美创新先进概念项目聚焦深空探测

文/ 杨开

美国宇航局的创新先进概念（NIAC）计划创立于1998年，旨在开发颠覆性的前沿探索技术，变革美国宇航局的空间探索方式，重点服务于美国宇航局未来的空间探索任务。创新先进概念计划资助对象以大学、小型创企和研究中心为主，在第一阶段会提供约12.5万美元的资金，开展方案原理和可行性研究。如果项目有深入研究的价值，美国宇航局会在第二阶段提供50万美元的经费支持，进一步验证技术方案，评估其在未来探索任务中的应用前景。美国宇航局从2019年启动美国宇航局第三阶段项目，为一到两个项目提供200万美元的经费，实现技术孵化和转移应用。

2020年4月，美国宇航局公布了本年度入选“创新先进概念”的23个项目。在明确以月球为跳板的深空探测计划，即“阿尔忒弥斯”之后，NIAC计划下的项目也变得更有针对性，能够支持月面的长期驻留探测，以及未来的火星探测。与此同时，NIAC计划也在为更遥远的太阳系和太阳系外探索活动打前站，征集了众多创新方案。本文针对其中10个与航天领域密切关联的创新方案进行简要说明，涉及新型飞行器方案、创新动力、原位资源利用以及太空药店等，希望带来一些启发。

▲ 超材料太阳帆的示意图

超材料太阳帆——实现深空探测任务的突破

美国宇航局一直在致力于拓展深空探测的范围，通过对太阳系边缘和太阳系外的星际空间开展探测，来更深入地研究关于宇宙起源的问题。然而受制于现有的航天动力技术，系外探测任务需要投入庞大的经费和时间成本。以2013年和2018年分别飞离太阳系进入星际空间的旅行者1号和旅行者2号探测器为例，都在1977年发射，分别用36年和41年才飞离太阳系，两个项目的成本加起来接近9亿美元。加州大学提出“超材料太阳帆”很可能会出改变现有的任务模式，能够以较低成本实现需要高速度的深空任务，而且不受发射时间和发射地点的限制。“超材料太阳帆”速度能够达到每年60个天文单位，是“旅行者1号”速度的20倍，能够5个月内飞抵木星，10个月飞抵海王星，两年半的时间追赶并超越“旅行者1号”。而且，“超材料太阳帆”承受高温环境的能力非常强，能够抵近太阳，最近距离为2到5个太阳半径。加州大学将在该项目下挑战材料的极限，开发出每千克质量展开成1000平方米的超薄太阳帆。

火星上的燃料原位制造——为载人探火任务补充燃料

人类正在扩展在太阳系的活动范围，火星是最重要的目的地之一，而推进剂是能够在火星居住探索和实现行星际运输的关键。乔治亚州科技研究公司提出利用转基因生物将火星大气层中的二氧化碳转为含氧碳氢化合物，作为燃料，为火星上的活动提供能源，也可以作为从火星出发时采用的推进剂。该公司准备在火星上利用少量的水资源培育藻类，藻类在光照条件下消耗二氧化碳不断生长，用以喂养经基因改造的微生物，最终生产出燃料。该公司重点开展熔点较低的C3-C4二元醇（零下36摄氏度）开发，能够在火星的低温条件下以液态形式存储和使用。之后，公司再针对候选燃料开展测试，并开发相应的生物系统。

▲ 利用生物技术和火星大气层中的二氧化碳制造燃料

脉冲式等离子体火箭——人类能快速抵达火星的方式

为了能够更高效、更快速地将人员和货物运抵火星，要求动力系统在达到高比冲的同时，还必须具有比较大的推力，前者保证效率，后者实现速度。不过，现有高比冲动力形式的推力一般都比较低，例如美国宇航局在研的“先进电推进系统”比冲为2900秒，但是推力仅为2.3牛。美国Howe公司提出“脉冲式等离子体火箭”方案，比冲5000秒，推力达到89千牛。该方案源于美国宇航局的“脉冲式裂变-聚变”方案，采用Z箍缩压缩裂变-聚变目标，产生的爆燃在带磁场的喷管内传播，从而产生推力，并为下一轮脉冲补充能量。“脉冲式等离子体火箭”方案的结构更小、更简单，而且成本更低。而采用这种动力方案，只需要3个月就能从地球到达火星。

