+ 王曉海 （空間電子信息技術(shù)研究院） / 周宇昌 （空間微波技術(shù)重點實驗室）

美國航空航天局2015技術(shù)路線圖概述及對我國航天發(fā)展的啟示

+ 王曉海 （空間電子信息技術(shù)研究院） / 周宇昌 （空間微波技術(shù)重點實驗室）

本文介紹了美國NASA最新發(fā)布的《2015技術(shù)路線圖》報告，該技術(shù)路線圖分析探討了美國未來20年（2015-2035年）所需技術(shù)和開發(fā)路徑，重點介紹了15個候選技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線圖，以及該技術(shù)路線圖對我國航天發(fā)展的啟示。

技術(shù)路線圖 航天戰(zhàn)略 系統(tǒng)技術(shù) 發(fā)展啟示

一、NASA《2015技術(shù)路線圖》

2015年5月12日，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了《2015技術(shù)路線圖》草案，向公眾征集意見。NASA的技術(shù)研發(fā)活動旨在拓展航空、航天與科學(xué)領(lǐng)域的知識前沿與能力，為美國工業(yè)與學(xué)術(shù)界創(chuàng)造相關(guān)機會、市場和產(chǎn)品。為保證NASA航空活動和空間任務(wù)的成功，需結(jié)合已驗證的技術(shù)并且研發(fā)新技術(shù)能力來解決所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。技術(shù)路線圖明確了若干幫助NASA完成這些任務(wù)的候選新型前沿技術(shù)。

NASA《2015技術(shù)路線圖》分析探討了美國未來20年（2015-2035年）所需技術(shù)和開發(fā)路徑，關(guān)注“應(yīng)用研究”和“發(fā)展”活動，但不包含基礎(chǔ)研究。技術(shù)路線圖包含了15個候選技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)路線圖。每個候選技術(shù)領(lǐng)域都包含一套技術(shù)簡介。候選技術(shù)簡介包含以下三方面信息：1）技術(shù)簡介，包括技術(shù)描述、技術(shù)挑戰(zhàn)、附屬技術(shù)、最先進的技術(shù)水平和技術(shù)性能目標(biāo)；2）能力簡介，包括能力描述，最先進的能力水平及其對應(yīng)的目標(biāo)性能；3）相關(guān)聯(lián)的任務(wù)簡介，包括可確定的發(fā)射時間，技術(shù)需求時間，以及預(yù)估的技術(shù)成熟時間。

15個候選技術(shù)領(lǐng)域分別為：發(fā)射與推進系統(tǒng)；空間推進技術(shù)；空間功率與儲能技術(shù)；機器人與自主系統(tǒng)；通信、導(dǎo)航與軌道碎片的跟蹤、表征系統(tǒng)；人體健康、生命保障與居住系統(tǒng)；人類探索目的系統(tǒng)；科學(xué)儀器、觀測臺與傳感器系統(tǒng)；（火星大氣層）進入、下降及著陸系統(tǒng)；納米技術(shù)；建模、仿真、信息技術(shù)與信息處理；材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造；地面系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)；熱管理系統(tǒng)、航空技術(shù)。

圖1 NASA2015路線圖技術(shù)領(lǐng)域

圖2 NASA能力驅(qū)動框架

2012年，NASA曾發(fā)布了14份技術(shù)路線圖以指導(dǎo)太空技術(shù)的開發(fā)，2015年的NASA技術(shù)路線圖在原有版本上進行了擴展和增強，提供了任務(wù)能力需求和相關(guān)技術(shù)開發(fā)的大量細節(jié)。NASA《2015技術(shù)路線圖》擴展了技術(shù)領(lǐng)域，新增航空技術(shù)領(lǐng)域作為第15項候選技術(shù)領(lǐng)域；新增2級技術(shù)成熟度技術(shù)7項、3級技術(shù)成熟度技術(shù)66項、4級技術(shù)成熟度技術(shù)1273項，并對交叉技術(shù)進行了更詳細地介紹。草案還進一步增強了NASA任務(wù)概念、需求能力的可追溯性，繼續(xù)推進NASA的航天戰(zhàn)略；草案新增了引言、交叉技術(shù)與索引部分，并在其中概述了《2015技術(shù)路線圖》草案的出臺背景、制定技術(shù)路線圖的目的、交叉技術(shù)領(lǐng)域及其與NASA任務(wù)概念相關(guān)的候選技術(shù)領(lǐng)域；該草案中跨技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化組織、定義和圖表的表述也更準(zhǔn)確。

二、主要內(nèi)容

（一）發(fā)射與推進系統(tǒng)

