【战略前沿】美国宇航局空间技术路线图与优先级再现
来源: http://www.nap.edu/23582
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2017-01-05

摘要

从历史观点上说,在政商两界,美国已经努力成为世界航天领域的引领者。成为航天领域引领者的一个关键因素是在太空领域不断发展先进技术,这对美国在太空领域的雄心壮志,其中包括载人登录火星任务来说,尤其重要。美国宇航局(NASA)利用一份路线图进程确定技术需求并提升对相应技术开发投资组合的管理能力,以此执行一系列航空与航天技术计划。2010年,NASA创建了一套14大技术路线图草案,用于指导空间技术的发展。这些路线图是由美国国家科学、工程、医学研究院进行综合外部评审的主题[1]。那次评审形成了2012年美国国家研究委员会(NRC)报告――《NASA空间技术路线图及优先事项:恢复NASA的技术优势,为太空新纪元铺平道路》[2]。如报告所述,“随着国家太空任务的宽度拓展,必要的技术发展已经变得不太清晰,需要更多的努力来评估一个前瞻性技术开发计划的最佳路径”(译者注:报告原文第11页)[3]

2015年,NASA发布了一套修订版的路线图。更新版路线图的一个新的重要方面是,依据载人探索与运行任务局以及科学任务局一直致力于通过的特定设计参考任务(DRMs),通过列出支持与加强这些任务的技术清单,努力评估这些技术的相关性[4]。同样在2015年,研究院被请求对2015路线图中列出的而在2012年NRC报告中未被评估的优先事项进行评估[5]。受命组织起来完成这些评估的NASA技术路线图委员会,还承担了推荐一种为未来NASA技术路线图更新而 “开展独立审查”方法论的任务,预计每4年更新一次。

 

技术领域分类结构

 2015版NASA路线图的目录使用4级技术领域分类结构(TABS)组织。第1级代表技术领域(TA),是路线图的标题:

 

  • TA 1,发射推进系统
  • TA 2,空间推进技术
  • TA 3,空间电力与储能
  • TA 4,机器人与自主系统
  • TA 5,通信、导航,以及轨道碎片跟踪与表征系统
  • TA 6,人体健康、生命保障与居住系统
  • TA 7,载人探索目的地系统

 

  • TA 8,科学仪器、观测与传感器系统
  • TA 9,(火星大气)进入、下降及着陆系统
  • TA 10,纳米技术
  • TA 11,建模、仿真、信息技术与处理
  • TA 12,材料、结构、机械系统与制造
  • TA 13,地面与发射系统
  • TA 14,热管理系统
  • TA 15,航空技术

每个路线图描述了第2级技术子领域、第3级技术集,以及第4级研究任务。2012版的NRC报告注重在第3级技术集方面的审查。2010版NASA路线图草案的TABS(技术领域分类结构)包括了320个第3级技术集。在2012版NRC报告中修订过的TABS中,包括了340个第3级技术集。目前,2015版NASA路线图的TABS包括了340个第3级技术集。在不同版本的TABS中,技术集数量的净增长由许多因素造成:一些技术增加了、删除了、修改了、或合并了等等。针对2010、2012、2015年TABS中各种技术的详细对比(见原文附件B),显示了本报告中有42种技术被确定为“新”技术而符合审查条件。关于这些新技术所属技术领域标题的分布如下:

 

  • TA 1,发射推进系统(11种新技术)
  • TA 4,机器人与自主系统(11种新技术)
  • TA 5,通信、导航,以及轨道碎片跟踪与表征系统(4种新技术)
  • TA 7,载人探索目的地系统(1种新技术)
  • TA 9,(火星大气)进入、下降及着陆系统(3种新技术)
  • TA 11,建模、仿真、信息技术与处理(8种新技术)
  • TA 13,地面与发射系统(3种新技术)
  • TA 14,热管理系统(1种新技术)

 

高优先级技术

基于2012版NRC报告记录的优先级流程,委员会对新技术进行了审查,5个新技术集被列为高优先级。

评审结果1基于对在2015版NASA路线图中出现的42个第3级新技术的评审与分析,42个新技术中有5个已被添加到2012版NRC报告中83个高优先级技术集清单中(按数目排序):

