进入大气层过程中的振动对探测器产生影响，可以将探测器包裹在EDA内部，同时将迎风面做成球形，减小振动水平。虽然冥王星的大气层高达1600千米，但是非常稀薄，需要将EDA的直径做到十几米的量级才能将14千米每秒的速度降低到120米每秒。探测器在冥王星着陆之后，将充分利用冥王星重力较低的特点，利用跳跃方式前往不同地点开展探测。今年该方案又在NIAC计划第二阶段得到经费支持，重点证明该方案用于冥王星探测的可行性。

搭载中微子探测器的立方星飞行任务

入选今年NIAC计划第三阶段的仍只有一个项目，是由卫奇塔州立大学在2017年提出来的太阳中微子探测器飞行任务，在2019年得到NIAC计划第二阶段的支持。中微子是一种电中性的基本粒子，质量非常小，穿过一般物质时不会受到太多阻碍，且难以检测。中微子可以通过放射性衰变以及核反应等多种方式产生，而地球上检测到大多数中微子都是来自太阳辐射，地球面向太阳的区域每秒钟在每平方厘米上都会穿过大约650亿个来自太阳的中微子。由于中微子性质特殊，对于基础物理学和天文物理学都有重要意义。但是由于中微子电中性和质量小的特征，它只参与弱相互作用，很难进行探测，现在世界上用到的中微子探测器都建造得非常大，而且都在地底深处以屏蔽宇宙射线以及其它背景辐射的影响。为了更容易实现中微子探测，卫奇塔州立大学提出将搭载中微子探测器的立方星部署在距太阳较近的空间位置上，利用更高的中微子密度（在距离太阳7个太阳半径的位置上，中微子密度是地球上的1000倍），能够更容易实现中微子的探测及其他相关联的研究，同时探测器的规模和成本也会大幅降低。

按照以往的经费规模，NIAC计划第一阶段项目每个最多得到12.5万美元支持，第二阶段项目每个最多得到50万美元支持，第三阶段项目每个最多得到200万美元支持，所以2021年NIAC项目总经费不超过700万美元，但是就带动技术发展，以及支撑未来美国宇航局的旗舰级探测任务而言，起到了非常重要的技术储备作用。

本文介绍的8个项目中可以看到，大多都有相对明确的应用背景，为未来5到10年内的具体任务提供支撑，不仅仅是闭门造车，纯粹开展理论和概念研究，而是希望某些新技术、新方案在未来的大型飞行任务中得到实践和应用。这种创新研究的理念和思路非常值得我们思考与借鉴。

▲ 中微子探测器立方星任务方案的概念图