發(fā)射與推進系統(tǒng)包括6個主要技術(shù)領(lǐng)域：

①固體火箭推進系統(tǒng)；

②液體火箭推進系統(tǒng)；

③吸氣發(fā)射推進系統(tǒng)；

④輔助推進系統(tǒng)；

⑤非傳統(tǒng)推進系統(tǒng)；

⑥用于搭載科學(xué)載荷的氣球系統(tǒng)。

發(fā)射與推進系統(tǒng)技術(shù)總體目標(biāo)是使探訪空間，特別是探訪低地球軌道變得更加可靠，成為日常慣例，并且成本更為低廉有效。發(fā)射與推進系統(tǒng)技術(shù)的首要目標(biāo)是讓NASA任務(wù)能夠發(fā)射或增強任務(wù)發(fā)射性能。候選的新技術(shù)將在未來20年后以降低至少50%發(fā)射成本的目標(biāo)得到驗證。發(fā)射成本的降低將會給NASA、其他政府機構(gòu)以及商業(yè)發(fā)射產(chǎn)業(yè)帶來好處。次要目標(biāo)是在大型人員定額的飛行器上提供增加的海平面推力輸出量。最后的目標(biāo)是與特定氣球系統(tǒng)相關(guān)，要將任務(wù)周期延長至100天。

（二） 空間推進技術(shù)

空間推進技術(shù)包括4個主要技術(shù)領(lǐng)域：

①化學(xué)推進技術(shù)；

②非化學(xué)推進技術(shù)；

③先進的推進技術(shù)；

④支撐技術(shù)。

空間推進技術(shù)的總體目標(biāo)是在發(fā)動機額定推力、功率、質(zhì)量密度（功率系數(shù)）、體積、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)復(fù)雜度、操作復(fù)雜度、與其它航天器系統(tǒng)的通用性、可制造性、耐久性、安全性、可靠性和消耗等方面進行改善提高。任意指定任務(wù)（或任務(wù)類別）空間推進需求很大程度依賴任務(wù)結(jié)構(gòu)，且這里沒有技術(shù)解決方案能夠適合所有任務(wù)或所有任務(wù)類別。高功率電推進，核能熱推進，低溫化學(xué)推進的發(fā)展將在涉及到每一類別的任務(wù)可能性或增強性方面帶來全面的最寬廣的影響。

（三）空間功率與儲能技術(shù)

空間功率與儲能技術(shù)包括4個主要技術(shù)領(lǐng)域：

①功率產(chǎn)生；

②能量存儲；

③功率管理和分配；

④橫截技術(shù)。

當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平下的許多功率系統(tǒng)太重，太大，或不能有效滿足未來任務(wù)需求，并且有些不能在某種惡劣環(huán)境中運行。路線圖中提到的技術(shù)發(fā)展能夠制作出在體積和質(zhì)量上有顯著降低或減少，同時效率提升的功率系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能在強烈的輻射環(huán)境中，并且在跨越寬廣溫度范圍下運行工作的能力。功率系統(tǒng)的不同部件——功率產(chǎn)生，能量存儲和功率管理與分配，每個部分都需要進行技術(shù)改進以滿足上述技術(shù)需求。路線圖中探討的功率技術(shù)的大部分已經(jīng)以一些形式在當(dāng)前的載人或機器人任務(wù)中得到應(yīng)用。這些技術(shù)需要在性能和任務(wù)持久方面有增加和改進，從而能夠?qū)崿F(xiàn)或增強當(dāng)前NASA計劃任務(wù)性能。然而，在某種環(huán)境下，這對于功率和推進領(lǐng)域是唯一的，有些低技術(shù)成熟度的功率技術(shù)能夠（當(dāng)與某種先進推進技術(shù)集成時為經(jīng)常）提供NASA較為徹底的改進任務(wù)能力。

功率系統(tǒng)應(yīng)用于每個機器人或有人員的任務(wù)，適用于科學(xué)和人類探索任務(wù)。功率系統(tǒng)由功率產(chǎn)生、能量存儲和功率管理與分配子系統(tǒng)構(gòu)成。這些成為航天器質(zhì)量的第三部分。在多數(shù)情況下，能夠滿足給定的功率水平實現(xiàn)需要減少質(zhì)量與增強的技術(shù)的改進 。其他功率系統(tǒng)認定能夠使任務(wù)實現(xiàn)，包括用于新系統(tǒng)的可承受的生命周期，設(shè)計，研發(fā)，測試和評估i和模塊硬件成本；能在其他任務(wù)上重新應(yīng)用的潛力；轉(zhuǎn)換效率；體積能量密度；在深空或表面環(huán)境中強健的運行；與其他系統(tǒng)有效的集成。

