【战略前沿】NASA生命与自然科学研究十年调查计划中期评估报告(摘译)
来源: http://www.nap.edu/24966
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2018-06-26

前言

美国国家航空航天局(NASA)生命与自然科学研究十年期调查实施中期评估委员会受命审查NASA在实施《2011年国家研究委员会(NRC)十年期调查报告[1]》《重拾太空探索的未来:生命与自然科学研究的新时代[2]》计划中概述的战略、目标及优先领域等方面的工作进展。委员会任务陈述全文参见附件A。

委员会面临的任务涵盖科学、科学政策以及科学实施3大领域,自《重拾太空探索的未来》发表以来,这些领域一直处于非同寻常的演化发展过程中。为了兼顾完成任务以及考虑该领域中的演化问题,委员会于2017年1月至12月期间共举行了4次人员出席的会议和多次电话会议。委员会广泛听取了NASA空间生命与自然科学研究与应用局(SLPSRA)、NASA人类探索和运行任务理事会(HEOMD)、NASA首席科学家办公室以及NASA空间技术任务理事会(STMD)的汇报。作为2017年4月会议的一部分,在位于华盛顿特区的国家科学院大楼举办了一次广泛的互动性各界输入研讨会。

该委员会见证了SLPSRA与国际空间站(ISS)研究计划、以及空间科学发展中心(CASIS)内部和国际计划所开展的广泛和大量的工作,这对项目组合产生影响。这种多管齐下的科学途径符合十年期调查中普遍优先事项,该调查正在重新恢复并维持由NASA领导的空间生命与自然科学广泛的项目组合。委员会在任务陈述范围中广泛讨论了这一增长的复苏情况,同时,委员会在目前涉及到的实体的广泛背景下,对任务陈述的范围进行了彻底的审查。

委员会的讨论议题还受到来自日益商业化或私人化的空间领域“生态系统”的指导,这一生态系统正迅猛发展。这一生态系统已经涉及使用商业运载器到ISS,而且从更广泛意义上说,还包括潜在的近地轨道(LEO)的进一步经济发展。在NASA明确其运行将不再以ISS为重点的转型期间,NASA考虑LEO内部及围绕的科学问题的讨论尤其相关。因此,ISS能力向私人部门的潜在转变、 以及NASA对深空更为关注的转型,这些对委员会的审议与建议都产生了巨大的影响。

本委员会及联合主席向NASA、CASIS以及美国广大政府机构的诸多非常繁忙的工作人员,特别是来自美国和国际空间生命与自然科学界的成员致谢。他们通过做报告、写材料及参与讨论等形式,为委员会提供了大量帮助。同时,特别感谢航空航天工程委员会和空间研究委员会的工作人员。虽然,从语言文字上看,这是委员会的报告,但国家科学院的工作人员以其非凡的专业知识,帮助委员会完成这一工作,而且,他们的指导自始至终使委员会能够获取信息数据并得出如此具有指导性的结论。没有他们的支持,这份报告就不可能完成。

 

联合主席:Daniel L. Dumbacher Robert J. Ferl

美国国家航空航天局生命与自然科学研究十年调查计划中期评估委员会

 

摘要

2011年国家研究委员会(NRC)开展的太空生物与自然科学十年期调查完成了《重拾太空探索的未来:生命与自然科学研究的新时代》报告,写于太空探索科学演进以支持空间探索的关键时期。2005年,在空间探索愿景计划整体调整期间,空间生命与自然科学的研究日程已经明显缩小,这与国际空间站(ISS)2011年即将完成组装几乎在同一个时期。在那个变化的时期后,《重拾太空探索的未来》为空间生命与自然科学的关键需求提出了一个有力论据,既有助于赋予并提升美国国家航空航天局(NASA)的勘探能力,也有助于通过进入航天环境在许多领域催生出独特的科学。《重拾太空探索的未来》清晰而广泛的阐述了微重力环境以及太空探索催生的重要科学领域,提出了一揽子科学问题和方法。因此,《重拾太空探索的未来》不仅展现了一揽子广泛的项目,还为NASA在考虑重新开展空间生命与自然科学计划以解决探索需求时提供了一个全面指南。

