美国航空航天局创新空间技术管理与计划研究

国外航天 · 2016-11-22 23:48:17

美国航空航天局（NASA）的创新技术开发计划促成了许多重要的空间科学和探索任务，满足了其他政府机构的需求，培育了商业宇航企业，形成了以技术为基础的美国经济。展望未来，NASA必须继续开拓空间科学和探索的道路，提高国家创新能力和经济增长速度，主要通过为NASA发展方向和美国航天企业提供基础能力的技术开发活动实现。随着NASA承担越来越多富有挑战性的空间探索任务，明确和发展可以提高任务可负担性、安全性、可行性并最终使得人类能够探索从未到达过的目的地的技术至关重要。　　为提高未来载人航天任务的经济性、安全性、应用性和创新性，确保美国空间探索事业的可持续发展，美国重视技术创新水平，于2010—2015年相继出台了《NASA空间技术路线图草案》、《NASA空间技术路线图与优先级：重塑NASA的技术优势，为空间新纪元铺平道路》、《NASA空间技术战略投资规划》及2015版《NASA技术路线图》（草案）等一系列技术发展路线与投资举措，并于2013年成立NASA空间技术任务部，管理、研发、投资创新技术，确定NASA未来优先发展和重点投资的技术领域，带动空间探索技术的革命性变化。　　1. NASA创新空间技术发展战略演变　　美国始终将确保全球领导地位作为国家首要目标，在空间探索领域，NASA此前一直以任务驱动发展，在经历一系列政策演变后，NASA重新审视发展战略。由于资金不足和缺乏突破性技术，美国于2010年2月取消了“星座”计划，此后在奥巴马“太空探索新政策”和《美国国家航天政策》中均将开发创新型技术作为未来发展重点，强调可持续发展能力。为此，美国开展了技术路线的系统研究并制定了技术投资规划，形成了清晰的技术发展战略和技术体系。　　重新梳理技术体系，完成路线图草案　　2010年，NASA首席专家办公室出台了《NASA空间技术路线图草案》，梳理出由14个技术领域组成的综合技术路线图，既考虑技术牵引，又注重技术推动，并研究了提高当前空间能力的技术途径。该技术路线图涵盖140项挑战、320项技术，横跨20年，4年更新一次。在出台此路线图草案前， NASA没有制定过全面的技术研发规划，《NASA空间技术路线图草案》是NASA首次对未来技术发展路线的顶层、清晰规划，充分体现其技术研发战略从任务型到能力驱动型的重大转变。　　2015年，NASA出台新版《NASA空间技术路线图草案》。相比上一版，2015版《路线图》有如下几个特点：一是技术更加全面，技术领域达到15个，增加航空领域，同时新增2级技术7项、3级技术66项、4级技术1273项，首次从交叉技术领域、火星扩展任务角度分析候选技术；二是所有候选技术都用于实现NASA 2015—2035年的空间探索任务，以实现载人登陆火星这一长远目标。　　依托外部专家咨询，评定出技术优先级　　为进一步完善路线图，提高其全面性、适用性和指导性，2010年6月，NASA委托美国国家科学研究委员会（NRC）开展路线图的优先级评价和咨询工作，为NASA形成最终路线图提供参考咨询。国家科学研究委员会是美国国家科学院和工程院下属的机构，可为政府部门提供战略咨询和评估，但不具有法律效力。　　针对该项工作，美国国家科学研究委员会对14个领域的路线图进行研究和评审，于2012年2月出台《NASA空间技术路线图与优先级：重塑NASA的技术优势，为空间新纪元铺平道路》最终报告。此次出台的技术路线图优先级涵盖100项挑战、83项高优先技术、16项最高优先技术，4年更新一次。　　指导未来投资重点，出台空间技术战略投资规划　　经过对NASA路线图优先级评估的进一步研究后，NASA于2013年2月公布了《NASA空间技术战略投资规划》（SSTIP）。该规划是一份全面的战略规划，把对完成NASA任务和国家目标至关重要的空间技术进行了优先级的划分，并为NASA未来4年内的空间技术投资指明了方向，提供了可影响今后20年的有重点的投资方法。该规划2年更新一次。　　该技术投资途径集中于3级投资，以引导未来空间技术的开发成本。这3级投资分别为核心技术投资、邻近技术投资和补充技术投资。核心技术投资是NASA技术投资的中心，未来4年内NASA约70%的投资都属于核心技术投资。