美国航空航天局未来10年空间技术发展的动力与重点领域

王景泉（北京空间科技信息研究所）

□□美国航空航天局（NASA）为了恢复航天技术优势，为新时代航天发展铺平道路，制定了空间技术发展路线图，确定了优先级，描述了高优先级技术的价值，明确了发展的差距及技术发展和计划变化的战略。NASA的空间技术发展路线图包括14个技术类别的83项关键技术。

1 未来10年NASA空间技术发展的背景和迫切性

多年来，NASA之所以能取得举世瞩目的成就，很大程度上归功于广泛而强有力的先进技术开发。然而，近年NASA的技术基础在很大程度上已耗尽，很少有经过验证的技术（较高程度的成熟技术）能有助于NASA实施探索和空间科学的优先级任务。正如美国研究委员会在有关美国民用航天计划的报告中阐述的那样：未来美国要想保持在太空的领先地位，需要有持续的技术进步奠定基础，有能力研制更大能力、高可靠性和低成本的飞行器、运载器，来实现空间计划目标。强有力的先进技术发展基础对于增强新任务的技术准备，缓解技术风险，改进成本估算质量，从而优化全任务成本管理等都是十分必要的。

空间技术发展背景及需求

目前美国可利用的技术不足以支持许多设想的空间任务，迫切需要发展新技术予以支持。

（1）对于向月球、火星和低地球轨道（LEO）以远的其他目的地运送航天员所需要的新技术

· 减轻来自宇宙背景辐射和太阳耀斑的空间辐射影响的技术；

· 推进环境控制和生命保障系统（ECLSS）的技术进步，该系统要具备高可靠性，可在太空维修，能闭环水、空气和食品循环等特点；

· 在现场资源利用（ISRU）系统中，提供先进的故障自主恢复的移动压力单元，轻质量漫游车和改进的人机接口，以及能在尘埃、重力减少等环境下操作的其他机械系统。

（2）NASA未来能力要求的新技术

NASA未来能力需要依靠新技术获得最大效益，有能力研制自动飞行器，使其能在大范围的重力、各种环境、地表和地下，具有足够程度的自主性机动，实现在远离地球的空间进行增强型的操作。

（3）LEO和深空探索的商业空间活动需求的新技术

商业空间活动也需要从先进的发射和空间运输技术中获取效益，其中某些活动需要在太空存储和运输低温推进剂，另外深空探索的某些方案的选择也需要高推力的电和核上面级推进系统。

（4）在太阳系多变的表面着陆需要的新技术

增强飞行器在太阳系多变表面着陆的能力，需要具有很高精度的轨道适应性识别的制导、导航和控制系统。

未来的深空探索航天器想像图

（5）未来空间科学任务需要的新技术

在天体物理学中能选择高优先级目标的未来空间科学任务，需要新一代的技术，包括能利用先进制冷器和摄像机系统的低成本天文望远镜，能改进焦平面阵列，具有低成本、超稳定的大型光学镜面能力。同样，也需要具有对弱目标的空前敏感性、宽视场和光谱能力的高反差外行星成像技术，以便在主星可居住区发现地外行星轨道及其特性。

火星载人探索任务想像图

确定目标并制定实施规划

2010年10月11日签署的授权法案中，要求NASA启动一个计划，保持其在空间技术领域的基础研究。2011年2月14日，NASA提出了2011年战略计划，概括了2011-2021年及以后的发展目标及实现这一目标的规划，主要包括5个战略目标：①延伸和维持穿越太阳系的载人活动。②扩大对我们生活的宇宙和地球的科学了解。③开发创新的空间技术，用于未来的探索、科学和经济。④为支持NASA的航空航天活动，开发可能的计划和技术能力。⑤NASA和公共机构、教育及研究部门分享机会，参与任务，培育创新，为强大的国家经济贡献力量。

2 对高优先级技术的需求和重点领域发展分析

美国对新技术分为14类空间技术领域进行概念定义、需求，并确定优先级和重点。

空间推进技术

包括将飞行器送离地球并使其脱离发射火箭，以及与后续推进有关的所有技术，有4个主要方面：化学推进、非化学推进、先进推进和支持技术。该领域高优先级技术包括：

（1）电推进

使用飞行器产生的电力将推进器加速到极高的速度。当今飞行器机动使用的太阳能电推进（SEP）主要包括电弧推进器、霍尔推进器和离子推进系统。现代实验室模型的霍尔推进器和离子推进系统已经进行了地面验证，这些推力器的飞行型式正在研制中。未来由核电源支持的多兆瓦电推力器系统将使用目前处于实验室早期试验阶段的各种推力器的飞行型式。大功率SEP系统（100kW～1MW）的研制将能够支持大规模或快速任务，在地球轨道的空间运输系统中实现更高效率和更大的采样返回任务，用于载人探索任务的货物和预先定位的ISRU的运输。

（2）推进剂存储和转移

在太空，推进剂的存储和转移包括制冷剂的长期存储，也包括飞行器、上面级、月球和火星着陆器、上升飞行器上的再加注部分和推进系统之间的流体转移。尽管推进剂的存储和转移已经在太空进行过验证，但这种技术还只在实验室环境下对低温流体进行部件级确认。从广泛应用的角度，推进剂的存储和转移之所以被确定为改变策略的技术，主要是由于对于大型有效载荷和载人任务，具有长寿命、高推力和高速度增量的优势，并将在未来30年中加以利用。

