美国国家航空和宇宙航行局正在投资一些技术概念，包括喷气推进实验室的一些概念，这些概念有朝一日可能会被用于未来的太空探索任务。

美国国家航空航天局（NASA）正在投资的技术概念包括：流星碰撞探测、太空望远镜群和小型轨道碎片测绘技术，这些技术有朝一日可能用于未来的太空探索任务。其中五个概念来自美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室。

该机构正在投资25项早期技术建议，这些建议有可能改变未来的人类和机器人探索任务，引入新的探索能力，并显著改进目前建造和操作航天系统的方法。

2018年美国宇航局创新先进概念(NIAC)第一阶段概念涵盖了广泛的创新，为未来的太空探索带来了革命性的变化。第一阶段奖励的价值约为$125 000，超过9个月，以支持对其概念的初步定义和分析。如果这些基本可行性研究成功，得奖者可申请第II期奖项。

“创新先进概念计划让NASA有机会探索有远见的想法，这些想法可以通过创造更好或全新的概念来改变NASA未来的任务，同时让美国的创新者和企业家成为这次旅程的合作伙伴，”NASA太空技术任务执行局代理副局长吉姆·勒特(Jim Reuter)说。“然后可以评估这些概念，以便将其纳入我们的早期技术组合。”

选定的2018年第一阶段建议书是：

从科幻小说到科学事实的变形：从泰坦崎岖的悬崖到深海海底进行环球旅行

美国宇航局喷气推进实验室，加州帕萨迪纳

（变形者）Shapeshifter是一种全新的系统概念，适用于有大气环境的物体的全接入和跨域移动。该机器人平台能够跨领域移动，包括在大气中飞行、在光滑的表面上滚动、在地下空洞(如洞穴)中航行、漂浮在湖面上以及在海洋中推进。变形者是一种会飞的两栖机器人(FAR)。它由更小的机器人(每一个都被称为cobot)组成，它们结合成不同的移动模式。每个cobot都是极其简单的，最小的设计是由几个螺旋桨组成的执行机构。变形者可以变形成一个在水面上滚动的球，一个可以在水面上飞行和盘旋的飞行阵列，在水下的空隙中移动，还有一个像鱼雷一样的结构，可以有效地在水下游泳，还有其他的移动模式。除了全面访问、跨域移动之外，变形者还会转变成其他功能系统来执行不同的任务。例如，运输大型和重型物体，以最小的能耗穿越长距离，创建通信网络，从深度难以访问的区域与地面进行通信。

生物机器人：为更有效的探索而创新的宇航员生物支持机器人

大卫·艾金，马里兰大学帕克分校

在行星探索的宇航服设计中，没有任何参数比“背上的重量”更重要：宇航服的重量必须在月球或火星的重力作用下由穿戴者支撑。宇航服和便携式生命维持系统(PLSS)增加的重量驱动穿戴者所需的消耗水平，最终限制了舱外活动持续时间、步行距离和探险任务的生产力。

很明显，如果宇航员不需要携带一个PLSS来维持生命维持功能，行星表面的探索活动将会大大改善。与此同时，对人员流动性、访问权限和操作能力的额外限制将是不可接受的。这个NIAC提议的概念是通过应用先进的机器人系统来处理生物需求即“生物机器人”(BioBot)。

这一概念的设计参考场景是，参与未来月球或火星探测的宇航员将在月球表面停留数周或数月，而不是数天，并参与常规的舱外活动。考虑到地质学家每周要花费数天时间进行长程的EVA勘探，并提出比阿波罗典型的更为雄心勃勃的操作目标，这并非不合理。在这种情况下，每位宇航员都将被带上一个“生物机器人”，它将运送他们的生命维持系统和消耗品，一个加长的脐带和脐带卷轴，以及能够控制脐带位置和运动的机器人系统。宇航员将通过脐带与机器人相连，只携带一个小型的应急环路生命维持系统，类似于每个PLSS中包含的系统。机器人移动基地将被设计成能够在宇航员能走到的任何地方旅行，同时也将被用作EVA工具、科学仪器和采集样本的运输工具，并有可能携带宇航员进行穿越。这样的系统也将极大地增强公众对未来探索任务的参与，因为机器人车辆可以提供高分辨率的摄像机和高带宽的通信设备，以便在每次伊娃出击时为每个机组人员提供高清晰度的视频报道。

金星高层环境和大气传感器(LEAVES)

