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专题报告NASA创新先进概念计划及对我国航天创新概念研究的启示
【专题报告】NASA创新先进概念计划及对我国航天创新概念研究的启示
NASA创新先进概念计划及对我国航天创新概念研究的启示上海航天技术基础研究所雷达本文由星空新视野(xingkongxinshiye)授权转载
2015年7月,NASA在其官网公布了2015年“创新先进概念”(NASAInnovationAdvancedConcept,NIAC)计划第二阶段(PhaseⅡ)项目的遴选结果,包括土卫六潜艇、太阳风静电快速传输系统在内的7项前沿太空探索概念研究入选,入选项目最高可获得50万美元的研究经费开展为时2年的研究。
这是NIAC计划设立5年来第4次资助PhaseⅡ阶段项目,表明NIAC计划正在稳定运行,NASA的创新机制得到了进一步完善。
一、NIAC发展历程NIAC的主要目标是支持创新概念研究,以创新研究人员和企业为合作伙伴,培育可能产生重大革新或革命性的航空航天概念,以提供可能改变NASA未来任务模式的突破性解决方案。
NIAC计划是NASA长期技术投资、保持技术领先的重要举措。
截至目前,NIAC经历了两个发展时期。
第一个时期是1998年成立的NIAC研究所(NASAInstituteofAdvancedConcepts)。
NIAC研究所根据NASA与大学空间研究联盟(UniversitiesSpaceResearchAssociation,USRA)签订的合同成立。
NIAC研究所是一个虚拟研究所,并由USRA管理,目的是在NASA框架和NASA文化之外建立一种鼓励创新的机制。
NIAC研究所所有的项目都通过互联网进行申请和评审。
此外,研究所只有一个小型领导团队,并且其成员分散在美国各地。
为了促进和维持NIAC研究人员以及与公众之间的互动,NIAC研究所每年组织春、秋两次研讨会。
2007年,NASA宣布停止NIAC研究所的运行。
第二个时期是2011年重新设立的“创新先进概念”计划,即NIAC计划。
2008年,国会指派美国国家研究委员会(NRC)对NIAC研究所的成果进行评估,并就研究所是否重建以及如何改进等提供建议。
NRC在其2009年提交的评估报告中高度支持NIAC研究所,认为维持一种致力于富于想象的远期先进概念的研究机制将使NASA和国家受益,并建议重设一个类似的实体,同时适当增加研究经费。
同年,NASA决定加强技术研究,以为未来的探索任务奠定基础,同时重新设立了NASA首席技术专家职位,并以“空间技术计划”(SpaceTechnologyProgram)作为支撑。
在这个背景下,NASA在2010年决定设立新的NIAC计划,并归口于首席技术专家办公室(OCT)下的“空间技术计划”管理。
2011年,NIAC计划正式运行,新设立的NIAC计划与NIAC研究所目标一致,但不再是一个独立于NASA之外的研究所。
2013年,NASA将“空间技术计划”升格为“空间技术任务部”(SpaceTechnologyMissionDirectorate,STMD),NIAC仍作为STMD的一部分,继续充当创新技术的入口点。
二、NIAC的工作机制
(一)NIAC的组织机构NIAC计划的组织机构非常简洁,包括三个部分,即NIAC计划管理团队、NIAC外部委员会(NEC)以及NIAC研究员,如下图所示。
图1NIAC组织机构NIAC管理团队继承了NIAC研究所的小型化结构,仅由4人组成,包括项目主管1名、项目经理1名、高级科学顾问1名以及战略伙伴关系经理1名。
NIAC外部委员会(NEC)在NIAC研究所期间已经设立,NIAC计划延续了该设置。
NIAC外部委员会设主席1人,其成员均来自NASA之外。
外部委员会的责职主要是评估NIAC愿景和目标的完成情况,并且向NIAC项目经理提供建议。
