文/ 楊開

美國宇航局的創(chuàng)新先進(jìn)概念（NIAC）計(jì)劃創(chuàng)立于1998年，旨在開發(fā)顛覆性的前沿探索技術(shù)，變革美國宇航局的空間探索方式，重點(diǎn)服務(wù)于美國宇航局未來的空間探索任務(wù)。創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃資助對(duì)象以大學(xué)、小型創(chuàng)企和研究中心為主，在第一階段會(huì)提供約12.5萬美元的資金，開展方案原理和可行性研究。如果項(xiàng)目有深入研究的價(jià)值，美國宇航局會(huì)在第二階段提供50萬美元的經(jīng)費(fèi)支持，進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)方案，評(píng)估其在未來探索任務(wù)中的應(yīng)用前景。美國宇航局從2019年啟動(dòng)美國宇航局第三階段項(xiàng)目，為一到兩個(gè)項(xiàng)目提供200萬美元的經(jīng)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)孵化和轉(zhuǎn)移應(yīng)用。

2020年4月，美國宇航局公布了本年度入選“創(chuàng)新先進(jìn)概念”的23個(gè)項(xiàng)目。在明確以月球?yàn)樘宓纳羁仗綔y(cè)計(jì)劃，即“阿爾忒彌斯”之后，NIAC計(jì)劃下的項(xiàng)目也變得更有針對(duì)性，能夠支持月面的長期駐留探測(cè)，以及未來的火星探測(cè)。與此同時(shí)，NIAC計(jì)劃也在為更遙遠(yuǎn)的太陽系和太陽系外探索活動(dòng)打前站，征集了眾多創(chuàng)新方案。本文針對(duì)其中10個(gè)與航天領(lǐng)域密切關(guān)聯(lián)的創(chuàng)新方案進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，涉及新型飛行器方案、創(chuàng)新動(dòng)力、原位資源利用以及太空藥店等，希望帶來一些啟發(fā)。

▲ 超材料太陽帆的示意圖

超材料太陽帆——實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)任務(wù)的突破

美國宇航局一直在致力于拓展深空探測(cè)的范圍，通過對(duì)太陽系邊緣和太陽系外的星際空間開展探測(cè)，來更深入地研究關(guān)于宇宙起源的問題。然而受制于現(xiàn)有的航天動(dòng)力技術(shù)，系外探測(cè)任務(wù)需要投入龐大的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本。以2013年和2018年分別飛離太陽系進(jìn)入星際空間的旅行者1號(hào)和旅行者2號(hào)探測(cè)器為例，都在1977年發(fā)射，分別用36年和41年才飛離太陽系，兩個(gè)項(xiàng)目的成本加起來接近9億美元。加州大學(xué)提出“超材料太陽帆”很可能會(huì)出改變現(xiàn)有的任務(wù)模式，能夠以較低成本實(shí)現(xiàn)需要高速度的深空任務(wù)，而且不受發(fā)射時(shí)間和發(fā)射地點(diǎn)的限制。“超材料太陽帆”速度能夠達(dá)到每年60個(gè)天文單位，是“旅行者1號(hào)”速度的20倍，能夠5個(gè)月內(nèi)飛抵木星，10個(gè)月飛抵海王星，兩年半的時(shí)間追趕并超越“旅行者1號(hào)”。而且，“超材料太陽帆”承受高溫環(huán)境的能力非常強(qiáng)，能夠抵近太陽，最近距離為2到5個(gè)太陽半徑。加州大學(xué)將在該項(xiàng)目下挑戰(zhàn)材料的極限，開發(fā)出每千克質(zhì)量展開成1000平方米的超薄太陽帆。

