创新先进概念计划：又一波“黑科技”来袭

文/曲晶 马俊杰 董晓军

2023 年1 月10 日，美国宇航局官网发布了年度创新先进概念计划的资助名单，共有20 个项目入围，后来项目内容逐步更新公布。

这些项目主要包括：射流望远镜、光泳推进、核动力加热探测器、大型静电驱动空间结构的弯曲成型、月球南极氧气管道、颗粒束推进、新型双峰核热/核电推进、用于火星栖息地的生物矿物自生构建块、大型长波天文台、先进液体收集技术、核聚变能源手电筒、衍射干涉日冕仪系外行星解析器、放射性同位素热辐射电池发电机、气凝胶核裂变碎片火箭发动机、量子雷达、行星防御系统、放射性同位素电推进系统、先进空中飞行器静音固态推进装置、远景天文台、太空制药厂。

我们选择了其中9 个与航天领域密切相关的创新方案，涉及创新推进、小行星防御、生命支持等，看看这些“黑科技”是如何工作的，它们有可能怎样改变人类探索太空的“游戏规则”。

光泳推进：探测地球大气 放眼火星

中间层是地球大气层的一部分，高度大致为50～80 千米。显然，这个范围对于气球和飞机过高，对于卫星等航天器又过低。到目前为止，人类尚未对这个区域实现稳定地长期探测，仅有的知识主要源于火箭经过时逗留的数分钟。

为了实现对中间层的探测，美国宾夕法尼亚大学研究团队提出了一种新型推进系统概念。它不需要任何推进能量，仅通过光照射设备，就可以使飞行器在大气层里长期漂浮运行。

▲ 光泳推进方案示意图

▲ 外星球冰层下海洋探测器想象图

该研究主要是基于被称为“光泳悬浮”的现象，其原理是：相对于周边环境气体，当固体因照明被加热时，就会产生所谓“光泳力”，从而引起固体和气体之间的动量交换。这种力可以使传感平台产生升力，同时在底部吸收光，产生热量，但在顶部能够保持凉爽。

宾夕法尼亚大学的设计方案采用了具备两个不同面的板片，其顶部采用聚酯薄膜，用于保温，其底部的聚酯薄膜表面涂了一层由碳纳米管的微小棒状碳丝组成的“蓬松毯”。技术团队在实验室中各种空气压力下对该板片进行了演示验证，证明了厘米级探测器“无限期”在空中漂浮的可行性。虽然平板长宽只有数厘米，但也可以安装大量微型传感器。科学家们认为，对这项技术稍加改进后，就可以使传感平台获得水平推力，仅利用光作为推进源就能抵达中间层的任何地方。

此外，由于火星大气层的气压与地球的中间层相似，技术团队还在探索该技术在火星探索中的应用潜力。

晶格约束聚变：助力探访外星球海洋

为了研究外星球生命存在的可能性，科学家一直在外星球上寻找水资源。众所周知，很多外星球表面覆盖着厚厚的冰，比如谷神星、土卫二、冥王星和木卫二，冰盖厚度预计达到数十千米，下面存在巨大的液态海洋。这些外星球海洋可能是由其行星的潮汐力加热形成的，或是由残留的放射性衰变形成的。

想要探索这些外星球海洋，面临众多挑战。美国宇航局正在研究使用加热或钻孔探测器穿过冰层、进入外星球内部海洋的可能性，并建议使用核动力探测器，依靠放射性衰变产生热量，使外星球表面冰层融化。不过，核动力探测器受到安全性、价格等限制。

格伦研究中心提出了一种名为“晶格约束聚变”的新方法，主要通过燃料在金属晶格中发生聚变来提供动力。简单地说，导电金属如果具备很高的电子密度，两个轻原子核靠近时相互排斥的可能性就会下降，晶格约束作用可以激发带正电原子发生聚变。

▲ 新型双峰核热核电推进方案示意图

目前，格伦研究中心的工程师们正在研究该方法能否为火星表面的小型无人探测器提供动力。由于晶格约束聚变方式不需要成本高、难以安全处理的易裂变材料（比如浓缩铀），未来技术成熟后，其用途会更加广阔，不仅能够满足太空任务所需，也有可能服务大众，比如为独栋建筑物提供电力，从而减少对化石燃料的依赖，并提高电网弹性。

新型双峰核热/核电推进：快速抵达火星有希望

核热推进被公认为“太阳系载人航天任务的首选推进技术”。冷战期间，美国、苏联都曾花费数十年大力研究核热推进，可惜实用化成果有限。2023 年，美国宇航局资助了一项核推进项目，目的是研制双峰核推进，也就是由核热推进和核电推进共同组成的方案。该系统计划使用所谓“波转子顶循环”，从理论上可以将航天器前往火星的时间缩短至仅45 天。

按设想，核热推进通过核反应堆加热液氢推进剂，将其转化为电离氢气，然后通过喷管产生推力。核电推进则依靠核反应堆为霍尔效应推进器提供电力。霍尔效应推进器希望利用磁场限制电子的轴向运动，使推进剂电离，促使离子加速运动，产生推力，同时中和羽状流中的离子，提升安全性。