NIAC外部委员会参加NIAC的公开研讨会,并在会后组织研讨并提供反馈。
NIAC研究员(NIACFellows)即获得NIAC资助的研究人员,给予这些研究人员NIAC研究员称号的目的是培育相应的团体和合作氛围。
NIAC研究员既可以是NASA内部的研究人员,也可以是来自NASA外部的研究人员。
NIAC每年都会举办一次公开研讨会,为NIAC研究员宣传其研究及成果、讨论未来规划提供平台。
此外,NIAC还为NIAC研究员建立多边交流团体,鼓励研究员相互合作。
(二)NIAC的主要工作除了公开征集研究项目、选择项目并资助项目外,NIAC还从事以下几个方面的工作:
1)NIAC开设了专门的网站和广播电台,并且在Facebook、Twitter和Youtube等社交媒体上十分活跃。
此外,NIAC还与芝加哥科学和工业博物馆建立了合作关系,提供向后者提供了诸如“从科幻小说到科学事实”等系列教育课程,向学生和大众介绍NIAC研究员的研究。
2)NIAC授予获得资助的项目研究人员“NIAC研究员”的称号,NIAC参加NASA技术日活动,举办年度会议,支持和鼓励NIAC研究员之间的合作与交流,并鼓励NIAC研究员申请专利以保护其研究成果。
3.NIAC项目资助模式在项目资助模式上,NIAC计划基本上继承了NIAC研究所的模式,即由第一阶段(PhaseⅠ)和第二阶段(PhaseⅡ)组成的两层模式。
PhaseⅠ的研究任务主要是概念定义和在任务背景条件下的初始分析,研究时长约为9个月(NIAC2011和NIAC2012分别是1年),研究经费最高可达10万美元。
PhaseⅠ的研究包括:
1)发展概念:
定义技术或者系统的关键要素,研究其关键特性,同时考虑进一步的研究路线和潜在应用;2)在航空航天任务背景下对概念进行评估:
重点是可行性确定以及与当前任务和概念的比较。
对可能支持多个任务的概念,应当讨论其应用范围,并至少对其中一个候选任务的应用进行详细讨论。
PhaseⅡ的主要研究任务是继续研究入选第一阶段的概念,主要目标是研究与成本、性能、研发时间和关键技术相关的可行性问题。
这一阶段需要为后续研究提供必需的科学技术原理阐述,从而为NASA考虑下一步的研究和未来任务提供打下良好的基础。
PhaseⅡ的研究时长约为2年,研究经费最高达到50万美元。
PhaseⅡ研究需要完成的任务包括:
1)继续研究入选PhaseⅠ的概念:
完善和深化PhaseⅠ的研究;2)继续在任务背景下对概念进行评估;3)评估提出概念的收益、成本和性能,展现概念复杂度与其收益、成本和性能之间的关系;4)为制定研究的技术路线图提供一种途径,并确定关键使能技术。
在PhaseⅡ研究过程中,一般在第1年结束时会有一个中期评审。
第2年的经费严格按照中期评审的结果决定是否拨发。
来自NASA内外不同组织的技术代表将被邀请参加中期评审,并且这些组织可能是NIAC研究成果的应用方。
三、NIAC项目选择原则和过程
(一)NIAC项目申请人和申请条件个人、教育机构、商业或者非盈利组织、研究实验室、包括JPL在内的NASA研究中心都可以申请NIAC的研究经费,但项目主要发起人必须是美国公民或者正在美国工作。
不过,在不违反NASA国际参与政策的条件下,非美国组织组成的团队也可提交申请。
不过从NIAC已经资助的项目来看,目前NIAC的申请人主要来自学术界即美国各个高校、企业和研究机构以及NASA的研究中心。
从NASA发布的NIAC项目申请要求来看,NIACPhaseⅠ的项目主要集中在项目的早期研究阶段,入选项目需要满足以下的要求:
1)属于航空航天体系、任务或者系统概念范畴;2)革命性的,但技术可实现的;3)早期研究(技术成熟度为1-2级,或者早期的3级成熟度;10年及10年以上可以实现技术目标);4)在特定任务背景下进行研究。
总体而言,PhaseⅠ阶段的研究需要是未探索过并可能为航空航天任务提供突破或革命性改进的创新概念,而非狭窄的技术或子系统、或是现有技术的增量研究以及近期可实现技术的研究。