（3）核热推进

热推进技术包括使用太阳和核热源，利用热能加热氢推进剂实现高比冲。但只有核热推进被确定为高优先级技术。核热火箭（NTR）属于高推力推进系统，可能比最好的液氢液氧化学火箭的比冲高2倍。关键的NTR技术包括核燃料、反应堆（器）和系统控制、长寿命氢泵等，由于以前采用野外试验途径，从环保角度不再能接受，因而技术发展还包括地面试验能力的改进。

（4）微推进

微推进技术包括化学和非化学所有推进领域，可满足高机动性微卫星（质量小于100kg）和某些精密指向、定位的天体物理任务的要求。由于小卫星受到成本低、研制周期短等因素的驱动，无论是单颗卫星，还是编队飞行，都将会赋予更加复杂的任务。目前已提出的技术包括现有系统的小型化和创新方案等。

未来的空间探索需要航天员与机器人的合作

能够勘探和挖掘月球表面冻土的机器人概念图

空间电源和能源存储

空间电源和能源存储主要包括电源产生、能源存储、电源管理与分配、交叉关键技术。该领域的高优先级技术有：

（1）太阳电源产生（光伏和热）

目前，光伏空间电源系统利用太阳电池片将太阳光变换成电能，转化效率达到30%，现在的重点是探索能在极端环境下有效工作的高效电池片技术。到目前为止，几乎绝大多数飞行器都是靠太阳电池供电，而NASA正在瞄准用于大功率电推进任务的光伏电源技术，其核心是提供高质量比和高功率密度的先进电池阵技术。

（2）裂变电源产生

空间裂变电源系统是利用核燃料裂变产生的热转换产生电能的装置，其关键分系统包括反应堆、热交换器、能量变换器、隔热和辐射屏蔽系统。利用这种电源系统，可为行星表面探索任务提供充足的电力环境，也可为深空探索和科学任务提供高功率的电推进系统。

（3）电源分配管理与传输

如果高功率电力系统采用目前的电源分配管理与传输技术，那么这种系统必然达到不可接受的质量和复杂性，因此必须开发更有效的电源分配与传输方法。研究的重点是提高电源分配与传输的电压，开发空间系统高频交流电分配方案，找到替换铜导体的材料。

（4）电源变换与调节

任何飞行器的电源利用都是由电源及其分配的体系结构决定的。电源变换与调节的目的是在电源和有效载荷之间提供必要的桥梁，将电源调节到各种有效载荷所要求的允许值范围。目前的问题是需要对地面的高电压部件进行空间鉴定，以代替已经落后于商业技术的空间鉴定部件。改进电源变换与调节装置的重要参数包括提高变换效率、工作温度范围和辐射容差。

（5）电化学能源存储

电池作为电化学能源的存储形式在航天领域已经使用多年。空间电池要想在变化的空间环境中保证效用，负载的范围要求大于地面应用。现在有些先进的电池技术还未在空间飞行验证，而且，新型电化学技术要在高比能量或高比功率方面发展。

（6）放射性同位素电源产生

放射性同位素电源系统（RPS）能支持许多特殊的深空或行星探索任务，进行科学发现。RPS基于钚-238，使用热电变换器为穿越太阳系的许多任务提供可靠的电力，而且工作寿命可以超过30年。未来的RPS要求提供低功率和高电平。由于目前缺乏可用的钚-238，因此研制理想的RPS还存在诸多问题。对于NASA未来的科学和探索任务，开发可靠且可重复使用的钚-238和研制成熟化的斯特灵放射性同位素发电机是两项关键技术。

机器人、遥机器人和自主系统

机器人、遥机器人和自主系统包括遥感和感知、灵活性、操作性、人机系统集成、自主性、自主交会对接等方面，其高优先级技术有：

（1）相对制导算法

相对制导技术包括在飞行器之间顺序进行交会、接近操作和（或）对接、捕获等的轨道算法。这些算法必须要预测应用环境的影响，轨道变化和所使用的姿态控制受动器的性质，惯性和相对导航状态数据对制导算法的可利用性等。新技术主要是提供能计算和管理飞行器机动的实时星上算法功能，以实现具体的轨道变化目标。NASA重视相对制导技术的发展，因为这种技术直接关系到载人深空探索、采样返回、在轨维护和轨道碎片缓解等。

（2）对接、捕获机构/接口

对接、捕获机构能实现物理性捕获和连接，以及分离释放。研究用于自主交会和对接操作的物理对接和捕获接口，将大大简化自主交会对接系统的控制要求，提高系统可靠性。未来的对接和捕获机构不仅能够在追踪飞行器和目标飞行器之间进行乘员转移，而且可增加设备舱的连接，简化执行机器人的服务任务，甚至能对非工作状态甚至翻跟斗的飞行器进行控制和捕获。

（3）飞行器系统管理，故障检测、隔离和恢复

这涉及到集成系统完好状况管理，故障检测、隔离和恢复及飞行器系统管理的关联性和搭接。它们是保证自主飞行器的安全和可靠运行的关键，可以提供地面和轨道上飞行器乘员进行故障评估的诊断能力；确定故障位置和处理故障的自主能力，提高机器人系统的灵活性以应对故障；在检测到乘员需要逃逸或中止任务情况后，能增加乘员的安全性。NASA必须重视这种技术的发展，因为它将关系到诸如机器人科学任务、行星漫游器和着陆器等深空探索的许多任务。

（4）灵巧操纵

这是一种系统级的技术，涉及多个技术领域，对NASA目前和未来的任务至关重要，包括“国际空间站”（ISS）的服务和维护、卫星的遥服务、大型结构的在轨组装和遥探索应用。为此，NASA重点研制了相关机器人，目前在ISS上进行评估，研究适合航天员的接近灵巧性。到目前为止，这类研究活动主要集中在环路中人员的遥操作，这依靠高带宽存活的限制和快速反应时间的通信要求。NASA将研究多种方案用于扩展机器人技术和改进在慢反应时间和低带宽环境下操作的能力。

