NASA“改变游戏规则”计划探讨及其启示

吴晗玲 黄诚 唐科 宋乾强 （北京宇航系统工程研究所）

NASA“改变游戏规则”计划探讨及其启示

Discussion and Enlightenment of NASA's Game Changing Development Plan

吴晗玲 黄诚 唐科 宋乾强 （北京宇航系统工程研究所）

2016年6月29－30日，美国航空航天局（NASA）在洛马公司全球视觉中心举办了“改变游戏规则”（GCD）计划的工业日活动，以加强NASA与政府部门、企业和高校在太空探索创新技术方面的交流合作。本次活动聚焦于学术界、商业界和工业界可能感兴趣的先进技术，展示了该计划所支持的下一代生命保障系统、人机系统、机器人卫星服务、先进近净成形技术、先进制造技术、集成化显示与环境感知系统、块状金属玻璃齿轮、纳米技术、先进运载器电子系统、高超音速充气式气动减速器、紧急防火服的对流受热改善技术等11个方面的内容。这表明“改变游戏规则”计划正在持续稳定运行，经过数年的发展，获得了丰硕的研究成果，NASA的创新研究与管理机制得到了进一步完善和检验。

为了解决NASA未来太空探索任务及国家重大工程的迫切需求、加快能彻底改变现有太空任务模式的颠覆性航天技术的识别及其成熟度提升，NASA于2010年7月启动了“改变游戏规则”计划。这里介绍该计划的相关情况，重点对基本概况、资助领域、指导原则、执行愿景和项目管理模式进行介绍，分析三个典型项目的研究情况，并针对该计划所引发的思考以及对我国航天技术发展的启示进行了阐述。

1 引言

未来的航天任务充满着诸多挑战和风险，只有努力强化颠覆性航天技术的创新，才可能找到低风险和低成本的通往太空之路。2009年，美国国家科学研究委员会（NRC）在其报告《美国太空技术的未来：民用太空项目与国家需求相结合》中建议：NASA应该在其内部建立一个类似美国国防高级研究计划局（DARPA）的组织，以重振其创新性技术研发项目，它应处于高优先级别的位置，并独立于NASA的其他研究计划，面向学术界、工业界、NASA各个研究中心和其他政府实验室，用于支持那些卓越的民用、国家安全和商业太空项目。

为了响应美国国家科学研究委员会的建议、解决NASA未来太空探索任务及国家重大工程的迫切需求、加快能彻底改变现有太空任务模式的颠覆性航天技术的识别及其成熟度提升，针对介于基础技术研发（技术推动，达到技术成熟度3级或4级）和应用技术研发（技术拉动，达到技术成熟度5级或6级）之间的投资缺口，NASA于2010年7月提出“改变游戏规则”计划。该计划先后由NASA的“首席技术专家办公室”（OCT，2010年2月成立）和“空间技术任务部”（STMD，2013年2月成立）负责管理和实施。其任务是向社会各界进行广泛投资，以识别美国未来太空探索任务所必须的、具有颠覆性效果的能力和技术，并能迅速提升其技术成熟度。

2 “改变游戏规则”计划

基本概况

“改变游戏规则”计划聚焦于迅速提升能使美国航天项目获得重大收益的、具有高影响力的技术的成熟度。目标是识别、培育并提升颠覆性、变革性技术及其技术成熟度。该计划不是为了渐进地逐步提高现有技术，而是试图革命性地、倍增式地推进航天技术发展。它主要关注具有发展潜力的、中等技术成熟度（3级～5级或6级）水平的创新想法和技术，可变革未来太空任务，为重大国家需求提供解决方案。

它寻求填补有前景的新颖想法和航天系统中实际技术需求之间的空白，专门用来投资那些从发现到使用具有高风险、高回报特征的技术，涵盖运载火箭子系统、航天器技术、太空能力以及支持机器人和人类探索的外星球地表系统等。为了显著改善过去50年来太空探索任务中所形成的高成本和有限性能技术，“改变游戏规则”计划面向各个行业，广泛征求他们的创新理念。