如同十年期调查实施过程中的标准做法,NASA随后要求美国国家科学工程和医学科学院对其负责的十年期调查报告提出的建议的进展进行一次中期评审。本次对NASA生命与自然科学研究十年期调查计划实施进展的中期评估委员会对这次中期评审的详细任务陈述请见附件A。该任务陈述首先要求针对十年期调查报告的建议,对NASA各项进展进行一次典型的中期评估,然后要求聚焦深空探测领域,从而将大部分中期评估设计为进一步十年期调查建议进行排序的框架,即对那些能够有利于实现太空探索,特别是对近地轨道(LEO)以外的深空探测领域进行排序。

自从2011年发布这一十年期调查报告以来,NASA已经发生了巨大的变化,包括航天飞机计划的退役以及ISS(国际空间站)的成熟。NASA空间生命与自然科学研究与应用局(SLPSRA)的组建,对十年期调查研究再次提供了关注。NASA在其内部再次适度增加了空间生命与自然科学的预算,并邀请局外相关学术界参与该研究。此外,NASA与国际空间科学界开展合作。它还通过启动、发展、协调由空间科学发展中心(CASIS)管理的ISS美国国家实验室,开创了私人资助太空研发项目。在考虑到CASIS发挥的作用时,委员会认为美国ISS国家实验室满足了开发商业空间科学为陆地应用服务的广泛需求,包括那些与十年期调查的优先事项不一定有关联的需求。

总体结果是,如今的ISS,在现有货运及人员限制下,目前正在接近其设计能力的状态运行,开展研究工作。随着NASA将其工作重点转向于深空探测,NASA将要面对重要的科学研究优先次序分配决策。事实上,NASA在满足ISS国家实验室需求的同时,面临着创造性开发其探索目标的压力。最大限度地发挥科学的作用确保深空探测符合不断发展的NASA探索战略和ISS的设计寿命,而要平衡ISS的其他科学需求却是一项挑战。反过来,这一挑战却与人类亚轨道空间平台的发展、开发LEO(近地轨道)商业兴趣的增加以及相关地面研究能力的扩展相平衡。

十年期调查以来,NASA的探索战略也有所发展。现在,NASA重点将火星作为其目标,而且自2017年春季开始计划在地月之间部署深空网关。这一总体探索战略为研究重点及其项目实施奠定了基础。还要了解的一个关键要素是到2024年以及更长时间ISS和近地轨道研究的计划和战略,以及目前的国际伙伴关系资助协议情况。这些未知因素会影响人类如何完成太空探索所需的研究工作。

本摘要概述了自《重拾太空探索的未来》提出的一揽子科学产出组合以来,这些科学挑战和进展的中期评估情况。该概述还增加了NASA内部关于研究进展与项目实施过程现状的发现部分,同时扩展了NASA为实现《重拾太空探索的未来》目标而努力吸引其参与的相关学术界的情况。在本摘要中,概述、调查发现及建议的组织与本报告的任务陈述保持一致。考虑到NASA的目标是超越LEO,该任务陈述将使报告集中在空间探索上。任务陈述中明确要求,除评估进展之外,委员会还制定一套专门针对探测的最优先建议。本报告详述了对一些单个科学学科的评估,并明确阐述了在此十年期间后几年中要加强的与探测相关的最高优先研究领域。

 

