文/曲晶 馬俊杰 董曉軍

2023 年1 月10 日，美國(guó)宇航局官網(wǎng)發(fā)布了年度創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃的資助名單，共有20 個(gè)項(xiàng)目入圍，后來(lái)項(xiàng)目?jī)?nèi)容逐步更新公布。

這些項(xiàng)目主要包括：射流望遠(yuǎn)鏡、光泳推進(jìn)、核動(dòng)力加熱探測(cè)器、大型靜電驅(qū)動(dòng)空間結(jié)構(gòu)的彎曲成型、月球南極氧氣管道、顆粒束推進(jìn)、新型雙峰核熱/核電推進(jìn)、用于火星棲息地的生物礦物自生構(gòu)建塊、大型長(zhǎng)波天文臺(tái)、先進(jìn)液體收集技術(shù)、核聚變能源手電筒、衍射干涉日冕儀系外行星解析器、放射性同位素?zé)彷椛潆姵匕l(fā)電機(jī)、氣凝膠核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、量子雷達(dá)、行星防御系統(tǒng)、放射性同位素電推進(jìn)系統(tǒng)、先進(jìn)空中飛行器靜音固態(tài)推進(jìn)裝置、遠(yuǎn)景天文臺(tái)、太空制藥廠。

我們選擇了其中9 個(gè)與航天領(lǐng)域密切相關(guān)的創(chuàng)新方案，涉及創(chuàng)新推進(jìn)、小行星防御、生命支持等，看看這些“黑科技”是如何工作的，它們有可能怎樣改變?nèi)祟愄剿魈盏摹坝螒蛞?guī)則”。

光泳推進(jìn)：探測(cè)地球大氣 放眼火星

中間層是地球大氣層的一部分，高度大致為50～80 千米。顯然，這個(gè)范圍對(duì)于氣球和飛機(jī)過(guò)高，對(duì)于衛(wèi)星等航天器又過(guò)低。到目前為止，人類尚未對(duì)這個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定地長(zhǎng)期探測(cè)，僅有的知識(shí)主要源于火箭經(jīng)過(guò)時(shí)逗留的數(shù)分鐘。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)中間層的探測(cè)，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型推進(jìn)系統(tǒng)概念。它不需要任何推進(jìn)能量，僅通過(guò)光照射設(shè)備，就可以使飛行器在大氣層里長(zhǎng)期漂浮運(yùn)行。

▲ 光泳推進(jìn)方案示意圖

▲ 外星球冰層下海洋探測(cè)器想象圖

該研究主要是基于被稱為“光泳懸浮”的現(xiàn)象，其原理是：相對(duì)于周邊環(huán)境氣體，當(dāng)固體因照明被加熱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生所謂“光泳力”，從而引起固體和氣體之間的動(dòng)量交換。這種力可以使傳感平臺(tái)產(chǎn)生升力，同時(shí)在底部吸收光，產(chǎn)生熱量，但在頂部能夠保持涼爽。

賓夕法尼亞大學(xué)的設(shè)計(jì)方案采用了具備兩個(gè)不同面的板片，其頂部采用聚酯薄膜，用于保溫，其底部的聚酯薄膜表面涂了一層由碳納米管的微小棒狀碳絲組成的“蓬松毯”。技術(shù)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中各種空氣壓力下對(duì)該板片進(jìn)行了演示驗(yàn)證，證明了厘米級(jí)探測(cè)器“無(wú)限期”在空中漂浮的可行性。雖然平板長(zhǎng)寬只有數(shù)厘米，但也可以安裝大量微型傳感器。科學(xué)家們認(rèn)為，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)稍加改進(jìn)后，就可以使傳感平臺(tái)獲得水平推力，僅利用光作為推進(jìn)源就能抵達(dá)中間層的任何地方。

此外，由于火星大氣層的氣壓與地球的中間層相似，技術(shù)團(tuán)隊(duì)還在探索該技術(shù)在火星探索中的應(yīng)用潛力。

晶格約束聚變：助力探訪外星球海洋

為了研究外星球生命存在的可能性，科學(xué)家一直在外星球上尋找水資源。眾所周知，很多外星球表面覆蓋著厚厚的冰，比如谷神星、土衛(wèi)二、冥王星和木衛(wèi)二，冰蓋厚度預(yù)計(jì)達(dá)到數(shù)十千米，下面存在巨大的液態(tài)海洋。這些外星球海洋可能是由其行星的潮汐力加熱形成的，或是由殘留的放射性衰變形成的。