 

  • 4.3.7,抓捕
  • 4.4.8,远程交互
  • 9.2.7,地形相关传感与表征
  • 9.2.8,自主定位
  • 14.3.2,热防护系统建模与仿真

 

技术4.3.7,抓捕

抓捕系统被列为高优先事项,是由于它们能够物理捕获小行星或小行星产生的巨石、把上述对象附着在机器人宇宙飞船上,以及捕获自由飞行的航天器。因此,抓捕技术可以支持把小天体从其自然轨道向月球轨道的运输,支持航天员在月球轨道从巨石上采集并返回样本,减少轨道碎片,保护地球免受小行星天体的撞击,以及为未来的探索任务提供大型航天器的在轨组装等。潜在的商业用途包括在商用空间资源运营方面,用来获取巨石大小的小行星样本以便详细采样或处理,以及获取失效的卫星用于返回、处理、救助或维修等。最近签署的《美国商业太空发射竞争力法案》,赋予美国公民有权访问任何小行星或拥有从空间资源上获得(或抓取并返回)资源的所有权,这一举措将在商业小行星采矿方面激发兴趣。尽管如此,由于其他相关的政府组织和企业不太可能满足NASA的特殊需求,尤其是鉴于小行星捕获任务的进度表,NASA关于抓捕技术的开发是一项高优先级事项。

技术4.3.7的内容,抓捕,与4.6.3对接和捕获机制与接口有部分重叠。然而,技术4.6.3,对接,关注一个航天器与另一个对接,而4.3.7,抓捕,也包括与自然对象的交互,诸如与小行星以及来自小行星的巨石。小行星是巨大且翻滚的目标,具有非结构化的物理性质,新的抓捕技术需要既能捕获小型小行星也能捕获来自一个大的小行星产生的巨石。

对NASA机器人或载人任务来说,捕获、预加载操作以及从小行星表面搬运的巨石上取回样本,代表着一系列前所未有的任务。国防部或其他涉及航天研究与开发的组织,都无可借鉴之处。抓捕技术在增强物理捕获以及预加载巨石、其他自然物体及航天器等方面的发展,将极大简化全面抓捕系统机器人控制的需求。TA4路线图中对本技术缺乏细节介绍是一个问题。只提出了一个简单的第4级研究任务,与第3级描述相比,它的描述提供了较少的附加细节。另一个第4级研究任务可以是一个针对抓捕那些大型的旋转对象(比如,观察依附于可调节系链上的抓捕设备)以降低转速并为航天器固定对象(或为对象固定航天器及其引擎)等的非刚性处理方法。

 

技术4.4.8,远程交互

 远程交互被列入高优先事项是由于它被确定为提供控制和通讯方法,使人能够远程操作自主系统与机器人。为控制机器人的行为,监控通过利用高级目标而不是低级指令,组合了技术需求,因此需要机器人具有半自主或自主行为。这项技术将支持颠覆性科学与探索任务的设计,比如在边远区域的新机器人任务以及减少人类监督的同步机器人任务。远程交互还包括使远程系统能够手动控制以及使操作员能够监控系统状态的技术,评估任务进展,感知远程环境,以及做出明智的操作决策,如战术计划等。

 

技术9.2.7,地形相关传感与表征

通过近期新视野号任务造访冥王星,NASA成功地完成了对太阳系的调查。NASA进入一个表面探索的新时代,持续增加对行星的探索。这项技术将产生“高速、高精度测量,使算法能够达到在高科技兴趣或预部署资产区域附近安全精确着陆”[6]。因此, 9.2.7将有助于这个新时代中的很多关键任务完成,并产生许多令人惊讶的意外发现。地形相关传感与表征是路线图TA9中第3级技术集评审中最有前途的技术。它是一项颠覆性技术,将在未来20年里启用当前无法执行的重要新任务。它在多个任务领域影响多个任务,包括载人和机器人。它也会产生广泛的跨航空航天界影响,并且已经影响了商业和军事上的自动车辆,诸如在无人驾驶飞行器方面取得的突飞猛进。