NASA实现十年期战略、目标及优先事项的途径与进展

委员会认为,NASA在计划层面上以强烈和积极的态度响应了《重拾太空探索的未来》。作为对十年期调查计划建议的一项重要响应,NASA于2011年设立了SLPSRA(空间生命与自然科学研究与应用局),作为人类探索与行动部的一部分。“SLPSRA为NASA生命与自然科学研究提供行政监管,在单一管理结构框架下,为一项集成研究的日程、项目领导与执行提供一个计划层面的机构,并且该局处于一个能够同时理解科学价值及其在未来探索任务中的潜在应用两个层面的NASA理事会组织之中。”[3]为支持SLPSRA与十年期调查项目间的关系,作为美国国家科学工程医学院的空间研究委员会和航空航天工程委员会的一项活动,专门成立了空间生命与自然科学委员会[4]。提交给委员会的数据也表明,对十年期调查科学的预算也有增加。在SLPSRA成立后的几年间,空间生命与自然科学的预算在计划层面显示出稳定和改善的迹象,同时,通过科学界的参与,在科学支持及取得成就层面也得到体现。

以下发现及建议按其讨论的章节及章节顺序确定[5]

发现2-1:通过成立SLPSRANASA以适当和响应性计划的方式实施《重拾太空探索的未来:生命与自然科学研究的新时代》的整体战略。通过与空间生命与自然科学委员会进行强有力的互动,NASA加强了与十年期调查相关科学界的投入。

发现2-2 :在整体预算限制的条件下,通过适度增加空间生命与自然科学的预算和任务,以及增加微重力科学跨平台研究的多样性,NASA为《重拾太空探索的未来:生命与自然科学研究的新时代》报告涉及的科学研究提供了支持。

建议 5-1 NASA应该认识到定期进行发布征集研究计划书的必要性,以便和外部研究社区维持积极的互动,开展与探索相关的空间生命与自然科学研究工作。

推荐5-9 :鉴于资源限制,NASA应当在国际空间站(ISS)内部提高空间生命与自然科学研究与应用局的优先地位,以解决人类探索太空的风险和未知因素,尤其是考虑到微重力研究在探索活动和ISS潜在转变所产生的紧迫感方面的价值。这些优先事项应该在空间探索战略中能够直接追溯到,应该与重点研究领域和相关技术联系起来。表4可用于发起此类追溯。

发现4–1:自2011年开始的十年期调查,NASA已经提出了一些探索路径,涉及到月球、小行星任务、火星以及月地空间。NASA还使用了一套独立的设计参考任务来发展其技术路线图。探索战略的这些频繁变化造成研究调查和探索需求之间的可追溯性模糊不清。

建议5-5NASA应当在其技术路线图、设计参考任务以及探索计划中建立并记录研究优先事项的可追溯性。

建议5-8:为了在其资源限制条件下最大限度地实施十年期调查优先项目,NASA应继续关注所有平台(包括塔台、飞机、气球、亚轨道航天器及自由航天器)以及可用于10年期调查研究的陆地类比和地面实验室。

在评估十年期调查各类任务实施进展期间,委员会发现很难在该机构中负责汇报与各自相关的十年期调查建议研究的不同部门之间进行研究追踪。在提交给委员会的多份材料中,尽管都明显体现了NASA在总体规划上对空间生命与自然科学的关注,但是将机构研究项目与具体的十年期调查建议进行累积对比或映射,是有问题的。

发现2-3NASA采用多种途径汇报其研究资助、出版的研究结果及各种实验,但这些途径并未在各计划和不同办公室之间得到充分协调,因此很难全面跟踪十年期调查的优先项目。

建议5-3NASA应考虑对十年期调查优先项目跟踪在机构内各部门进行整合,利用现有的、商业上可用的、著名研究报告以及在整个学术研究领域内广泛使用的开放式科学数据库工具,以便准确、及时和可持续地获得信息。NASA还应当下决心努力在ISS计划的重大改进方面传播十年期调查的价值。

建议5-6NASA应进一步平衡整个组织的沟通和报告工作。

 

国际空间站计划现有及新兴的挑战与机遇

随着近期的月地空间探测及即将开展的火星探测,NASA正将其探索重点转移到LEO之外并进入深空。在将探索日程的重点放在深空领域时,NASA必须应对各种在机构内部争夺资源的不同问题。在2014年NRC发布的《探索之路:美国人类空间探索计划理由与方法》[6]报告中,介绍了NASA将其研究重点转向深空探测的意义。NASA很清楚进行深空探测的实现需要得到空间生命与自然科学研究的支持,至少其中一些研究需要长期使用微重力研究。