火星上的燃料原位制造——為載人探火任務(wù)補(bǔ)充燃料

人類正在擴(kuò)展在太陽系的活動(dòng)范圍，火星是最重要的目的地之一，而推進(jìn)劑是能夠在火星居住探索和實(shí)現(xiàn)行星際運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵。喬治亞州科技研究公司提出利用轉(zhuǎn)基因生物將火星大氣層中的二氧化碳轉(zhuǎn)為含氧碳?xì)浠衔铮鳛槿剂?，為火星上的活?dòng)提供能源，也可以作為從火星出發(fā)時(shí)采用的推進(jìn)劑。該公司準(zhǔn)備在火星上利用少量的水資源培育藻類，藻類在光照條件下消耗二氧化碳不斷生長，用以喂養(yǎng)經(jīng)基因改造的微生物，最終生產(chǎn)出燃料。該公司重點(diǎn)開展熔點(diǎn)較低的C3-C4二元醇（零下36攝氏度）開發(fā)，能夠在火星的低溫條件下以液態(tài)形式存儲(chǔ)和使用。之后，公司再針對(duì)候選燃料開展測(cè)試，并開發(fā)相應(yīng)的生物系統(tǒng)。

▲ 利用生物技術(shù)和火星大氣層中的二氧化碳制造燃料

脈沖式等離子體火箭——人類能快速抵達(dá)火星的方式

為了能夠更高效、更快速地將人員和貨物運(yùn)抵火星，要求動(dòng)力系統(tǒng)在達(dá)到高比沖的同時(shí)，還必須具有比較大的推力，前者保證效率，后者實(shí)現(xiàn)速度。不過，現(xiàn)有高比沖動(dòng)力形式的推力一般都比較低，例如美國宇航局在研的“先進(jìn)電推進(jìn)系統(tǒng)”比沖為2900秒，但是推力僅為2.3牛。美國Howe公司提出“脈沖式等離子體火箭”方案，比沖5000秒，推力達(dá)到89千牛。該方案源于美國宇航局的“脈沖式裂變-聚變”方案，采用Z箍縮壓縮裂變-聚變目標(biāo)，產(chǎn)生的爆燃在帶磁場(chǎng)的噴管內(nèi)傳播，從而產(chǎn)生推力，并為下一輪脈沖補(bǔ)充能量?！懊}沖式等離子體火箭”方案的結(jié)構(gòu)更小、更簡(jiǎn)單，而且成本更低。而采用這種動(dòng)力方案，只需要3個(gè)月就能從地球到達(dá)火星。

▲ 脈沖式等離子體火箭的概念圖

星際航天器反物質(zhì)減速——實(shí)現(xiàn)對(duì)類地行星的探測(cè)

反物質(zhì)推進(jìn)技術(shù)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的比沖。Hbar技術(shù)公司此前就在NIAC計(jì)劃開展過多年的研究，該公司今年再次提出利用反物質(zhì)減速實(shí)現(xiàn)對(duì)類地行星的探測(cè)，不過重點(diǎn)并非聚焦在反物質(zhì)推進(jìn)技術(shù)上，而是要設(shè)計(jì)任務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)類地行星——“南門二”三體星系中的“比鄰星B”的探測(cè)，這是目前已知的距離地球最近的宜居星球。

按照Hbar技術(shù)公司的任務(wù)設(shè)想，探測(cè)器采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，重量為10千克級(jí)別，利用反物質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)加速至光速的1/10，之后一二級(jí)分離。一級(jí)通過垂向的小幅加速變軌后，實(shí)現(xiàn)對(duì)“南門二”三體星系的飛掠探測(cè)。二子級(jí)利用反物質(zhì)減速后，釋放自身攜帶的上千個(gè)“芯片載荷”（質(zhì)量?jī)H有1克左右），在“南門二”三體星系內(nèi)開展深入探測(cè)和研究，并向地球傳回探測(cè)數(shù)據(jù)。Hbar技術(shù)公司認(rèn)為利用反物質(zhì)推進(jìn)系統(tǒng)不僅能夠?yàn)樘綔y(cè)器提供足夠的加速和減速能力，還能夠?yàn)橄到y(tǒng)通信和探測(cè)等功能提供充足的電源。