杰弗里·巴尔切斯基，俄亥俄州克利夫兰航空航天研究所

“LEAVES”(金星高层环境和大气传感器)的概念是一个超轻的、被动的、廉价的大气传感器包，设计用于抵御恶劣的金星大气，但它也为任何有突出大气的行星体的实地取样提供了一个通用平台。这种体系结构的目的是提供高时空分辨率的大气采样期间的并行操作，而不是一个更传统的串行方法通过消除需要积极推进或指导(如飞机)或通胀媒体和浮力控制(如气球)，树叶单位需要非常少的基础设施。任务科学的目标是通过在广泛的地理区域部署许多相同的单位来实现的，成本节约是通过可重复使用的生产线和商业上可用的组件来实现的，运作弹性是通过并行操作来增加的。此外，这种架构非常适合作为次要负载，因为它需要很少的地面站控制资源，对主要负载的风险很小，并且只在缓慢下降的大气层中返回数据。

用流星体撞击探测法研究小行星(MIDEA)

西格里德·克洛斯，斯坦福大学，加州

小行星含有丰富的资源，包括水和可以提取的贵重金属。这些资源可以应用于空间制造产品，减少对从地球表面发射的材料的依赖。在未来的几十年里，我们很可能有技术能力去找回小行星并把它们带到地球附近的一个处理设施，或者把一个处理设施送到小行星上，在现场提取资源。然而，完成这两项任务都需要大量的投资。用流星体撞击探测法研究小行星(MIDEA)的概念利用了自然空间环境，为小行星撞击提供了一个来源，导致小行星表面材料的侵蚀。由流星撞击所产生的物质包括固体和熔融的喷出物，但其中的一些物质被蒸发和电离，形成一个等离子体，扩展到小行星周围的环境中。这些等离子体向外扩展进入太空，并提供有关小行星表面组成的信息。MIDEA允许使用父级宇宙飞船在10到50公斤的范围内完成对100到1000米近地小行星(NEA)执行探测任务，它携带的10个或更少的自由飞行传感器的质量大约为100克。在如此低的质量范围内，可以针对不同的小行星平行展开许多这样的任务，以便在实地资源利用(ISRU)任务之前对潜在目标进行广泛的调查。

小轨道碎片的在轨无碰撞探测

克里斯汀·哈泽尔，马里兰大学帕克分校

我们建议使用配备有传感器的小型机队来评估LEO的小(微米到亚-厘米级)轨道碎片的可行性，以检测碎片的等离子体特征。小碎片目前无法探测，对航天器构成威胁。最近发现的由等离子体中快速移动的带电碎片激发的前体等离子体孤子，可以通过一组立方体卫星上的简单传感器来绘制小轨道碎片的地图。该技术将使我们与小轨道碎片的相互作用发生革命性的变化，使航天器在危险的轨道中放置，并对缓解措施进行定量评估。此外，所提出的技术可能适用于其他行星目标附近的尘埃探测工作。初步计算表明，在400-1600千米高度的轨道上的小碎片可以在不到一年的时间内用不到100个立方体卫星绘制出来。我们通过模拟不同速度和电荷的样品碎片产生的前驱孤子，以及孤子在空间变化的等离子环境中的长距离传播，来评估这个概念的可行性。此外，我们将开发立方体卫星舰队的初步设计，通过检测等离子体孤子来绘制小碎片。

Marsbee - 用于增强火星探测的扑翼飞行物群

康昌坤，阿拉巴马大学，亨茨维尔

这项工作的目标是通过研究在火星环境中扇动翅膀的航空航天结构的可行性来增加在火星上可能的探索和科学任务。提议的架构包括一个作为移动基地的火星漫游者和一群蜜蜂。蜜蜂是机械扑翼的大黄蜂大小和蝉大小的翅膀。Marsbees集成了传感器和无线通信设备。移动基站可作为充电站和主要通信中心。Marsbee的蜂群可以显著增强火星探测任务，其好处有：1)促进可重构传感器网络；2)建立弹性系统；3)使用单个或协作Marsbees进行样本或数据收集。

关键的技术创新包括使用类似昆虫的顺应性翼来增强空气动力学和低功率设计。通过适当地实现生物诱导的昆虫飞行模式与火星环境之间的动态相似性，可以获得较高的升力系数。我们初步的数值结果表明，带有蝉翅的大黄蜂能够产生足够的升力以便在火星大气中悬浮。此外，通过采用顺应性翼的机翼结构和创新的能量收集机制，Marsbee所需的能量将大大减少。由于超低的火星密度，能量主要由惯性功率控制。在翼根上安装一个扭转弹簧，以暂时储存能量，并减少共振时的整体惯性力。虽然旋转机翼的概念在设计和控制上都更加成熟，但这两个创新是独特地适合生物激发的扑翼飞行器，并提供在火星附近飞行作为一种可行的移动手段。