（5）管理控制

管理控制定义为控制机器人利用高级目标而不是低级指令工况需要的一体化技术，这要求机器人有半自主或自主的能力。增加大量机器人后，一个人要有能力同时管理多系统，也具有结合延时管理的能力。目前，需要解决的关键技术包括：机器人高级自主工况敏感和控制，多敏感器融合，能使乘员从多个机器人显示的信息中了解状况，对时间延迟的解释、机器人现场提供的信息、触角反馈及为处理通信损耗需要管理控制系统的手段。由于该技术可以减少管理机器人任务所要求的乘员数量，也由于科学和探索的多重任务，因此，NASA迫切需要这项技术。

（6）机器人挖掘和采样处理

机器人挖掘和采样处理技术将实现从机器人任务的科学效益转移到小天体、月球和行星，也可将载人航天的原位资源利用有效于月球和小天体。新的机器人钻探、从地层中取出样品的技术具有重要意义，由于要保证采集的样本不被污染，它将影响未来行星科学任务的质量。

（7）极端地形上的机动性

极端地形的机动性包括所有地上或地表级地形的机动性。机动性程度越高，支持自主性的能力越强。这种技术可以实现在极端的地形情况下寻找水源的任务，对于火星和月球任务也非常重要。它可用于任何探索任务，包括到行星表面（含月球）的载人和机器人探索。

（8）小天体和微重力条件下的机动性

NASA研制的ECLSS

模拟人体长期暴露在太空辐射环境下，研究太空辐射的影响

在微重力条件下操作机器人存在许多挑战，如果不能固定或系绳于地面结构会相当困难，即使调节螺丝钉这种很简单的任务对于没有连接到其他固定结构的机动平台来说，也有很大的问题。研制具有感知和自主性支持的自适应机动系统，是在紧凑空间和微重力环境下完成探索和采样返回任务的关键技术。由于这种技术和机器人及载人的小天体（近地行星、地球轨道以远的载人探索目标）探索有关，因此是未来任务的重要技术。

通信和导航

通信和导航主要包括光学通信和导航，无线电频率通信，网络互联，定位、导航和授时，集成化技术，革命性方案等。其高优先级技术有：

（1）星上自主导航和机动技术

星上自主导航和机动技术对未来的许多任务在改进能力和降低支持要求方面都很关键，将减少相对地球的传统位置的依赖。星上机动的规划和执行的监视将增加飞行器的敏捷性，形成新的任务能力，通过减少支持传统飞行器操作所需要的大型工作队伍而降低成本。这种技术具有较高优先级，因为它将影响载人的深空探索、机器人科学任务、行星着陆器和漫游器。

（2）时间保持和授时分发

NASA通信和导航基础设施是原子钟、时间传递硬件和软件。太空使用新的和更精确的原子钟、时间分发和时间同步的手段，未来几十年实现基础设施的改进和NASA扩展任务的要求，都需要发展这种技术。时间保持和授时分发需要几个数量级的改进，以提供主要效益。由于时间保持和传递精度的增加，引起相对和绝对位置及速度精度的增加，因而提供了能更好地交会、对接及着陆初始方案。这种技术具有高优先级，它对很多领域的大多数任务都有重要影响，包括载人和机器人探索所涉及到的交会、相对位置保持和着陆任务等。

（3）自适应网络拓扑结构

自适应网络拓扑结构是指网络改变其拓扑结构的能力，以应对网络改变或延迟的发生，或增加通信路径之间相关性的了解。它包括改进任务通信、信道访问方法，以及保持穿越动态网络信号质量等技术，为适应增强任务的复杂性，实现强大的任务生命力，要求确保成功的信息交换。

（4）无线电系统

无线电系统技术集中于射频通信，定位、导航和授时，空间互联网等探索性技术进步，以发展先进的集成化的空间和地面系统，既提高性能和效率，又降低成本。主要挑战是将先进的技术集成到操作系统，使未来NASA空间任务的数据率和通信范围达到最小限制。

NASA为火星探索研制的EVA压力服

乘员健康、生命保障和居住系统

乘员健康、生命保障和居住系统包括ECLSS及居住系统，乘员健康和能力，舱外活动系统，环境监视和安全。其高优先级技术有：

（1）辐射

大量研究已经证实，辐射是载人航天未能解决长期飞行人员健康问题的主要原因。主要的最高优先级技术是：

· 辐射监视技术 监视辐射环境的能力是航天员安全和任务成功的关键。包括在屏蔽中生成的次级粒子在内，必须进行局部环境的测量，以保证使航天员暴露所遭受的总剂量尽可能低。现有的技术既对辐射威胁的全部范围不敏感，也不能给出对总剂量起主要作用的粒子类型的细节。需要改进的是能主动读出和对大范围辐射敏感的小型、低功率放射量测定器。

· 辐射防护系统 辐射防护系统包括限制航天员辐射暴露的材料和其他途径。对于载人探索的许多部分，屏蔽是关键的设计依据。一般认为，单独的屏蔽不能消除银河宇宙射线的辐射，但屏蔽较好的飞行器或居住舱能从根本上减少来自太阳粒子事件的辐射。解决上述问题最佳途径研究中的挑战，是既要减少辐射暴露，又要满足整个任务的质量、成本和其他设计考虑。