想要探索這些外星球海洋，面臨眾多挑戰(zhàn)。美國(guó)宇航局正在研究使用加熱或鉆孔探測(cè)器穿過(guò)冰層、進(jìn)入外星球內(nèi)部海洋的可能性，并建議使用核動(dòng)力探測(cè)器，依靠放射性衰變產(chǎn)生熱量，使外星球表面冰層融化。不過(guò)，核動(dòng)力探測(cè)器受到安全性、價(jià)格等限制。

格倫研究中心提出了一種名為“晶格約束聚變”的新方法，主要通過(guò)燃料在金屬晶格中發(fā)生聚變來(lái)提供動(dòng)力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，導(dǎo)電金屬如果具備很高的電子密度，兩個(gè)輕原子核靠近時(shí)相互排斥的可能性就會(huì)下降，晶格約束作用可以激發(fā)帶正電原子發(fā)生聚變。

▲ 新型雙峰核熱核電推進(jìn)方案示意圖

目前，格倫研究中心的工程師們正在研究該方法能否為火星表面的小型無(wú)人探測(cè)器提供動(dòng)力。由于晶格約束聚變方式不需要成本高、難以安全處理的易裂變材料（比如濃縮鈾），未來(lái)技術(shù)成熟后，其用途會(huì)更加廣闊，不僅能夠滿足太空任務(wù)所需，也有可能服務(wù)大眾，比如為獨(dú)棟建筑物提供電力，從而減少對(duì)化石燃料的依賴，并提高電網(wǎng)彈性。

新型雙峰核熱/核電推進(jìn)：快速抵達(dá)火星有希望

核熱推進(jìn)被公認(rèn)為“太陽(yáng)系載人航天任務(wù)的首選推進(jìn)技術(shù)”。冷戰(zhàn)期間，美國(guó)、蘇聯(lián)都曾花費(fèi)數(shù)十年大力研究核熱推進(jìn)，可惜實(shí)用化成果有限。2023 年，美國(guó)宇航局資助了一項(xiàng)核推進(jìn)項(xiàng)目，目的是研制雙峰核推進(jìn)，也就是由核熱推進(jìn)和核電推進(jìn)共同組成的方案。該系統(tǒng)計(jì)劃使用所謂“波轉(zhuǎn)子頂循環(huán)”，從理論上可以將航天器前往火星的時(shí)間縮短至僅45 天。

按設(shè)想，核熱推進(jìn)通過(guò)核反應(yīng)堆加熱液氫推進(jìn)劑，將其轉(zhuǎn)化為電離氫氣，然后通過(guò)噴管產(chǎn)生推力。核電推進(jìn)則依靠核反應(yīng)堆為霍爾效應(yīng)推進(jìn)器提供電力?；魻栃?yīng)推進(jìn)器希望利用磁場(chǎng)限制電子的軸向運(yùn)動(dòng)，使推進(jìn)劑電離，促使離子加速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生推力，同時(shí)中和羽狀流中的離子，提升安全性。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，最先進(jìn)的核熱推進(jìn)方案是固體堆芯火箭核發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，預(yù)計(jì)可提供900 秒的比沖，是化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍。不過(guò)，核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖較高的背后是某些潛在的缺陷，特別是執(zhí)行高入軌速度任務(wù)時(shí)，其很難全程滿足任務(wù)要求。相比之下，核電推進(jìn)可以提供約100 萬(wàn)秒的超高比沖，但推力較低，質(zhì)量功率比有限，特別是對(duì)電源的需求惡化了散熱問(wèn)題，在理想條件下，熱能轉(zhuǎn)換率最高達(dá)到30%～40%。

針對(duì)諸如此類的難題，本項(xiàng)目提出了一種新型波轉(zhuǎn)子頂循環(huán)方式，推進(jìn)系統(tǒng)有望獲取與核熱推進(jìn)相當(dāng)?shù)耐屏Γ葲_能達(dá)到1400～2000 秒，如果再配套核電推進(jìn)，那么僅需增加最小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，比沖就可以進(jìn)一步增至1800～4000 秒。這種設(shè)計(jì)有望使45 天到達(dá)火星的快速載人航天任務(wù)成為可能，從而大大降低宇宙輻射、微重力等引發(fā)的健康風(fēng)險(xiǎn)，甚至徹底改變?nèi)祟愄剿魈?yáng)系的征程。