功率系統(tǒng)的最高目標(biāo)是驅(qū)動電子推進在功率能力上有所增加，從數(shù)十千瓦到兆瓦量級，同時減少質(zhì)量密度，從數(shù)十千克每千瓦降低到幾千千克每千瓦。這些最高目標(biāo)可能通過子系統(tǒng)子目標(biāo)的不同混合得到滿足，例如在熱機轉(zhuǎn)換效率的增長達到50%，在光伏轉(zhuǎn)換效率的增長達到50%，在功率電子轉(zhuǎn)換效率的增長超過95%，在用于功率電子設(shè)備的運行溫度增長達到300°C。對于

在特定功率從今天的3We/Kg到8We/Kg的增長過程中間位置的放射性同位元素功率系統(tǒng)子目標(biāo)從100We到500We，采用長期分裂技術(shù)能夠獲得超過200We/Kg。用于光電和功率電子額外的輻射水平包括木星輻射水平的容忍度。除此之外，降低用于電子推進的甚高功率太陽陣列的成本至關(guān)重要，因正在研制具有甚高比能的固有安全電池。

所有上述目標(biāo)的一個關(guān)鍵考慮是確認如果一個性能改善了，所有其他任務(wù)需求仍然滿足。舉例來說，減少功率系統(tǒng)質(zhì)量的技術(shù)，也會降低安全性能或可靠性，或嚴(yán)重增加任務(wù)成本，由此使任務(wù)計劃人員可能不予增強任務(wù)或任務(wù)不被采用。

（四）機器人與自主系統(tǒng)

機器人與自主系統(tǒng)包括7個主要技術(shù)領(lǐng)域：

①傳感和感知；

②移動性能；

③操作性能；

④人機交互；

⑤系統(tǒng)級自主；

⑥自主交會對接；

⑦系統(tǒng)工程。

機器人與自主系統(tǒng)的目標(biāo)是將人們的探索領(lǐng)域延伸到外太空，擴展人們探訪行星的能力和操作資產(chǎn)和資源的能力，采用遙感和原位傳感器幫助人們理解行星天體，為人類的到達做好準(zhǔn)備，在太空中支持人類，維持人們留下的資產(chǎn)，增強人們運行的效能。機器人傳感和感知能力，移動性能和操作性能，交會對接，在軌和基于地面的自主能力以及人機交互能力的改進提高將促使達到上述目標(biāo)。

（五）通信、導(dǎo)航與軌道碎片的跟蹤、表征系統(tǒng)

空間通信和導(dǎo)航及軌道碎片的跟蹤與表征系統(tǒng)技術(shù)包括7個主要技術(shù)領(lǐng)域：

①光通信和導(dǎo)航；

②無線電通信；

③互聯(lián)網(wǎng)；

④定位導(dǎo)航和授時；

⑤集成技術(shù)；

⑥創(chuàng)新概念；

⑦軌道碎片的跟蹤和表征。

空間通信和導(dǎo)航以及軌道碎片的跟蹤與表征系統(tǒng)技術(shù)是所有空間任務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。它傳遞命令、航天器遙測，任務(wù)數(shù)據(jù)，以及用于人類探測任務(wù)的語音，同時保持準(zhǔn)確時鐘和提供導(dǎo)航支持。軌道碎片能夠通過一些用于空間飛行器通信、導(dǎo)航相同的系統(tǒng)，也可通過其他專門系統(tǒng)進行跟蹤和實現(xiàn)表征。通信和導(dǎo)航技術(shù)的提高將允許未來衛(wèi)星搭載新的更多更先進更有能力的科學(xué)設(shè)備，大大增強地球軌道衛(wèi)星的性能，從而能夠完全實現(xiàn)新的任務(wù)。該項技術(shù)將有助于提高科學(xué)和探測任務(wù)的效率。軌道碎片跟蹤與表征系統(tǒng)能夠通過采用類似于在通信和導(dǎo)航系統(tǒng)，或者也可是其他專用系統(tǒng)中應(yīng)用的無線電頻率和光學(xué)技術(shù)獲得改善，并將使全體人員和機器人任務(wù)在地球軌道較長持續(xù)時間內(nèi)更加安全。

（六） 人體健康、生命保障與居住系統(tǒng)

路線圖對用于人類健康、生命保障和居住系統(tǒng)的關(guān)鍵能力和技術(shù)進行了總結(jié)，包括改變行業(yè)規(guī)則或具有突破性的項目。這些能力和技術(shù)被認為是在未來幾十年后達到國家和部門預(yù)期目標(biāo)所必須的。該領(lǐng)域具體包括5個方面：

