美國國家航空和宇宙航行局正在投資一些技術概念，包括噴氣推進實驗室的一些概念，這些概念有朝一日可能會被用於未來的太空探索任務。

美國國家航空航天局（NASA）正在投資的技術概念包括：流星碰撞探測、太空望遠鏡群和小型軌道碎片測繪技術，這些技術有朝一日可能用於未來的太空探索任務。其中五個概念來自美國宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室。

該機構正在投資25項早期技術建議，這些建議有可能改變未來的人類和機器人探索任務，引入新的探索能力，並顯著改進目前建造和操作航天系統的方法。

2018年美國宇航局創新先進概念(NIAC)第一階段概念涵蓋了廣泛的創新，為未來的太空探索帶來了革命性的變化。第一階段獎勵的價值約為$125 000，超過9個月，以支持對其概念的初步定義和分析。如果這些基本可行性研究成功，得獎者可申請第II期獎項。

“創新先進概念計劃讓NASA有機會探索有遠見的想法，這些想法可以通過創造更好或全新的概念來改變NASA未來的任務，同時讓美國的創新者和企業家成為這次旅程的合作伙伴，”NASA太空技術任務執行局代理副局長吉姆·勒特(Jim Reuter)說。“然後可以評估這些概念，以便將其納入我們的早期技術組合。”

選定的2018年第一階段建議書是：

從科幻小說到科學事實的變形：從泰坦崎嶇的懸崖到深海海底進行環球旅行

美國宇航局噴氣推進實驗室，加州帕薩迪納

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（變形者）Shapeshifter是一種全新的系統概念，適用於有大氣環境的物體的全接入和跨域移動。該機器人平臺能夠跨領域移動，包括在大氣中飛行、在光滑的表面上滾動、在地下空洞(如洞穴)中航行、漂浮在湖面上以及在海洋中推進。變形者是一種會飛的兩棲機器人(FAR)。它由更小的機器人(每一個都被稱為cobot)組成，它們結合成不同的移動模式。每個cobot都是極其簡單的，最小的設計是由幾個螺旋槳組成的執行機構。變形者可以變形成一個在水面上滾動的球，一個可以在水面上飛行和盤旋的飛行陣列，在水下的空隙中移動，還有一個像魚雷一樣的結構，可以有效地在水下游泳，還有其他的移動模式。除了全面訪問、跨域移動之外，變形者還會轉變成其他功能系統來執行不同的任務。例如，運輸大型和重型物體，以最小的能耗穿越長距離，創建通信網絡，從深度難以訪問的區域與地面進行通信。

生物機器人：為更有效的探索而創新的宇航員生物支持機器人

大衛·艾金，馬里蘭大學帕克分校

在行星探索的宇航服設計中，沒有任何參數比“背上的重量”更重要：宇航服的重量必須在月球或火星的重力作用下由穿戴者支撐。宇航服和便攜式生命維持系統(PLSS)增加的重量驅動穿戴者所需的消耗水平，最終限制了艙外活動持續時間、步行距離和探險任務的生產力。

很明顯，如果宇航員不需要攜帶一個PLSS來維持生命維持功能，行星表面的探索活動將會大大改善。與此同時，對人員流動性、訪問權限和操作能力的額外限制將是不可接受的。這個NIAC提議的概念是通過應用先進的機器人系統來處理生物需求即“生物機器人”(BioBot)。