放射性同位素?zé)彷椛潆姵兀毫⒎叫恰叭缁⑻硪怼?/h2>

目前，大多數(shù)航天器由太陽(yáng)能電池板提供動(dòng)力，但在火星軌道以外的深空或者在火星沙塵暴、月球漫漫長(zhǎng)夜等惡劣環(huán)境下，陽(yáng)光無(wú)法提供必要的能量。作為替代方案，許多航天器會(huì)攜帶多用途放射性同位素裝置，利用溫度梯度發(fā)電，但這種裝置比較笨重，在一定程度上制約了航天器的性能。

▲ 放射性同位素?zé)彷椛潆姵胤?wù)立方星示意圖

為解決該問(wèn)題，羅切斯特理工學(xué)院提出了一種號(hào)稱“具備革命性意義”的動(dòng)力源——熱輻射電池。與傳統(tǒng)的多任務(wù)放射性同位素裝置相比，其體積降低了3 個(gè)數(shù)量級(jí)。

在本質(zhì)上，它是一種“反向工作”的太陽(yáng)能電池板。當(dāng)太陽(yáng)能電池板吸收光時(shí)，部分光能會(huì)轉(zhuǎn)化為電能，大部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。熱輻射電池工作遵循熱輻射元素原理，由銦、砷、銻、磷等元素組成電池面板，以紅外光子形式釋放的熱量撞擊面板，會(huì)產(chǎn)生與太陽(yáng)能電池板內(nèi)極性相反的電位差。也就是說(shuō)，熱輻射電池利用熱量發(fā)電，并以紅外光子形式釋放所消耗的能量，堪稱在太陽(yáng)能電池板的“反方向”工作，效率更高。

如果這項(xiàng)新技術(shù)能夠?qū)嵱茫敲刺剿髂拘悄酥粮h(yuǎn)的深空任務(wù)，或者前往月球極地的永久陰影隕石坑的任務(wù)，探測(cè)器有望拋棄龐大笨重的設(shè)計(jì)，使用攜帶小型能源系統(tǒng)的立方星即可。

核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：尋找系外宜居星球

為了滿足對(duì)先進(jìn)推進(jìn)方案的迫切需求，正子動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)了一種核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。從理論上講，它的推進(jìn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前使用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并且可以在高功率密度下實(shí)現(xiàn)超過(guò)10 萬(wàn)秒的高比沖。

其實(shí)，核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不是全新概念，與目前核電站反應(yīng)堆的運(yùn)行原理基本相同，但此前提出的核裂變碎片火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都過(guò)于龐大，而且熱限制太大，實(shí)用化需克服技術(shù)障礙，比如顆粒等離子體懸浮等。

針對(duì)此類問(wèn)題，正子動(dòng)力公司試圖通過(guò)兩方面來(lái)解決：一是將核裂變材料裝入超輕型氣凝膠，確保參與核裂變反應(yīng)的燃料顆粒固定在一起，同時(shí)控制整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以便被送入軌道；二是使用超導(dǎo)磁體約束反應(yīng)產(chǎn)生的等離子體，將核裂變碎片引至相同方向，進(jìn)而有效轉(zhuǎn)化為推力，防止碎片破壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲ 核動(dòng)力火箭運(yùn)送深空探測(cè)器想象圖

▲ 美國(guó)正在研發(fā)多個(gè)核動(dòng)力火箭方案

該動(dòng)力系統(tǒng)的最終目標(biāo)是驅(qū)動(dòng)航天器經(jīng)過(guò)15 年左右飛行，抵達(dá)距離地球500 個(gè)天文單位的太陽(yáng)引力透鏡位置，并及時(shí)進(jìn)行減速和機(jī)動(dòng)，以便對(duì)100 光年之外的系外行星進(jìn)行直接成像和高分辨率光譜分析。未來(lái)，部署在那里的空間望遠(yuǎn)鏡可以使探測(cè)范圍穿越愛(ài)因斯坦環(huán)區(qū)域，拍攝系外行星的表面特征和宜居性跡象。

顆粒束推進(jìn)：加速探索鄰近恒星

根據(jù)模擬計(jì)算，使用傳統(tǒng)推進(jìn)器的航天器需要飛行19000～81000年，才能到達(dá)太陽(yáng)系之外最近的恒星比鄰星，那里距離地球約4.25 光年。為此，工程師們一直在研究新的探測(cè)器方案，希望借助定向能光束（比如激光），將驅(qū)動(dòng)探測(cè)器的光帆加速到光速的一小部分，加速探索鄰近恒星。

