未來，去金星表面采樣！科幻與科技融合迸發(fā)別樣精彩

想象一下，未來的某一天。航天員穿著定制的航天服，在火星上行走，呼吸著火星大氣生成的氧氣。外形像鳥一樣的充氣式飛行器在金星的天空中飛行，探測金星的大氣成分和氣象模式……

這簡直就像是科幻作品里的情節(jié)，但這種場景或許在不遠的將來就會實現(xiàn)。2022年2月，美國國家航空航天局在其官網(wǎng)發(fā)布了本年度創(chuàng)新先進概念計劃的遴選結(jié)果，共有18個項目入選。本文選取了其中9個與深空探測領(lǐng)域密切相關(guān)的創(chuàng)新方案進行簡要說明，涉及小行星防御、原位資源利用、生命支持、采樣返回、自主探測器等，希望能給大家?guī)硪恍﹩l(fā)。

人類終端防御系統(tǒng)

據(jù)報道，直徑大于1千米的小行星撞擊地球后會使地球發(fā)生巨大爆炸并觸發(fā)海嘯，人類將面臨滅絕的威脅。6500萬年前，一個直徑10千米的小行星撞擊墨西哥尤卡坦半島海岸曾導(dǎo)致了恐龍等地球上近75%的物種滅絕。1908年和2013年，俄羅斯西伯利亞的通古斯和車里雅賓斯克分別發(fā)生了隕石爆炸事件，造成8000萬樹木被摧毀、1000多人受傷。針對小行星可能帶來的危害，世界各國都開展了相關(guān)研究，提出了一系列主動防御計劃。目前來看，小行星主動防御的主要方式有三種：一種是動能撞擊改變小行星軌道，例如美國的深空撞擊計劃和雙小行星改道測試計劃（DART）；一種是利用長期作用力改變小行星軌道，例如太空拖船；還有一種是采用核爆方案。

菲利普·魯賓加州大學(xué)提出了一種基于現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的行星防御方案，通過在太空中部署一系列小型超高速動能穿透器，來粉碎和分解小行星或小彗星，從而保護地球不受小行星影響。采用這種方案可有效防御直徑數(shù)百米的小行星，但其防御效果主要取決于攔截小行星所需的時間和小行星的大小。據(jù)科學(xué)家估計，人類終端防御系統(tǒng)只需要在撞擊前5個小時，就能摧毀通古斯事件中同等大小的小行星（直徑50米，爆炸威力約為1000兆噸）。而較大的目標(biāo)如阿波菲斯這種大型行星（直徑370米），也可以在撞擊前10天實現(xiàn)攔截。如果預(yù)先將該系統(tǒng)部署到軌道或月球基地，那么該系統(tǒng)的響應(yīng)時間會更短。

小行星防御方案示意圖

小行星主動防御是人類應(yīng)對行星和彗星撞擊的一種有效手段，也使人類第一次真正具備了應(yīng)對小行星威脅的自主能力。

金星大氣/云粒子采樣返回

麻省理工學(xué)院天文學(xué)家提出了一種新的航天器設(shè)計方案，用于執(zhí)行金星采樣返回任務(wù)，以評估金星大氣云區(qū)域的可居住性，尋找生命的跡象。

幾十年來，人們通過金星的溫帶云層推測它是一個宜居星球。盡管金星云層含水量極低并存在濃硫酸，但長期以來無法解釋的大氣測量以及新的發(fā)現(xiàn)，都支持了金星可能存在微生物的這一觀點，但天體生物學(xué)研究并非本項目研究的重點。

該方案中的飛行系統(tǒng)由入軌探測器和軌道飛行器組成。入軌探測器由一個可變高度的氣球組成，在45~60千米的高度上工作。氣球的吊艙包含采樣設(shè)備和上升飛行器。在完成從不同的大氣層位置采樣后，空中平臺將上升到大約70千米的高度，上升飛行器啟動并與軌道飛行器會合，隨后采樣返回。該方案支持了美國國家航空航天局通過新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)拓展人類認知的目標(biāo)，以及“推動科學(xué)、技術(shù)和空間探索的進步，以拓展人類認知”的使命。

