NASA深空探测技术研发管理浅析

NASA深空探测技术研发管理浅析

中国航天科技集团公司周凯王博赵立军中国航天系统科学与工程研究院李金钊李云李虹琳一、NASA深空技术研发概况1．深空探测的基本概念深空探测主要指围绕行星科学领域开展太阳系内地外天体探测活动，即通过飞越、撞击、环绕、着陆、巡视、采样返回、载人等方式对月球及以远的天体进行探测，可根据是否有宇航员参与分为“无人科学探测”’和“载人探测”两类。由于深空探测具有任务实施难度大、技术要求高等特点，美国国家航空航天局(NASA)重点研发了相关技术。2．有明确的顶层战略规划和预算超前布局深空技术NASA深空技术研发既有国家层面的顶层设计，又有具体的战略规划与技术路线。政府层面高度重视航天政策对NASA的指导性作用，因而对其技术发展方向与研发模式产生了重大影响。如，奥巴马政府提出了“2025年载人登陆小行星，2030年代载人火星探测，随后载人登火”等远景目标，全面调整了美国深空领域的发展战略，彻底改变了NASA载人航天型号任务的重心；2010年《国家航天政策》要求NASA在技术研发过程中，大力推进商业和民用航天的开发和利用，强调增强航天技术、工业基础和人才基础，在商业航天方面提出政府引导、私营参与，推进发展商业航天的一系列新举措。NASA根据国家顶层政策与战略指导，定期更新并发布《NASA战略规划》，适时调整并明晰NASA航天技术发展的战略方向、目标和优先事项；广泛吸纳科学界的意见以明确科学探测技术的研发目标，并根据能力需求确定深空技术的发展重点，定期更新《NASA技术路线图》，布局谋划未来20年的深空技术；路线图中的候选技术虽覆盖NASA及外界全部需求，但数量众多，NASA因所获财年预算不足以支撑全部技术研发工作，制订了《战略航天技术投资规划》指导财年预算投资方向，确保高优先级深空技术能获得充足的研发经费。3．以技术成熟度理念管理研发活动NASA于1974年提出技术成熟度(TRL)体系，随后细分为9级并沿用至今。总的来说，l～3级是概念研究到发现新技术阶段，3～5级是快速研发到地面试验阶段，5～7级是在相关环境中完成飞行验证，具体情况如图1所示。NASA技术研发活动的本质是提升技术成熟度，为深空探测型号任务及其他应用提供技术储备，并确保相关技术在任务初期评审(PDR)时达到所需的成熟度等级，从而规避工程风险。如，载人探测任务通常选取同类技术中成熟度最高的技术，科学探测任务要求采用成熟度6级以上的技术。4．建立公开透明的深空技术研发信息查询平台应国家研究委员会(NRC)的建议，NASA开发了一款基于网络的“技术港”(TechPort)软件系统：整合并分发NASA技术研发信息，方便用户查询包括深空领域的全部公开技术报告、专利、许可证和软件应用，加强了NASA与其它政府机构、学术机构和商业企业间的交流，为技术研发合作带来机遇，还便于管理并分享技术研发进展及社会效益，提高NASA“深空技术能力”的透明度。二、NASA安排专门机构管理深空技术研发活动目前，NASA将深空技术分为“推动技术”和“牵引技术”两类，交由不同任务部管理研发活动。“推动技术”又称“增强型”技术，多为可显著提升目前技术水平的共性、前瞻性技术，主要由2012年成立的太空技术任务部(STMD)管理；“牵引”技术又称“使能型”技术，多为针对型号任务需求的特定技术，主要由负责型号任务的载人探索与运行任务部(HEOMD)和科学任务部(SMD)管理。太空技术任务部负责管理研发共性技术，以及有潜力满足未来需求的战略性、前瞻性技术。该任务部根据技术成熟度范围划分并实施9个各具特色的子计划，组成“太空技术”计划统一管理研发活动，覆盖了前瞻性先进概念研究、核心技术验证、技术成熟与技术转化应用阶段，形成了完整、连续的研发机制，为型号任务提供重要的技术储备，如图2所示。载人探索与运行任务部负责载人航天型号任务，通过“先进探索系统”计划重点围绕乘员系统、飞船系统、运行和机器人先驱者活动4个领域研发高优先级技术，解决未来型号任务的系统层面集成工作和样机／设计开发，旨在降低载人航天型号任务的风险和成本；科学任务部负责机器人科学探测型号任务，覆盖太阳物理学、地球科学、行星科学和天体物理学四大业务领域，其行星科学分部通过各型号任务中的少部分预算管理相关技术研发，以及利用“行星科学技术”计划支持与探测器系统和任务运行相关的电源和推进技术研发。三个任务部之前还通过相互交流与合作，确定特殊技术研发需求、评审在研项目、分担研发经费、了解技术在型号任务中的应用情况、联合开展型号任务等。