据公开资料显示，最先进的核热推进方案是固体堆芯火箭核发动机技术，预计可提供900 秒的比冲，是化学能火箭发动机的两倍。不过，核热火箭发动机比冲较高的背后是某些潜在的缺陷，特别是执行高入轨速度任务时，其很难全程满足任务要求。相比之下，核电推进可以提供约100 万秒的超高比冲，但推力较低，质量功率比有限，特别是对电源的需求恶化了散热问题，在理想条件下，热能转换率最高达到30%～40%。

针对诸如此类的难题，本项目提出了一种新型波转子顶循环方式，推进系统有望获取与核热推进相当的推力，比冲能达到1400～2000 秒，如果再配套核电推进，那么仅需增加最小的结构质量，比冲就可以进一步增至1800～4000 秒。这种设计有望使45 天到达火星的快速载人航天任务成为可能，从而大大降低宇宙辐射、微重力等引发的健康风险，甚至彻底改变人类探索太阳系的征程。

放射性同位素热辐射电池：立方星“如虎添翼”

目前，大多数航天器由太阳能电池板提供动力，但在火星轨道以外的深空或者在火星沙尘暴、月球漫漫长夜等恶劣环境下，阳光无法提供必要的能量。作为替代方案，许多航天器会携带多用途放射性同位素装置，利用温度梯度发电，但这种装置比较笨重，在一定程度上制约了航天器的性能。

▲ 放射性同位素热辐射电池服务立方星示意图

为解决该问题，罗切斯特理工学院提出了一种号称“具备革命性意义”的动力源——热辐射电池。与传统的多任务放射性同位素装置相比，其体积降低了3 个数量级。

在本质上，它是一种“反向工作”的太阳能电池板。当太阳能电池板吸收光时，部分光能会转化为电能，大部分会转化为热能。热辐射电池工作遵循热辐射元素原理，由铟、砷、锑、磷等元素组成电池面板，以红外光子形式释放的热量撞击面板，会产生与太阳能电池板内极性相反的电位差。也就是说，热辐射电池利用热量发电，并以红外光子形式释放所消耗的能量，堪称在太阳能电池板的“反方向”工作，效率更高。

如果这项新技术能够实用，那么探索木星乃至更远的深空任务，或者前往月球极地的永久阴影陨石坑的任务，探测器有望抛弃庞大笨重的设计，使用携带小型能源系统的立方星即可。

核裂变碎片火箭发动机：寻找系外宜居星球

为了满足对先进推进方案的迫切需求，正子动力公司开发了一种核裂变碎片火箭发动机。从理论上讲，它的推进效率远远高于目前使用的火箭发动机，并且可以在高功率密度下实现超过10 万秒的高比冲。

其实，核裂变碎片火箭发动机不是全新概念，与目前核电站反应堆的运行原理基本相同，但此前提出的核裂变碎片火箭发动机设计都过于庞大，而且热限制太大，实用化需克服技术障碍，比如颗粒等离子体悬浮等。

针对此类问题，正子动力公司试图通过两方面来解决：一是将核裂变材料装入超轻型气凝胶，确保参与核裂变反应的燃料颗粒固定在一起，同时控制整体结构质量，以便被送入轨道；二是使用超导磁体约束反应产生的等离子体，将核裂变碎片引至相同方向，进而有效转化为推力，防止碎片破坏发动机。

▲ 核动力火箭运送深空探测器想象图

▲ 美国正在研发多个核动力火箭方案

该动力系统的最终目标是驱动航天器经过15 年左右飞行，抵达距离地球500 个天文单位的太阳引力透镜位置，并及时进行减速和机动，以便对100 光年之外的系外行星进行直接成像和高分辨率光谱分析。未来，部署在那里的空间望远镜可以使探测范围穿越爱因斯坦环区域，拍摄系外行星的表面特征和宜居性迹象。

颗粒束推进：加速探索邻近恒星

根据模拟计算，使用传统推进器的航天器需要飞行19000～81000年，才能到达太阳系之外最近的恒星比邻星，那里距离地球约4.25 光年。为此，工程师们一直在研究新的探测器方案，希望借助定向能光束（比如激光），将驱动探测器的光帆加速到光速的一小部分，加速探索邻近恒星。

▲ 颗粒束推进方案示意图

美国加州大学洛杉矶分校的科研人员更进一步，提出了颗粒波束方案。如果该方案成真，可以在不到20 年内将约1 吨有效载荷投送到500 个天文单位距离之外。

事实上，推动光帆的光束是由微小颗粒组成的，每个颗粒借助激光消融加速到惊人的高速，然后凭借动量来驱动航天器飞行。与激光束不同，这些颗粒的发散速度没那么快，从而使加速更重的航天器成为可能。毕竟这些颗粒比光子重得多，携带的动量更大，可以向航天器传递更大的力。