金星采樣返回方案示意圖

“定制”火星探索航天服

艙外航天服可被認為是人形的“宇宙飛船”，保護航天員不受宇宙空間惡劣環(huán)境的影響，為航天員提供一個賴以生存的微環(huán)境。但由于各種原因，并不是所有的航天服都能發(fā)揮其作用，許多機組人員經(jīng)歷了肩傷、指甲脫落等問題。因此，定制航天服成為解決不同機組人員所面臨的問題的一種有效途徑。但是如何能夠快速、有效地做到這一點呢？來自得克薩斯農(nóng)工大學(xué)的研究人員給出了答案。他們正在研究制造低成本、高性能火星探索定制航天服的可行性，通過數(shù)字人體掃描、數(shù)字設(shè)計/分析、機器人制造，最終形成數(shù)字化模型，為未來航天服的研制提供基礎(chǔ)。

火星探索航天服示意圖

該項目旨在解決深空探索面臨的幾個主要問題：1.根據(jù)不同航天員的個體差異，快速設(shè)計、制造艙外活動航天服的能力；2.建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，并根據(jù)經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷優(yōu)化完善航天服設(shè)計的能力；3.深空探索人員可根據(jù)數(shù)字文件在原地制造或修復(fù)某些艙外航天服組件；4.實現(xiàn)航天服數(shù)字化納入整個火星任務(wù)構(gòu)架和操作方案中，包括再補給、原地修復(fù)和制造以及原材料的再利用。

火星固定、便攜式制氧機

人類火星任務(wù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一就是原位資源利用（ISRU）技術(shù)，以解決長時間火星探索無法立即獲得補給的問題。特別是氧氣——既是火星上升飛行器（MAV）的推進劑，也是維持生命的必要資源。亞利桑那州立大學(xué)提出的制氧機方案，主要利用所謂的變溫吸附/解吸（TSSD）過程，以火星大氣為原料來生產(chǎn)氧氣，與現(xiàn)有技術(shù)相比，生成相等量的氧氣，可以降低10倍能耗。

便攜式制氧機工作原理

2021年4月，美國國家航空航天局在毅力號火星車上進行了“火星氧氣原位資源利用實驗”（MOXIE），首次成功制造出5.37克氧氣，相當(dāng)于火星上的航天員呼吸10分鐘所需要的氧氣量。預(yù)計采用這種技術(shù)每小時可以制造10克以下的氧氣，在理論上每小時至多可生產(chǎn)12克氧氣。MOXIE的工作原理是從二氧化碳分子中將氧原子分離出來。分離后產(chǎn)生的廢物——一氧化碳，則被排放到火星大氣中。

與MOXIE技術(shù)相比，TSSD技術(shù)在效率、能耗、魯棒性、靈活性等方面都具有優(yōu)勢。效率方面，采用TSSD技術(shù)生成氧氣的效率比MOXIE技術(shù)預(yù)計高10倍。對于MOXIE技術(shù)來說，生產(chǎn)氧氣推進劑的功率至少需要30千瓦，而TSSD只需要4千瓦。靈活性方面，TSSD的啟動時間僅為幾分鐘（MOXIE為幾小時)，并且能夠處理間歇和重啟等情況。魯棒性方面，TSSD技術(shù)簡單，價格低廉，無旋轉(zhuǎn)部件，使用壽命長，并且不容易產(chǎn)生積碳。這兩種技術(shù)都需要能量的轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)氧氣制備，TSSD技術(shù)轉(zhuǎn)化溫度為260℃左右，MOXIE技術(shù)轉(zhuǎn)化所需溫度約為800℃，因此對于儀器耐熱材料也提出了更高的要求。如果方案可行，那么TSSD將大幅提升火星原位資源利用能力，顯著降低人類火星探索的風(fēng)險，可以讓火星任務(wù)的著陸區(qū)選址更具靈活性。

外行星探索科學(xué)方案

由于成本高昂、技術(shù)難度大等，人類對于外太陽系的探索極為有限：在過去60多年的太空探索中，土星以外的天體僅被到訪過一次。最近的研究表明太陽帆推進每年可實現(xiàn)10AU，那么，利用太陽帆推進，人類將不到2年就可到達海王星，不到3年就可到達冥王星，這在當(dāng)今的推進技術(shù)中也是前所未有的。