资助领域

“改变游戏规则”计划主要资助5个技术领域，包括：①轻质材料和先进制造（LMAM）；②革命性的机器人和自主系统（RRAS）；③未来推进和能源系统（FPES）；④经济型的目的地系统和仪器（ADSI）；⑤先进的进入、下降以及着陆系统（AEDL）。

指导原则

该计划的指导原则包括：①推进有广泛应用前景的技术，以使各方用户受益；②推进可用的探索技术发展（ETD）项目中的技术，以使其与探测系统任务部（ESMD）的用户需求一致；③采用兼顾牵引技术发展和面向学术界、工业部门、NASA及其他政府部门竞争性资助的方式开展工作，致力于研发最好的想法和技术；④使用一种结构化的、开放的和数据驱动的分析方法来确定所需投资项目的优先级别及资助额度；⑤在整个NASA和更广泛的业界提升技术创新能力，以满足未来的国家需求。

执行愿景

“改变游戏规则”计划的执行愿景包括：①研发能改变游戏规则、对NASA太空探索和科学任务产生巨大推动作用的技术；②充分利用资金杠杆与外部组织（如国防部、其他国家实验室、私企和学术界）进行成本分担，并使NASA和其他组织在技术层面互惠互利；③规划技术项目研究内容并执行，确保在规定时间和成本下达到所需要的性能；④交付技术细节，可供NASA的各种任务使用，也可以供整个航空航天工业界使用。

项目管理模式

“改变游戏规则”计划由NASA的空间技术项目办公室和位于兰利研究中心的“改变游戏规则”计划项目办公室共同管理和实施。项目管理功能，如项目选取由NASA总部来完成，而日常性的项目管理与执行则由“改变游戏规则”计划项目办公室负责。“改变游戏规则”计划中每个项目的资助年限通常为2～3年，由项目负责人带领项目团队开展工作。对于大多数项目，一般组建多个研究团队，根据项目规划要求，并行开展工作，以加快提升所研究技术的技术成熟度。此外，项目办公室开展不定期、经常性的非正式审查，从而确保研究方法合理可行，以推动技术创新的步伐。由于所选项目的技术风险较高，因此，30%～40%的项目由于无法实现预期研究目标而提前终止。项目负责人应对技术转移到终端用户手中负责，并在整个应用过程中征求顾客需求。

“改变游戏规则”计划既支持大项目（系统级），也支持小项目（单机级）。相对于小单机或专业级的项目，大项目由于其系统的复杂性及其所涉及领域，需要更多资源。此外，为了最大限度地加快创新的步伐，在项目选取及管理方面，该计划不采用“一刀切”的方法，而是针对项目自身的特点采取针对性的管理模式。

3 典型项目介绍

自“改变游戏规则”计划开展以来，已有数百个项目获得了资助，如火星地面氧气生成系统、整体加筋圆柱壳体新型制造技术、自适应可展开再入与定位技术、复合材料低温贮箱技术与演示验证、高动态范围立体X射线摄像技术、块状金属玻璃齿轮、自主系统、三维多功能烧蚀型热防护系统、高性能太空飞行计算技术、快速循环胺系统、可变氧调节器和高性能舱外活动手套等。在此主要介绍3个典型项目的情况。

整体加筋圆柱壳体新型制造技术

整体加筋圆柱壳体新型制造技术是一种先进近净成形制造工艺，在一次成型过程中可以制造出圆柱壳体及对应筋条，不再需要进行机铣及纵向焊接，消除了焊接缺陷所带来的隐患，使得加筋圆柱壳体更加安全、结构更轻，适用于航空航天中的加筋圆柱结构件生产。与传统的生产工艺相比，一次成型、无焊接，制造成本能降低50%，结构件质量能节省10%。对于航天飞机外贮箱规模的贮箱，使用该制造工艺能使原材料切屑量从90%降到5%，每个贮箱节约成本约800万美元。

其进一步的研究目标是应用到运载火箭低温推进剂贮箱的生产制造中，NASA正在开展相关研究工作，以将该制造工艺用于生产大尺寸的铝锂合金低温贮箱。其远期发展目标是用于制造“航天发射系统”的低温贮箱（9m级直径）。