①環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)及居住系統(tǒng)；

②太空艙外活動系統(tǒng)；

③人類健康和性能系統(tǒng)；

④環(huán)境監(jiān)測，安全和緊急響應(yīng)系統(tǒng)；

⑤輻射系統(tǒng)。

對于未來人類參與的任務(wù)將超越低地球軌道，進入到太陽系統(tǒng)，常規(guī)的日常消耗品的補充提供與緊急響應(yīng)或快速返回的選擇方法將不再可行，并且相比于低地球軌道，飛船在深空中將經(jīng)歷更加強烈的輻射環(huán)境的挑戰(zhàn)。因此，該領(lǐng)域聚焦于研制能夠在允許的太空輻射暴露限制條件下，通過用最小最少的消耗品的補充提供，增加脫離地球的依賴性，實現(xiàn)長時間周期、深空人類探索活動。用于火星任務(wù)的星球保護政策和指導(dǎo)還沒有正式確定，但是將在該領(lǐng)域中考慮。

該領(lǐng)域的子目標(biāo)包括：實現(xiàn)從國際空間站上的部分封閉的生命保障系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿糠忾]的集成系統(tǒng)；研發(fā)出可應(yīng)用于太空服，能夠在微重力和表面環(huán)境中更加頻繁和快速進行太空艙外活動的先進技術(shù)。著重改善和提高太空中人類成員健康診斷、治療和防范措施；實現(xiàn)對太空船中的復(fù)合物和微生物組織寬廣范圍的實時分析；另外，輻射系統(tǒng)的努力聚焦于研發(fā)出能夠增加人類保持在低于太空輻射允許暴露極限條件下的自由太空輻射環(huán)境中進行工作的任務(wù)周期（100到1000天，根據(jù)不同任務(wù)）。

（七） 人類探索目的系統(tǒng)

人類探索目的系統(tǒng)領(lǐng)域覆蓋從任務(wù)運行到在軌資源利用，寬廣范圍內(nèi)與能夠促使人類在太空中成功進行活動相關(guān)的后備技術(shù)。該領(lǐng)域細分結(jié)構(gòu)包括6個2級技術(shù)焦點領(lǐng)域，具體為：

①在軌資源利用；

②可持續(xù)與支持能力；

③人類移動系統(tǒng)；

④居住系統(tǒng)；

⑤任務(wù)運行和安全；

⑥交互系統(tǒng)。

技術(shù)目標(biāo)和挑戰(zhàn)在于為了國家，地球，以及人類的利益進行的能夠安全和有效支出的人類發(fā)現(xiàn)和探索任務(wù)。

該領(lǐng)域的目標(biāo)與人類在太空中的可持續(xù)存在相關(guān)，需要現(xiàn)存系統(tǒng)和運輸工具變得更加獨立，具有智能自主操作，并且能夠利用本地資源。在尋找、提取和處理在軌資源中必須提高所有任務(wù)系統(tǒng)的可靠性——特別是居住部分必須改進，所有系統(tǒng)必須容易維護或修理。人類成員必須有更多有效時間用于操做核心任務(wù)活動，同時用最少時間來維護系統(tǒng)或管理邏輯。成員也必須最少依賴地面操作的支持，必須在任務(wù)中執(zhí)行更多訓(xùn)練。另外，必須研發(fā)出星球保護技術(shù)并經(jīng)過精練，用于同時保護人類成員和地球與防止污染。對于移動系統(tǒng)同樣有上述要求，以便能夠有效將人類運送到感興趣進行探索的區(qū)域，同樣也與其他交通系統(tǒng)有效集成。

（八） 科學(xué)儀器、觀測臺與傳感器系統(tǒng)

科學(xué)設(shè)備、觀測臺和傳感器系統(tǒng)領(lǐng)域促使先前路線圖活動從2010年空間技術(shù)路線圖和2005 NASA先進計劃與集成辦公室評估改變，先進的望遠鏡和觀測臺及科學(xué)設(shè)備和傳感器。這些技術(shù)允許關(guān)于地球大氣、空間和其他星球信息集合，并被組織分為遙感設(shè)備，傳感器，觀測臺，在軌設(shè)備和傳感器。遙感設(shè)備和傳感器包括用于測量光譜，空間分辨率和其他感興趣的遙遠目標(biāo)可觀測的屬性，通過包括主動和被動方式，例如采用基于激光和雷達方法進行觀測的部件，傳感器和設(shè)備技術(shù)。觀測臺包括用于收集，匯聚或轉(zhuǎn)發(fā)光子的下一代望遠鏡系統(tǒng)技術(shù)。在軌設(shè)備和傳感器包括用于探測太空環(huán)境中的場，波和粒子，以及用于描述行星外大氣層的大氣和表面的部件，傳感器，設(shè)備和采樣技術(shù)。本文識別出的技術(shù)需求和挑戰(zhàn)來源于大多數(shù)近期關(guān)于地球科學(xué)、行星科學(xué)、天體物理學(xué)和太陽物理學(xué)十年調(diào)研報告（“拉技術(shù)”）中提出的專項NASA任務(wù)建議，但是有些允許新的科學(xué)能力和任務(wù)概念（“推技術(shù)”）。

