顛覆性航天技術的發展

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顛覆性航天技術的發展

遠望智庫高級研究員 黃志澄

1．顛覆性航天技術的特點

實際上，航天領域的顛覆性創新遠比克里斯滕森教授所描述的要複雜得多。作者認為顛覆性航天技術具有下列特點：

（1）航天的高風險性。

人類的航天活動複雜而繁重，未來充滿挑戰。由於面臨高風險和高成本，航天任務往往採用比較保守的成熟技術，以保證高的可靠性。對於新興技術的應用，要求在技術的先進性和可靠性、安全性之間進行平衡。

（2）航天新技術的成熟周期較長。

一項新興技術是否能夠在航天中產生顛覆性創新，要用實效來檢驗。由於航天工程的研製周期長，而且要求進行飛行試驗驗證，因而其成熟周期較長。

（3）發展顛覆性航天技術需要雙輪驅動。

與一般的民用產品不同，航天任務既有政府任務，又有市場需求。不同的任務對新技術的要求不同。因此，發展顛覆性航天技術需要政府和市場雙輪驅動。

（4）航天是系統工程，在系統工程的不同層次，對顛覆性創新的要求各不相同。

研製新型航天工程系統，要比發明一件新產品複雜得多。首先要依賴基礎科學的突破。然後在工程的技術集成中，要將少量顛覆性技術和大量漸進性技術整合。這種集成，必須服從整個航天工程系統的總體目標。有時，局部看來性能優越的顛覆性技術，由於並不滿足總體要求，仍然可能棄而不用。只有這樣，才能達到整個航天系統工程的「改變遊戲規則」的創新。

德國的航天專家根據上述分析，提出航天領域的創新是一種金字塔結構。其底層是突破性發現，如石墨烯、大數據技術、量子通信、量子計算等。中層是顛覆性航天技術，如太空3D列印、全電推進衛星、核火箭發動機等。頂層是改變遊戲規則的創新，如近太空高超聲速飛行器、太空太陽能電站、太空電梯等。

2．幾項顛覆性航天技術

下面介紹NASA針對未來航天任務正在發展的幾項可能產生顛覆性創新效果的航天技術。

（1）綠色推進劑。

NASA與工業界和美空軍太空與導彈系統中心合作，計劃發射「綠色推進劑注入任務（GPIM）」。該高性能、無毒的綠色推進劑是硝酸羥胺基燃料/氧化劑混合物，稱為AF-M315E。GPIM項目將對該推進劑進行飛行試驗，以取代當前通用的劇毒聯氨和複合二元推進劑系統。這將大大增強航天器的性能和容積。

（2）太陽能電推進技術。

太陽能電推進（SEP）技術將利用大型太陽能電池陣列，將採集到的太陽能轉化為電能，並送入高效、節能的推進器，以提供不間斷的推力。比起常規的化學推進系統，SEP推進器使用的推進劑可減少10倍。目前已完成了高功率大型可摺疊太陽能電池陣列的地面試驗。

（3）深空原子鐘。

深空原子鐘（DSAC）項目已完成了小型、極精準的汞離子原子鐘的集成及地面測試。它將搭載於英國薩里衛星技術公司建造的美國衛星上，作為美空軍「空間試驗項目（STP-2）」任務的一部分，發送至地球軌道。DSAC一旦入軌，將執行航天器導航和全球定位系統的任務。DSAC可提升航天器對於遠距離目的地的導航能力，並能採集更高精確度的更多數據。DSAC的精確度將比當前最好的導航原子鐘高50倍。

（4）先進機器人。

先進機器人技術研究的核心是利用機器人的能力來增強人類的生產力。通過融合人類和機器人的優勢降低任務風險。例如，NASA正在製造探測器樣機，以支持「資源勘探者」項目。該任務以月球為目的地，可能在2020年發射。它將驗證月球探礦技能，以確定可能埋藏在月球表面之下的大型水冰的位置與組成。該項目可能會促成建設月球「加油站」，以提取月球表面的水資源，用來製造氫氣和氧氣，作為火箭燃料。

（5）低密度超聲速減速器。

2015年6月8日，NASA在美海軍太平洋導彈靶場執行了「低密度超聲速減速器（LDSD）」技術演示驗證任務，該任務對未來火星任務具有重要意義。LDSD試驗使用火箭驅動的碟形充氣減速飛行器飛抵地球的近太空。該試驗將為火星科學與載人探索任務的著陸機器人和支持系統評估兩項關鍵技術：超聲速充氣氣動減速器（SIAD）及超聲速翼帆降落傘。前者是一種大型的環形空氣制動器，可使大型有效載荷在火星或其他有大氣層的太空探索目的地著陸。

以上內容節選自黃志澄先生的著作

《新航天：創新驅動的商業航天》

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