邻近技术投资代表了其他的高优先级投资领域，未来4年内NASA约20%的投资都属于邻近技术投资。补充技术投资代表着广度，而核心和邻近技术投资代表着深度。补充技术投资占NASA总投资的10%。这些投资并不会马上起到作用，而只可能在20年内产生影响。　　2.NASA创新空间技术组织管理和研发体系　　成立空间技术任务部，组合开发先进空间技术　　为满足自身和国家发展需要，NASA大力投资空间技术，并于2013年2月成立空间技术任务部（STMD）。该部领导开发NASA当前及未来任务所需的跨领域技术、先进技术和前沿技术，以维护NASA在空间领域的领导地位并促进美国经济发展。NASA将针对现有的空间技术项目突出领导职责，提升对跨机构关键技术投资活动的沟通、管理与审计能力。　　空间技术任务部采取基于业绩的竞争模式，利用投资组合式方式，开展一系列学科领域和技术成熟度评估研究。相关研究与技术开发工作将在NASA各中心、学术界和工业界内开展，并将充分利用其他政府部门及国际合作伙伴关系。通过投资当前工业界无法解决的前沿的、可广泛应用的颠覆性技术，空间技术任务部寻求发展完善用于NASA未来科学和探索任务的技术并为其他政府机构和商业航天活动验证能力并降低成本。其主要职责包括：加速技术应用与转化，为各类用户提供解决方案；基于各自的技术优势，在学术界、工业界和NASA中心之间选定最佳研究成果；在其他政府机构、学术界和工业合作伙伴之间权衡技术投资；协调与内外部利益相关者的关系，包括学术界、工业界和其他政府机构；以服务国家未来需求为目标，形成新发明、新能力并培育创新者的成长途径；培育国家创新型经济模式，创造高技术就业岗位。该部未来工作的重点是在跨领域技术和转型技术方面的投资。　　设立空间技术专项经费，年度预算逐年上涨　　NASA 2011财年预算申请中新增“空间技术”项目，旨在资助与技术转移与商业应用、跨领域空间活动和探索任务相关的空间技术，具体包括小企业创新研究（SBIR）/小企业技术转移（STTR）、跨领域空间技术（CSTD）和探索技术开发三部分。　　从近几年NASA预算可以看出，空间技术领域投资呈逐年上涨趋势，重视程度加大。预算中重点提出要加大对关键和前沿空间技术的投资，这些技术将提高人类在太空的活动能力，降低探索成本，为其他政府和商业航天活动铺平道路。其中2014—2016年探索技术研发投入占空间技术领域投入的50%左右，可见探索领域先进技术开发是NASA技术开发的重点。探索技术开发计划正在开发近地轨道以远载人探索所需的支撑技术，尤其重视需要长期开发的先进技术，包括太阳能电推进，环控生保系统，原位资源利用，进入、下降与着陆，低温燃料在太空中的贮存和运输以及机器人系统等。　　实施研发投资组合，设立九类研发投资计划　　空间技术任务部设立九类研发投资计划，分别是：技术验证任务（TDM）、小卫星技术计划（SST）、改变游戏规则计划（GCD）、NASA创新性先进概念（NIAC）计划、空间技术研究资助（STRG）、中心创新基金（CIF）、百年挑战（CC）、飞行机会（FO）和小企业创新研究/小企业技术转移（SBIR/STTR）计划。上述计划中，除SBIR/STTR计划外，均属于跨领域空间技术开发（CSTD）计划，其中百年挑战和技术验证任务还属于探索技术开发（ETD）计划。　　这些空间技术计划具有以下特点：　　①遵循基于利益相关者的投资战略，包括：NASA战略规划、NASA空间技术路线图/美国国家科学研究委员会报告和战略空间技术投资规划；　　②投资综合性研发投资组合：覆盖低到高技术成熟度、学生奖学金、助学金、有奖竞赛、样机研制、技术验证；　　③提高变革性的和跨领域技术：使得这些技术能直接用于未来任务；　　④基于业绩的竞争：向学术界、工业界、NASA中心和其他政府机构开放；　　⑤按照结构性流程执行计划：清晰的起止日期，明确的预算和计划，确定的里程碑事件，以及项目授权和问责；　　⑥了解承担的风险：加速技术成熟，尽快了解风险承受力；　　⑦ NASA在前沿技术中的定位：形成新创意、新能力，培养创新人才。　　根据技术发展的成熟度和发展方向，可将上述九类计划分为三大类：营造创新环境和市场、概念创新和发展创新团体、技术转移和跨领域技术突破。