▲ 顆粒束推進(jìn)方案示意圖

美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的科研人員更進(jìn)一步，提出了顆粒波束方案。如果該方案成真，可以在不到20 年內(nèi)將約1 噸有效載荷投送到500 個(gè)天文單位距離之外。

事實(shí)上，推動(dòng)光帆的光束是由微小顆粒組成的，每個(gè)顆粒借助激光消融加速到驚人的高速，然后憑借動(dòng)量來(lái)驅(qū)動(dòng)航天器飛行。與激光束不同，這些顆粒的發(fā)散速度沒(méi)那么快，從而使加速更重的航天器成為可能。畢竟這些顆粒比光子重得多，攜帶的動(dòng)量更大，可以向航天器傳遞更大的力。

當(dāng)前，空間探索受到火箭方程的限制，只有兩個(gè)探測(cè)器穿越了日球?qū)樱M(jìn)入星際空間。其中，旅行者1 號(hào)探測(cè)器以3.6 個(gè)天文單位/年的速度飛行了35 年才到達(dá)日球?qū)禹?。加州大學(xué)洛杉磯分校提出的顆粒束推進(jìn)方案或許能大大縮短航天器這段漫長(zhǎng)歲月：不到1 年，有望到達(dá)系外行星；耗費(fèi)約3 年，飛出100 個(gè)天文單位；飛行15 年，前往500 個(gè)天文單位之外的太陽(yáng)引力透鏡位置。更重要的是，顆粒束推進(jìn)可以驅(qū)動(dòng)約1 噸重的航天器，大大拓展了任務(wù)適應(yīng)性。

作為第一階段工作，科研人員將通過(guò)不同子系統(tǒng)的詳細(xì)建模和概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來(lái)證明顆粒束推進(jìn)的可行性，重點(diǎn)探索顆粒束推進(jìn)系統(tǒng)在星際任務(wù)中的作用。

▲ 小行星防御方案示意圖

▲ 電氣推進(jìn)低噪聲無(wú)人機(jī)示意圖

小行星防御：策劃“地球保衛(wèi)戰(zhàn)”

傳統(tǒng)的小行星防御方法主要是發(fā)射航天器，撞擊有威脅的小行星，通過(guò)動(dòng)量轉(zhuǎn)移來(lái)改變小行星的軌道，使其偏離地球。

2022 年，加州大學(xué)科研人員菲利普·魯賓年提出了一種基于現(xiàn)有技術(shù)的小行星防御方案，強(qiáng)調(diào)能量傳遞作用，主要是在太空中部署一系列小型超高速動(dòng)能撞擊器，粉碎和分解小行星或小彗星，然后利用地球大氣層作為“盾牌”來(lái)降低碎片威脅。該方法既適用于預(yù)警時(shí)間較長(zhǎng)的攔截模式，也可以在小行星撞擊地球前數(shù)分鐘及時(shí)使用。

該研究項(xiàng)目旨在掌握撞擊器高速碰撞來(lái)襲天體的物理特性，以及如何更有效地將來(lái)襲天體撞擊成足夠小的碎片。研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)宇航局超級(jí)計(jì)算機(jī)中心合作，使用流體力學(xué)軟件進(jìn)行仿真，模擬測(cè)試不同來(lái)襲天體被撞擊的效果。初步仿真結(jié)果顯示，使用較小的撞擊器就能夠輕易地使小行星碎片化，且碎片云呈放射狀向外擴(kuò)散。如果在預(yù)警時(shí)間短的模式下進(jìn)行攔截，碎片云將進(jìn)入大氣層，但這些碎片的體積非常小，因此不會(huì)落到地面，將在空中燒蝕殆盡。初步模擬表明，由此產(chǎn)生的聲波和閃光將低于重大損害閾值。

該項(xiàng)目的第二階段包括對(duì)上述仿真工作的進(jìn)一步拓展，探索小行星防御系統(tǒng)路線圖的關(guān)鍵部分，包括對(duì)撞擊器和模擬目標(biāo)進(jìn)行地面試驗(yàn)、研究大氣化學(xué)效應(yīng)、開(kāi)展高頻次巡天觀測(cè)等。

