戴廣永（天津航天機(jī)電設(shè)備研究所）

“NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念”（NIAC）計(jì)劃是美國國家航空航天局（NASA）的一個(gè)技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，扶持NASA內(nèi)、外部的概念性技術(shù)，以具有突破性的創(chuàng)造力革新未來NASA的任務(wù)形態(tài)。與此同時(shí)，讓美國的創(chuàng)新者和企業(yè)家都作為合作伙伴參與其中。該計(jì)劃尋求非傳統(tǒng)來源的創(chuàng)新方案，研究創(chuàng)新的、技術(shù)上可靠的先進(jìn)概念方案，期望能夠在宇航領(lǐng)域“改變可能性”，旨在維護(hù)美國在航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1 NIAC計(jì)劃由來

1998－2007年，NIAC計(jì)劃曾用名“NASA先進(jìn)概念研究所”，于2011年正式更名并沿用至今。

研究所時(shí)期

NIAC原本是作為“一個(gè)獨(dú)立的開放式論壇，外部創(chuàng)新者接觸NASA的高層次入口，一種分析和定義先進(jìn)航空航天概念方案的外部能力，來補(bǔ)充NASA內(nèi)部開展的先進(jìn)概念性活動(dòng)”而創(chuàng)立的。20世紀(jì)90年代中期，NASA總部下設(shè)先進(jìn)概念方案辦公室，由宇航技術(shù)辦公室進(jìn)行組織管理，直接向NASA局長報(bào)告進(jìn)展。

研究所時(shí)期的NIAC計(jì)劃于1998年設(shè)立，由高?？臻g研究協(xié)會(huì)（USRA）代NASA宇航技術(shù)辦公室進(jìn)行管理。旨在從NASA外部征集建立在合理的科學(xué)原理基礎(chǔ)之上、有望在10到40年時(shí)間框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)的前瞻性概念方案，推動(dòng)NASA探索和創(chuàng)新工作。隨著NASA重組，管理監(jiān)督權(quán)移交給探索系統(tǒng)任務(wù)部，直到2007年該計(jì)劃終止。在此期間，該計(jì)劃作為一個(gè)虛擬的“研究所”而存在。在遴選過程之外，該計(jì)劃的組織機(jī)構(gòu)也是虛擬的。

NRC審查

2007年7月，NASA面臨戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，做出了終止NIAC的決定。之后，美國國會(huì)要求美國國家科學(xué)院（NAS）下屬美國國家科學(xué)研究委員會(huì)（NRC）對該計(jì)劃進(jìn)行總結(jié)考察。這項(xiàng)工作于2009年完成，形成報(bào)告并得出結(jié)論稱，為實(shí)現(xiàn)其使命，NASA需要“調(diào)查研究富有遠(yuǎn)見、意義深遠(yuǎn)的先進(jìn)概念方案機(jī)制”，NRC認(rèn)可了原NIAC計(jì)劃的愿景、適用范圍和遴選過程，建議應(yīng)重新設(shè)立NIAC或類似NIAC的計(jì)劃。

新NIAC時(shí)期

隨著2009年美國總統(tǒng)換屆，NASA也改變了空間探索規(guī)劃和技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。NASA內(nèi)部重設(shè)了首席技術(shù)專家一職，開展了更為豐富的空間技術(shù)計(jì)劃。復(fù)辦NIAC似乎順理成章。2011年3月，NASA宣布NIAC計(jì)劃將在NASA首席技術(shù)專家辦公室領(lǐng)導(dǎo)下復(fù)辦，目標(biāo)不變，更名為“NASA創(chuàng)新先進(jìn)概念”并保留NIAC的縮寫。2013年分離出空間技術(shù)任務(wù)部（STMD）后，NIAC計(jì)劃歸于該部管理并提供資金。

NIAC計(jì)劃采納了NRC報(bào)告的大部分建議：同時(shí)向NASA員工及其團(tuán)隊(duì)開放入口，促進(jìn)了NIAC研究向其他NASA項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化；保留了同樣的通用遴選過程，高度依賴但不僅限于非NASA同行評(píng)審人員；增加了兩個(gè)階段的資助金額。