太陽帆為深空探索提供了一種全新的方案，為低成本和快速運輸任務(wù)鋪平了道路?；谔柗七M的思路，美國國家航空航天局戈達德航天飛行中心提出了一個突破性的航天器架構(gòu)，它將科學(xué)儀器和航天器集成到一起，通過直接在太陽帆材料上打印基于量子點的光譜儀，從而解決了過去因質(zhì)量限制無法實現(xiàn)的載荷功能。與僅用于小型立方體衛(wèi)星推進的傳統(tǒng)太陽帆不同，該航天器架構(gòu)方案將其廣闊的區(qū)域用于光譜學(xué)，幾個航天器架構(gòu)同步工作將大大縮短飛行時間，拓展外太陽系科學(xué)探索的邊界。

外行星探索方案示意圖

用于極端環(huán)境和區(qū)域探索的仿生鰩魚

用于極端環(huán)境和區(qū)域探索的仿生鰩魚（BREEZE）項目是在2019年美國國家航空航天局創(chuàng)新計劃資助下開展的，由布法羅大學(xué)研究人員提出，旨在設(shè)計并建造一種多功能航天器來開展金星大氣層探測。

該飛行器將充氣結(jié)構(gòu)與仿生運動學(xué)相結(jié)合，機翼可以像鰩魚的胸鰭一樣拍動，從而產(chǎn)生升力。該設(shè)計可以有效利用行星大氣中的強風(fēng)，同時為飛行器提供較好的控制能力。BREEZE將在海拔50~60千米的大氣層中飛行，每4~6天對金星進行一次環(huán)繞，以太陽能為動力，開展金星的天氣模式、大氣成分、金星磁場圖繪制等相關(guān)研究。

仿生鰩魚方案概念圖

項目第一階段啟用了BREEZE結(jié)構(gòu)、空氣動力學(xué)、穩(wěn)定性和充氣的初步計算研究，使技術(shù)成熟度(TRL)從1級（基礎(chǔ)理論研究階段）提升到2級（技術(shù)方案應(yīng)用初級階段）。第二階段任務(wù)將驗證其可行性，技術(shù)成熟度將達到4級（實驗室環(huán)境下樣本生產(chǎn)測試階段）。第一個測試將是使用先進的運動捕捉技術(shù)評估機翼的運動范圍和撲動速度，確定BREEZE的機動能力，為風(fēng)洞試驗奠定基礎(chǔ)。之后，基于物理數(shù)據(jù)開展試驗，以獲得空氣動力和力矩，用于校準(zhǔn)和驗證計算流體力學(xué)結(jié)果，從而驗證系統(tǒng)的推進和控制能力。

最終通過縮比模型試驗來評估BREEZE的主動控制能力。除了金星，BREEZE還可以探測具有稠密大氣層的其他天體（如土衛(wèi)六），為美國國家航空航天局后續(xù)開展行星探索提供了一種低成本、低風(fēng)險的解決方案。

千米級可折疊空間結(jié)構(gòu)

長時間太空飛行會對人體構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)，從骨骼退化到肌肉損失再到腦結(jié)構(gòu)改變等，這些都與重力不足有關(guān)。因此，人類想要長久地在太空生活下去，就需要創(chuàng)造人造重力環(huán)境。

2021年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在美國國家航空航天局創(chuàng)新先進概念計劃下提出了一種通過千米級的空間結(jié)構(gòu)自旋產(chǎn)生離心力來實現(xiàn)人工重力的方案。該方案以阿爾忒彌斯計劃下的月球軌道門戶為應(yīng)用背景，利用機械性能出眾的輕質(zhì)超材料，實現(xiàn)伸縮比達到150倍或者更高的結(jié)構(gòu)折疊技術(shù)，從而使這種千米級的結(jié)構(gòu)部件可成功安裝在火箭的整流罩內(nèi)進行發(fā)射。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)通過第一階段的研究已經(jīng)證明了這種方法的可行性，第二階段將聚焦以下4個具體方向：1.對結(jié)構(gòu)展開“動特性”進行建模。2.利用仿真手段和設(shè)計優(yōu)化，解決在存在制造誤差和外部干擾時，結(jié)構(gòu)展開而面臨的一系列問題。3.通過快速原型設(shè)計并不斷迭代，實現(xiàn)模型校準(zhǔn)和子系統(tǒng)組件評估。4.對具有數(shù)千條鏈路的米級原型進行試驗，以驗證無干擾的展開和高擴展率。第二階段的工作將持續(xù)兩年，如果該想法能夠?qū)崿F(xiàn)，將對美國國家航空航天局未來星際探索產(chǎn)生直接和長期的影響。在短期內(nèi)，千米級的空間結(jié)構(gòu)將使人類在月球空間的持續(xù)居住成為可能。從中長期來看，這種結(jié)構(gòu)對人類長時間太空生存至關(guān)重要。