· 辐射风险评估模型 辐射风险一向被列为长期载人探索的最高风险，基于以癌症为最严重影响程度而建立的目前风险模型的风险限度，仅在深空停留4～6个月就将超过。风险限度分为几个层次，包括NASA的允许暴露限度和由重大不确定性决定的某些方面的量化。减少有关生物的不确定性，对减少有关癌症的不确定性、量化选择屏蔽的价值和量化可能的辐射缓解对策功效均有重要价值。

· 载人辐射的预测 能够预测辐射环境，特别能预测太阳粒子事件和由太阳风暴导致的电离辐射的强辐射周期，对于保证航天员安全和任务成功至关重要。提高预报能力将改进任务效能，通过延长作出响应的时间，减少屏蔽下停留的时间，并避免虚警，能够实施更大效费比的策略。

· 辐射缓解 一般认为，单独的屏蔽不能消除银河宇宙射线的辐射，因此需要探索生物学和药理学的相关对策，以降低连续辐射暴露的影响，同时限制严重敏感的辐射影响，同时在太阳粒子事件期间，对于大剂量辐射暴露的航天员要限制其敏感辐射影响的严重程度。

航天员准备在火星表面钻孔设想图

（2）ECLSS和居住系统

居住技术领域的重点是与生保系统有紧密接口的方面，包括食品生产、食品准备和处理、乘员卫生、代谢废物的采集和稳定、衣服及洗熨、后勤废物的再利用及循环等。技术难度是提供理想的食品和卫生条件，使乘员舒适并受防护。

· ECLSS废物管理 废物管理涉及保护乘员健康，提高安全性和性能，再生资源和保护行星表面等。其涉及的关键技术包括减少体积，稳定，控制异味，水、氧和其他气体及矿物质等物质的再生。

· ECLSS水的再生和管理 这种技术提供安全、可靠的水供应，以满足乘员消耗和操作需要。由于对于整个发射任务来说，水占有很大的发射质量，从地球补充水又是不切实际的，因此，从废水和废物中再生水就是具有高优先级的非常关键技术。

· ECLSS空气再生 对于长期飞行任务，空气的再生也至关重要。关键的技术包括二氧化碳的去除或减少，氧的供应，气体微量污染物的去除，微粒去除、温度控制、除湿和通风等。

（3）乘员健康和能力

主要是长期乘员的健康。自主的、灵活的和自适应的技术和系统对长期健康非常关键，因为意外事件发生和生病以后，有效的快速恢复技术无疑具有最高优先级。在与长期健康有关的技术中，有可能引起规则改变的技术主要是人造重力的评估和实现，该技术有可能缓解骨质损失、肌肉和心血管失调以及神经紊乱等，其中的最高优先级技术包括：在微重力环境中飞行过程的外科能力、自动化医学档案、信息和程序管理，以及飞行过程的医学诊断等。

（4）舱外活动（EVA）系统

· EVA压力服 压力服是能保证EVA人员工作和生存的拟人航天系统。理想的航天服应该容易穿、脱，对于穿用者具备高度关节化并容易调整，切合人体动力学，使穿用者完成所有任务所增加的力和力矩达到最小。目前正在使用的压力服技术较之30多年前已经有了巨大进步，今后发展的高优先级技术是提高压力服的性能，改进其操作能力。

· EVA便携式生命保障系统 尽管这种技术对于航天任务的基本功能并不是十分关键，因为所有便携式生命支持系统并非只用于航天，但用于航天的便携式生命支持系统中，热控和二氧化碳捕获技术必须作为最高优先级给予特别关注。提高个人生命支持系统的能力、可靠性、可维护性，延长寿命周期，减轻使用者的支撑质量是最关键也是最难实现的。

（5）环境监视和安全

· 火灾的监视和抑制 这种技术关注如何通过减少火灾，确保乘员的健康和安全的可能性。如果一旦发生火灾，要能够使乘员、任务和系统达到最小风险。重点研究领域包括：火情的预防、探测和抑制，并提出关于处理火情的自由飞行试验床。

· 火灾的补救 之所以对这种技术给予高优先级，是由于和平号、ISS和航天飞机上都曾有过火灾发生和火灾发生后的补救经验，在执行长期任务以前，一般不选择放弃飞行器的方案，必须彻底了解和认识到发生故障以后需要彻底了解需解决的问题，系统应该能执行贯穿全任务的操作，态势感知能力是航天员是否能生存的关键。

人类探索目的地系统

未来火星基地想像图

该技术领域包括ISRU、维持和支持能力、先进的载人机动系统、先进的居住系统、任务操作和安全系统及交叉关键技术等。其高优先级技术有：

（1）ISRU

· ISRU的产品及生产 如果目的地资源能够被用于生产太空探索用的关键产品，就能带来巨大的经济效益，关键产品包括返回用推进剂、氧、水、燃料、金属、混凝土、玻璃和陶瓷、织物/纺织品/纤维、挥发性气体、合成树脂和碳氢化合物等。这种技术定为可改变规则的高优先级，因为对于载人和机器人任务，它可显著降低成本，提高生产力。氧、水、燃料、金属、建筑结构材料效益尤其巨大，美国太空探索计划对其有迫切需求。从效益和需求角度，原位资源生产系统部件的研制和自动工厂的操作，也安排为最高优先级。

· ISRU的基础设施制造 包括原位基础设施、原位建筑结构和原位衍生结构的建造，建造基础设施的风化层深度挖掘技术，备用部件制造和风化层稳定性技术。由于可以通过减少体积和质量，大大降低发射成本，因而该技术有巨大的效益和需求。

· ISRU的资源获取 用于或加工成适当产品的原始材料的采取和获取，包括风化层和岩石的获取、大气获取、材料净化和资源预处理、冷凝技术、干风化层的浅层挖掘和冰风化层的挖掘。这种技术由于减少发射成本而有巨大效益。