這一概念的設計參考場景是，參與未來月球或火星探測的宇航員將在月球表面停留數週或數月，而不是數天，並參與常規的艙外活動。考慮到地質學家每週要花費數天時間進行長程的EVA勘探，並提出比阿波羅典型的更為雄心勃勃的操作目標，這並非不合理。在這種情況下，每位宇航員都將被帶上一個“生物機器人”，它將運送他們的生命維持系統和消耗品，一個加長的臍帶和臍帶卷軸，以及能夠控制臍帶位置和運動的機器人系統。宇航員將通過臍帶與機器人相連，只攜帶一個小型的應急環路生命維持系統，類似於每個PLSS中包含的系統。機器人移動基地將被設計成能夠在宇航員能走到的任何地方旅行，同時也將被用作EVA工具、科學儀器和採集樣本的運輸工具，並有可能攜帶宇航員進行穿越。這樣的系統也將極大地增強公眾對未來探索任務的參與，因為機器人車輛可以提供高分辨率的攝像機和高帶寬的通信設備，以便在每次伊娃出擊時為每個機組人員提供高清晰度的視頻報道。

金星高層環境和大氣傳感器(LEAVES)

傑弗裡·巴爾切斯基，俄亥俄州克利夫蘭航空航天研究所

“LEAVES”(金星高層環境和大氣傳感器)的概念是一個超輕的、被動的、廉價的大氣傳感器包，設計用於抵禦惡劣的金星大氣，但它也為任何有突出大氣的行星體的實地取樣提供了一個通用平臺。這種體系結構的目的是提供高時空分辨率的大氣採樣期間的並行操作，而不是一個更傳統的串行方法通過消除需要積極推進或指導(如飛機)或通脹媒體和浮力控制(如氣球)，樹葉單位需要非常少的基礎設施。任務科學的目標是通過在廣泛的地理區域部署許多相同的單位來實現的，成本節約是通過可重複使用的生產線和商業上可用的組件來實現的，運作彈性是通過並行操作來增加的。此外，這種架構非常適合作為次要負載，因為它需要很少的地面站控制資源，對主要負載的風險很小，並且只在緩慢下降的大氣層中返回數據。

用流星體撞擊探測法研究小行星(MIDEA)

西格里德·克洛斯，斯坦福大學，加州

小行星含有豐富的資源，包括水和可以提取的貴重金屬。這些資源可以應用於空間製造產品，減少對從地球表面發射的材料的依賴。在未來的幾十年裡，我們很可能有技術能力去找回小行星並把它們帶到地球附近的一個處理設施，或者把一個處理設施送到小行星上，在現場提取資源。然而，完成這兩項任務都需要大量的投資。

用流星體撞擊探測法研究小行星(MIDEA)的概念利用了自然空間環境，為小行星撞擊提供了一個來源，導致小行星表面材料的侵蝕。由流星撞擊所產生的物質包括固體和熔融的噴出物，但其中的一些物質被蒸發和電離，形成一個等離子體，擴展到小行星周圍的環境中。這些等離子體向外擴展進入太空，並提供有關小行星表面組成的信息。MIDEA允許使用父級宇宙飛船在10到50公斤的範圍內完成對100到1000米近地小行星(NEA)執行探測任務，它攜帶的10個或更少的自由飛行傳感器的質量大約為100克。在如此低的質量範圍內，可以針對不同的小行星平行展開許多這樣的任務，以便在實地資源利用(ISRU)任務之前對潛在目標進行廣泛的調查。

小軌道碎片的在軌無碰撞探測

克里斯汀·哈澤爾，馬里蘭大學帕克分校

我們建議使用配備有傳感器的小型機隊來評估LEO的小(微米到亞-釐米級)軌道碎片的可行性，以檢測碎片的等離子體特徵。小碎片目前無法探測，對航天器構成威脅。最近發現的由等離子體中快速移動的帶電碎片激發的前體等離子體孤子，可以通過一組立方體衛星上的簡單傳感器來繪製小軌道碎片的地圖。該技術將使我們與小軌道碎片的相互作用發生革命性的變化，使航天器在危險的軌道中放置，並對緩解措施進行定量評估。此外，所提出的技術可能適用於其他行星目標附近的塵埃探測工作。初步計算表明，在400-1600千米高度的軌道上的小碎片可以在不到一年的時間內用不到100個立方體衛星繪製出來。我們通過模擬不同速度和電荷的樣品碎片產生的前驅孤子，以及孤子在空間變化的等離子環境中的長距離傳播，來評估這個概念的可行性。此外，我們將開發立方體衛星艦隊的初步設計，通過檢測等離子體孤子來繪製小碎片。