▲ 脉冲式等离子体火箭的概念图

星际航天器反物质减速——实现对类地行星的探测

反物质推进技术作为一种先进的推进技术，能够实现非常高的比冲。Hbar技术公司此前就在NIAC计划开展过多年的研究，该公司今年再次提出利用反物质减速实现对类地行星的探测，不过重点并非聚焦在反物质推进技术上，而是要设计任务框架，实现对类地行星——“南门二”三体星系中的“比邻星B”的探测，这是目前已知的距离地球最近的宜居星球。

按照Hbar技术公司的任务设想，探测器采用两级结构，重量为10千克级别，利用反物质推进系统加速至光速的1/10，之后一二级分离。一级通过垂向的小幅加速变轨后，实现对“南门二”三体星系的飞掠探测。二子级利用反物质减速后，释放自身携带的上千个“芯片载荷”（质量仅有1克左右），在“南门二”三体星系内开展深入探测和研究，并向地球传回探测数据。Hbar技术公司认为利用反物质推进系统不仅能够为探测器提供足够的加速和减速能力，还能够为系统通信和探测等功能提供充足的电源。

▲ Hbar技术公司提出的反物质推进航天器概念图

临时着陆平台——用于“阿尔忒弥斯”任务的月球着陆

作为“阿尔忒弥斯”计划的第一步，美国首先将在2024年实现载人重返月球，相比“阿波罗”重约10吨的着陆器，“阿尔忒弥斯”的月球着陆器将达到20～60吨。伴随着着陆器规模的大幅提升，反推着陆时发动机羽流造成的影响会更严重，包括被羽流喷射起的高速溅射物可能会损坏着陆器，羽流甚至会在着陆地点造成柱状深坑，影响着陆成功率。

Mastern航天系统公司的“飞行中氧化铝喷雾技术”能够在着陆器下降过程中，在正下方形成临时着陆平台，消除发动机羽流的影响。该技术通过在发动机羽流中混合特殊的颗粒，从而在着陆区域形成硬化涂层，具有更高的抗热和抗烧蚀性能，有效防止着陆区被侵蚀形成深坑。相比固定的着陆平台，临时着陆平台灵活性更好，可以根据需要调整着陆地点。而且，按照Mastern航天系统公司估计，不用建设固定着陆平台，至少能够节约1.2亿美元。

先进气动捕获系统——帮助实现大型高速行星探测器

▲ 航天器通过气动捕获进入轨道的示意图

气动捕获是利用行星大气产生的气动力，降低轨道能量，实现向目标环绕轨道的转移，也就是探测器通过穿越大气层来减速，进入行星的环绕轨道。相比化学推进和电推进等方式，能够大幅提高探测器的质量，例如土卫六轨道探测器的质量可提高280%。而且，相比传统的化学推进入轨方式，每千克的任务成功能够降低32%。不过，探测器要利用气动捕获技术实现入轨，要求其具有比较好的升阻比特性和热防护系统，对于探测器设计是非常大的挑战。

为了解决上述问题，美国宇航局兰利研究中心在“先进气动捕获系统”项目中，提出在探测器的鼻锥附近安装磁铁，来增加弓形激波脱体距离，以大幅降低驻点热通量，从而降低对探测器热防护系统的要求。兰利研究中心估计，采用“先进气动捕获系统”可以将载人火星任务的飞行时间从3个月缩短到39天，飞行至火星附近后利用火星大气层减速，完成入轨捕获。

太空药房——为太空中的人类提供基本的医疗保障

随着人类在太空活动范围越来越大，驻留时间越来越长，疾病将成为必须要面对和解决的问题。然而，很多药物在地球上就存在不稳定性，有一定的保质期，如果面对太空中更严苛的环境，更难保证其长期有效。因此，美国宇航局埃姆斯研究中心提出在太空中按需制造药物的方案——“太空药房”。

“太空药房”主要是针对肽和蛋白类的生物医药，因为这些药物能够有效治疗航天员可能在太空中遇到的各类疾病，包括栓塞、出血、肾结石、骨质流失等。不过，即使在冷藏条件下，基于蛋白质的生物药剂也只能保存6个月。埃姆斯研究中心提出在太空中量身定制这类药物的方案。在起步阶段瞄准非糖基化的生物医药，利用能够适应太空环境的孢子形态细胞，以及基于实验室标准改造的轻质小型生态系统，在发射前对细胞进行基因工程改造，就可以在太空中通过添加无菌培养基来生产生物医药。“太空药房”的终极目标是摆脱细胞，直接采用无细胞的转录/翻译系统生产药品。这种按需制造药品的方式能够解决因为保质期或空间辐射导致药物失效的问题，以最低的成本和资源投入保证太空中的人类健康。