三、NASA注重借助外界力量实施深空技术研发活动随着美国航天政策的调整及外界研发机构的力量不断壮大，NASA在具体实施深空技术研发项目时，不但组织协调内部航天中心开展深空技术的研发活动，还为充分发挥外界机构或个人的专业见解、独创精神和创造能力，启动、加速并推广了一系列开放的创新性投资方式，通过多种渠道鼓励吸引外界机构、组织或个人广泛参与。这种商业合作模式既分担了研发成本，又提高了研发效率、缩短了研发周期，为NASA保留更多资源研发载人火星探测等方面的前沿、核心技术，发挥“保持领导地位，带动全国技术发展”的作用。奖金竞赛是NASA吸引外界研发深空技术的重要手段之一。NASA为参赛团队提供试验场所，但只为获胜者提供奖金或其他奖励（如参观工厂与设施、观看火箭发射等），促使各参赛团队提高研发效率。NASA最突出的奖金竞赛是2005年设立的“百年挑战赛”项目。该项目旨在吸引公众的聪明才智来解决NASA任务相关的先进技术需求。参与团队利用自筹经费或外界投资开展研发活动。NASA已成功举办了20余项挑战赛，其中包括宇航服手套、火星采样机器人、火星上升飞行器、火星进入质量配平物科学利用等，已为获胜者提供共计600万美元奖金。NASA还以众包或分布式创新的方式解决NASA提出的特定深空技术需求。2011年，NASA应白宫科学与技术政策办公室(OSTP)要求，成立“合作创新卓越中心”(CoECI)，专门管理和促进外界参与技术研发众包活动。NASA建立NASASolve网站发布众包挑战机会，广泛吸引大众参与，目前已开展了百余项研发活动。由于参与门槛较低，没有学历、研究领域的限制，NASA成功吸引了多领域科技人才从独特视角解决太空食物保鲜、颅内压无创测量等技术难题。最典型案例之一是居住在美国新罕布什尔州的退休射频工程师，从磁场重联的角度帮助NASA成功解决了载人深空飞行中太阳耀斑预测这一多年悬而未决的问题。该中心的设立，既促进了NASA挖掘、聚集多领域人才参与深空探测先进技术的研发，还为美国其他政府机构开展各自的开源创新研发活动提供借鉴与参考。近年来，NASA逐渐尝试与商业公司建立公私合作关系，签署商业协议共同研发具有潜在商业价值的深空技术。所谓公私合作关系，即项目须由企业完成，而非政府直接完成；须由政府确定项目的规格、质量和标准，提供全部或部分资金或特许权利，企业按合同约定提供产品或服务。在研发过程中，NASA除了为商业公司提供少量资金，还可能提供技术、设施使用权利、软硬件。这种研发模式可显著提高市场资金的使用效率，有效化解和分散创新风险，不但有利于NASA实现战略目标，还能通过授予参与企业商业化研发成果的资质，促进美国商业航天市场的发展。NASA已通过一系列举措吸引企业参与深空技术研发，如研发先进推进与深空居住技术的“下一代太空探索技术合作伙伴关系”项目、研发月球着陆能力的“月球催化剂”项目等。四、几点看法NASA有明确的深空探测发展目标与实施途径，可提前分析技术挑战并予以解决。NASA依照奥巴马政府提出的载人火星探测目标，提出“NASA的火星征程”战略，拟采取渐进式分步实施的策略，将总目标分解为“依赖地球”、“地月空间试验场”和“独立于地球”三个台阶，建立一个弹性的体系架构，以应对预算变化、政策优先事项调整、新的科学发现、技术突破等情况。NASA通过充分调研自身技术能力与未来目标间的差距，系统梳理出“运输”、“在太空中工作”和“保持健康”三类技术挑战，重点研发相关技术。NASA有先进的深空技术研发投资与管理理念。NASA将技术研发投资理解为“向NASA的未来、向美国航天计划的未来、向整个美国的未来”的投资，特别强调在充分利用过去深空技术成果的同时，提前布局谋划核心技术，确保未来型号任务得以更经济更高效地完成；NASA在技术研发管理过程中，注重按照技术成熟度理念划分核心技术，确保投资研发的技术覆盖各个成熟度等级，形成一个可持续的“技术研发流水线”（既包括全新技术可行性的评估，又有使可行的技术成熟化的快速竞争性研发，还有在相关环境下为最终实现任务应用而进行飞行演示验证）。NASA的公开竞争机制有利于充分发挥内部与外界研发力量，促进美国商业航天发展和人才教育。NASA特别注重及时向公众介绍深空技术的进展及成果转化等信息，鼓励外界广泛关注并参与技术研发招标活动；在招标过程中，NASA通常以公告等形式广泛征集各界创新性解决方案，组织专家同行评审遴选最具发展前景的技术方案；在研发过程中，NASA还十分注重引入竞争机制，通常针对某一项技术方案，同时选择