先進(jìn)空中交通：電氣推進(jìn)無(wú)人機(jī)低噪聲運(yùn)輸

所謂“先進(jìn)空中交通”，是使用小型電動(dòng)無(wú)人飛行器，開(kāi)展城市內(nèi)和城市間客運(yùn)、貨運(yùn)及私人業(yè)務(wù)。除了技術(shù)挑戰(zhàn)外，居民反感噪聲恐怕是該計(jì)劃最大的障礙。

相關(guān)研究表明，使用電氣推進(jìn)裝置的無(wú)人垂直起降飛行器在理論上能夠執(zhí)行空對(duì)空的飛行任務(wù)。這種電氣推進(jìn)裝置主要通過(guò)加速離子穿過(guò)電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生推力，幾乎是無(wú)聲的，因此未來(lái)飛行器有望滿足居民對(duì)低噪聲的需求。

迄今為止，研究工作主要集中在概念飛行器設(shè)計(jì)和推進(jìn)器建模上。接下來(lái)，研究工作將聚焦飛行器細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、制造，早日積累飛行試驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)將制造一種具有垂直起降功能的驗(yàn)證機(jī)，與目標(biāo)飛行器具有相同的結(jié)構(gòu)，通過(guò)飛行試驗(yàn)和風(fēng)洞測(cè)試來(lái)驗(yàn)證目標(biāo)飛行器設(shè)計(jì)模型，特別是推進(jìn)器性能和噪聲控制效果，并進(jìn)一步提高電子元器件的性能。

太空制藥：長(zhǎng)期呵護(hù)“太空人”健康

疾病預(yù)防、診斷和治療對(duì)于人類太空探索任務(wù)至關(guān)重要。目前，航天員主要依賴地面研制的藥物治療或預(yù)防疾病，但這些藥物在太空環(huán)境中未必可靠，特別是小蛋白（肽）這類藥物，即使精心冷藏保存，其保質(zhì)期也僅有數(shù)月。隨著太空探索新時(shí)代到來(lái)，人類將在地球軌道以外開(kāi)展長(zhǎng)期探索任務(wù)，未來(lái)有可能持續(xù)在軌飛行數(shù)年，那么解決人類太空用藥問(wèn)題就成為廣受關(guān)注的焦點(diǎn)，在太空中“按需生產(chǎn)”無(wú)疑是根本解決途徑。

▲ 太空制藥實(shí)驗(yàn)艙運(yùn)行想象圖

美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心提出了在長(zhǎng)期太空飛行任務(wù)中利用細(xì)菌制造藥物的方案。研究人員在項(xiàng)目第一階段改造了枯草芽孢桿菌，嘗試生產(chǎn)治療輻射損傷的藥物和保護(hù)人體骨骼健康的藥物，并使用了一種小體積輕量化系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行提純，取得了較好的效果。不過(guò)，現(xiàn)實(shí)中是否能生產(chǎn)出足夠數(shù)量和純度的藥物來(lái)滿足航天員的需求，尚未可知，這也成為項(xiàng)目第二階段將重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

未來(lái)，研究人員將對(duì)航天員藥物清單中的其他藥物進(jìn)行研究，進(jìn)一步拓展該系統(tǒng)使用范圍，還將建立一個(gè)基于微流體的輕量化生產(chǎn)/凈化系統(tǒng)樣機(jī)，用于太空藥物生產(chǎn)。

如果相關(guān)技術(shù)能夠?qū)嵱没?，太空制藥將取得重大突破，有望支持長(zhǎng)期載人深空任務(wù)中的醫(yī)療需求。事實(shí)上，太空生物制藥不僅在科學(xué)研究上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，還蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，已成為全球太空科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域。

美國(guó)宇航局的創(chuàng)新先進(jìn)概念計(jì)劃旨在資助早期研究，培育航天創(chuàng)新概念，征集有可能改變未來(lái)任務(wù)模式的突破性解決方案，拓展人類太空探索的廣度與深度。自2011 年至今，該計(jì)劃已資助了很多“聽(tīng)上去像科幻小說(shuō)”的方案，并初步證明了其可行性。因此，科幻不是天馬行空、不著邊際的空想，應(yīng)是建立在現(xiàn)代科學(xué)理論基礎(chǔ)上的合理暢想，很可能對(duì)科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并給予科研人員啟示。隨著航天技術(shù)不斷進(jìn)步，相信“科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)”不會(huì)永遠(yuǎn)是遙不可及的，太空探索將呈現(xiàn)前所未有的新景象。