Marsbee - 用於增強火星探測的撲翼飛行物群

康昌坤，阿拉巴馬大學，亨茨維爾

這項工作的目標是通過研究在火星環境中扇動翅膀的航空航天結構的可行性來增加在火星上可能的探索和科學任務。提議的架構包括一個作為移動基地的火星漫遊者和一群蜜蜂。蜜蜂是機械撲翼的大黃蜂大小和蟬大小的翅膀。Marsbees集成了傳感器和無線通信設備。移動基站可作為充電站和主要通信中心。Marsbee的蜂群可以顯著增強火星探測任務，其好處有：1)促進可重構傳感器網絡；2)建立彈性系統；3)使用單個或協作Marsbees進行樣本或數據收集。

關鍵的技術創新包括使用類似昆蟲的順應性翼來增強空氣動力學和低功率設計。通過適當地實現生物誘導的昆蟲飛行模式與火星環境之間的動態相似性，可以獲得較高的升力係數。我們初步的數值結果表明，帶有蟬翅的大黃蜂能夠產生足夠的升力以便在火星大氣中懸浮。此外，通過採用順應性翼的機翼結構和創新的能量收集機制，Marsbee所需的能量將大大減少。由於超低的火星密度，能量主要由慣性功率控制。在翼根上安裝一個扭轉彈簧，以暫時儲存能量，並減少共振時的整體慣性力。雖然旋轉機翼的概念在設計和控制上都更加成熟，但這兩個創新是獨特地適合生物激發的撲翼飛行器，並提供在火星附近飛行作為一種可行的移動手段。

旋轉運動擴展陣列合成(R-MXAS)

John Kendra, Leidos, Inc.， Reston, Virginia

通過旋轉繩建立一個大的虛擬RF孔徑，使其具有在剛性繩上的空間成像1-D稀疏實陣列的跳躍能力，並通過一個繫繩旋轉天線單元連續地創建一個非常大的2-D虛擬陣列。極限陣列尺寸僅受限於剛性系索長度的可行性約束。

潛在的應用包括使命:

1、持久(基於地理的)射頻地球成像(用於土壤溼度、海洋鹽度、表面溫度、海面風等)

2、從太陽極軌道繪製日冕物質拋射(CMEs)。

3、任何需要超大孔徑的射頻遙感應用

主要任務：概念驗證和性能建模、替代方法評價、技術應用任務分析

PROCSIMA：用於突破性星際任務的無衍射束流推進

Limbach，德州農工工程實驗站，大學站

我們提出了一種全新的、創新的光束推進結構，可以以10％的光速在42年的巡航時間內執行星際任務，以完成一個星際的任務比如到達比鄰星(Proxima Centauri)。這種結構大大增加了航天器加速的距離(與激光推進相比)，同時將發射機和探頭的波束尺寸從10秒減小到10米以下。這些優點轉化為速度變化(delta-V)和載荷質量的增加，而不是僅僅依靠激光推進。雖然主要用於星際任務，我們的推進架構也使我們能夠快速地到達目的地，如奧爾特雲物體和500天文單位的太陽引力透鏡。

我們的推進概念的關鍵創新是將中性粒子束和激光束結合在一起，這種方式既不會擴散也不會隨著光束的傳播而發散。消除衍射和熱擴散是通過調整激光和粒子束的相互交互,這樣（1）粒子束產生的折射率變化生成一個波導效應(從而消除激光衍射)和（2）粒子束被困在中心附近區域的電場強度高的激光光束。通過同時利用這些現象，我們可以產生一個具有恆定空間輪廓的組合光束，也稱為孤子。因此，我們將提出的架構PROCSIMA命名為：光子-粒子光耦合孤子星際任務加速器。與衍射激光束相比，PROCSIMA體系結構使探測器的加速度距離增加了1 ~1萬倍，使其能夠在42年的半人馬座附近任務中發揮1公斤的有效載荷能力。