下一代生命保障技术

为满足舱外活动便携式生命保障系统要求，下一代生命保障项目资助研发的技术主要包括快速循环胺系统、可变氧调节器和高性能舱外活动手套。

1）快速循环胺系统。该系统可以连续进行CO2和H2O去除、湿度控制、在太空行走过程中可实时循环再生固体胺吸附剂。该系统的主要优点是同时处理CO2和水蒸气并再生吸附剂，可以简化航天服的热控系统、能明显降低质量和体积，大幅度延长航天员的舱外活动时间。

2）可变氧调节器。该项目是研发一种供氧可调的、耐污染的氧气调节器，同时能极大增加航天服上压力设定点数量。其主要特性有：氧气可调、名义压力源207bar、防污染（1.1×10-3mg/mm2）、耐燃、压力调节范围为0～0.58bar、压力点数量为8000。其主要优点有：①可以连续控制航天服内压力，提高舱外活动的灵活性和安全性；②便于集成到其他类型的航天器/任务中；③防止减压病的预吸氧可以在航天服内完成一部分，从而减少了舱外活动的准备时间，便于更快速地执行任务；④具有较好防污染能力，使得航天员有足够的时间安全返回到航天器内。

3）高性能舱外活动手套。该项目是为未来人类太空探索任务研发先进的舱外活动手套并制定相应的、可用于定量评估的技术标准，新手套中将采用新技术和制造工艺以解决手指和手的运动性、减少受伤及提高在外太空及星球表面环境中的使用寿命。基于不同的工作原理，目前已经研制了三个原理样机：机器人辅助手套、机械反压手套和气体增压手套。

自主系统

在自主系统项目方面，目前正在研发软件、传感器和其他技术以使航天器、太空居住地、推进剂加注系统等能够自动运行，可以在无外界信息输入情况下独立运行，从而满足未来的NASA任务需求。在未来深空探索任务中，如载人火星登陆任务，单程光速通信会有22min的延迟，这就需要航天员在没有地面技术人员支持下能够独立处理各种突发问题。要研发能够辅助航天员处理各种问题的技术，这些技术包括自动探测和诊断航天器或分系统故障的健康管理软件和传感器、可以根据任务目标来自动规划行动顺序的软件等。

自主系统项目包括两个独立但又相互补充的子项目：居住地自动化和自主低温加注操作子项目。居住地自动化子项目当前正在第二代深空居住地里进行测试与演示验证。自主低温加注操作子项目主要是致力于低温推进剂的自动化加注操作，当前正在NASA肯尼迪太空中心的低温试验台上进行测试。

4 启示

“改变游戏规则”计划作为NASA为寻求颠覆性航天技术突破而在航天创新研究计划方面的重大举措，凭借其军民融合、高效扁平化的管理模式和开放竞争、风险宽容的项目机制，在美国航天先进技术研究领域充当着承上启下的角色，同时也为美国积累了雄厚的科技资源储备，并引领美国航天变革的步伐乃至世界航天创新技术研发的潮流，其机制设计和运作模式等对我国航天的创新研究具有重要的启示。

研究未来航天技术发展趋势，大力推进颠覆性航天技术识别与培育

应加强国内外航天科学技术的发展趋势研究，科学谋划并选择关系全局和长远发展的战略领域和优先方向，制定我国航天技术发展路线图，提出重点领域、优先发展主题和技术群，筛选出关键技术、共性技术和跨领域技术，从中识别出并努力培育可能极大推进未来航天技术发展的突破性和颠覆性技术，进而提高其技术成熟度，为我国未来各种航天任务及国家重大工程需求储备雄厚的技术力量。

（1）加强颠覆性航天技术的识别与预测研究

越早识别出颠覆性技术，越容易抢占技术制高点，并能提早获得颠覆性能力。但从另一方面来看，试图在技术发展初期就识别和预测出其颠覆性效果，其难度很大。因而，在选择颠覆性航天技术时，不仅要将已经显现出颠覆性效果的技术遴选出来，更重要的是努力识别出那些处于前沿的、新兴的、甚至非传统航天领域的颠覆性技术，并对其发展潜力给出判断和预测。