NASA的技术驱动探索　　依照技术成熟度布局管理，重点投资中低技术成熟度技术　　空间技术任务部构建了完整的技术研发体系，按照技术成熟度（TRL）进行布局和管理。空间技术任务部管理900余项研发项目，95%低于50万美元。重点投资技术成熟度 3、4、5级技术，对技术成熟度1和2级技术保持较高投入，技术成熟度 6和7级技术投入渠道多样，减少从研发经费支出。其中：NASA创新性先进概念计划主要承担体系、系统和任务级创新概念开发和技术识别，改变游戏规则计划主要承担技术培育和成熟度提升，技术验证任务和小卫星技术计划主要承担重大技术向空间应用的转化。

九类研发计划对应的技术成熟度　　3.重点计划及主要研发项目　　以下重点介绍九类研发投资计划中的NASA创新性先进概念计划和技术验证任务计划的特点及主要研发项目。　　　　创新性先进概念计划　　（1）主要特点　　创新性先进概念研究项目的确定评选过程如下：以“NASA空间技术路线图与优先级”和“NASA空间技术战略投资计划”为主要指导文件和依据；不设定研究主题，面向NASA、学术界和工业界广泛征集创新思想；由创新性先进概念技术委员会组织评审组进行遴选，提出计划建议，由空间技术任务部部长审批实施。　　创新性先进概念项目需满足以下要求：结合宇航体系、系统和任务；创新概念，不支持重复性研究；具有先进性；技术合理，方案可行，计划可信。　　创新性先进概念计划分2个阶段对项目提供资助：　　阶段I：周期9个月，资助10万美元，重点研究创新概念的可行性和生命力。分2步进行，第一步采取同行函审形式进行初审，第二步采取分组会议评审进行详细评审。　　阶段II：周期2年，资助50万美元，从阶段I项目中选择，重点研究创新概念融入NASA的潜力，分析概念复杂性与效益、成本和性能之间的相互关系，提出技术实施途径或路线图，识别关键使能技术。采取会议评审。项目中期要进行现场审查。　　（2）正在开展的项目　　近两年创新性先进概念计划数量趋于稳定，每年约12个阶段I项目和5个阶段II项目，其中2014年，创新性先进概念计划完成12个阶段I项目和5个阶段II项目，同时开展2项阶段I和10项阶段II项目的研究。每年创新性先进概念计划经费投入约400万美元，NASA内部、宇航企业和高等院校获得的经费各占1/3。　　2014年创新性先进概念计划开展的阶段II项目包括：太阳系小天体探测器/漫游器复合体、利用银河宇宙射线二次粒子对小天体内部测绘、10m亚轨道大型气球反射器、轨道彩虹、轻质平板光子成像仪等。

轨道彩虹　　2015年5月，公布了15项创新性先进概念计划项目，主要包括平流层双飞行器平台虚拟飞行验证、生命保障系统中新型空气再生方法、帆船与恒星导航、可储存推进剂在轨制造、星际探测用直接定向能推进、海卫一跳跃式漫游器、电动力发电的软体机器人漫游器、小天体地震勘测、蟋蟀、小行星原位供给、气体巨星持久原位科学探测器、薄膜宽带大区域成像、超大口径精确可展开反射式望远镜、装有纳米结构传感设备的立方体卫星深空探测器和低温可调表面。　　技术验证任务计划　　（1）主要特点　　技术验证任务计划的研究范围为满足NASA新的任务需求或对现有任务有显著改进的跨领域技术。这些跨领域技术可广泛应用于NASA未来科学和探索任务并能满足其他联邦机构和产业需求，覆盖不同成熟度的技术，从概念研究到飞行验证。　　技术验证任务计划的目标是实现技术向应用转化的纽带。　　（2）主要项目　　1）低温推进剂存储和转移。低温推进剂在轨长期存储、转移和测量上的改进，防止由于“蒸发”带来的燃料损耗，有助于开展近地轨道以远的新任务。　　2）深空原子钟。飞行验证小型、超精确水银-离子原子钟，可潜在降低任务运营成本、传送更多科学数据，实现自主、深空无线电导航。　　3）绿色推进剂注入任务。航天器首次高性能、高效燃料和推进系统的验证任务，作为毒性较大的传统肼燃料的替代品，期望改进未来卫星和空间任务的性能。　　4）载人探索遥机器人。试验NASA各类机器人，验证遥机器人-远程控制机械臂、漫游器和其他设备如何让航天员更安全，大幅提高其在空间的生产力。　　5）激光通信中继验证。研究实现空间收发数据、视频和其他信息的重大变革的技术，相比无线电传输，利用激光器编码实现以更小的质量和功率将传输速率提高10—100倍。　　6）低密度超音速减速器。突破飞行技术相关研究，验证利用膨胀结构在高速进入阶段通过行星大气时降低航天器速度，提高着陆精确性，扩大安全着陆区域。　　7）“火星实验室”进入、下降与着陆仪器。2012年“火星科学实验室”在火星大气进入和下降期间，利用仪器开展防热板的地面破坏分析，现在重新改写防热硬件设计用于未来的行星着陆器。　　8）太阳电推进。太阳电推进系统替代传统的化学推进技术，可对太阳系探索任务和近地商业应用产生变革性影响。　　9）太阳帆验证。采取创新方案代替利用传统推进剂执行飞行任务的方案，在小卫星项目中，展开并运行由太阳光提供动力的面积约为1170m2的帆板，为推进剂缺乏的飞行任务提供各种解决方案。