（2）交叉关键技术

· 尘埃的防护与缓解 尘埃防护和缓解可能会对行星任务带来异常的挑战和健康风险，因此减少尘埃有害影响的防护与缓解技术的发展成为高优先级，这种技术需要了解尘埃的化学知识和粒子尺寸的分布情况，必须禁止尘埃侵入居住区及舱外航天服。

· 结构与组装 结构与组装是指在空间任何地方装配结构的技术和工艺，主要针对非常大、非常重或又大又重的结构在一次任务中难以发射等情况。不同于ISS建造中大模块的停靠和安装，这里所指技术领域，其大多数功能在地球上容易实现，但在空间飞行中难以采用。这种技术应该允许移动到可展开的结构以外，或按模块组装成垂直结构，包括可利用的部件能在现场获取或制造，这也有对减少重力情况下非常关键的特别技术。为建造和组装目的所研制的部件，必须对有关环境能够长期适应和使用达到提高坚固性或精度的可选择模式而不再是使用笨重部件。

（3）维持和支持能力

· 自主后勤管理 自主后勤管理包括任务硬件、软件的位置，可利用性和状态的集成化跟踪，以简化队伍关于消耗使用、备份可用性以及飞行器、分系统的完好性和能力进行的决策。该系统能实现若硬件在飞行器或居住舱周围移动时自主的修改硬件项的位置，生存周期次数的踪迹和设备情况，并按相同的方式通知任务队伍再供应需求。可能长期的未来任务，加上对于再供应需要较长的响应时间，必须了解飞行器或居住舱的完好性，而且任务队伍还必须了解集成系统故障的容差。

· 食品的生产、加工与保存 在任何持久性的旅行中，减少与任务的食品供应有关的体积、废物和质量的能力都是高优先级技术。除了简单地提供乘员需要摄取的热量外，食品供应还需要提供必要的营养平衡，以确保长期任务中的乘员健康。

· 维护系统 增强有利于乘员服务所设计设备的价值，能简化乘员的服务，去除一些乘员服务的需求，都需要系统维护技术，这种技术能自主确定和报告系统状态，显示功能衰减和自维修能力的智能化，这对飞行器和居住舱发展有重大价值。

（4）先进的载人机动系统

表面机动技术，由于能从一个着陆点扩展到大面积的科学研究，也由于这种技术使得分散的着陆区成为可接受的途径，因而对于月球和火星探索具有高优先级。要求具有在整个月球、火星表面进行远距离机动的能力，以便在那种环境中进行大规模的科学研究。

（5）先进的居住系统

· 居住舱的发展 先进概念的居住系统，能提高技术发展水平，提供较高程度的安全和可靠性，缓解远距离的航天任务中微重力和辐射长期暴露对乘员的长期影响。居住舱的发展至关重要，包括集成化系统，自维护材料，可充气式结构，脚踏车等，也包括允许利用实质性的原位资源，以提供足够质量的屏蔽。

· 灵巧居住系统 包括先进电子设备、基于知识的系统和可能的机器人服务能力的发展，能在明显减少诊断、维护和修理从而减少人力占用的情况下创造可长期居住的条件。

科学仪器、观测和敏感系统

科学仪器、观测和敏感系统的高优先级技术包括：

（1）强反差成像和光谱仪技术

这种技术的发展能扩展高动态范围的成像，支持地外行星成像，能够发现可能适合人类居住的行星，促进太阳物理学的进步，支持研究发光目标周围的模糊结构。这种技术将大大增加敏感性、拓宽视场和地外行星系统的光谱范围。

（2）光学系统（仪器和敏感器）

主动波阵面控制和切线摄入光学系统这两种光学系统技术特别关键。主动波阵面控制能够修改镜面成像，存在外部扰动时进行调整，允许光学系统自主的轨道校准，可使用轻质量的镜面和望远镜系统。这种技术是NASA发展下一代大孔径天文望远镜、激光通信系统和行星任务的高性能轨道观测器必须的技术。切线摄入光学系统在不增加单位面积质量的情况下，将改进空间分辨率达到原来的10倍，是未来X射线天文任务的关键技术，能实现诸如活动性银河系中心等亮目标的细节成像。

（3）探测和焦平面

亚绝对温标制冷器和高敏感度探测器对未来的空间天文任务具有高优先级，它与新一代低成本天文望远镜发展的顶层技术挑战有紧密联系。亚绝对温标制冷器能支持长期的空间利用，也能支持如超导和量子处理、超导电子等具有巨大商业和社会影响的新型设计，提高探测器的敏感度，能使多种波长的探测有数量级的改进，因此能实现新的任务。

（4）原位仪器和敏感器

原位仪器和敏感器能帮助确定，合成的有机物是否当今存在，是否有曾经存在过生命的迹象，是否存在在其他行星系统维持生命必需的生活环境。需要设计地质、地球物理、地球化学需要的敏感器和仪器，以便在诸如高大气压力、高温或低温等极端环境下运行。

（5）无线飞行器技术

飞行器的电子部分和仪器使用无线系统，可以引导飞行器和空间任务的设计和实施途径出现新的和改变策略的方法。为使无线系统用于为飞行器作准备，目前需要对地基网络技术进行调整和改进，以适应太高或太低的数据率、提供高容量和低延迟的无线协议、支持无数的电子接口、能够抑制包括多路径自干扰在内的干扰等。由于这种技术能满足直接关系到增强飞行器设计、试验、操作，降低飞行器计划风险和质量的顶层技术挑战，能将无线系统结构融进飞行器电子和仪器设计，因此确定为高优先级技术。