2 NIAC計(jì)劃及遴選原則

NIAC計(jì)劃概述

NIAC鼓勵(lì)社會(huì)各界非附屬個(gè)人或其他教育機(jī)構(gòu)、商業(yè)或非盈利組織、研究型實(shí)驗(yàn)室、專業(yè)機(jī)構(gòu)或NASA各中心（包括噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）的附屬個(gè)人提交建議書。主申請人必須為美國公民或在美國工作，但允許非美國組織參與，須遵守NASA關(guān)于外國參與的政策。

NASA通過同行評(píng)審程序遴選建議書，對創(chuàng)新性和技術(shù)可行性進(jìn)行評(píng)估。所有項(xiàng)目都處于早期開發(fā)階段，大多數(shù)都需要10年或更長時(shí)間的技術(shù)培育期，而且都不是NASA的官方任務(wù)。一般來說，NIAC計(jì)劃按照三個(gè)階段資助創(chuàng)新性宇航概念方案。

各階段遴選原則

第一階段主要關(guān)注前瞻性概念方案的早期可行性研究。為此，第一階段研究必須滿足：

1）宇航領(lǐng)域體系級(jí)、任務(wù)級(jí)或系統(tǒng)級(jí)概念方案。宇航領(lǐng)域包括在陸地或地外環(huán)境中與航天和航空有關(guān)的活動(dòng)。

2）在任務(wù)環(huán)境中進(jìn)行分析。任務(wù)環(huán)境包括體系架構(gòu)、科學(xué)目標(biāo)、操作、后勤、系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)等，這些構(gòu)成了詳細(xì)的創(chuàng)新性。

3）創(chuàng)新且有較大潛在影響。使全新的任務(wù)成為可能或大大改善其執(zhí)行力度，或提供能力上的巨大飛躍。

4）可信且合理。技術(shù)上可靠、可實(shí)現(xiàn)；必須至少說明一條進(jìn)一步發(fā)展和最終實(shí)現(xiàn)的合理途徑。

5）非常早期的開發(fā)階段。技術(shù)成熟度（TRL）為1～2或3初期；瞄準(zhǔn)10年以上出成果。

創(chuàng)新性宇航概念方案的三個(gè)階段

第二階段繼續(xù)探索和開發(fā)已經(jīng)通過第一階段評(píng)審的概念方案，首要目標(biāo)是研究與成本、性能、研發(fā)時(shí)間和關(guān)鍵技術(shù)有關(guān)的可行性問題。

第三階段采用四個(gè)同等權(quán)重的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估：

1）創(chuàng)新性和效益。同之前階段所述。

2）過往實(shí)績。充分描述NIAC第二階段研究中獲得的關(guān)鍵成果，包括所提概念方案的起止技術(shù)成熟度，以及當(dāng)前技術(shù)成熟度的依據(jù)。確定在第三階段研究中必須解決的關(guān)鍵差距。

3）擬議里程碑。給出適當(dāng)?shù)牡谌A段里程碑，已解決前述工作中確定的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)差距，并給出每個(gè)關(guān)鍵里程碑的預(yù)估完成日期。

4）轉(zhuǎn)型策略。概述了將第三階段研究成果轉(zhuǎn)化為未來NASA任務(wù)或項(xiàng)目的現(xiàn)實(shí)策略，并說明為什么NIAC資金是支持成功轉(zhuǎn)型所必需的。轉(zhuǎn)型策略包括在第二階段研究期間或之后確定的潛在合作伙伴。

3 NIAC資助項(xiàng)目概述

NIAC已資助項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

2011－2020年NIAC資助研究項(xiàng)目分類細(xì)目（按主申請人所屬機(jī)構(gòu)類型）

1998年2月－2007年，NIAC在研究所時(shí)期共收到1309份建議書，并授出了126項(xiàng)第一階段資助基金和42項(xiàng)第二階段合同，總價(jià)值2730萬美元；2011－2020年，新NIAC時(shí)期已資助224項(xiàng)研究（第一階段156項(xiàng)，第二階段65項(xiàng)，第三階段3項(xiàng)）；2020年，NIAC選出了23項(xiàng)可能具有顛覆性的概念方案，總獎(jiǎng)金為700萬美元，其中16項(xiàng)為新概念方案（第一階段），另7項(xiàng)為之前獲選過的方案（第二、三階段）。

