作者：蒋迅 NASA之所以能在航天领域保持领先地位，一个重要的因素就是它重视创新技术的研究。没有新思想就没有新奇迹。为此，NASA有一个“创新先进概念计划”（ Innovative Advanced Concepts ，NIAC），专门资助那些极有可能对NASA的航空和空间研究和探索具有革命性影响力的新概念。这些项目里有一期和二期两类。对二类的资助额会比一期项目多很多，但必须是以一期项目的成果为基础。 2012年8月，NASA的这个计划宣布了其2012年的奖项，其中有18个新的一期项目和10个二期研究奖项。这一次，每个一期项目获得10万美元资助，每个二期项目获得50万美元。时间是一年。一年后，他们必须向NASA提供总结报告。本文介绍其中一些项目，让读者了解NASA是如何通过推动众多创新的航天概念来实现自己未来目标的。 先介绍几个一期项目。 一、开采小行星 Robotic Asteroid Prospector (RAP) Staged from L-1: Start of the Deep Space Economy 一个单一的 M-型小行星 可能含有价值数十亿美元的铁，镍和铂族金属。这或许可以解释为什么NASA给“空间框架”( space architecture ) 领域的少数几个研究人员之一马克·科恩 (Marc Cohen) 十万美金去寻找如何开采的办法。在理想的情况下，一个环绕金星的轨道天文台将确定有价值的金属小行星。然后，宇航员会从地球轨道搭乘商业运输飞船出发，部署使用太阳能电源来驱动其气动钻机和热加工设备的小行星探矿机器人 ( robotic asteroid prospector ，RAP)。项目执行人科恩博士是基于硅谷帕洛奥图市的独立研究员。 项目重点是设计出一个小行星开采机器人的飞船和任务，其中包括四点：1，任务设计，包括从地月的一个拉格朗日点到小行星及回程所需搭载，2，航天器的设计包括推进与任务操作， 3，微重力和真空操作条件下的采矿技术，以及4，如何将这些步骤集合成一个小行星采矿的商业方案。这个系统即可以使用机器人也可以是载人的。在第一阶段将提出这个系统的原型和飞船和任务各种选择。在第二阶段将进行硬件设计。这个项目将对开采金属小行星和碳质小行星的可行性做出评估，对地月之间的拉格朗日点的选择做出评估，对航天器做出初步设计并对微重力和真空环境的探，开采，选矿系统做出初步设计。 二、超级球机器人 Super Ball Bot - Structures for Planetary Landing and Exploration 以每小时98英尺的的平均时速在火星表面行驶的“好奇号”火星车是不会赢得任何“ 美国全国运动汽车竞赛 ”( NASCAR ) 的比赛的。将来，来了能迅速到达更为广泛的行星和它们的卫星表面，NASA可能一次性地携带成百上千个小而轻的超级球状机器人 ( Super Ball Bot ) 到目标行星或卫星，在轨打开这些机器人并投射到地面上。这样就可以在短时间里同时探索多个目标。 这个技术是巴克明斯特·富勒 (Buckminster Fuller) 根据张拉整体发展的原则开发的。这些机器人，完全由互锁杆和缆绳制成，可以从航天器上投下，然后像机械风滚草一样在行星上行走。它们没有刚性连接，这意味着他们即灵活又难以受到破坏。对于象土卫六这样的星球，由于人类对其地表不熟悉，所以这种灵活而又结实的机器人就更能大显身手。不过，要想一次性投放如此多的机器人到星球地表，象投放好奇号火星车那样利用反向火箭、降落伞和气垫球来降落的方式就无法胜任了。这个项目希望开发出一种完全基于“张拉整体”的轻型且能经受强烈冲击的机器人，以减少降落过程中的环节。另外，科学家们还在努力寻找在地球上控制它们的方式。项目执行人是NASA艾姆斯研究中心的阿德里安·阿古基诺 ( Adrian Agogino )。 三、多功能水墙 Water Walls: Highly Reliable and Massively Redundant Life Support Architecture 如果庞大且复杂的国际空间站上的生命支持系统的一部分坏了，人们还是有一个相对容易的（但可能昂贵的）的方式来解决它的，那就是派一个飞船从地球送去备件。然而在漫长的奔赴火星的旅程上的宇航员们则没有这样的选择。所以必须开发一个比国际空间站更简单，更可靠的经济有效的生命支持系统。