 

技术9.2.8,自主目标跟踪

与技术9.2.7地形相关传感与表征高度耦合的自主目标跟踪技术,也被列入高优先事项,是因为它是一项有潜力的颠覆性技术,将能开展重要的新任务,诸如几项新前沿任务。当星际距离给遥控导航带来困难或不可能实现时,通过改善交通工具在面临着陆和探索时对地形的评估和描述的能力,这项技术将使下一代自主目标跟踪成为关键技术。即使一个运载工具用于完成一项载人任务,这项技术对有助于确保安全着陆至关重要。正如技术9.2.7,这项技术将对跨航天界产生中度影响,但主要将影响商业和军事领域的自动驾驶方面。

 

技术14.3.2,热防护系统建模与仿真

热防护系统(TPS)建模与仿真被列入高优先事项,是由于在强辐射冲击建模时的不确定性,是高速进入地球、火星或其他星体大气层时有效热防护设计的一个主要局限。早期的热防护系统(TPS)设计主要是依靠经验,基于广泛(且昂贵)的在地球大气层进行直接的测试。由于与进入大气相关的极端环境,在地面的试验设备测试也很困难且昂贵。基于物理模型的计算方法,包括材料建模,正在通过实验室和试飞进行验证,以及对TPS系统进行检验而改善,这可以更可靠地预测TPS的性能。然而,还需要进一步发展,以便树立信心,能够大大减少设计裕度、实现节省重量。主要挑战存在于增加基于物理的进入(大气层时)冲击、热辐射及其与烧蚀防热罩相互交互情况建模的准确度和精密度上,通过这项技术可以解决这些挑战。目前,火星采样返回任务的不确定性是+80%/−50%;其他目的的任务有不同的不确定性范围[7]。拟开展研究的技术14.3.2的目标是降低所有行星任务的不确定性至25%以下。这种不确定性降低将使所用的防热罩重量减轻,从而减轻航天器的重量和/或增加可搭载的有效载荷的重量。这项技术与2012版的高优先排序的跨领域技术X.5,包括刚性与柔性两个系统在内的进入、下降及着陆TPS技术密切相关。为实现该项技术的进步发挥其潜力,必须改善建模。正如路线图TA14指出,“这项技术发展面临的一个巨大挑战是,可用的飞行与地面测试数据有限”(TA14,第93页)。

 

最高优先级技术

2012版NRC报告依据其支持3大技术目标的能力定义了最高优先级技术:

 

  • 技术目标A,载人航天探索:扩展并维持地球低轨道外的人类活动。该目标关注载人任务。

 

  • 技术目标B,原位行星科学:探索太阳系的演变以及潜在的外星生命。该目标包括机器人任务与载人任务。

 

  • 技术目标C,远程测量:扩大对我们生活的地球及宇宙的了解。该目标关注机器人任务。

 

这3大目标包括了NASA在空间科学、地球科学及探索方面所作努力的全部范围。2012版NRC报告对这些技术目标未作评估或评价。

2012版报告包括16项最高优先级技术清单。然而,16项中有5项是相关技术组,特指自X.1至X.5。总共,最高优先的16项技术(独立技术或分组技术)包含了31项独立技术[8]

 

在2012版NRC报告最高优先级技术集清单上,委员会增加了排在高优先级的5项新技术中的3项。新的分组技术清单,包括2项在2012版NRC报告技术领域分类结构(TABS)之外的技术,展示在下面;同时,新的最高优先级技术清单展示在表S.1中。在清单和列表中,阴影部分表示新增项目。

 

X.1,载人航天飞行辐射削减

6.5.1,辐射风险评估模型 

6.5.2,辐射削减[9]

6.5.3,辐射防护系统

6.5.4,辐射预测

6.5.5,辐射监测技术 

X.2,轻型多功能材料与结构

10.1.1,(纳米)轻型材料与结构

12.1.1,材料:轻型结构

12.2.1, Structures: Lightweight Concepts

12.2.1,结构:轻型概念

12.2.2,结构:设计与认证方法 

12.2.5,结构:创新、多功能概念

X.3,环境控制与生命支持系统(ECLSS)