旋转运动扩展阵列合成(R-MXAS)

John Kendra, Leidos, Inc.， Reston, Virginia

通过旋转绳建立一个大的虚拟RF孔径，使其具有在刚性绳上的空间成像1-D稀疏实阵列的跳跃能力，并通过一个系绳旋转天线单元连续地创建一个非常大的2-D虚拟阵列。极限阵列尺寸仅受限于刚性系索长度的可行性约束。

潜在的应用包括使命:

1、持久(基于地理的)射频地球成像(用于土壤湿度、海洋盐度、表面温度、海面风等)

2、从太阳极轨道绘制日冕物质抛射(CMEs)。

3、任何需要超大孔径的射频遥感应用

主要任务：概念验证和性能建模、替代方法评价、技术应用任务分析

PROCSIMA：用于突破性星际任务的无衍射束流推进

Limbach，德州农工工程实验站，大学站

我们提出了一种全新的、创新的光束推进结构，可以以10％的光速在42年的巡航时间内执行星际任务，以完成一个星际的任务比如到达比邻星(Proxima Centauri)。这种结构大大增加了航天器加速的距离(与激光推进相比)，同时将发射机和探头的波束尺寸从10秒减小到10米以下。这些优点转化为速度变化(delta-V)和载荷质量的增加，而不是仅仅依靠激光推进。虽然主要用于星际任务，我们的推进架构也使我们能够快速地到达目的地，如奥尔特云物体和500天文单位的太阳引力透镜。

我们的推进概念的关键创新是将中性粒子束和激光束结合在一起，这种方式既不会扩散也不会随着光束的传播而发散。消除衍射和热扩散是通过调整激光和粒子束的相互交互,这样（1）粒子束产生的折射率变化生成一个波导效应(从而消除激光衍射)和（2）粒子束被困在中心附近区域的电场强度高的激光光束。通过同时利用这些现象，我们可以产生一个具有恒定空间轮廓的组合光束，也称为孤子。因此，我们将提出的架构PROCSIMA命名为：光子-粒子光耦合孤子星际任务加速器。与衍射激光束相比，PROCSIMA体系结构使探测器的加速度距离增加了1 ~1万倍，使其能够在42年的半人马座附近任务中发挥1公斤的有效载荷能力。

SPARROW：海洋世界的蒸汽驱动自主检索机器人

Gareth Meirion-Griffith喷气推进实验室

我们提出了一项新颖的研究，目的是研究一种能够在冰冷崎岖的海洋世界中实现具有高科学价值的目标的快速跳跃机器人的能力。多跳架构的使用允许快速穿越很长的距离，使单个任务能够在一段时间内到达多个地质单元，这有助于系统在恶劣的辐射环境中生存。我们进一步建议使用推进跳跃技术消除地形地形和强度假设的需要，并允许完全的地形不确定性；这一概念的关键力量。本提案中详细阐述的目标将通过世界领先的机器人技术、推进技术、样本采集工程师和来自喷气推进实验室、普渡大学和蜜蜂机器人的行星科学家的跨学科合作来实现。

芭蕾舞团：极端地形的气球运动

哈里纳亚尔，喷气推进实验室

我们提出了一个气球平台，它有6个悬挂模块，每个模块都包含一个有效载荷，也可以作为移动的脚。每只脚用3根绳索吊在气球上，以控制脚在地面上的位置。只有1英尺/有效载荷被举起来移动到地面上的新位置，而其余的脚则保持气球固定在地面上。气球浮力一次只需要提起1英尺。脚按顺序在地面上移动。平台高度稳定，因为它的重心几乎在地面。气球上的照相机的图像被用来绘制和定位脚的位置和导航。