水是生命的最关键的条件。大自然中在净化大气层、净化海洋和生长生命的过程用的是机械被动的方法，无须象国际空间站上那样要有一个压缩机，一个蒸发器，氢氧化锂滤毒，制氧机，尿液处理器。而在星际中的航天器上的这些生命支持的机电系统由于长期不停地使用而容易发生故障。冗余系统会使得航天器过于沉重庞大且造价昂贵。 水墙的概念就应运而生了。科学家们希望开发一种能象大自然发挥多种作用的水墙，它取代复杂的带有著如正向渗透地传输流体，去除二氧化碳，活化氧气，回收尿液，处理固体废物和在宇航员需要时繁植藻类等多种单元的机械系统。项目执行人是NASA阿姆斯研究中心的迈克尔·弗林 ( Michael Flynn )。 四、木卫二海洋巡航器 Exploration of Under-Ice Regions with Ocean Profiling Agents (EUROPA) 相比火星而言，木星的卫星 木卫二 ( Europa ) 是一个更值得探索的星球，因为如果在我们的太阳系中有外星生命的话，木卫二的海洋中的某个地方有很大的可能。那就去那里探索好了。但麻烦是，这些海洋是我们地球上海洋的三倍体积而且隐藏在数千米深的冰壳下，冰表面的温度大约只有-170摄氏度。弗吉尼亚理工大学的研究人员希望使用熔体探头探索木卫二的海洋，他们把这种探头形容为“基本上是用一个沉重的加了热的鱼雷，”去渗透冰层，然后释放自由游动的的巡航器在海洋中巡航，并以某种方式将信息发送回地球。弗吉尼亚理工学院暨州立大学的雷·迈克酷 ( Leigh McCue ) 教授主持这个 项目 。项目一期的目标有四点：1，寻找一个基于现有技术的探索木卫二的技术路线图，2，开始一个初步的木卫二海洋探索机器人设计，3，比较单一机器人和机器人群的得失；4，展望未来探索的时间表。 五、金星上的风车 Venus Landsailing Rover 与金星相比，火星可以说是一个天堂。可能很多人不知道，人类发往金星的探索火箭其实比到火星的更多。只是在金星表面降落的探测器都是静止的仪器，而且在金星表面至多“存活”了几十分钟。象火星车那样的金星车还是一个可望而不可及的事情，它将意味着技术上的突破。与地球体积相近的金星这个太阳系的第二颗行星经受着450摄氏度的平均气温和充满腐蚀性气体的大气层。NASA已经开发出了一种传感器，能在450摄氏度的高温下正常工作。太阳能电池也有了，不过发电量非常低。所以在极小电量供应条件下驱动金星车就成了一个关键课题。杰弗里·兰迪斯 ( Geoffrey Landis ) 和他在NASA格伦研究中心的团队的想法是：既然金星上有风，尽管是很微弱的风，它们还是可以利用金星上微弱的风做动力的风帆来产生动力，因为那里的大气压是地球上的五十甚至上百倍。这项技术是前人从未在地球之外的地方尝试过的。如果成功的话，也许我们将在十年后看到金星车载金星表面漫游了。项目执行人是NASA格兰研究中心的杰弗瑞·兰迪斯 ( Geoffrey Landis ) 博士。 六、四星镖形概念飞机 Silent and Efficient Supersonic Bi-Directional Flying Wing 如果你住在机场附近，你可能会庆幸超音速商用喷气式飞机是不符合规范的，否则超音速飞机带给你的噪音将难以忍受。这是因为亚音速飞行的飞机所遵循的空气动力学与超音速飞行飞机的空气动力学不一样，超音速飞机在从亚音素到超音速提升时会产生响亮的音爆。能不能让一架飞机在不同的时速里采用不同的形状来提高效率和降低噪音呢？这样的研究早就有过。过去人们主要的想法是保持机身不变而让机翼在亚音速和高音速上采用不同的形状。但试验飞行效果不太好，而且机翼与机身相接处的连接处也过于复杂。迈阿密大学的 查戈成 ( Gecheng Zha ) 找到了一个潜在的解决方案：制造一个亚音速的但在飞行过程中可旋转90度变成超音速并保持安静和高效率的飞机。这种方法巧妙地解决了机翼和机身衔接处的复杂技术问题。这个模星飞机的机翼特别长，以获得起飞时的升力。但当速度达到音速时，这种机翼就会产生大量阻力。所以将飞机转90度，把机身变为机翼，从而减少阻力。由于它的形装类似于忍者飞标，所以人们把它称为四星镖形概念飞机。查戈成福建夏门人，在西北工业大学获得学士、硕士学位，后到北航动力工程系攻读博士，就读期间经陈懋章院士推荐到加拿大蒙特利尔大学攻读博士学位，并于1994年获得博士学位，现职美国迈阿密大学教授和航空空气动力学研究中心总监。