用于试验电推进的真空室　　4.启示　　　　开展技术发展战略规划系统分析，保计划可持续发展　　在推动先进技术发展的过程中，NASA非常重视先进技术的优先选定方法、组织管理和投资方法，以保持技术创新能力和领先水平，确保NASA的技术能够获取最大的效益。在此次制定的空间技术战略投资规划中，基于目前的技术发展优先级、新的任务需求、合作伙伴机会来调整投资，并充分利用杠杆资源提供所需能力。投资的调整随着国家优先级、NASA任务完成情况、新任务的开始以及航天基础设施和探索活动中开发和包含的新技术等的变化而变化。　　我国航天目前处于高速发展阶段，多个重大工程并行发展，要充分考虑资源和资金问题，做到合理、最优使用各类资源和资金。为保证关键技术的稳定进展，要制定科学、合理的技术发展规划。　　提高重点技术的技术成熟度，视中低技术成熟度技术的研发　　NASA通过制定空间技术发展规划，明确技术发展目标，开展系统投资，对不同优先级的技术采取不同投资策略，加大对最高优先级技术的投资，是实现其能力驱动发展战略的重要途径。同时重视对目前技术成熟度较低，但一旦突破，技术能力将获得巨大提升的技术项目的投入。在NASA空间技术任务部管理的900余项研发项目中，重点集中于中低技术成熟度技术研发投资，美国期望通过这些项目的投资，激发企业的创新能力。　　我国在开展关键技术攻关和研制中，需提高重点技术的技术成熟度，加强对目前技术成熟度较低、有发展潜力的技术的投入。　　　　将概念创新作为研发体系前端，给予长期稳定投入　　在NASA研发计划中，非常重视前沿技术和颠覆式创新概念研发。比如创新性先进概念计划，旨在培育可对NASA未来任务有重大变革作用的创新概念；改变游戏规则计划，旨在面向未来任务，识别、推动重大能力与技术的成熟度。为支持这些创新概念，营造创新环境，设立投资计划，支持创新概念的发展。　　未来，我国相关部门应着力培育可对未来航天任务有重大变革作用的创新概念，这些计划需结合宇航体系、系统或任务，实现创新概念并具有先进性，值得短期内开展研究，而且新概念技术合理，方案可行，计划可信。为推动创新概念的研发立项，也应设立专门的投资计划，形成研发投资组合计划，加速创新概念的立项和技术转化。　　重视技术转移和成果转化，取产学研结合方式加速发展　　NASA非常重视提高其技术转移活动的速度、规模和质量，目的是增强政府技术投资的经济效益和公众效益。NASA空间技术战略投资规划中指出：加强NASA范围内的技术转移活动，再次强调技术研究、开发和演示验证。在NASA研发体系中，小企业创新研究/小企业技术转移计划的目的就是鼓励小企业在NASA研究和技术开发活动中的参与度，并促进NASA研究成果在商业领域的应用。　　我国航天部门应广泛开展与其他政府机构、大学、研究院所、商业公司等的技术合作，通过合作借用各方资源，加速成果转化，获取经济和社会效益。　　上文选自《国际太空》，如需详情请查阅该期刊。

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