NIAC向所有與NASA相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域開放，雖然很難嚴(yán)格分類，但NIAC一般將建議書分為以下幾個(gè)主要領(lǐng)域：

1）運(yùn)輸，包括從地球到軌道、太空中飛行、進(jìn)入/下降/著陸、基礎(chǔ)設(shè)施和航空學(xué)；

2）載人探索，包括環(huán)境控制、輻射緩解、居住地和基礎(chǔ)設(shè)施；

3）機(jī)器人技術(shù)，包括機(jī)動(dòng)和樣品采集；

4）科學(xué)，包括使天文學(xué)、天體物理學(xué)、行星科學(xué)、太陽物理學(xué)和地球科學(xué)任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)或顯著增強(qiáng)的創(chuàng)新技術(shù)；

5）其他，包括導(dǎo)航、電源、通信、結(jié)構(gòu)和小行星/軌道碎片緩解等領(lǐng)域，如果它們沒有直接映射到上述定義的區(qū)域之一。

NIAC計(jì)劃成果

最初在NIAC計(jì)劃下開發(fā)的幾個(gè)技術(shù)概念方案已經(jīng)取得了顯著成功，或獲得了額外的外部資金，或提交了專利，或成立了致力于實(shí)現(xiàn)新型宇航能力的新創(chuàng)業(yè)公司。例如，開發(fā)出一種新型高反射性涂層材料，以實(shí)現(xiàn)極端熱防護(hù)和深空低溫；核聚變概念方案獲得超過100萬美元的ARPA-E基金用于進(jìn)一步開發(fā)；超長持續(xù)時(shí)間的銀河/銀河系外ULDB光譜太赫茲觀測站（GUSTO）氣球任務(wù)將于2021年發(fā)射，結(jié)合了NIAC“大型氣球反射器”技術(shù)；“突破攝星”計(jì)劃基于先前NIAC定向能概念方案研究；成立了航天運(yùn)輸公司（Trans Astronautica）等幾家新公司，分別在小行星采礦架構(gòu)和地外行星建造技術(shù)開發(fā)中處于行業(yè)領(lǐng)先地位。隨著直接聚焦于技術(shù)應(yīng)用的第三階段新研究機(jī)會(huì)的到來，預(yù)計(jì)NIAC概念方案向任務(wù)現(xiàn)實(shí)的成功轉(zhuǎn)型必然會(huì)加速。

進(jìn)入第三階段的概念方案

到目前為止，已有3項(xiàng)概念方案進(jìn)入第三階段研究，其中一項(xiàng)由NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）提出，另兩項(xiàng)由商業(yè)公司提出。

（1）利用太陽引力透鏡對系外行星進(jìn)行直接多像素成像和光譜分析（2020年第三階段）

太陽引力透鏡望遠(yuǎn)鏡對系外行星成像示意圖

太陽引力透鏡（SGL）具有顯著的特性：提供了高達(dá)約1011倍亮度放大倍數(shù)和極高的角分辨率（約10-10弧秒）。該項(xiàng)目在NIAC前兩個(gè)階段的創(chuàng)新性包括：①證明了太陽引力透鏡望遠(yuǎn)鏡對類地宜居系外行星進(jìn)行高分辨率、多像素成像的可行性；②設(shè)計(jì)了用于探索星際介質(zhì)的小衛(wèi)星群體系結(jié)構(gòu)，允許在任務(wù)中同時(shí)觀測外太陽系的多顆行星/衛(wèi)星；③設(shè)計(jì)了低成本的太陽電池翼推進(jìn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)任務(wù)所需的太陽系逃逸速度。經(jīng)過前兩個(gè)階段研究，研究團(tuán)隊(duì)確定大部分基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)存在或處于中等成熟度。第三階段建議書將繼續(xù)填補(bǔ)技術(shù)成熟度缺口，并使任務(wù)概念方案更加成熟。