这个项目的一期阶段将主要利用计算流体力学的模拟来改进设计，然后进行风洞试验。 七、地外行星光谱全息光学 HOMES - Holographic Optical Method for Exoplanet Spectroscopy 寻找地外行星的特殊要求包括望远镜光圈的前所未有的角分辨率和灵敏度。然而，如果人类不能消除地外行星所围绕的恒星的眩光的话，这个努力甚至无法开始。好像这还不够，可居住行星的发现必须有足够精致的光谱分析能力。NASA没有放弃这个先决条件。“天文学和天体物理学报”的十年调查说得很清楚，发现的太阳系外行星必须包括光谱成分。然而，现在还没有寻找适合居住的行星的光谱仪，也少有这类的计划。HOMES（Holographic Optical Method for Exoplanet Spectroscopy，地外行星光谱全息光学方法）是一个旨在达到所有这些标准的太空望远镜。它的双色散结构以全息光学元件作为主要目标，并配以一个新的二次光谱干涉仪。与反射镜和透镜不同的是，全息图是薄而平的。他们可以在薄薄的游丝膜上制造，并可以在数千平方米的空间上延伸。这就提供了为捕捉来自象系外行星那样的非常微弱的来源的光子的集热器所需的规模，并把它们对准到一个焦点上。因为全息光学的聚焦来自色散的过程，它们从本质上是形成其图像的成分组成的丰富信息的光谱。在加上一个陷波滤波器来让恒星暗淡以便利用光谱图像的优势，HOMES是一个强调对寻找适合居住的行星地球30光年范围内的要求的概念。项目执行人是 3DeWitt 创始人托马斯·迪图 ( Thomas Ditto )。 八、深空纳米卫星 NanoTHOR: Low-Cost Launch of Nanosatellites to Deep Space 为了实现频繁地和低成本地将纳米卫星发送到地球轨道之外的目的地，Tethers Unlimited公司(TUI) 拟开发“系绳纳米卫星高轨道释放”（Nanosatellite Tethered High-Orbit Release，NanoTHOR）模块。多个纳米卫星作为二次有效载荷由顶级火箭发射到地球同步轨道上，然后这个模块用高强度系绳把纳米卫星延伸出去，并利用火箭剩余推进剂将系绳旋转起来。加速转动的系绳将角动量从模块转移到纳米卫星上，纳米卫星的 ΔV 增加，结合高比冲推进和短时间的轨道过渡，将纳米卫星推至地球逃逸轨道上去。任务完成后，系绳可以回收并在将来再次使用并减少太空垃圾。由于这个模块和纳米卫星是作为二次有效载荷送到地球静止轨道上的，所以减少了费用并使这项技术具有竞争力。成功之后，NASA就可以以低成本推出低成本纳米卫星纵队进入日心轨道，从而可以搜索近地天体，研究潜在的载人探索目标的小行星，提供太阳系临近预报，提供载人和非载人的超越地球轨道任务的通信中继。这项技术也是Tethers Unlimited公司提出的，执行人是罗伯特·霍伊特 (Robert Hoyt)。 九、大规模在轨施工工艺 SpiderFab: Process for On-Orbit Construction of Kilometer-Scale Apertures 在空间发射中，建立空间系统的工程成本，特别是那些有诸如天线和太阳能板等的系统是一个非常突出的开销。因为我们必须考虑搭载的体积和在空间里打开的技术问题。而且，航天器体积结构也因发射整流罩而受到很大的限制。虽然可扩展结构和可充气/可硬化的部件使得目前的系统可以在几十米的范围内组建，但是包装效率（packing efficienc）不足以让我们把范围扩大到公里范围。 这项技术提出了一个在轨大型结构和多功能组件的自动建设施工的过程。它基于一个全新的称为“SpiderFab”的添加剂制造技术，并结合熔融沉积成型技术（fused deposition modeling）。它可以迅速构建超大的、超强度的网格状结构，可以整合高强度材料和导电材料，从而使多功能空间系统组件（如天线）的建设成为可能。 SpiderFab技术使得人们可以将空间结构的构成材料非常紧凑地放进整流罩内，使得包装效率几近完美，而且在轨组装那些特为空间组装而优化了的结构。这项技术还允许如桁架之中的桁架那样的二级和更高级的层次结构。