（6）激光器

激光器是地形学激光雷达（LIDAR）、大气成分探测器和多扑勒风场仪器的主要组成部分，提高激光效率和延长工作寿命是这种技术支持空间研究的关键。其应用价值决定该技术具有高优先级。NASA将评估和鼓励新出现的空间技术，以支持10年调查报告中确定的空间任务的未来需求，并着重解决激光系统空间鉴定的途径问题。

（7）仪器和敏感器的电子技术

未来能支持大型探测器规模的可读集成电路的设计要求相应的设计、布局、仿真手段和组装技术，采用专用集成电路的技术工艺（ASIC）。这种技术广泛应用于许多任务，它和短时间内的研究制造技术顶层技术挑战的进步有紧密联系，确定为高优先级。

探测器在火星着陆想像图

再入、下降和着陆系统

再入、下降和着陆（RDL）系统对许多美国里程碑任务都是关键技术，包括地球再入、月球着陆和火星机器人着陆。

（1）制导、导航和控制敏感器

能够精确地进入再入轨道，在再入和下降期间能控制飞行器，能在RDL的所有阶段对飞行器导航，并使飞行器在危险的地面安全并精确着陆，是制导、导航和控制系统的基本设计目标。制导、导航和控制敏感器和系统对所有可预见的RDL一类任务都是通用的，与NASA的专门技术、能力和设施及其吻合，由于这种技术能显著提高运往行星表面物品的质量，能实现在任意地方和任意时间着陆，因此成为能改变策略的技术。

（2）刚性热防护系统

刚性热防护系统主要用于防护再入飞行器有效载荷，在超音速再入阶段飞行器耐受高温和高剪切气流环境。NASA的大多数飞行器都有刚性热防护系统，该系统一般安装在刚性降落伞结构中，能处理高速和高热通量问题，但也占再入飞行器相当部分的质量。近期的研究主要集中于低密度烧蚀材料的研制，它能减少全部飞行器的质量因子，能高速进入有大气的外层行星或其卫星，也要研究能应对极端环境的新材料，包括高传导和辐射性材料。由于该领域的技术进步能实现极端温度环境下的新任务，也能降低质量，以增加有效载荷、改进性能远超以前的水平，因此成为策略改变的技术。

（3）柔性热防护系统

像刚性热防护系统一样，柔性热防护系统或其组件也能重复使用或可耐烧蚀。由于具有柔性特点，这种热防护系统可封装进紧缩体积，适应非规则表面，并在必要时展开。除了具备热防护功能外，这种系统也有希望承担重要的空气动力学负载。由于其可变的形状能改进飞行器在超音速再入阶段的空气动力学性能，提供升力和相反移动能力，这种材料也用于控制局部边界层状态，最终控制热负载，由于柔性材料的进步，其本身就能促使热防护系统质量和尺寸的减少，因而也作为策略改变的技术。

（4）可展开超音速制动器

目前的再入系统主要利用传统的刚性制动器体系结构，提供热防护和进入界面后的减速，刚性装置的形状和尺寸决定空气动力学的性能，为了改进这种性能，尺寸就会变成最重要的驱动参数。可展开式制动器，能够增大RDL早期阶段的飞行器阻力面积，推进这种技术的进步，能使来自地球抛射的亚轨道大型目标安全着陆，也能使重型有效载荷成功到达行星目的地。必须研究能够成功展开制动器的技术，也要研究使用刚性和可膨胀制动器的现有技术的各种优势。由于这种技术能够利用更大的阻力面积，相对于刚性系统有更新颖的飞行器形状，由此它们可增强热防护，且进入界面后能减速，从而实现纯粹意义的新任务，因而也作为策略改变的新技术。

（5）RDL系统建模与仿真

建模与仿真技术在RDL系统任务的所有阶段为实现精准和有效的设计提供处理必要的计算预测能力。这种技术包括流体动力学分析、有限元建模、流体结构相互作用分析、气动热力学建模、连接的稳定性和六自由度（DOF）轨道分析、多学科建模和其他高逼真度分析。这种技术也包括涉及飞行试验的经验验证的研究与应用。该技术广泛应用于所有RDL任务，并对路线图中其他高优先级技术起到成功发展与实现的作用。

2012年8月将在火星上着陆的好奇号火星车示意图

（6）仪器及其完好性监视

在地面条件下的再入环境完整性仿真实际是不可能的，因此地基试验条件虽然在热防护系统的研制中是不可缺少的，但热防护系统设计算法的全部严格验证，只能通过对飞行数据预测的比较来实现。同样，完好性监视仪器也能在再入以前提供系统性能数据和飞行器系统正常运行的依据。这种技术不仅能广泛应用，而且还能改进RDL任务的安全与可靠性。

（7）大气和表面特性

这种技术的目的是提供行星大气与表面足够详细的描述，以简化行星任务的规划与实施。在行星大气的环境下，要求建立能确定全球、带状区域、局部区域尺度上空间与时间大气特性的预测模型，包括年度、季节和每天的变化。目前已经有了针对月球、火星和金星的这种模型，但都未能达到足够详细的程度。对于其他行星，具有的模型更是粗略的描述。对于再入任务，大气模型异常重要，因为它与增加着陆精度的飞行机动和增加着陆质量的大气捕获有直接关系。特别重要的研究与技术发展课题包括，火星分布式天气测量、为所有火星着陆任务研制标准的低撞击测量数据报、为风和大气具有的特性研制轨道器仪器，研究高逼真度大气模型。基础科学研究和研究预测工程模型是这一技术的关键部分。