6.1.1,ECLSS:空气更新系统

6.1.2,ECLSS:水回收与管理系统

6.1.3,ECLSS:废物管理系统

6.1.4,ECLSS:居住系统

X.4,制导、导航与控制(GN&C)[10]

4.6.2,相对导航算法(用于自动交会与对接)[11]

5.4.3,星载自动导航与机动(用于定位、导航与授时)

9.2.7,地形相关传感与表征(用于下降与定位)

9.2.8,自动定位(用于下降与定位)

X.5,进入、下降与着陆(EDL)热防护系统(TPS)

9.1.1,刚性热防护系统

9.1.2,柔性热防护系统

14.3.1,上升/进入TPS(热防护系统)

X.6,抓捕、对接与处理

4.3.6,样品采集与处理(以前是机器人钻探与样品处理)

4.3.7,抓捕

4.6.3,对接与捕获机制及接口

 

表S.1:2016年委员会最高优先级技术清单最终版,按技术目标排序,包括17个独立技术及分组技术,每项技术列出高达9项目标

 

技术目标A:载人航天探索的最高优先级技术

技术目标B:原位行星科学的最高优先级技术

技术目标C:远程测量的最高优先级技术

载人航天辐射削减(X.1)

GN&C (X.4)

制导、导航与控制(GN&C)(X.4)

光学系统(仪器与传感器)(8.1.3)

宇航员长期飞行健康(6.3.2)

太阳能发电(光伏发电与光热发电)(3.1.3)

高对比度成像与光谱技术(8.2.4)

环境控制与生命支持系统(ECLSS)(X.3)

电推进(2.2.1)

探测与焦平面(8.1.1)

GN&C (X.4)

制导、导航与控制(GN&C)(X.4)

核裂变发电(3.1.5)

轻型多功能材料与结构(X.2)

(核)热动力推进(2.2.3)

进入、下降与着陆(EDL)热防护系统(TPS)(X.5)

低温系统的主动热控制(14.1.2)

轻型多功能材料与结构(X.2)

原位仪器与传感器(8.3.3)

电力推进(2.2.1)

核裂变发电(3.1.5)

轻型多功能材料与结构(X.2)

太阳能发电(光电与热)(3.1.3)

进入、下降与着陆(EDL)热防护系统(TPS)(X.5)

极端地形条件下的机动性(4.2.1)

 

抓捕、对接与处理(X.6)

抓捕、对接与处理(X.6)

 

 

评审结果2基于对5项已增加到高优先集技术清单里的新第3级技术的评审,其中3项(4.3.7、9.2.7、以及9.2.8),连同另外2项技术(4.3.6和4.6.3),之前出现在2012版NRC报告中的临时最高优先级技术清单中,已被列入16项最高优先级技术清单中,如下所示:

 

  • 技术组X.4,制导、导航与控制(GN&C)已扩展,包括技术9.2.7地形相关传感与表征(用于下降与定位)以及技术9.2.8自动定位(用于下降与定位)。技术9.4.7制导、导航与控制(GN&C)传感器及系统(用于进入、下降与着陆),在2015版路线图TA9中没有技术内容,已被删去。

 

  • 新创建了一个技术组:X.6,抓捕、对接与处理。该组包含:4.3.6,样品采集与处理(以前是机器人钻探与样品处理);4.3.7,抓捕;以及4.6.3,对接与捕获机制及接口。X.6组已增加到技术目标A载人航天探索的最高优先级技术和技术目标B原位行星科学的最高优先级技术集中的最高优先级技术清单之中。

 

未来的独立评审

本报告提供了为未来更新NASA的航天技术路线图开展独立评审的方法论。该方法论考虑了自最近的路线图综合独立评审过之后,一代代人在执行路线图时预计会出现的变化程度等因素。该方法论概括为以下4个建议。

 