发现2-42024年后,将需要进行勘探所需的LEO科学研究。为尽可能地满足深空探测所需的研究,微重力研究项目的期限需要延长数年。

往返ISS所需的机组工作人员工时以及货运能力,尤其是从空间站返回地面的返回资源能力,是利用ISS开展科学研究的主要瓶颈,为给深空探测运送物资做好准备,需要延长在微重力条件下进行实验的期限。

建议5-2NASA应继续努力在国际空间站(ISS)国家实验室、国际合作伙伴以及空间生命和自然科学研究与应用局之间开展协调,最大限度地协调ISS的资源,特别是涉及到在ISS平台上开展研究时可使用的空间站人员工时以及研究优先顺序方面。应尽最大可能继续努力加快ISS往返货运能力及工作人员。

ISS能力的成熟为广大研究界提供了广泛的在LEO微重力下的仪器和设施。向委员会提交的业务陈述表明,到2017年底,ISS内的占用空间将接近95%,Express Racks将于2018年中期满载。同样,ISS外部的机架和设施的占用也接近满载。 由于ISS的研究能力将于2018年达到极限,重要的是全面利用这些设施,而不是由政府资助额外开发设施。委员会还认识到,最近由私人开发的可用于ISS平台的研究设施有了进展。提交给委员会的预算数据表明,如果开发较少的新设施,可将大量资金用于利用ISS上现有设施开展实验。

发现2-8:自2011年十年期调查开始以来,尽管NASA一直在努力提高ISS的研究能力,但美国参与ISS2024年将进入一个潜在转型时期,可能需要对ISS设施开发进行一定的战略调整,包括使用私人开发的研究设施。

建议5-7NASA应在ISS现有的硬件及研究能力基础上,把实施科学研究提到越来越高的优先地位。认识到当前的资金局限性、ISS转型的时间考虑、以及对微重力研究高优先级需求等方面的迫切要求,NASA应最大限度地利用现有的ISS设施,包括私人开发的设施。

NASA已适当启动了一项内部活动,开发并评估应对2024年ISS转型后的多种可能选择措施。截止本报告撰写时,尚未得出任何结论。NASA的确向委员会作了一次汇报,介绍了这一活动的进展状况。为了确定并评估ISS潜在的战略选择,NASA发展了一套关键考虑因素清单。这些考虑因素包括美国长期开展的LEO研究,以引领国际合作伙伴关系、持续支持LEO的商业空间活动、培育生态系统以持续开展超越LEO的深空探测目标等为特点,同时继续研究和发展基础科学和技术。首要考虑的内容是可承受性和可持续性。

建议5-10NASA尽快制定国际空间站后2024战略至关重要。这一发展在总体探索战略、空间生命与自然科学研究的优先顺序、以及对机组工作人员工时、货运和资金方面的资源分配方面占有很重要的地位。后2024战略应该解决各种研究活动和合作伙伴之间明确的经费分配问题。

 

多赞助方科学采购途径的挑战与机遇

国际参与者和ISS国家实验室的利益都被绑定成一个拥有众多投资者、参与者和监督者的大型轨道企业。尤其是作为ISS国家实验室管理方,新成立的空间科学发展中心(CASIS)给ISS带来了重大的、非探索任务的关注度及需求。委员会认为,对NASA和CASIS来说,在ISS进行研究兴趣的积极增长是一项重大成就。然而,当NASA致力于最大化利用ISS平台空间生命与自然科学研究满足探索需求时,它必须处理好平衡管理这种需求的挑战和那些在ISS上开展非探索任务的需求。这将使空间生命与自然科学在支持探索方面取得进展面临风险。