同时,研究必须要有合理的科学或工程基础,并且是可能实现的。
(二)NIAC项目的筛选过程NIAC通过同行评议流程确定项目的研究价值,并在此基础上选择最终资助的项目。
在项目筛选过程中,PhaseⅠ和PhaseⅡ的筛选流程并不相同。
1)PhaseⅠ项目筛选流程首先由NASA通过“NASA征集和建议综合评审和评估系统”(NSPIRES)发布研究项目征集公告,即NASA研究公告(NRA),接下来进入PhaseⅠ项目的A、B两轮筛选。
在A轮筛选中,申请人只需提交一份对提出概念的简短描述,如2015年的A轮筛选要求申请人通过NSPIRES系统提交一份仅为3页的白皮书和汇总表(电子版)。
A轮主要是研究主题筛选,只有主题在NIAC规定范围内的申请才能入选。
另外,A轮筛选也负责对提交研究概念的潜在竞争力进行评价,包括三方面的内容,一是在假设提出的概念完全成功实现条件下可能产生的影响力;二是对提出概念关键要素阐述的明晰程度;三是提出概念的合理性和可行性。
主题符合并且排名最前的概念才能进入B轮筛选。
在B轮筛选中,所有的申请都要通过技术专家组(TechnicalPanel)进行评审。
技术专家组根据评审标准对提交的申请进行评估,评审标准一般包括概念的潜在价值、研究方法的有效性以及研究本身的收益。
评审专家组根据评审标准对申请进行技术评估,给出技术得分,并向NASA提交最终建议,即资助优先级排名。
尽管专家组的建议以技术得分为指导,但并不完全受技术得分的约束。
专家评审是进一步讨论的基础,并作为正式的评估结果反馈给申请人。
筛选过程可能的后续步骤包括综合专家组评审和NASA总部的讨论和选择,前者在具有多个技术专家评审组的情况下解决分歧和确定最终推荐顺序;后者以评审结果为基础,综合考虑政治因素以及STMD的资产组合平衡来最终决定资助哪些申请项目。
2)PhaseⅡ项目筛选流程尽管在PhaseⅡ的筛选过程中,NIAC也通过NSPIRES系统发布申请公告,但仅有完成了PhaseⅠ阶段研究的NIAC研究员才能提交PhaseⅡ的项目申请,并且PhaseⅡ的研究需要以PhaseⅠ的研究结果为基础。
项目申请将提交给1个或者多个技术专家组进行评审。
由于提交的申请已经符合NIAC资助的范围,PhaseⅡ阶段的评审标准与PhaseⅠ有所区别,在将研究的潜在价值作为评审标准的同时,还将技术价值(如技术可行性、使能技术的确定机制)以及工作规划、团队、进度以及预算的适宜性等纳入了评审标准。
技术专家组在PhaseⅡ的评审中,也会给出详细的评估结果和资助优先级的建议。
四、NIAC历年项目情况NIAC研究所在1998~2007年间,共计资助了126项PhaseⅠ阶段研究和42项PhaseⅡ阶段研究。
2010年设立NIAC计划后,从2011至今,NIAC共计资助了87项PhaseⅠ阶段研究和28项PhaseⅡ阶段研究,具体如表1所示。
表1NIAC2011~2015年资助项目数量
研究人员方面,NIAC研究员主要来自学术界、工业界和NASA自身。
从分布来看,学术界、工业界和NASA承担的PhaseⅠ阶段项目分别是27、26和34项;PhaseⅡ阶段项目分别是11、8和9项,基本上是均匀分布,分别如表2和表3所示。
可以看出,NIAC对NASA之外的学术界和工业界比较倚重,表明了NIAC计划的开放性,而正是这种开放性为NIAC获取更多的创新研究概念提供了良好的基础。
表2NIAC2011~2015年PhaseⅠ阶段资助项目申请人来源分布
表3NIAC2011~2015年PhaseⅡ阶段资助项目申请人来源分布
研究方向方面,NASA自2012年发布“NASA技术路线图”以来,就有意识地将NIAC的资助项目与图线图对应起来。