这样可以使得框架总质量比只有一层结构的框架大幅度减少从而使得部署的天线反射镜、相位阵天线、太阳能电池板和散热器大一到两个数量级。潜在应用包括在地球和太阳轨道上建设多个高增益天线以支持深空通信网络，寻找类地行星的长基线干涉测量系统，宇宙结构的亚毫米波天文。它还能这些空间结构可以在轨重新配置和修复，可以进行演变以使地球轨道上的太空垃圾和深层空间的小行星资源得到原位利用。这项技术的带头人还是Tethers Unlimited公司得罗伯特·霍伊特 ( Robert Hoyt )。 十、载人和深空行星轨道器的等离子大气俘获和再入系统 A Plasma Aerocapture and Entry System for Manned Missions and Planetary Deep Space Orbiters 航天探索的研究表明，载人火星任务和深空行星轨道器需要利用气动阻力来采取气动煞车和大气俘获以减慢飞船速度。能够利用大气来减速并捕捉航天器的能力将极大地降低未来的任务的成本，升空质量，并使得对外行星和卫星的长期研究更为现实。等离子磁罩气动煞车和大气俘获和以此为出发点的再入系统（ Plasma Magnetoshell Aerobraking, Aerocapture, and Entry System，或Magnetoshell AAES）有希望在显著减少所需质量的同时显著增加制动阻力和控制，从而达到这些目的。气动煞车通过采用固体导流板或气罩作为轨道插入和行程环形轨道的一种方法已经在过去成功地证明，而且可以节省50％的质量。为了减少摩擦生热和动压对通常脆弱的气罩的影响，制动必须在空气密度较小的高海拔区域里通过多次轨道飞行来实现。等离子磁罩有实验结果印证。如果成功的话将极大地减少任务风险、发射成本、发射质量和整体辐射暴露。等离子磁罩是高贝塔偶极等离子体形状，最初的形成依赖于周围的大气。该等离子体利用一个无极的旋转磁场（Rotating Magnetic Field，或RMF）来形成、保持并扩展。这种磁场已在过去的实验中证明可以所需的完全电离的、高温磁化的等离子体。RMF形成的等离子体诱导出等离子体中不断膨胀的大电流，从而维持一个大规模的磁结构。于是，主要阻力诱导就产生于完全电离的磁化的等离子体与周围中性大气颗粒之间的电荷交换。这项技术是 MSNW 公司的大卫·科雷 (David Kirtley) 申请得到资助的。 前面说过，获得资助的一期项目一共有18个。我在这里介绍了其中的10个。另外八个项目是：“利用电磁和多星球引力在行星系中漫游”（ MAGNETOUR: Surfing Planetary Systems on Electromagnetic and Multi-Body Gravity Fields ）；“轨道彩虹：气溶胶的光学操纵和未来太空建设的开始”（ Orbiting Rainbows: Optical Manipulation of Aerosols and the Beginnings of Future Space Construction ）；“检测引力波的原子干涉测量”（ Atom Interferometry for detection of Gravity Waves-a ）；“从极端环境取样系统”（ Sample Return Systems for Extreme Environments ）；“表皮叮咬：一个分治法框架采样返回任务”（ The Regolith Biters: A Divide-And-Conquer Architecture for Sample-Return Missions ）；“固态空气净化系统”（ Solid State Air Purification System ）；“服务于革命性科学的太阳系逃逸框架”（ Solar System Escape Architecture for Revolutionary Science (SSEARS) ）和“服务于更好科学的更好的远程传感器”（ NIST in Space: Better Remote Sensors for Better Science ）。有兴趣的读者请直接到 NASA的网站 上去深入了解。
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