（8）系统集成和分析

RDL系统设计和包括硬件、软件部分和多学科内容的综合能力紧密相关和相互依赖。这些问题的性质，通过完成诸如多学科信息化的系统集成和分析的改进模型，促进该领域的技术发展。系统集成和分析列为高优先级技术。

纳米技术

一种纳米材料的结构图

该技术领域有工程材料和结构、能源产生和存储、推进、敏感器电子及装置。高优先级技术包括：

（1）（纳米）轻质量材料和结构

纳米尺寸的材料有希望对部件和结构的热、电和机械性能实现彻底的改进，并实现轻质量，能实现多功能、轻质量的材料和结构，由此引发航天系统设计和能力的革命。这种技术由于结构的缩小和有效载荷质量的降低，可实现在增加有效载荷能力的前提下提高发射效率，在任务设计中实现较大灵活性，因而成为改变策略的技术。如果对缩小尺寸的制造技术缺乏研究，会放慢轻质结构和材料的发展。另外，如果纳米粒子扩散、排序和界面特性的控制技术得不到解决，强度和性能也无法提高。

（2）（纳米）能源产生

纳米技术通过改进现有能源存储和电源产生系统的材料，将对电源产生技术带来巨大影响。由于轻质量和更高强度的材料和结构可允许装载更多用于电源产生和能源存储的有效载荷，而更高效率的电源产生允许发射更轻的有效载荷，因此该技术作为可改变策略的技术。

（3）（纳米）推进

纳米推进包括使用纳米材料作为推进剂的成分，也作为液体燃料的凝结剂。纳米材料具有很大的反应面，因此使用这种材料作为推进剂的成分可以解决包括可能存在的毒性、自燃和固体推进剂的环境危害、低温的处理要求等许多问题，同时还可以提高燃烧效率，甚至影响对点燃和燃烧反应的控制。使用纳米材料可以提高效率达到15%～40%，可能提供多种功能。

（4）（纳米）敏感器和动作器

纳米材料制作的敏感器和动作器，可以改进敏感度和探测能力，又能工作在很低功率的电平上。纳米敏感器具有小型、更高能量效率和敏感度的特点，可进行更加完整和精确的完好性评估，最适合作为瞄准目标敏感器使用。由于该技术对许多任务都有效益，故作为高优先级技术。

建模、仿真、信息技术和处理

该技术领域主要有计算、建模、仿真和信息处理。高优先级技术包括：

（1）飞行计算

低功率、抗辐射和高性能的处理机仍具有广泛应用的需求。满足性能要求的处理机在地面很容易使用，但抗辐射加固的处理机却截然不同。核心问题是如何确保抗辐射加固集成电路在太空的连续利用。需要解决的问题是商业产品如何应用于空间环境，由于多芯和加速飞行处理机能对星上计算容量、故障管理、实现智能决策和科学数据捕获的改进产生重要影响，也能自主着陆并避免损坏，其应用将穿越所有等级的任务领域，故这种技术有重要发展前景。

（2）地面计算

地面计算技术包括多芯、混合和加速计算机体系结构的编程，需要研究能帮助端口的现有编码进入新结构的计算手段。历史工程的巨库和科学代码在将使用的新计算机结构中不能有效地运行，需要开发技术和开发软件手段，帮助编程者变换历史代码和采用新的算法，使其在新的计算机系统中能够有效地运行。随着计算机结构不断地改变，需要不断进行上述技术改进。

（3）科学建模和仿真

这种技术包括多尺度建模，要求能够处理具有大范围尺度，或其他物理变量的复杂天体物理和地球物理系统，这种技术将有重要影响。

（4）分布式仿真

分布式仿真技术在软件研制者、科学家和数据分析者之间建立一种分享仿真的能力。这需要大规模的、共享的和安全的分布式环境，要求有充足的互联带宽和显示能力，能进行分布式分析，可视化观察和复杂仿真。该技术能支持协作的高效率改进，特别是多学科研究，能在多个领域获得更大效益。

美国未来的空间探索航天器想像图

材料、结构、机械系统和制造

该技术领域主要有材料，结构，机械系统，制造和交叉关键技术。高优先级技术包括：

（1）创新的多功能概念（结构）

结构所完成的功能，除了能承载负载和维持形状外，还能增加任务能力，减少质量和体积。多功能结构的概念涉及到提高系统集成化程度，并为提高自主性提供基础。多功能结构概念的例子如居住结构，为减少辐射暴露要具有综合性屏蔽，对于长期空间飞行任务要能规避有关风险。多功能结构技术的载人航天应用被视为应用重点。多功能结构还涉及到热结构、电结构，发展这种技术需要全面考虑。

（2）轻量化概念（结构）

轻质量结构概念，能够明显增强未来的探索和科学任务，而且能拓展新任务。例如轻重量的低温储箱概念，能改进发射飞行器的性能，支持轨道燃料存储仓库，支持可展开的太阳帆、精确的空间结构和可膨胀结构、可展开的热屏蔽等轻质量结构概念可以为新任务提供机会，对计划的科学任务也有重大效益。由NASA和宇航工业部门开发的轻质量结构概念已经广泛应用于运输、商业飞机和军事系统。

（3）轻质量结构（材料）

为未来的航天系统发展轻质量结构，要求先进的复合材料、金属和陶瓷材料，以及高效费比的处理和制造方法。由NASA、其他政府机构、科学院和宇航工业部门开发的轻质量结构材料也广泛应用于运输、商业飞机和军事系统。NASA持续不断领先进行空间应用的材料研究将产生具有降低质量和节省成本等重大效益的新材料系统。这种技术有可能明显降低实际上所有的发射飞行器和有效载荷的质量，为新任务创造机会、改进性能和降低成本。

