【志澄观察】NASA以开放促颠覆性技术创新

NASA以开放促颠覆性技术创新

远望智库特约研究员  黄志澄

3月29日发自硅谷

    NASA肩负复杂而繁重的太空探索任务，未来的任务充满挑战和风险，只有努力强化颠覆性技术创新，才可能找到低成本和低风险的通向太空之路。下面介绍NASA近年来在提高颠覆性技术创新能力方面进行的种种努力，其核心就是向社会进一步开放，以集思广益，共同加速颠覆性航天技术的创新。

一、成立专门负责颠覆性技术创新的机构

    为了提高颠覆性技术创新能力的需求，在NASA内部也进行了体制创新。在2013年成立了“太空技术任务部”(Space Technology Mission Directorate，STMD)。STMD是NASA的一个新部门，它将向社会广泛投资，以发展NASA所不能解决的“大胆的、广泛适用的颠覆性技术”。

    按照NASA的规定，STMD和任务是通过开展快速研发以及技术融合，提高美国的航天能力，提高NASA的任务能力。太空技术领域的投资，能够提高进入太空和航天飞行的能力；操作地球轨道及以远的卫星；能够将更多的系统更准确地投放到太阳系中；提高深空和外行星生存能力。STMD目前开展了三项计划，包括：技术研究与创新、小企业创新研究计划（SBIR）和小企业技术转移计划（STTR）、空间技术研究与开发。这些项目都向全社会开放。各个项目的预算如下表所示。

     表1  NASA空间技术任务部预算(亿美元)

项目	2015财年	2016财年	2017财年
技术研究与创新	0.313		0.343
SBIR和STTR	1.907		2.130
太空技术研究与开发	3.783	3.864	5.794
总计	6.003		8.267

    技术研究与创新项目由首席技术专家办公室提供资金支持，引导NASA的技术研究和创新活动。首席技术专家办公室主要负责两项工作，一是制定技术路线图和战略技术投资计划，二是负责技术转化。此外，该办公室还负责维护NASA的技术项目信息查询系统（TechPort）。

    小企业创新研究计划（SBIR）和小企业技术转移计划（STTR），支持早期研究以及中等技术成熟度的研究活动，从事研究活动的主体是美国小企业，具体方式则是采用竞争性的奖励合同。SBIR和STTR为高新技术和小企业提供了研究资金，为NASA开发新的航天技术，并实现技术的商业化应用，以满足美国航空航天产业的需求。SBIR和STTR采用分阶段投资的方式，项目分为3个阶段进行：第1阶段要求研制方证明创新方案的科学、技术和经济价值，说明项目可行性以及如何满足NASA需求；第2阶段重点进行创新方案的研制、演示验证以及交付，这一阶段的合同要通过第1阶段的众多方案竞争，对比各方案的科学技术和经济价值以及商业化潜力等后再决定；第3阶段是创新技术、产品以及服务的商业化，这一阶段包括技术进一步研发以及向NASA项目的转化，其资金投入不再源于SBIR/STTR计划。

    太空技术研究与开发（STR&D）计划。它的内容是研制和验证近期和远期的技术方案，实现NASA执行任务的能力更强、成本更低、可靠性更高。该计划下的项目包括：

    1.早期项目投资孵化。该计划包括基础研究、应用研究和早期技术研发，可以为能力革新奠定基础。这一过程是非线性的，而且需要花费大量时间。通常情况下，早期项目在能否完成技术突破、能否显著提升效果以及能否探索出新途径等，都没有明确的答案。因此，只有平衡早期项目、中等技术成熟度项目和技术演示验证项目的投资之后，才能认为是一种合理的技术投资组合。

 
     革命性机器人

    2.改变游戏规则研发计划。该计划关注航天技术从早期方案设计到演示验证之间的衔接过渡，所支持的技术研发项目采用竞争性项目征求的方式开展，重点关注拥有明确目标用户群体的技术。典型项目包括以下5项：