NASA在科學(xué)和探測的追求上依賴于改進和研發(fā)新的遙感設(shè)備和傳感器、觀測臺和傳感器技術(shù)。這些技術(shù)對于收集和處理科學(xué)數(shù)據(jù)，或?qū)τ谙袢祟惼鹪矗ɡ?，我們的星球系統(tǒng)是如何形成和演化的？）一樣古老的科學(xué)問題給出令人信服的回答，或提供重要的知識使得能夠通過機器人任務(wù)來實現(xiàn)諸如遙測火星地質(zhì)，識別最佳著陸地點等是必須的。

（九）（火星大氣層）進入、下降及著陸系統(tǒng)

NASA在上世紀(jì)60-70年代對基本大氣層的飛行和EDL技術(shù)的研究成果是今天我們所具備的該技術(shù)領(lǐng)域很多能力的基礎(chǔ)。 例如，用于支持人類尺度地球進入可完全重復(fù)使用的能力發(fā)展水平是由1970年代構(gòu)建的航天飛機軌道飛行器確定的。此外，多項源于阿波羅的技術(shù)正被延伸擴展到能滿足獵戶載人探測飛行器應(yīng)用需求的尺度。這些能力的部分包括導(dǎo)航，將在第一次執(zhí)行飛行中被采用。NASA在火星表面上將機器人載荷進行著陸的能力在很大程度上依賴于1970年為火星海盜船任務(wù)研發(fā)的EDL技術(shù)裝置，該裝置自研制成功后被應(yīng)用在所有機器人火星著陸器上。為阿波羅和在同一時期的太空航天飛機研發(fā)的熱保護系統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)在正被再循環(huán)或重新修改適用于當(dāng)前的人類航天器任務(wù)。其他近期由NASA研發(fā)的能力將要提供給NASA用于訪問國際空間站的商業(yè)載人飛船的公司采用。當(dāng)前，EDL能力的發(fā)展一般由各自獨立的任務(wù)性能需求和近期計劃需求驅(qū)動，以及經(jīng)常需要高的技術(shù)成熟度，低風(fēng)險技術(shù)用于任務(wù)注入。旗艦級任務(wù)目標(biāo)只有唯一的例外，即所需求的技術(shù)已經(jīng)從低的技術(shù)成熟度發(fā)展成熟（例如，為火星科學(xué)實驗室提供終端下降系統(tǒng)的云中鶴），并且因這些技術(shù)的注入帶來的風(fēng)險已經(jīng)通過預(yù)算和計劃調(diào)節(jié)得到管理。對于所有其他任務(wù)類別，將用于希望實現(xiàn)科學(xué)任務(wù)、監(jiān)理任務(wù)的有效約束科學(xué)目標(biāo)的限制下，繼續(xù)大程度的依靠繼承的技術(shù)。然而，即使采用了繼承的技術(shù)，系統(tǒng)性能也并不能準(zhǔn)確知道，由于無法在地面復(fù)制重現(xiàn)EDL的飛行條件。此外，沒有足夠的飛行數(shù)據(jù)去完成預(yù)測，因此，現(xiàn)有EDL技術(shù)的應(yīng)用只能通過更好的理解工作安全系數(shù)，理解通過測試得到的性能極限和實際的飛行條件得到增強。地面測試能力需要通過新技術(shù)和診斷進行改善提高，從而支撐未來發(fā)展。