发现2-5NASA继续以值得赞赏的方式与ISS国家实验室协同发展。然而,当NASA遇到ISS国家实验室实施的挑战时,其自身的探索优先项目需要从ISS获取研究资源也面临着巨大的压力,比如空间人员工时、货运能力以及ISS实验的优先顺序。这种压力将NASA的探索研究优先事项置于无法实现的风险之中。

NASA竭诚欢迎其他机构参与太空研究;例如,其科学任务局在此方面一直很活跃。对于人类探索与行动任务局(HEOMD)和SLPSRA来说,让其他机构参与研究属于相对较新的尝试。它向其他机构开放了微重力研究领域,尤其是在ISS平台上。尽管这种参与比较积极也受到欢迎,但其他机构仍然不太可能直接参与NASA内部一些探索任务的科学研究。相反,其他机构将利用NASA的设施来完成其自己的研究计划。

发现2-6NASA已经开始与美国其他机构、非政府研究机构努力合作,探索微重力的科学价值。尽管对微重力研究的兴趣日益浓厚,由于计划设计上的原因,委员会无法确定任何其他联邦机构可以承担研发和在ISS上进行实验的全部成本。

发现2-7:由于NASAISS战略要在当前制定的2024年承诺之后发展,因此,需要对支持研究所需的全部成本进行清晰而客观的分析。ISS研究项目和CASIS活动的成本要素(如发射、人员队伍、运行、设备维护)是评估研究活动及确定合作伙伴合理资助水平的重要因素。

建议5-4:应加强与国家卫生研究院、国家标准与技术研究所、国家科学基金会、国防部、能源部以及其他机构的合作关系,以便更好地解决十年期调查和中期评估确定的研究重点,特别是探索计划的重点事项。NASA应考虑与空间科学发展中心就国际空间站研究分配进行协商,以更好地解决NASA的探索优先事项。

 

应采取行动优化探索的科学价值,为实施提供指导

随着NASA制定了深空探测计划,已经重新关注了大量有利于实现最佳探测所需的科学。委员会听取了许多自2011十年期调查以来在空间生命与自然科学方面取得的进展介绍。委员会还从NASA以及外部科学界那里听到建议,为了更好地支持将研究重点转向深空,仍需要开展大量的科学工作。尤其是,委员会认识到一个相当简单的事实,即所有深空任务计划绝对需要在微重力环境下度过很长一段时间,而且会在地磁圈辐射保护范围之外。没有任何一项设计参考任务计划将大型重力引入到交通运载工具内。如果微重力仍然是探测运载工具的工作环境,那么人类及其生物与自然支持系统必须在微重力条件下充分独立地持续运行数年。然而,已经进行的在轨开展长期空间生物实验的数量很少,而且已经知道目前在ISS平台上使用的许多自然系统都需要大量维护。因此,了解生命与自然科学长期处于微重力环境中的基本原理是研究的重中之重。同样,辐射,尤其是实际暴露在真正的深空环境中的辐射,已明确是对人类的重大风险,也是深空生命与自然系统的重大未知风险。由于人类在LEO以外的探测经历的总数仅限于阿波罗时代,而且当前在ISS平台上进行的长期性实验数量非常有限,对微重力和辐射科学研究的需求前所未有的巨大。

发现3-1:深空探测将在暴露于微重力和高辐射环境中进行很长一段时间;在目前的设计参考任务中,没有可预见的航天器或空间站上产生大规模重力感应,唯一可以预防辐射计伤害的屏蔽装置安装在空间航天器上。因此,从根本上了解微重力和辐射对生物与自然系统的影响对于适当保护宇航员和保证运行成功至关重要。

建议3-1:随着NASA继续开发深空探测任务涉及长期暴露在微重力环境下的各种情景,了解长期空间辐射、微重力、小型栖息环境对人类生物学及生物与自然系统表现等的直接以及交互式的影响,需要在NASA的科学计划中置于高的优先地位。NASA还应加强科学研究与工程团队之间的协调,以便在设计探测要素与系统时更好地处理综合影响。