▲ Hbar技術(shù)公司提出的反物質(zhì)推進(jìn)航天器概念圖

臨時(shí)著陸平臺(tái)——用于“阿爾忒彌斯”任務(wù)的月球著陸

作為“阿爾忒彌斯”計(jì)劃的第一步，美國首先將在2024年實(shí)現(xiàn)載人重返月球，相比“阿波羅”重約10噸的著陸器，“阿爾忒彌斯”的月球著陸器將達(dá)到20～60噸。伴隨著著陸器規(guī)模的大幅提升，反推著陸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)羽流造成的影響會(huì)更嚴(yán)重，包括被羽流噴射起的高速濺射物可能會(huì)損壞著陸器，羽流甚至?xí)谥懙攸c(diǎn)造成柱狀深坑，影響著陸成功率。

Mastern航天系統(tǒng)公司的“飛行中氧化鋁噴霧技術(shù)”能夠在著陸器下降過程中，在正下方形成臨時(shí)著陸平臺(tái)，消除發(fā)動(dòng)機(jī)羽流的影響。該技術(shù)通過在發(fā)動(dòng)機(jī)羽流中混合特殊的顆粒，從而在著陸區(qū)域形成硬化涂層，具有更高的抗熱和抗燒蝕性能，有效防止著陸區(qū)被侵蝕形成深坑。相比固定的著陸平臺(tái)，臨時(shí)著陸平臺(tái)靈活性更好，可以根據(jù)需要調(diào)整著陸地點(diǎn)。而且，按照Mastern航天系統(tǒng)公司估計(jì)，不用建設(shè)固定著陸平臺(tái)，至少能夠節(jié)約1.2億美元。

先進(jìn)氣動(dòng)捕獲系統(tǒng)——幫助實(shí)現(xiàn)大型高速行星探測(cè)器

▲ 航天器通過氣動(dòng)捕獲進(jìn)入軌道的示意圖

氣動(dòng)捕獲是利用行星大氣產(chǎn)生的氣動(dòng)力，降低軌道能量，實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)環(huán)繞軌道的轉(zhuǎn)移，也就是探測(cè)器通過穿越大氣層來減速，進(jìn)入行星的環(huán)繞軌道。相比化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)等方式，能夠大幅提高探測(cè)器的質(zhì)量，例如土衛(wèi)六軌道探測(cè)器的質(zhì)量可提高280%。而且，相比傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)入軌方式，每千克的任務(wù)成功能夠降低32%。不過，探測(cè)器要利用氣動(dòng)捕獲技術(shù)實(shí)現(xiàn)入軌，要求其具有比較好的升阻比特性和熱防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)于探測(cè)器設(shè)計(jì)是非常大的挑戰(zhàn)。

為了解決上述問題，美國宇航局蘭利研究中心在“先進(jìn)氣動(dòng)捕獲系統(tǒng)”項(xiàng)目中，提出在探測(cè)器的鼻錐附近安裝磁鐵，來增加弓形激波脫體距離，以大幅降低駐點(diǎn)熱通量，從而降低對(duì)探測(cè)器熱防護(hù)系統(tǒng)的要求。蘭利研究中心估計(jì)，采用“先進(jìn)氣動(dòng)捕獲系統(tǒng)”可以將載人火星任務(wù)的飛行時(shí)間從3個(gè)月縮短到39天，飛行至火星附近后利用火星大氣層減速，完成入軌捕獲。

太空藥房——為太空中的人類提供基本的醫(yī)療保障

隨著人類在太空活動(dòng)范圍越來越大，駐留時(shí)間越來越長，疾病將成為必須要面對(duì)和解決的問題。然而，很多藥物在地球上就存在不穩(wěn)定性，有一定的保質(zhì)期，如果面對(duì)太空中更嚴(yán)苛的環(huán)境，更難保證其長期有效。因此，美國宇航局埃姆斯研究中心提出在太空中按需制造藥物的方案——“太空藥房”。