例如,NASA将NIAC2011资助的30项PhaseⅠ阶段研究与“NASA技术路线图”作了映射NIAC2011PhaseⅠ阶段的研究项目覆盖了15个技术方向中的13个,并且研究项目分布最多的3个方向分别是“空间推进技术”、“人员健康、生命支持及居住系统”以及“机器人、远程机器人和自动系统”。
由此可见,NASA在重新设立NIAC计划后,正在有意识地加强NIAC资助的研究与NASA技术方向的对接,以最大程度地保证NIAC计划的研究能够服务于NASA的实际任务,从而最大化NASA的投资收益。
五、NIAC特点分析对NIAC计划的组织机构、管理、运行以及项目的申请、筛选和资助模式进行研究,可以总结出以下特点:
1)是NASA创新研究中的入口点,NIAC的归口管理部门是空间技术任务部(STMD),STMD是NASA四大任务部之一,负责NASA的创新技术研究。
为此,STMD设置了9个研究计划,由7个办公室管理。
其中NIAC、“空间技术研究基金”(SpaceTechnologyResearchGrants)以及NASA“中心创新基金”(CenterInnovationFund)三个计划的主要目标是开展先进概念研究并发展创新团体;“技术验证任务”(TechnologyDemonstrationMissions,TDM)、“小型航天器技术项目”(SmallSpacecraftTechnologyProgram)以及“改变游戏规则的研究”(GameChangingDevelopment,GCD)三个计划的主要目标是促进技术成熟和寻求变革性技术突破;“百年挑战”(CentennialChallenges)、“飞行机会”(FlightOpportunities)和“小型企业创新研究与小型企业技术转移研究”(SBIR/STTR)三个计划的目标是创造市场和促进创新经济增长。
从计划设置和目标上看,STMD的9个研究计划覆盖了前瞻性先进概念研究、技术验证和技术成熟以及技术转化的技术创新研究的全过程,形成了完整的创新研究机制。
此外,各个计划的研究成果还可以在STMD统一管理下实现转化应用。
NIAC专注于早期先进概念研究,本质上是NASA创新研究的一个入口点。
2)具备全面开放性,NIAC的开放性表现在两个方面,一是项目申请的开放性,NIAC面向NASA内外的个人和机构征集项目建议书,而不局限于NASA本身;二是NIAC鼓励NIAC研究员之间的互动,积极通过各种媒体进行自身的宣传,从事科普教育,并向公众开放NIAC研究员的最终研究报告。
NIAC的开放性保证了其研究可以广泛利用群体智慧,不受特定机构(如NASA自身)文化和思维的约束,取得更好的效果;并且能够有效地推广创新文化,鼓励公众对NIAC的支持与参与。
3)具备任务相关性,NIAC资助的项目均在航空航天框架内,并且与具体的任务背景相关,使得NIAC资助的研究能够最终为NASA所用,从而使得NIAC成为NASA技术投资的一个重要平台。
4)具备严格的评审流程,NIAC采用同行评议的方法对征集到的项目建议书进行评审,并在NIAC的运作过程中引入外部委员会对其本身进行评估,保证了项目筛选和计划运行的公平和公正,有效地保证了研究的质量,从而也一定程度地减小了投资风险。
5)注重风险规避,NIAC采用两个阶段的资助模式,第一阶段研究经费不多并且研究时间不长,并且当第一阶段的研究被证明有更深入的研究价值时,才投入更多资金和时间进行第二阶段的研究,有效地降低了投资风险。
另外,NIAC对资助项目必须具有特定任务背景的要求能够有效地避免研究过于分散,从而也具备一定的风险规避作用。
6)注重附加收益,一方面,NIAC通过授予“NIAC研究员”这一称号连接起了所有NIAC研究人员,并通过研讨会来为NIAC研究员提供研讨和交流平台,并鼓励NIAC研究员通过申请专利保护其成果,在NASA之外又建立起了一个创新研究团队;另一方面,通过在包括社交媒体在内的各类媒体加大自身宣传,积极参加科普活动来培育NASA之外的航空航天文化以及创新文化,从而可以达到鼓励公众更加积极地参与NASA的创新研究的目的。