• a.先进再入、进场和着陆（AEDL），

• b.未来动力和能源系统，

• c.革命性机器人和自动化系统，

• d.轻质材料和先进制造，

• e.用于探索目的地的系统和仪器。

 
     Restore-L卫星服务

    3.技术演示验证任务。建立起早期研制活动和任务需求之间的联系，实现系统级太空技术的成熟化。开展的项目包括：

• a.Restore-L卫星服务，

• b.深空光学通信，

• c.深空原子钟，

• d.绿色推进剂注入任务，

• e.太阳能电推进，

• f.激光通信中继验证，

• g.精确着陆：低密度大气超声速减速器（LDSD），

• h.复合材料上面级，

• i.进入太空和航天飞行，

• j.利用机器人进行太空制造装配。

 
      低密度大气超声速减速器

   4.小型航天器技术。NASA通过在小型航天器上的投资，为新技术的在轨验证提供了快速低成本的方案。重点发展“探路者”技术验证机，以验证小型化电喷射推进系统，电推力器和其他创新推进系统和采用碘推进剂的霍尔推力器。

    5.“百年挑战”计划。“百年挑战”为创新方案提供奖励支持，目标是支持NASA未来火星以远的探索任务。开展的项目包括：采样返回机器人，利用立方体卫星开展月球以远的太空探索，3D打印人类栖息地，火星上升飞行器等。

    6.飞行机会。“飞行机会”项目利用现有的商业亚轨道飞行能力为新技术提供进入太空的能力，完成技术飞行验证等活动。该项目首先从航天企业、大学和政府机构，挑选出有良好应用前景的技术，之后利用商业亚轨道运载火箭提供试验机会。这种方式既能够为新技术提供飞行试验机会，又能够为相关亚轨道飞行器的研制提供资助。目前，飞行机会项目已经挑选出了160个技术载荷，包括机器人、3D打印等。提供亚轨道飞行能力的公司包括Mastern Space System、UP Aerospace、维珍银河、山猫等。

    上述STR&D计划通过“创新先进概念”（NASA Innovation Advanced Concept， NIAC）计划，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、商业航天促进太空探索技术创新

    NASA的促进商业航天的政策，不仅造就了一批创新型的航天公司，而且增强了NASA在太空探索方面的创新能力。

    NASA的经费全部由美国政府投入，先由NASA编制预算申请、经国会审议后由总统批准。历史上，在上世纪60年代后期，为了实现“阿波罗”载人登月计划，NASA的年经费曾最高达到430亿美元（折算成2014年美元的币值），但在1972后，NASA的年经费平均只有175亿美元左右。如NASA 2007财年的预算总计168亿美元，当时以航天飞机为主的地球低轨道的载人航天的费用超过总预算的一半以上。2016年2月初，NASA向国会递交了2017财年预算申请。2017财年，NASA预算申请总额为190.3亿美元，比2016财年批准的预算192.85亿美元减少2.55亿美元。

    将 NASA2017年的预算和10年前2007的预算比较，不难发现，NASA的商业航天政策，对促进NASA在2030年或稍后达到载人火星探索目标，起了十分积极的作用。这项政策促进和催化了美国商业航天工业的增长，虽然NASA投入的经费并不多，但起了“一两拨千斤”的作用，给NASA注入了新活力。这不仅使NASA摆脱了航天飞机的高额运行费用和航天飞机退役后的困境，并能确保有财力继续研发“猎户座”飞船、“太空发射系统”（SLS）火箭以及相应地面系统，以便NASA在未来能运送航天员，到达低地球轨道以远的区域；而且还有助于NASA在太空科学探索、地球科学、航天技术和航空研究等诸多方面，仍然保持世界领先地位。无疑，NASA在2015年在星际探索方面的大丰收，也与NASA商业航天政策的成效密切相关。

   
        NASA拍摄的“猎鹰9”火箭一级回收的图象

    实际上，只有做到市场的充分开放，也就是只有打破垄断，才能催生颠覆性技术创新。例如美国在2006年前，在航天商业运输领域只有波音和洛马等大公司，2006年开始决定在航天商业运输领域充分开放市场后，立即就涌现出一批如SpaceX公司、轨道ATK公司、内华达山脉公司、毕格罗公司、蓝色起源公司、维珍银河公司等这样朝气蓬勃的公司，培育着航天运输领域的技术突破。这些公司不仅可以提供大公司同样性能的火箭（如“猎鹰”系列火箭）和飞船（如“龙”飞船），而其运输费用明显降低一半以上。其中SpaceX公司和蓝色起源公司正在进行试验的火箭回收技术、内华达山脉公司的升力体航天飞机技术和毕格罗公司的可扩性膨胀居住舱技术等，给我们留下了深刻的印象。