（2）研究并制定颠覆性航天技术发展策略

对于不同类型的颠覆性航天技术，根据颠覆性效果、技术实现的难易程度、所需成本与周期，可采取主导、跟进、关注的不同策略，确定资助优先级别及投入经费额度，以区别对待。这就需要结合多方力量，争取不同渠道的研究经费支持，以培育并促进颠覆性航天技术的发展。此外，众多的颠覆性航天技术源自基础研究，应当与从事相关基础性研究的高校及研究所建立长期合作关系，以持续强化基础研究，为颠覆性航天技术的产生与成长培育沃土。

探索创新管理模式，为颠覆性航天技术的发展提供动力

在当前新的形势下，推进颠覆性航天技术的研发，探索创新管理模式意义重大，应建立技术协同创新体制，注重顶层设计，统筹各方创新资源，吸纳社会科技力量，共同推动颠覆性航天技术的发展。对具有重大战略价值但短期难以见效的技术项目，或未来有重大现实需求的前瞻性技术，应进行持续性不间断的资助。

（1）完善机制，设立颠覆性航天技术资助直通车

尽管我国已经有很多种类型的创新基金项目，但目前尚无和“改变游戏规则”计划类似的专注于颠覆性航天技术识别与技术成熟度提升的专项基金，对于一些具有“可能为航天任务带来革命性影响”潜质的概念/技术在完成原理可行性研究后，由于缺少进一步的资金资助而处于停滞状态，若用于飞行任务却又存在技术成熟度不够的问题，于是，或者放弃使用，或者重新投入经费短时间内提升其技术成熟度，而这往往又因时间短、进度紧使得研究工作不彻底，导致飞行任务存在一定的技术风险。因此，我们应完善颠覆性航天技术研究机制，设立相关的专项基金，培育可能对航天任务模式产生颠覆性影响的新技术，使得未来航天任务获得源源不断的技术储备与支撑。

（2）宽容失败，为创新者提供最大的支持和保障

宽容失败是“改变游戏规则”计划的一个重要特点，在其运行过程中，会不断地淘汰和确定新的项目，每年都有超过30%的项目因无法达到预期目标而提前结束。这说明颠覆性航天技术是具有高风险特征的创新技术，在其生命周期的链条中，从技术发明到产品设计到市场转化再到应用效果的体现，每个环节都有其风险，都有可能导致无法达到所预定的研究目标，或者效果远低于预期，无法产生颠覆性的影响，或者当前社会条件下该技术无法实现。因此，在颠覆性航天技术的研究过程中需要宽容失败，为创新者营造良好的研究环境。

（3）开放思维，借力外部智慧资源促进颠覆性航天技术研究

开放性与竞争性是“改变游戏规则”计划的另一个重要特点。只要有好的想法或主意，而不论其来源，同一项目允许多个团队采用不同的方法开展研究工作。正因为“改变游戏规则”计划向全社会大众开放，吸收各方资源参与，提倡有效竞争，从而可以打破NASA自身长久以来规章和企业文化的束缚，从更开放的角度来思考颠覆性航天技术的创新与成熟度提升，并利用全社会的智慧资源来实现它。

（4）共享技术，推动我国航天产业整体发展

“改变游戏规则”计划的执行愿景之一就是在整个行业内共享技术，以促进美国航天行业整体创新能力和创新水平的提升。我国也应加快和推动航天创新型研究技术及其成果的共享与转让，从而可以避免重复研发、重复投资，在借鉴和吸收消化新技术的过程中快速发展与创新，形成创新、竞争合作、共享的连锁反应机制，加快新技术、新思维的扩散，使新型技术从个别创新扩散到产业创新，从单一团队创新变为院所企业群体创新，推动我国航天产业的整体能力提升。

5 结语

“改变游戏规则”计划是NASA为加强颠覆性航天技术研究的重要举措。与其他研究计划不同的是，“改变游戏规则”计划以识别和培育颠覆性航天技术为主要目标，为美国未来航天探索任务和重大工程提供技术储备。该计划及其所资助的各种研究项目对我国航天的创新研究具有重要的启示，我国也应大力开展颠覆性航天技术的研发及其技术成熟度提升工作，并与成本战略相结合，推行节约化和经济可承受性的颠覆性技术，满足未来各种航天任务及国家的重大战略工程需求，进而推动社会经济与科技的发展。