地球外的建筑：在目的地生长的表面结构

Lynn Rothscild，美国宇航局的艾姆斯研究中心，莫菲特菲尔德，加利福尼亚。

海龟有自己的栖息地。虽然它是可靠的，但它消耗能源。NASA在运输栖息地和其他需要的结构到月球和行星表面时也做出了同样的权衡，增加了质量，影响了其他任务的目标。想象一种由光、纤维材料制成的、具有优良机械性能的自我定位的栖息地。这种材料可以用干的、湿的、用水冷冻的，也可以作为自产合成材料的一部分，这样可以增强辐射保护和蒸汽密封。它是自我复制的，因此栖息地可以在未来的某一天得到扩展，并自我修复。这种材料的某些形式可以用于目的地的栖息地、额外的建筑物、多辆火星车的外壳和家具。纤维物质是真菌菌丝体，是真菌的营养结构，由分枝状菌丝组成。已经商业化生产的菌丝材料是已知的绝缘体、阻燃材料，不会产生有毒气体。这些材料的指标显示压缩强度优于尺寸木材，弯曲强度优于钢筋混凝土，和具有竞争性的绝缘值。由于菌丝通常会分泌酶，生物工程应该可以使它们分泌其他物质，如生物塑料或乳胶，从而形成生物合成物。菌丝比单独的风化层更有弹性和延展性。作为一种独立的材料，或与凝集或烧结的雷格里特结合在一起，一种霉菌结构的建筑包膜可以显著降低建筑所需的能量，因为在存在食物储备和水的情况下，它会自行生长。在人类到达后，还可以通过生产任务产生的有机废物流来增加额外的结构。富含黑色素的真菌具有吸收放射性物质的能力，这表明被melanized的真菌菌丝可以提供辐射保护。在菌丝中发现的铅，或其他阻挡辐射的物质，如水，可以在菌丝中积累，提供额外的辐射保护。当受到保护时，这种菌体可以有很长的寿命，但是在生命周期结束时，这种材料可以成为任务农业的肥料。

我们的概念符合火星德拉5.0“通勤者”的设想，主要的区别是，在目的地的栖息地和探测器的外壳将会被建造。在地球上，一种可弯曲的塑料壳被制成最终的栖息地尺寸，将被播种菌丝和干燥的饲料，并被外界消毒。在目的地，可以使用struts将shell配置为其最终的内部维度。根据质量的权衡，菌丝和饲料材料将被火星或陆地的水浸湿，加热，开始真菌(和生物饲料)生长。当原料被消耗，热量被提取或菌丝被热杀死时，菌丝生长将停止。如果需要增加或修复这些结构，可以添加水、热量和原料来重新激活休眠真菌的生长。

模块化主动自组装太空望远镜群

德米特里萨兰斯基，康奈尔大学，伊萨卡，纽约

我们提出了一种模块化的、自组装的结构，能够构建直径30多米的反射式太空望远镜和有源光学。该望远镜的整个结构，包括主镜和副镜，副支撑结构和平面遮阳罩，将由一个单独的、大量生产的航天器模块构成。每个模块将由一个六角形~1米直径的航天器组成，顶部有一个从边缘到边缘的主动镜组件。这面镜子至少有30度的自由度，由机械执行机构驱动，这样，组装的主镜和副镜将会被完全激活，并且可以被分阶段进行，并在装配后得到适当的形状。模块将作为机遇的有效载荷独立发射，并使用可展开的太阳帆导航到太阳-地球L2点。在安装望远镜时，太阳帆将成为平面望远镜的遮阳罩，它将不需要额外的人工或机器人干预就能自动前进。

目标任务的概念是一个大口径实现的大型紫外/光学/红外测量器(LUVOIR)，它已经在美国宇航局天体物理学路线图中规划出来。

太阳中微子宇宙飞船的天体物理学和技术研究

Nickolas Solomey, Wichita State University, Kansas

这项技术需要研究太阳的太阳内部的目的是更好地了解我们的太阳，它的未来预期变化如太阳能产出的长期预测,以及理解核聚变反应速率等基础物理,粒子物理学暗物质搜索,中微子振荡和核物理中微子交互作用的影响。

在地球上，中微子的太阳强度非常低，但是通过接近太阳的近距离太阳的7个太阳半径，中微子的速度可以达到1000倍。在这个项目中，将评估在非相干中微子半径内的一个小型探测器，以探索其研究太阳内部核反应的科学潜力。不像太阳光,来自同一个核炉芯内的核聚变反应,但需要能源50000到100000年到达水面,中微子,弱相互作用,与物质,直接从太阳核心很快和他们会告诉我们更多关于当前太阳能室内测量比其他粒子从太阳发出的。

通过推进和发展中微子探测器技术，将在外层空间飞行和操作，将会创建一个小说研究太阳的机会，一个将增强我们的能力来预测长期太阳能输出和太阳风暴以及执行从根本上新的科学研究，目前无法实现的。