“太空藥房”主要是針對(duì)肽和蛋白類的生物醫(yī)藥，因?yàn)檫@些藥物能夠有效治療航天員可能在太空中遇到的各類疾病，包括栓塞、出血、腎結(jié)石、骨質(zhì)流失等。不過，即使在冷藏條件下，基于蛋白質(zhì)的生物藥劑也只能保存6個(gè)月。埃姆斯研究中心提出在太空中量身定制這類藥物的方案。在起步階段瞄準(zhǔn)非糖基化的生物醫(yī)藥，利用能夠適應(yīng)太空環(huán)境的孢子形態(tài)細(xì)胞，以及基于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)改造的輕質(zhì)小型生態(tài)系統(tǒng)，在發(fā)射前對(duì)細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，就可以在太空中通過添加無菌培養(yǎng)基來生產(chǎn)生物醫(yī)藥?！疤账幏俊钡慕K極目標(biāo)是擺脫細(xì)胞，直接采用無細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄/翻譯系統(tǒng)生產(chǎn)藥品。這種按需制造藥品的方式能夠解決因?yàn)楸Ｙ|(zhì)期或空間輻射導(dǎo)致藥物失效的問題，以最低的成本和資源投入保證太空中的人類健康。

▲ “太空藥店”在太空中按需制造藥品

BioBot——為航天員減少負(fù)載，更高效地開展探測(cè)活動(dòng)

航天員抵達(dá)月球、火星等目的地后，需要穿著厚重的艙外航天服才能開展探測(cè)活動(dòng)，使得活動(dòng)效率大幅降低。因此，馬里蘭大學(xué)在2108年創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃下提出“BioBot”（意為生物機(jī)器人）項(xiàng)目。跟隨航天員的機(jī)器人為其提供生命維持系統(tǒng)，機(jī)器人與航天員之間通過自動(dòng)對(duì)接臍帶連接。機(jī)器人能夠在很大程度上減少航天員的負(fù)載，提供更多的補(bǔ)給，從而實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更長時(shí)間的艙外活動(dòng)。馬里蘭大學(xué)給出了一個(gè)非常直觀的例子，“阿波羅”計(jì)劃的A7L-B艙外航天服重192千克，但是僅能夠支持6小時(shí)的艙外活動(dòng)，而BioBot則能夠大大延長這樣的活動(dòng)周期。

隨著美國實(shí)施載人重返月球，BioBot再次得到重視，入選2020年創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃第二階段項(xiàng)目。馬里蘭大學(xué)計(jì)劃重點(diǎn)研究自動(dòng)臍帶系統(tǒng)，同時(shí)獲取更多月球探測(cè)任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)來改進(jìn)系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證出艙活動(dòng)。

▲ BioBot的示意圖

超輕質(zhì)核電動(dòng)力探測(cè)器——利用小型蜂群探測(cè)器開展深空探測(cè)

核電推進(jìn)系統(tǒng)完全依靠自身攜帶的能源，能夠?qū)⑻綔y(cè)器送往太陽能覆蓋不到的空間，不過反應(yīng)堆質(zhì)量通常都比較大，一般都傾向用于大型深空探測(cè)任務(wù)中。如果能夠?qū)⒑穗娡七M(jìn)系統(tǒng)縮減到足夠小的規(guī)模，使其能夠利用小型運(yùn)載火箭發(fā)射，那么就可以把小衛(wèi)星技術(shù)和核電推進(jìn)的長壽命特點(diǎn)結(jié)合起來，對(duì)太陽系內(nèi)任意位置開展探測(cè)。為此，Howe工業(yè)公司在2019年的創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃下提出“基于先進(jìn)熱電發(fā)電機(jī)和反應(yīng)堆的蜂群探測(cè)器”（簡(jiǎn)稱“SPEAR”）系統(tǒng)方案，采用新型輕質(zhì)反應(yīng)堆調(diào)節(jié)器和先進(jìn)熱電發(fā)電機(jī)，大幅縮減推進(jìn)系統(tǒng)的核心質(zhì)量。SPEAR采用1100千克的航天器平臺(tái)（包括推進(jìn)劑質(zhì)量），可以將10顆重7千克的小衛(wèi)星送入木衛(wèi)一的衛(wèi)星軌道上，而上述平臺(tái)可利用米諾陶4等商業(yè)火箭進(jìn)行發(fā)射。