▲ “太空药店”在太空中按需制造药品

BioBot——为航天员减少负载，更高效地开展探测活动

航天员抵达月球、火星等目的地后，需要穿着厚重的舱外航天服才能开展探测活动，使得活动效率大幅降低。因此，马里兰大学在2108年创新先进概念计划下提出“BioBot”（意为生物机器人）项目。跟随航天员的机器人为其提供生命维持系统，机器人与航天员之间通过自动对接脐带连接。机器人能够在很大程度上减少航天员的负载，提供更多的补给，从而实现更远距离、更长时间的舱外活动。马里兰大学给出了一个非常直观的例子，“阿波罗”计划的A7L-B舱外航天服重192千克，但是仅能够支持6小时的舱外活动，而BioBot则能够大大延长这样的活动周期。

随着美国实施载人重返月球，BioBot再次得到重视，入选2020年创新先进概念计划第二阶段项目。马里兰大学计划重点研究自动脐带系统，同时获取更多月球探测任务相关的数据来改进系统，并通过试验来验证出舱活动。

▲ BioBot的示意图

超轻质核电动力探测器——利用小型蜂群探测器开展深空探测

核电推进系统完全依靠自身携带的能源，能够将探测器送往太阳能覆盖不到的空间，不过反应堆质量通常都比较大，一般都倾向用于大型深空探测任务中。如果能够将核电推进系统缩减到足够小的规模，使其能够利用小型运载火箭发射，那么就可以把小卫星技术和核电推进的长寿命特点结合起来，对太阳系内任意位置开展探测。为此，Howe工业公司在2019年的创新先进概念计划下提出“基于先进热电发电机和反应堆的蜂群探测器”（简称“SPEAR”）系统方案，采用新型轻质反应堆调节器和先进热电发电机，大幅缩减推进系统的核心质量。SPEAR采用1100千克的航天器平台（包括推进剂质量），可以将10颗重7千克的小卫星送入木卫一的卫星轨道上，而上述平台可利用米诺陶4等商业火箭进行发射。

Howe工业公司已经从理论上证明“先进热电发动机”能够实现极高的效率。NIAC计划在2020年第二阶段研究中将继续支持Howe公司构建“先进热电发动机”的工作单元，利用试验环境下的核反应堆验证其工作效率。

▲ SPEAR探测器的概念图

月球极地推进剂开采站——月表长期探测活动的基础设施

为了实现月球表面的长期驻留，需要在原位资源利用技术上进行突破，为此TransAstra公司在2019年的创新先进概念计划下开展了“月球基地推进剂开采站”（简称“LPMO”）的研究项目，并得到2020年创新先进概念计划第二阶段的支持，说明这种方案具有一定应用前景。而该公司提出LPMO建设方案是基于两个前提。首先是对月球表面地形的特点，即在近极地的小型月坑内，会有大片处于极夜中永久冻土，但在月坑上方数十米到数百米的高度上，则是极昼区。在这种地形条件下，可将开采站建在永久冻土区，同时设置高100米左右的塔架，其上安装折叠太阳电池板，利用极昼条件为开采活动持续提供电力。其次，该公司的“辐射气体动力”（RGD）开采技术能够通过月球开采车上的无线电、微波和红外辐射等方式加热冻土区或冰层，其中的水受热挥发后，通过低温冷却装置回收，以液态存储下来。

“TransAstra”估计，利用“蓝色起源”的新格伦或者美国宇航局的SLS重型火箭，可以发射2～5吨重的月球开采车，开采车的液态水年开采能力约是其自重的20～100倍。

▲ 月球极地推进剂开采站的方案架构示意图

尽管“创新先进概念”项目的经费并不多，而且大多数方案的技术成熟度都非常低，处于理论研究和原理验证阶段，甚至还有一定的科幻色彩，短期内很难向工程实践发展，但是这类小型创新项目，在培育新技术萌芽，促进航天技术的颠覆性发展方面却有非常积极的意义。在美国明确重返月球和载人探火的目标后，这类创新活动所发挥的作用更为显著。“创新先进概念”计划下的创新方案均是以前沿技术领域的最新进展为基础，同时结合大胆的任务规划，建立起全新的飞行器构型、部署形式和任务架构。而这些大胆和创新的基础研究，可能会在某一天成为现实，支撑各种当前看似不可能实现的空间探索任务。因此，在探索未知的深空领域，这种经费规模“小”但是研究内容却非常“大”的创新研究计划，非常值得借鉴。