火星科學(xué)實驗室，NASA旗艦級火星任務(wù)于2011年發(fā)射，確定了火星EDL系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展水平?；鹦强茖W(xué)實驗室采用源于海盜船任務(wù)中的EDL技術(shù)和帶有為星團任務(wù)研發(fā)的擋熱板材料結(jié)構(gòu)，以及由云中鶴著陸投送系統(tǒng)增擴形成的系統(tǒng)，用于投送大約1公噸的表面載荷。當(dāng)前對火星科學(xué)實驗室結(jié)構(gòu)可延展性的估計表明，其投送質(zhì)量被限定在大約1.5噸。相比之下，對人類尺度火星任務(wù)的估計，NASA人類空間探索計劃的最終目標(biāo)是將需要著陸的載荷質(zhì)量達到20-60噸。這樣，NASA不能再繼續(xù)依靠1960年代和70年代的EDL技術(shù)作為起點去實現(xiàn)未來任務(wù)。NASA必須研發(fā)新的和創(chuàng)新技術(shù)用于解決這一問題，本路線圖提供了達到這一目標(biāo)的策略方案。

除地球地面和飛行測試外，探訪月球、火星和其他小行星以及在國際空間站應(yīng)用的科學(xué)機器人、初期機器人和人類任務(wù)，能夠幫助未來技術(shù)研發(fā)做好基礎(chǔ)工作。為了能夠進一步深入研發(fā)和在未來的任務(wù)中得以應(yīng)用，獲取和分析上述技術(shù)在飛行應(yīng)用中的性能數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。

為了支持NASA將人類送達火星表面的目標(biāo)，必須圍繞新EDL系統(tǒng)技術(shù)在十年周期中進行持續(xù)和協(xié)調(diào)的研發(fā)。假設(shè)在EDL中任務(wù)損失的概率趨向于發(fā)射中的概率，在EDL的技術(shù)研發(fā)中，通過提供強健的，可靠的和可在地球測試的解決方法實現(xiàn)任務(wù)的思想被激發(fā)是必要的。

EDL技術(shù)研發(fā)將要達到的關(guān)鍵性能參數(shù)是著陸的質(zhì)量、可靠性、損耗，著陸點的高度和著陸的準(zhǔn)確度。如同EDL子系統(tǒng)，這些特性參數(shù)是彼此相互影響的。 可靠性的結(jié)果是通過整體測試和對例如熱保護系統(tǒng)，展開緩動裝置，著陸危險容忍程度和分離系統(tǒng)等部件技術(shù)的分析綜合得到的。除了這些部件測試以外，需要通過對這些部件集成起來的模塊進行仿真以顯示或表明這些模塊可以形成切實可行的EDL解決方案。

（十） 納米技術(shù)

納米技術(shù)需要對物質(zhì)在原子級別進行操作，以便給予材料或裝置具有遠超那些預(yù)期用于大塊物質(zhì)和單原子或單分子的性能特征。本路線圖聚焦于這種能夠提供解決技術(shù)挑戰(zhàn)方案的現(xiàn)象領(lǐng)域。例如，在納米尺度的半導(dǎo)體粒子，量子原子團中的量子約束，引起新的光學(xué)行為，使得通過采用改變它們直徑的簡單方法，使實現(xiàn)調(diào)節(jié)它們熒光特性的顏色成為可能。 表面的納米尺度結(jié)構(gòu)化能夠允許控制它們的黏附性能，引向仿生具有自恢復(fù)黏附和自清潔表面。這種基于碳納米結(jié)構(gòu)材料的，將機械、電子、電學(xué)和熱屬性進行高級別、非常規(guī)的混合，能夠通過應(yīng)用輕量且多功能的結(jié)構(gòu)改變未來航空航天系統(tǒng)的設(shè)計樣式。盡管納米材料被認為是在遙遠未來具有良好性能的典型應(yīng)急系統(tǒng)，但這些技術(shù)的若干方面已經(jīng)在與航空航天需求相關(guān)的應(yīng)用中被證明是有益處的。納米技術(shù)近期的發(fā)展保證了對它們進行在太空環(huán)境中的性能評估的機會，以判定是否允許它們集成到NASA任務(wù)中。加速納米技術(shù)的成熟并在許多航空航天相關(guān)應(yīng)用中引入該技術(shù)，通過帶有計算分析的耦合實驗將能夠?qū)崿F(xiàn)更加有效和快速。

納米技術(shù)具有影響NASA任務(wù)需求的最大潛能技術(shù)包括：

①工程材料和結(jié)構(gòu)；

②功率產(chǎn)生，能量存儲和功率分配；

③推進和推進劑；

④傳感器，電子器件和設(shè)備。

在這些應(yīng)用中，納米技術(shù)被規(guī)劃用于替代宇航飛行器部件所采用的工藝，包括主要和次要結(jié)構(gòu)，推進系統(tǒng)，功率系統(tǒng)，航空電子設(shè)備，推進劑，有效載荷，測量儀器和設(shè)備。最大的好處是能夠使飛行器整體質(zhì)量減少達50%，使空間探訪能夠支付得起，同時增強安全性能。飛行器機身結(jié)構(gòu)重量能夠在沒有阻力損耗下降低15%，同時在有效的飛行器設(shè)計中增加新的理念。