推荐未来独立评审方法论

建议1:当有重大变化时,应对路线图进行独立评审。NASA技术路线图修订周期预计为每4年一次,但当NASA的发展方向有重大变化时,需要更频繁的评审。评审应为以下两种类型之一:对全套路线图(包括TA15)的综合评审,比如2012版的作法;或者重点评审,比如本报告。因为只针对总体技术组合的一个子集,重点评审可以使用更多的有限资源。在提出关于评审方法论建议时,未来每一次独立评审应关注为接下来的评审所使用的方法论,而不是进行涵盖多个评审的长期规划。

建议2:在下一次独立评审之前,NASA技术执行委员会和技术委员会中心(NTEC/CTC)依照其章程,应把将要进行评审技术的优先顺序排好。NTEC/CTC应向下一次独立评审委员会说明优先级排序的结果及理由。优先级排序过程应考虑的因素包含在附录C所描述的优先级排序过程中。还应考虑一些额外因素,比如提供关于设计参考任务(DRMs)中技术关系的简明列表,包括技术评估在内,作为支持或强化;相对于替代技术对任务的利益,使用系统分析的方法构建所采用的技术对任务产生的利益;以及关于技术优先级与预期投资、所需开发计划二者之间的相关性研究。

建议3:作为优先级排序过程的一部分,NTEC/CTC应对下次独立评审时(在技术领域分类结构(TABS)中第3级或第4级)的每项技术进行分类,分为引领、合作、观察、停滞。此外,NASA首席技术专家办公室(OCT)应更新NASA电子技术数据库、技术项目信息查询系统(TechPort),这样,不论NASA是否开展研究,都能明确每项技术处于引领、合作、观察、停滞的哪个阶段。在共同合作努力方面,OCT应在TechPort的细节之中包含合作性质,包括仪器设施、飞行测试以及跨领域技术发展在内等。

建议4:如果路线图以及/DRMs(设计参考任务)有重要变化,下一次独立评审应当是一次全面评审;或者,如果在下一版路线图中,新技术再次在总体技术数量中组成一小部分的情况下,应当仅针对新技术开展重点评审。评审范围应该包括以下几点:

 

  • NTEC/CTC完成的技术优先顺序及排序过程,用于开展优先排序的过程。

 

  • TA15航空技术路线图。

 

  • 首卷技术路线图,包括TA0介绍、跨领域技术及索引。

 

  • 针对设计参考任务(DRMs)作为支持或强化的相关技术。

 

  • 此外,下一次评审应将推荐接下来的评审将使用的方法论。

 

 

 

原文题目:NASA Space Technology Roadmaps and Priorities Revisited

资料来源:http://www.nap.edu/23582

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)

 

 


[1] 2015年7月1日起,该机构被称作美国国家科学、工程、医学研究院。本文中关于美国国家研究委员会(NRC)的参考文献是指在历史背景中此日期之前的活动。

[2] NRC,2012,《NASA空间技术路线图及优先事项:恢复NASA的技术优势,为太空新纪元铺平道路》,美国国家科学院出版社,华盛顿特区。

[3] NRC,2012,《NASA空间技术路线图及优先事项》。

[4] NASA,2015,《技术路线图》,介绍、交叉技术、以及附件,第i-61到i-67页。

[5] 此项研究不是航天技术的综述。这些观点首次提出于2015年路线图中,所以,2012年版的NRC报告与此不具备比较的基线。

[6] NASA,2015,NASA技术路线图:TA 9,进入、降落和着陆系统,华盛顿特区,第TA9-25页。

[7] NASA,2015,技术路线图,TA14:热管理系统,TA14第32页。

[8] 独立技术及分组技术的相对优先级从一个技术目标到另一个有所变化,如表S.1所示。

[9] 2015版路线图中改名为辐射减轻与生物对策。

[10] 技术9.4.7,制导、导航与控制(GN&C)传感器及系统(用于进入、下降与着陆),是2012版NRC报告中X.4分组技术的一个元素,由于其在2015版路线图TA9中没有技术内容,已被删去。

[11] 在2015版技术领域分解结构(TABS)中改名为GN&C算法。