发现4-2:当前的资助水平无法完全解决LEO以外人类探索活动的一些重大未知问题与风险。对微重力环境下人类健康与行为风险的根本性了解,以一种综合的方式结合微重力物理与材料研究,对探索LEO以外人类邻近环境至关重要。重大风险依然存在,尤其是在了解辐射环境及其影响、环境控制与生命支持、人类行为以及采用综合措施保护长期在空间工作的人员健康方面。这些风险最好在各自相应的学科中关注,以越来越综合的方式解决。

发现4-3NASA一直奉行改善内部跨组织努力的思路,基于与技术路线图的关联,在整个研究与技术开发领域开展工作。

建议5-11NASA应积极引领在本篇中期报告表4.1中确定的46个深空探测的研究重点,为开展探测工作提供尽可能多的吸引力,充分利用空间生命与自然科学研究。例如,NASA应引领适应微重力生物与体能系统的开发,最大限度地利用包括ISS在内的所有可用平台,专门用于支持微重力优化运行设计与实施的科学。

为了协助指导将探索活动科学成果回报最大化,尤其是考虑到ISS平台剩余的在轨时间,委员会在十年期调查中,将那些对NASA实施探索项目来说最重要的研究事项进行了确定并排出了优先顺序。表4.1对这些排序进行了概述。这些排序都附有学科科学性叙述,为每一项重点事项提供了基础。还列出了用于选择和排序的标准与考虑。

十年期调查共提出了在7个学科领域的65项具体高优先级的建议。利用适用于深空探测的十年期调查的标准,委员会决定,这些建议中46项被十年期调查委员会列为与探索计划有关的最优先建议。然后,委员会对这46项建议进行了排序,由此产生了表4.1,其中列出了针对探索需求的24项最高优先级、12项较高优先级以及10项高优先级的建议。最高优先级建议认为需要长期开展微重力实验,特别是利用ISS剩余在轨时间解决生物系统与自然系统间相互关系的问题。这些建议还可作为初步深空探测计划的指南,例如可能在深空网关或类似的探测航天器上进行的科学研究(一旦这些科学计划实施的话),这里也可以研究深空辐射与微重力融合的影响,同时与所有深空运载航天器内部所有汇聚的问题。

委员会希望强调“使能”研究与“使能技术支持的”研究之间在独特的微重力环境下的紧张关系。虽然委员会认识到经费有限,NASA更需要考虑优先开展微重力研究,委员会还认识到基础研究的价值,如阿尔法磁谱仪和利用冷原子实验室进行的实验。这些基础科学研究只能长期在微重力环境中进行。

建议5-12:委员会建议在NASA将研究组合更多转向那些需要为深空探测开展的实验类研究时,需要采取一种谨慎的途径,以保持那些重要的基础实验带来的益处,特别是那些仅能通过国际空间站微重力环境开展的实验,还有那些已取得进展并在长时期有可能对基本自然科学产生潜在重大影响的实验。

 

原文题目:

A Midterm Assessment of Implementation of the Decadal Survey on Life and Physical Sciences Research at NASA

资料来源:

http://www.nap.edu/24966

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)

 


[1] 在下文中也称“十年期调查”或“2011年度十年期调查”或“2011年度空间生命与自然科学十年期调查”。

[2] 国家研究理事会,2011,《重拾太空探索的未来:生命与自然科学研究的新时代》,美国国家科学院出版社,华盛顿特区。

[3] 参见NASA网站“SLPSRA概述”,2017年8月3日更新,https://www.nasa.gov/content/slpsra-overview。

[4] 参见美国国家科学工程和医学院网站“空间生命和自然科学委员会”,2017年10月5日,http://sites.nationalacademies.org/SSB/SSB_145312。

[5] 比如,发现2-1是第2章中讨论的第一个发现。

[6] 国家研究委员会,2014,《探索之路:美国人类空间探索计划理论基础与方法》,美国国家科学院出版社,华盛顿特区。