（4）设计和鉴定方法（结构）

目前的结构鉴定途径主要依靠基于统计的材料鉴定和基于经验的负载要素和安全要素的保守综合，然后进行设计研究和鉴定试验。以往的鉴定试验和任务的经验数据表明，结构如果只注重超安全标准设计，那么就会重于所要求的质量范围。现在提出了一种基于模型的“虚拟设计鉴定”方法，可更有效地设计和鉴定空间结构。这种技术为开发轻质量、更经济而又保证足够可靠性的空间结构提供了另一种途径，可应用于NASA所有的飞行器，包括科学任务中使用的无人、机器人和载人飞行器和延长时间周期的载人探索。

（5）非破坏性评估和敏感器（关键交叉）

非破坏性评估已经从早期利用产品控制质量验收、周期性检查的方法，发展到不间断的完好性监视和自主检查。对危机情况较早地进行检测、定位和缓解将增强任务安全性和可靠性。NASA已经在“虚拟数字飞行前导”计划中提出了集成化非破坏性评估和敏感器技术能力，包括具有飞行器结构完好性实时评估的飞行器数字表述，以预测性能并确定为实现飞行器性能必须的操作措施。非破坏性评估和敏感器技术有可能影响多个领域和多种任务，特别是当任务周期持续时间延长时更是如此。

（6）设计、分析手段及方法（机械系统）

高保真度运动学和动力学的设计分析手段和方法是先进空间结构和机械系统建模、设计和鉴定的关键。机械的相互关系和相关分析方法能够建立飞行器机械系统的单一模型，并可减少贯穿学科的累加裕度。这种模型可集成进完好性管理系统，用于诊断、预测和性能评估，也可集成进虚拟数字飞行前导系统。这种技术适用于NASA所有的飞行器。

NASA研制的用于空间交会对接的软捕获机构

（7）展开、对接及接口（机械系统）

该技术涉及到成像和科学数据采集的许多未来的科学任务，都会从大孔径和精确几何关系的结合中获取效益，其功能最可能涉及到展开技术，其中包括柔性材料和组装、空间制造等其他途径。对接和连接接口可以提供利用较小型平台构建成大型平台的另一种途径。这些机械系统和结构必须能在极端环境下可靠地展开，并构成具有高精度的期望空间，其中某些部分可能要求使用控制系统，使得在操作扰动下保持精确的形状。大型精确的孔径系统对NASA的某些科学任务和国防部的某些监视任务都至关重要。因为可实现较高的性能，使得NASA一定要引导该领域技术的发展。作为分离、释放和展开系统故障的结果，空间系统都会受到影响，无疑技术发展需要进行这种系统的可靠性改进。

（8）可靠性/寿命评估/完好性监视（机械系统）

根据最近的经验，机械系统的可靠性比为了满足当时的鉴定标准而设计的结构可靠性，对空间任务故障有更大的作用。集成化敏感器系统可为确定机械系统的目前状态和预测未来的工况提供基础。为了最有效地确保任务的可靠性，必须具备在系统设计中融进矫正措施的能力，该技术和可展开领域有更密切的关系。

（9）智能集成化制造和网络空间的物理系统（制造）

空间应用中需要的高性能材料、结构和机械要求专门的制造能力，通过技术进步特别是基于IT技术的发展，可采用更综合和更灵活的方法生产专门的部件和系统。现有的工业能力和空军研究实验室对类似技术的投资极大促进其发展，由于这种技术可能影响到未来的应用，因此预计它的发展还会继续。如果长期载人任务需要的话，这种技术能实现部件在太空制造，对于某些探索任务来说可减少必须运载到太空的质量。这种技术适用于NASA所有的飞行器发展。

地面和发射系统处理

该技术领域主要有最佳运行寿命周期技术、环境和环保技术、提高可靠性和任务可利用性技术、改进任务安全和降低任务风险技术。该领域没有确定高优先级技术。

热管理系统

该技术领域主要有低温系统、热控系统和热防护系统。高优先级技术包括：

（1）上升/进入热防护系统

在上升和进入期间，有效的热屏蔽和热隔离是所有进入行星大气层的机器人和载人任务的关键。由于对每一次探测任务来说，上升和进入是必须经历的，因此上升/进入热防护系统被定为策略改变的技术，其关键技术包括刚性隔热热防护系统、退化驱动的热防护系统材料和处理研究、多功能热防护系统和柔性热防护系统。

（2）低温系统的有源热控

该技术的目标是研究全面的低温系统设计，既要将有源和无源的技术集成到最佳系统中，也要用仪器和敏感器监视流体质量。通过有效利用无源控制，降低有源系统容量的额度，有助于提高整个系统的可靠性。这种技术广泛适用于长期任务。

发射推进系统

该技术领域包括从地球表面到地球轨道再到地球逃逸交付空间任务所要求的所有推进技术，分为固体火箭推进系统、液体火箭推进系统、吸气式推进系统、辅助推进系统和非常规及其他推进系统。目前，到地球轨道的发射技术可依赖很成熟的技术，今后主要是局部改进。而突破性技术已经超出近期的视野，其研究和发展需要足够的时间和资金投入。其高优先级技术主要包括两类：

（1）基于涡轮的组合循环（TBCC）

这种推进系统有可能将燃气涡轮和火箭的优势组合起来，主要目的是降低发射成本，并能更快响应。

（2）基于火箭的组合循环（RBCC）

RBCC推进系统将高比冲的吸气式喷气引擎和利用高推重比化学火箭的超音速冲压喷射发动机组合起来，可比目前发射系统的成本低。NASA多年研究火箭与吸气式循环，其中超音速吸气式循环的主要例子是X-43计划。■