先进的衍射金属膜Sailcraft

Grover Swartzlander，罗切斯特理工学院，纽约

作为一种推动带有太阳帆的航天器的手段，大量未被利用的太阳光子动量正变得越来越有吸引力。数十年的理论任务研究已经检验了从米到公里的微观薄膜是如何利用免费的阳光进行近地、行星际和星际空间旅行的。在几乎所有的情况下，反射金属涂层的薄膜被认为是光子对帆动量转移的机制。在这里，我们描述了一种有吸引力和创新性的选择，利用最近成熟的元材料设计和制造：衍射帆。宽带高效单衍射阶光栅和有源电光控制方案的设计和制造的进步，可能使衍射帆在轨道升降、站位保持和其他任务类型上优于反射帆。例如，拟议的新航空航天建筑可以提供低成本和高效率的方法，可以将数百个LEO立方体卫星和其他卫星送入更高的轨道。这类卫星对科学、安全和商业用途都变得非常重要。提出了实验、数值建模和路线图开发。该项目将探索更高的辐射压力与大气阻力在LEO的显著减少相比反射的衍射帆。从低成本极低的地球轨道上建造数百个立方体卫星的潜力（也包括去轨道或空间站）将是一个公认的游戏改变者，它将在学生、企业家、航天科学家和工程师日益壮大的小型卫星社区中建立热情和倡导。衍射薄膜提供了一种创新的方法，将广泛影响未来的太阳能和激光驱动的航行。这个建议代表了对这些创新的第一步，将TRL从1提高到3。

Spectrally-Resolved合成成像干涉仪

Jordan Wachs, Ball Aerospace & Technologies Corporation, Boulder, Colorado

提出了一种新的光谱分辨长基线干涉测量方法。利用频率梳的参考，可以在频率梳的全谱范围内对光学场进行相干检测和数字化。频率梳的宽频、相干性使窄带频率通道在射频下转换和测量，并在数字域中增加相干性，从而产生与传统的直接检测干涉仪相当的信噪比，但不需要用于波束组合目的的纳米尺度光程控制或直接采样光场所需的太比特/秒数据速率。

该系统的光谱灵敏度允许径向测速测量对几个赫兹的红移敏感，这足以解决毫米/秒的相对速度变化。利用该系统进行的直接光谱测量将足够灵敏，能够探测存在的水、甲烷和其他具有频率梳谱吸收特性的化合物。由于这种宽带相干检测方案的性质，所有的光谱信息都固有地存在于所有测量数据中，允许同时成像、测速和光谱测量。

放射性同位素正电子推进

Ryan Weed，正电子动力学，利弗莫尔，加州

用于化学或离子推进剂的空间推进系统目前的技术水平不能满足21世纪空间任务的要求。反物质是推进系统的一种候选机制，它可以运输人类和/或机器人系统，大大减少运输时间，提供更快的科学结果，增加有效载荷质量，使更有能力的仪器和更大的机组人员，并降低总体任务成本。不幸的是，先前的推进概念依赖于不现实的被困反物质的数量——与任何短期能力相差一个数量级。这项工作的目标是确定(TRL 1-2)放射性同位素正电子催化聚变推进概念的可行性，而不是依赖于捕获的反物质。这种革命性的技术激发和推动了航天界的进一步创新，并可应用于相关的任务——将一颗完整的小行星批量回收到跨月空间——这是一项具有重大科学和商业价值的任务(如小行星采矿)。利用小行星资源的想法可以追溯到一个多世纪以前的柴可夫斯基。从根本上说，要使小行星采矿在经济上可行，回收航天器的成本必须低于小行星带来的价值。因此，开发减少检索航天器质量和复杂性的技术(例如高效推进系统)必须优先考虑。

NIAC项目主管贾森•德赖斯表示：“2018年第一阶段的竞赛特别激烈，有超过230份提案，只有25家胜出。”“我迫不及待地想看看NIAC的新成员们能为NASA做些什么!”

第二阶段研究让得奖者有时间改进他们的设计，并探讨实施新技术的各方面。今年的第二期项目涉及一系列前沿概念，包括星际前驱任务的突破性推进架构、大型太空望远镜、Triton的新型探测工具以及马赫效应的重力辅助驱动推进。

在NIAC项目第二阶段的奖励中，为期两年的研究可获得高达50万美元的奖励，并允许申请人进一步开发第I阶段的概念，成功地证明了最初的可行性和效益。

选定的2018年第二阶段建议请阅读本文下篇：

（下篇）脑洞大开：美国宇航局（NASA）投资的科幻技术（多图）

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