当前，空间探索受到火箭方程的限制，只有两个探测器穿越了日球层，进入星际空间。其中，旅行者1 号探测器以3.6 个天文单位/年的速度飞行了35 年才到达日球层顶。加州大学洛杉矶分校提出的颗粒束推进方案或许能大大缩短航天器这段漫长岁月：不到1 年，有望到达系外行星；耗费约3 年，飞出100 个天文单位；飞行15 年，前往500 个天文单位之外的太阳引力透镜位置。更重要的是，颗粒束推进可以驱动约1 吨重的航天器，大大拓展了任务适应性。

作为第一阶段工作，科研人员将通过不同子系统的详细建模和概念验证实验来证明颗粒束推进的可行性，重点探索颗粒束推进系统在星际任务中的作用。

▲ 小行星防御方案示意图

▲ 电气推进低噪声无人机示意图

小行星防御：策划“地球保卫战”

传统的小行星防御方法主要是发射航天器，撞击有威胁的小行星，通过动量转移来改变小行星的轨道，使其偏离地球。

2022 年，加州大学科研人员菲利普·鲁宾年提出了一种基于现有技术的小行星防御方案，强调能量传递作用，主要是在太空中部署一系列小型超高速动能撞击器，粉碎和分解小行星或小彗星，然后利用地球大气层作为“盾牌”来降低碎片威胁。该方法既适用于预警时间较长的拦截模式，也可以在小行星撞击地球前数分钟及时使用。

该研究项目旨在掌握撞击器高速碰撞来袭天体的物理特性，以及如何更有效地将来袭天体撞击成足够小的碎片。研究团队与美国宇航局超级计算机中心合作，使用流体力学软件进行仿真，模拟测试不同来袭天体被撞击的效果。初步仿真结果显示，使用较小的撞击器就能够轻易地使小行星碎片化，且碎片云呈放射状向外扩散。如果在预警时间短的模式下进行拦截，碎片云将进入大气层，但这些碎片的体积非常小，因此不会落到地面，将在空中烧蚀殆尽。初步模拟表明，由此产生的声波和闪光将低于重大损害阈值。

该项目的第二阶段包括对上述仿真工作的进一步拓展，探索小行星防御系统路线图的关键部分，包括对撞击器和模拟目标进行地面试验、研究大气化学效应、开展高频次巡天观测等。

先进空中交通：电气推进无人机低噪声运输

所谓“先进空中交通”，是使用小型电动无人飞行器，开展城市内和城市间客运、货运及私人业务。除了技术挑战外，居民反感噪声恐怕是该计划最大的障碍。

相关研究表明，使用电气推进装置的无人垂直起降飞行器在理论上能够执行空对空的飞行任务。这种电气推进装置主要通过加速离子穿过电场来产生推力，几乎是无声的，因此未来飞行器有望满足居民对低噪声的需求。

迄今为止，研究工作主要集中在概念飞行器设计和推进器建模上。接下来，研究工作将聚焦飞行器细节设计、制造，早日积累飞行试验。研究团队将制造一种具有垂直起降功能的验证机，与目标飞行器具有相同的结构，通过飞行试验和风洞测试来验证目标飞行器设计模型，特别是推进器性能和噪声控制效果，并进一步提高电子元器件的性能。

太空制药：长期呵护“太空人”健康

疾病预防、诊断和治疗对于人类太空探索任务至关重要。目前，航天员主要依赖地面研制的药物治疗或预防疾病，但这些药物在太空环境中未必可靠，特别是小蛋白（肽）这类药物，即使精心冷藏保存，其保质期也仅有数月。随着太空探索新时代到来，人类将在地球轨道以外开展长期探索任务，未来有可能持续在轨飞行数年，那么解决人类太空用药问题就成为广受关注的焦点，在太空中“按需生产”无疑是根本解决途径。

▲ 太空制药实验舱运行想象图

美国宇航局艾姆斯研究中心提出了在长期太空飞行任务中利用细菌制造药物的方案。研究人员在项目第一阶段改造了枯草芽孢杆菌，尝试生产治疗辐射损伤的药物和保护人体骨骼健康的药物，并使用了一种小体积轻量化系统，对其进行提纯，取得了较好的效果。不过，现实中是否能生产出足够数量和纯度的药物来满足航天员的需求，尚未可知，这也成为项目第二阶段将重点解决的问题。

未来，研究人员将对航天员药物清单中的其他药物进行研究，进一步拓展该系统使用范围，还将建立一个基于微流体的轻量化生产/净化系统样机，用于太空药物生产。

如果相关技术能够实用化，太空制药将取得重大突破，有望支持长期载人深空任务中的医疗需求。事实上，太空生物制药不仅在科学研究上具有独特优势，还蕴藏着巨大的经济价值，已成为全球太空科技发展的前沿领域。

美国宇航局的创新先进概念计划旨在资助早期研究，培育航天创新概念，征集有可能改变未来任务模式的突破性解决方案，拓展人类太空探索的广度与深度。自2011 年至今，该计划已资助了很多“听上去像科幻小说”的方案，并初步证明了其可行性。因此，科幻不是天马行空、不着边际的空想，应是建立在现代科学理论基础上的合理畅想，很可能对科学发展产生深远影响，并给予科研人员启示。随着航天技术不断进步，相信“科幻走进现实”不会永远是遥不可及的，太空探索将呈现前所未有的新景象。