總體質(zhì)量減少的同時，效率和性能的增強，是通過采用納米材料和發(fā)展具有優(yōu)化可裁制屬性的納米制造方法帶來的好處而得以實現(xiàn)。舉例來說，采用當(dāng)前傳統(tǒng)材料或制造方法不能達到的具有自我感應(yīng)和自我修復(fù)的系統(tǒng)，允許傳感器和設(shè)備在結(jié)構(gòu)內(nèi)集成的多功能結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀制造。如此層次結(jié)構(gòu)的集成要求在系統(tǒng)中嵌入功能的設(shè)計，需要增強效率和提供為沒有犧牲安全性能和可靠性的前提條件下滿足質(zhì)量減少目標(biāo)的解決途徑。 隨著系統(tǒng)體積明顯減小，而封裝其內(nèi)的功能卻有增加的情況下，在測量裝置中采用納米電子器件和納米傳感器，從而使研制出更小，更輕，卻更敏感的設(shè)備成為可能。

（十一） 建模、仿真、信息技術(shù)與信息處理

建模、仿真、信息技術(shù)與信息處理技術(shù)涉及4個主要方面：

①計算；②建模；③仿真；④信息處理。

建模、仿真、信息處理技術(shù)領(lǐng)域的終極目標(biāo)是發(fā)展能影響到NASA任務(wù)范圍，作為一種新的解決范例基礎(chǔ)的計算、建模、仿真與信息技術(shù)。該技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注通過發(fā)展建模、仿真、信息技術(shù)與處理技術(shù)，最終增強NASA任務(wù)理解和掌握物質(zhì)世界的能力。具體目標(biāo)包括：變換飛行和地面計算所需技術(shù)的發(fā)展；增加的建模生產(chǎn)力和逼真程度在NASA廣泛任務(wù)中貫穿始終；仿真是實現(xiàn)對跨越整個系統(tǒng)循環(huán)中不確定性和風(fēng)險的管理；有效利用包括觀測數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)在內(nèi)的大量數(shù)據(jù)財富，使NASA能力獲得前所未有的增長。

（十二） 材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造

材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造技術(shù)涉及4個主要方面：

①材料；②結(jié)構(gòu)；③機械系統(tǒng)；④制造。

材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)與制造技術(shù)致力于NASA在人類探索、科學(xué)、航空任務(wù)結(jié)構(gòu)方面可能需要具備或者有待增強的技術(shù)。這些前沿技術(shù)直接致力于結(jié)構(gòu)需求和4個不足方面的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，以及能明顯增強任務(wù)能力的新技術(shù)。

該技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑼ㄟ^提供能夠減少材料發(fā)現(xiàn)、設(shè)計優(yōu)化和制造部署需要的發(fā)展時間和成本的途徑來提升美國創(chuàng)新和工業(yè)競爭力。舉例來說，該技術(shù)能研制出來較高溫度火箭發(fā)動機部件，通過多功能結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輻射保護，精確大孔徑光學(xué)天線，以及高效和能量損耗改善過的新的制造流程。

（十三）地面系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)

地面系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)涉及4個主要方面：

①運行生命周期；

②環(huán)境保護和綠色技術(shù)；

③可靠性和可維護性；

④任務(wù)成功。

地面系統(tǒng)與發(fā)射系統(tǒng)總體目標(biāo)是提供滿足要求的發(fā)射能力，同時減少50%的運行和維護成本，以及獲得地面安全事故、過程遺漏、閉環(huán)調(diào)用50%的降低。運行和維護成本的降低可以通過增加發(fā)射的靈活性和能力的技術(shù)途徑得以實現(xiàn)。這些措施包括采用較小的運行團隊，應(yīng)用新的技術(shù)減少經(jīng)?；蚍墙?jīng)常維護任務(wù)，再生廢水流，改進態(tài)勢感知及更多有效的邏輯支持。安全性的改善能夠通過實時態(tài)勢感知，減少錯誤和返修，發(fā)展個人保護新裝備和改進地面安全工具得到實現(xiàn)。

（十四）熱管系統(tǒng)

熱管系統(tǒng)包括3個技術(shù)領(lǐng)域：

①低溫系統(tǒng)；

②熱控制系統(tǒng)；

③熱保護系統(tǒng)。

熱管系統(tǒng)的最基本的目標(biāo)是保持傳感器、部件、設(shè)備、航天器或其它空間裝置的溫度在要求的溫度限定內(nèi)，不管外部環(huán)境溫度或因運轉(zhuǎn)施加的熱負載。該目標(biāo)適用于所有3個子領(lǐng)域，但在許多實際情況中，細節(jié)會有明顯不同。