（2）自動(dòng)勘探月球坑的機(jī)器人技術(shù)（2019年第三階段）

目前已經(jīng)完成的行星表面巡視往往由大型、緩慢的機(jī)器人花費(fèi)數(shù)年時(shí)間實(shí)現(xiàn)，但規(guī)模小、時(shí)間短、數(shù)據(jù)有限的月球任務(wù)需要快速、自主的微型巡視機(jī)器人技術(shù)。該項(xiàng)目在NIAC前兩個(gè)階段的技術(shù)創(chuàng)新性主要包括：勘探自主性、原位三維建模、快速遠(yuǎn)距離微型巡視和實(shí)現(xiàn)一周內(nèi)任務(wù)的綜合手段；其潛在的效益包括：行星表面自主性飛越，現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)產(chǎn)品，所有表面任務(wù)相關(guān)的快速遠(yuǎn)距離巡視；從實(shí)際任務(wù)中獲取科學(xué)認(rèn)識(shí)；與其他月球著陸任務(wù)的相關(guān)性。

（3）演示驗(yàn)證Apis任務(wù)架構(gòu)和光學(xué)采礦技術(shù)的“迷你蜂”樣機(jī)（2019年第三階段）

演示驗(yàn)證Apis任務(wù)架構(gòu)旨在革新NASA的載人深空探索，并使大規(guī)模的空間產(chǎn)業(yè)化和人類定居成為可能。Apis通過公私合作伙伴關(guān)系（PPP）方式和一系列發(fā)明（包括光學(xué)采礦小行星資源采收方法、Omnivore太陽熱能推力器和新型航天器架構(gòu)）來實(shí)現(xiàn)。任務(wù)由NIAC、NASA新興太空辦公室和NASA“小型企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）計(jì)劃聯(lián)合資助。在前兩個(gè)階段研究中，該項(xiàng)目技術(shù)成熟度已從1～2提高到3～4。

4 結(jié)語

NIAC重視技術(shù)敏銳性和想象力，鼓勵(lì)研究人員和研究機(jī)構(gòu)跳出固有的思維模式，發(fā)揮創(chuàng)造性。NIAC的主要任務(wù)是從NASA內(nèi)部、外部以及宇航科學(xué)領(lǐng)域之外搜尋原始創(chuàng)新的解決方案，以克服未來科學(xué)和探索任務(wù)所面臨的挑戰(zhàn)，在航天事業(yè)中實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

NIAC研究的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)就是這些概念方案是在航天任務(wù)環(huán)境中接受評(píng)估的，而不是直接資助某項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)，主要關(guān)注點(diǎn)是確定可行性并與現(xiàn)有任務(wù)/概念方案比較性能?；A(chǔ)技術(shù)或概念方案在任務(wù)環(huán)境中的執(zhí)行必須在技術(shù)上是可行的，并以堅(jiān)實(shí)的科學(xué)和工程原則為基礎(chǔ)。NIAC概念方案通常基于新技術(shù)，但也可以基于現(xiàn)有技術(shù)，以全新的創(chuàng)新方式應(yīng)用于任務(wù)，例如將通常應(yīng)用于非宇航領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用于NASA任務(wù)環(huán)境。

在NASA內(nèi)部和美國各地都有很多宇航研究和技術(shù)項(xiàng)目，但NIAC確實(shí)有其獨(dú)特性。雖然科學(xué)家和工程師通常被限制在循序漸進(jìn)的框架中，但NIAC鼓勵(lì)研究人員變得大膽和富有想象力。NIAC計(jì)劃吸引了科學(xué)界、獨(dú)立研究人員、政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和普通公眾的廣泛參與，通過各種媒體渠道報(bào)道了眾多科學(xué)學(xué)科的概念方案。NIAC的傳播和推廣也吸引廣大學(xué)生參與教育宣傳活動(dòng)，鼓勵(lì)年輕一代從事科學(xué)、技術(shù)、工程行業(yè)，激勵(lì)下一代敢于夢想，敢于挑戰(zhàn)。