六、对我国航天创新概念研究的启示当前,我国航天事业已经取得了前所未有的成就,但与传统航天强国特别是美国相比,我国航天事业仍然“大而不强”。
改变这种现状的唯一途径是创新发展,加大对航天创新研究的投入,切实提升自主创新能力。
NIAC作为NASA为寻求颠覆性航天技术而在航天创新研究方面的重大举措,其机制设计和运作模式等对我国的航天创新研究具有重要的启示。
(一)完善机制,设立专项基金支持航天创新概念研究尽管我国已经设立了一定数量的航天创新基金,如航天科技集团公司设立的“航天科技创新基金”,但目前尚无和NIAC类似的资助航天先进概念研究的专项基金。
而对航天创新概念的研究是对可能为航天任务带来革命性影响的概念/技术的前瞻性研究,可以为我国确定合理的航天发展技术路线“掌好舵”,为我国实现航天发展的“弯道超车”抢得先机。
为此,需要抓住我国正在实施创新驱动发展战略的机遇,完善航天创新研究机制,设立国家级专项基金支持航天创新概念研究(如由中国航天局管理的专项基金),培育可能对航天任务模式产生颠覆性影响的新技术,获得源源不断的创新动力,加快实现从航天大国向航天强国的转变。
(二)开放思维,借力外部智慧资源促进航天创新概念研究开放性是NIAC计划的一个重要特点,正因为NIAC向航天工业外的社会大众开放,从而可以打破NASA自身文化的约束,从更开放的角度来思考创新,并利用全社会的智慧资源实现创新。
从NIAC计划资助的项目来看,来自学术界和工业界的项目大约占到了全部项目的三分之二,显示NIAC计划更依赖NASA之外的创新。
有鉴于此,我国应当充分借鉴NIAC的做法,在航天创新研究中充分开放思维,把开放基因植入我国的航天创新概念研究中。
因此,用于支持航天创新概念研究的专项基金要面向社会各界开放,不设立专业、资质门槛,从而可以充分利用全社会的智慧资源,让其服务于航天创新发展。
(三)规避风险,采取合理的模式开展航天创新概念研究航天创新概念研究风险与收益并存,为了获取最大收益,需要最大程度地规避风险。
为此,可以借鉴NIAC的经验,从模式设计上规避风险。
一是采取多阶段的多层资助模式,以NIAC的两层模式为例,第一阶段的资助无论在经费和研究时间方面都远远少于第二阶段,并且只有受到了第一阶段资助,并且被证明具备有深入研究价值的项目才具备入选第二阶段的资助。
这实际上是一个去粗取精的过程。
二是有的放矢,所有的受资助项目都必须在特定的背景任务下进行,如火星探测或者木星探测任务。
拨从而避免研究过于分散,最终即使取得一定的成果也不能服务于将来的航天任务,更不用说实现投资收益的最大化。
(四)严格评审,把好航天创新概念研究的质量关严格的评审流程是决定航天创新概念研究质量的重要因素。
从NIAC计划项目筛选和评审过程来看,无论是第一阶段还是第二阶段的项目,其核心评审手段都是同行评议,此外还利用专门的外部委员会对NIAC的成果进行专门的评议。
同行评议是学术界广为应用的评审模式,也是目前在研究质量保证方面最有成效的方式;而外部委员会代表的第三方评审无疑是保证评审客观性的有效手段。
在我国航天创新概念研究的项目评审过程中,也应当引入同行评议和第三方评审,有效地把好评审关,确保研究质量。
(五)以点带面,培养航天创新团体和创新文化航天创新概念研究不能仅仅停留在项目申请与执行研究、仅在委托方与研究人员之间存在单线联系的基本状态,而是要以航天创新概念研究为起点,以点带面,在航天工业之外培养创新团体和创新文化。
一方面通过建立常态化的研讨和交流机制,连接起所有的航天概念创新研究人员,实体化航天工业部门之外的航天创新研究团队;另一方面,向社会公众开放航天创新概念研究,加强和推广航天公众科普教育,并通过多种媒体手段传播航天文化和航天创新文化,培养航天创新文化氛围,鼓励公众对航天事业的支持和参与。
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