（十五） 航空技術(shù)

航空技術(shù)涉及6個主要方面：

①全球航空業(yè)務(wù)安全有效增長；

②商用超音速飛機的創(chuàng)新；

③更高效率商用運輸；

④向低碳推進方式轉(zhuǎn)變；

⑤實時系統(tǒng)——廣泛安全保證；

⑥使可靠的機器自主技術(shù)應(yīng)用于航空成為可能。

航空技術(shù)研究的戰(zhàn)略目標(biāo)是發(fā)展和驗證革命性的創(chuàng)新技術(shù)，在未來30年或更長時間后使全球航空運輸能夠更加安全、有效、利于環(huán)境保護。

三、發(fā)展啟示

面對未來各種新概念、新系統(tǒng)、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，應(yīng)借鑒國外先進的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃理念和經(jīng)驗，把握航天技術(shù)的未來發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)，有所突破，使我國的航天事業(yè)能夠更好更快的趕超世界先進水平。

從以上介紹我們可以看到美國未來20年（2015-2035年）所需的技術(shù)和開發(fā)路徑，了解美國在這些技術(shù)領(lǐng)域的未來發(fā)展設(shè)想和經(jīng)驗，及其許多建議和技術(shù)途徑。通過對其技術(shù)路線圖的分析和研究，我們可以得到以下一些初步啟示：

(1)技術(shù)路線圖對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。應(yīng)結(jié)合我國的實際情況，制定我國未來航天技術(shù)發(fā)展路線圖，確定我國航天技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)需求和開發(fā)路徑，以指導(dǎo)我國未來航天技術(shù)的發(fā)展。技術(shù)路線圖應(yīng)具有戰(zhàn)略前瞻性，技術(shù)的交叉性，以及執(zhí)行的可操作性。

(2)技術(shù)路線圖的制定應(yīng)廣泛征求公眾的意見，選定的技術(shù)研

發(fā)項目應(yīng)有利于拓展本國航天與科學(xué)領(lǐng)域的知識前沿與技術(shù)能力，為本國的工業(yè)與學(xué)術(shù)界創(chuàng)造相關(guān)機會、市場和產(chǎn)品。

(3)為保證空間任務(wù)的成功，需結(jié)合已驗證的技術(shù)并且研發(fā)新

技術(shù)能力來解決面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，技術(shù)路線圖應(yīng)明確若干幫助完成這些任務(wù)的候選新型前沿技術(shù)。

(4)重點開展火星探測相關(guān)技術(shù)研究。技術(shù)路線圖中第九部分

用占有絕對優(yōu)勢的大篇幅圍繞火星探測EDL技術(shù)進行分析探討。2015年10月8日，美國航空航天局（NASA）公開發(fā)布《火星之旅：開拓太空探索新篇章》報告，全文35頁，概要介紹了美國分3個階段實施載人火星探索系列任務(wù)的規(guī)劃，重申將實現(xiàn)載人登陸火星的終極目標(biāo)。

(5)密切關(guān)注和高度重視機器人技術(shù)。2020年前，人類還將組

織數(shù)次機器人探測任務(wù)，將為了解月球、小行星、火星及其衛(wèi)星做出重要的貢獻。同時，機器人探測與未來載人活動的持續(xù)協(xié)調(diào)開展，既有利于將人類文明擴展至近地軌道以遠，又可以使人類更好地了解宇宙。至2025年，各有關(guān)國家計劃的機器人探索任務(wù)見圖3所示。

圖3 全球機器人航天探索任務(wù)發(fā)展計劃圖

四、 結(jié)語

NASA2015年技術(shù)路線圖系統(tǒng)的規(guī)劃了美國未來20年（2015-2035年）所需的任務(wù)能力和技術(shù)需求。我國目前也正在開展航天“十三五”規(guī)劃論證工作。該技術(shù)路線圖所具有的戰(zhàn)略前瞻性，技術(shù)的交叉性，內(nèi)容的全面廣泛性，以及執(zhí)行的可操作性等特點值得我們借鑒。因此，對國外航天未來技術(shù)路線圖進行研究，了解其技術(shù)領(lǐng)域的先進理念和經(jīng)驗，可以為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)劃論證和發(fā)展戰(zhàn)略研究提供思路，也為航天技術(shù)領(lǐng)域科研人員的學(xué)習(xí)和參考，提供有益的借鑒和幫助。

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