Howe工業(yè)公司已經(jīng)從理論上證明“先進(jìn)熱電發(fā)動(dòng)機(jī)”能夠?qū)崿F(xiàn)極高的效率。NIAC計(jì)劃在2020年第二階段研究中將繼續(xù)支持Howe公司構(gòu)建“先進(jìn)熱電發(fā)動(dòng)機(jī)”的工作單元，利用試驗(yàn)環(huán)境下的核反應(yīng)堆驗(yàn)證其工作效率。

▲ SPEAR探測(cè)器的概念圖

月球極地推進(jìn)劑開采站——月表長期探測(cè)活動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施

為了實(shí)現(xiàn)月球表面的長期駐留，需要在原位資源利用技術(shù)上進(jìn)行突破，為此TransAstra公司在2019年的創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃下開展了“月球基地推進(jìn)劑開采站”（簡(jiǎn)稱“LPMO”）的研究項(xiàng)目，并得到2020年創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃第二階段的支持，說明這種方案具有一定應(yīng)用前景。而該公司提出LPMO建設(shè)方案是基于兩個(gè)前提。首先是對(duì)月球表面地形的特點(diǎn)，即在近極地的小型月坑內(nèi)，會(huì)有大片處于極夜中永久凍土，但在月坑上方數(shù)十米到數(shù)百米的高度上，則是極晝區(qū)。在這種地形條件下，可將開采站建在永久凍土區(qū)，同時(shí)設(shè)置高100米左右的塔架，其上安裝折疊太陽電池板，利用極晝條件為開采活動(dòng)持續(xù)提供電力。其次，該公司的“輻射氣體動(dòng)力”（RGD）開采技術(shù)能夠通過月球開采車上的無線電、微波和紅外輻射等方式加熱凍土區(qū)或冰層，其中的水受熱揮發(fā)后，通過低溫冷卻裝置回收，以液態(tài)存儲(chǔ)下來。

“TransAstra”估計(jì)，利用“藍(lán)色起源”的新格倫或者美國宇航局的SLS重型火箭，可以發(fā)射2～5噸重的月球開采車，開采車的液態(tài)水年開采能力約是其自重的20～100倍。

▲ 月球極地推進(jìn)劑開采站的方案架構(gòu)示意圖

盡管“創(chuàng)新先進(jìn)概念”項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)并不多，而且大多數(shù)方案的技術(shù)成熟度都非常低，處于理論研究和原理驗(yàn)證階段，甚至還有一定的科幻色彩，短期內(nèi)很難向工程實(shí)踐發(fā)展，但是這類小型創(chuàng)新項(xiàng)目，在培育新技術(shù)萌芽，促進(jìn)航天技術(shù)的顛覆性發(fā)展方面卻有非常積極的意義。在美國明確重返月球和載人探火的目標(biāo)后，這類創(chuàng)新活動(dòng)所發(fā)揮的作用更為顯著。“創(chuàng)新先進(jìn)概念”計(jì)劃下的創(chuàng)新方案均是以前沿技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合大膽的任務(wù)規(guī)劃，建立起全新的飛行器構(gòu)型、部署形式和任務(wù)架構(gòu)。而這些大膽和創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究，可能會(huì)在某一天成為現(xiàn)實(shí)，支撐各種當(dāng)前看似不可能實(shí)現(xiàn)的空間探索任務(wù)。因此，在探索未知的深空領(lǐng)域，這種經(jīng)費(fèi)規(guī)?！靶　钡茄芯?jī)?nèi)容卻非?！按蟆钡膭?chuàng)新研究計(jì)劃，非常值得借鑒。