    另一方面，NASA的商业航天政策，使得NASA过去开发的产品获得了新的应用；长期积累的技术，也能转化成工程系统。例如SpaceX公司的“猎鹰”火箭使用的梅林（Merlin）火箭发动机，就源于NASA上世纪60年代开发的登月轨道舱的煤油液氧燃料火箭发动机，经过该公司多次改进，最新版的梅林发动机已达到了很高的工作效率。毕格罗公司的可扩性膨胀居住舱技术，也曾是NASA试验了多年的技术。内华达山脉公司的“追梦者”小型航天飞机采用的构型，就是NASA在多年积累的升力体技术上研发出的HL-20升力体构型。假若没有NASA的商业航天政策，NASA的这些成果仍将束之高阁。

    不仅如此，由于一大批富有创新活力的商业航天公司的出现，也对NASA的旧体制以很大冲击；在竞争的压力下，大大激励了NASA自己员工的创新活力。

三、大力支持社会创新

    在众创时代，创新已经不再是政府、科研院所和企业研发中心的专属，越来越多的社会人士也能参与其中，由此逐渐兴起另一种创新模式—社会创新。不同于传统的机构式创新，社会创新由社会成员广泛参与，公开透明，自下而上并且分工决策，这样能够有效利用丰富的社会创新资源，多样化的参与者可以从不同角度提供更多的创新可能性，大大降低创新失败的风险，降低创新成本，缩短创新的周期。

   可以从美国NASA解决太阳耀斑预测问题为例，来说明了社会创新的重要性。对太阳耀斑的准确预测曾一直困扰着NASA。太阳耀斑的爆发会给太空、地球和人类，尤其是空间站的宇航员造成重大影响，但经过30多年的数据积累，这一问题仍没有得到解决。2009年，NASA面临的这一难题被发布到一个名为InnoCentive的网络平台上。这是一个以“开源创新”模式，来专业解决科学难题的中介机构。有别于传统的创新机构，InnoCentive是“非认证主义”的倡导者，参与者不必具有博士学位，也不必在实验室工作，没有任何学科、领域的限制。最后，解决NASA的这一难题的人，不是什么著名的航天物理学家，而是一位住在新罕布什尔州某小镇上的退休无线电频率工程师。这位名叫克拉金的工程师，对磁重联理论有很深的研究，按他的方法，NASA对太阳粒子活动的预测能力，在8小时内的准确率达到了85%。

    那次的“广撒网”，让NASA尝到了社会创新的甜头。目前，NASA与包括InnoCentive在内的3个开放式创新平台展开合作，通过这种方式，NASA陆续解决了太空食物保鲜、预测太阳活动、人体颅内压无创测量等多项挑战性难题。

 
 “火星救援”中的场景

    另外，为了提高社会人才的航天素养，NASA增加了对航天进普教育方面的投资，如2017财年NASA在航天科普方面的预算高达1亿美元。近年来NASA在航天科普方面也出现了许多新气象。NASA与二十世纪福克斯电影公司合作拍摄的“火星救援”，在2015年10月在全球首映，为争取民众支持NASA实现未来的“火星之旅”，起到了很好的宣传作用。这对于太空探索事业来说，民众的热情和支持，显得至关重要。

四、结束语

    当前，我国航天事业已经取得了前所未有的成就，但与美国航天创新能力相比，仍然存在较大差距。改变这种现状的唯一途径就是加强创新发展，切实提升颠覆性技术创新能力。我国的十三五规划中，明确了“大众创业、万众创新”,是推动我国经济持续发展的新引擎。目前，我国的众创在互联网领域已取得了不少成果，但在航天领域众创还在起步。本文介绍的NASA发展颠覆性技术的主要经验，就是要有一种开放思维。正由于NASA向社会大众开放，从而可以打破NASA自身文化的约束，全面利用全社会的智慧资源，以加速实现颠覆性航天技术的创新。

作者简介

黄志澄，空气动力学家、航天技术专家、技术评论家。长期从事空气动力学、航天发展战略研究，为我国大型试验基地建设、载人航天方案论证、新型航天器研制做出了突出贡献。近十年来从事科学、技术与社会(STS)等宏观科学领域研究，所取得的成就在国内外有较大影响。

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