小型攀爬機器人

面對火星復(fù)雜的地表現(xiàn)象，傳統(tǒng)的輪式探測器的探測范圍有限，有些區(qū)域無法達到。因此，美國國家航空航天局開始思考無法到達區(qū)域（如懸崖峭壁）該如何探測。斯坦福大學(xué)研究人員正在嘗試解開美國國家航空航天局的疑惑。他們正在開發(fā)一種任務(wù)架構(gòu)，包括一個遠程爬行機器人、錨定位置的機器人，可以使用延伸吊桿進行移動操作，在火星洞穴復(fù)雜地形中探索采樣。

在火星或月球的重力作用下攀爬時，爬行機器人必須抓住錨點來移動和操縱物體，才不會漂浮或墜落。這種機器人是一種高度可重構(gòu)機械裝置，匯集了自主機器人、機器人操作、機械設(shè)計、仿生抓取和地質(zhì)行星科學(xué)領(lǐng)域的跨學(xué)科專家團隊的智慧。

小型攀爬機器人示意圖

項目第一階段，專家團隊研究了小型攀爬機器人洞穴探索任務(wù)的可行性，發(fā)現(xiàn)這款洞穴機器人可達空間和扳手工作空間更加廣泛；帶有多爪、輕質(zhì)抓取器的解決方案可實現(xiàn)巖石表面的成功抓取。此外，由于攀爬機器人的強機動性和操縱性，可實現(xiàn)對重要科學(xué)目標(biāo)的探索。在第二階段，專家團隊將在完善第一階段可行性研究的基礎(chǔ)上，重點解決系統(tǒng)魯棒性和端到端方案驗證問題，包括拓展攀爬機器人的工作空間；確定抓取器容易成功抓取的洞穴地點，解決其他機器人在洞穴探索時遇到的導(dǎo)航局限性問題；研究降低任務(wù)風(fēng)險的途徑，如研制控制器來降低機器人抓取失敗所導(dǎo)致的振動影響；研究機器人在現(xiàn)實任務(wù)環(huán)境中的性能。

探測海洋星球的獨立微型游泳機器人

液態(tài)海洋位于數(shù)千米的冰殼之下，是太陽系中最有可能孕育生命的地方。進入和探索這些水生環(huán)境是科學(xué)家長期關(guān)注的重點。2021年，美國噴氣推進實驗室（JPL）提出用“獨立微型游泳機器人探測”（SWIM）系統(tǒng)來拓展海洋星球的探索，利用多個厘米級的3D打印微型機器人深入海洋冰面下方開展探測。機器人配備傳感器，由微型執(zhí)行器驅(qū)動，通過超聲波進行無線通信、可單獨部署也可以集群部署。

探測海洋星球的獨立微型游泳機器人示意圖

項目第一階段，JPL確定了微型游泳機器人的原型設(shè)計方案。2022年，該項目成功入選第二階段資助，研究重點將聚焦以下5個方面：進行三輪原型樣機測試，對系統(tǒng)設(shè)計不斷迭代；通過仿真手段識別滿足高可靠性、最少硬件要求的游泳機器人的工作策略；利用商業(yè)貨架產(chǎn)品實現(xiàn)傳感器有效載荷的設(shè)計、制造和測試；研發(fā)超聲換能器節(jié)點，測試水中雙向通信能力；通過機動/控制性能研發(fā)驗證水中機動性、狀態(tài)評估和閉環(huán)控制。

作為提升國家基礎(chǔ)創(chuàng)新能力、豐富人類認知、拓展人類生存空間的新興重大科技創(chuàng)新領(lǐng)域，深空正持續(xù)受到各主要航天國家的高度關(guān)注，成為國際航天活動熱點。許多新概念和新技術(shù)方案很多都是圍繞深空探測展開，這些方案將具有變革作用的創(chuàng)新概念、理念融入深空探索領(lǐng)域必然會促進新理論、新技術(shù)的產(chǎn)生，從而拓展人類的認知邊界，推動科學(xué)技術(shù)的進步。