SPARROW：海洋世界的蒸汽驅動自主檢索機器人

Gareth Meirion-Griffith噴氣推進實驗室

我們提出了一項新穎的研究，目的是研究一種能夠在冰冷崎嶇的海洋世界中實現具有高科學價值的目標的快速跳躍機器人的能力。多跳架構的使用允許快速穿越很長的距離，使單個任務能夠在一段時間內到達多個地質單元，這有助於系統在惡劣的輻射環境中生存。我們進一步建議使用推進跳躍技術消除地形地形和強度假設的需要，並允許完全的地形不確定性；這一概念的關鍵力量。本提案中詳細闡述的目標將通過世界領先的機器人技術、推進技術、樣本採集工程師和來自噴氣推進實驗室、普渡大學和蜜蜂機器人的行星科學家的跨學科合作來實現。

芭蕾舞團：極端地形的氣球運動

哈里納亞爾，噴氣推進實驗室

我們提出了一個氣球平臺，它有6個懸掛模塊，每個模塊都包含一個有效載荷，也可以作為移動的腳。每隻腳用3根繩索吊在氣球上，以控制腳在地面上的位置。只有1英尺/有效載荷被舉起來移動到地面上的新位置，而其餘的腳則保持氣球固定在地面上。氣球浮力一次只需要提起1英尺。腳按順序在地面上移動。平臺高度穩定，因為它的重心幾乎在地面。氣球上的照相機的圖像被用來繪製和定位腳的位置和導航。

地球外的建築：在目的地生長的表面結構

Lynn Rothscild，美國宇航局的艾姆斯研究中心，莫菲特菲爾德，加利福尼亞。

海龜有自己的棲息地。雖然它是可靠的，但它消耗能源。NASA在運輸棲息地和其他需要的結構到月球和行星表面時也做出了同樣的權衡，增加了質量，影響了其他任務的目標。想象一種由光、纖維材料製成的、具有優良機械性能的自我定位的棲息地。這種材料可以用乾的、溼的、用水冷凍的，也可以作為自產合成材料的一部分，這樣可以增強輻射保護和蒸汽密封。它是自我複製的，因此棲息地可以在未來的某一天得到擴展，並自我修復。這種材料的某些形式可以用於目的地的棲息地、額外的建築物、多輛火星車的外殼和傢俱。纖維物質是真菌菌絲體，是真菌的營養結構，由分枝狀菌絲組成。已經商業化生產的菌絲材料是已知的絕緣體、阻燃材料，不會產生有毒氣體。這些材料的指標顯示壓縮強度優於尺寸木材，彎曲強度優於鋼筋混凝土，和具有競爭性的絕緣值。由於菌絲通常會分泌酶，生物工程應該可以使它們分泌其他物質，如生物塑料或乳膠，從而形成生物合成物。菌絲比單獨的風化層更有彈性和延展性。作為一種獨立的材料，或與凝集或燒結的雷格里特結合在一起，一種黴菌結構的建築包膜可以顯著降低建築所需的能量，因為在存在食物儲備和水的情況下，它會自行生長。在人類到達後，還可以通過生產任務產生的有機廢物流來增加額外的結構。富含黑色素的真菌具有吸收放射性物質的能力，這表明被melanized的真菌菌絲可以提供輻射保護。在菌絲中發現的鉛，或其他阻擋輻射的物質，如水，可以在菌絲中積累，提供額外的輻射保護。當受到保護時，這種菌體可以有很長的壽命，但是在生命週期結束時，這種材料可以成為任務農業的肥料。

我們的概念符合火星德拉5.0“通勤者”的設想，主要的區別是，在目的地的棲息地和探測器的外殼將會被建造。在地球上，一種可彎曲的塑料殼被製成最終的棲息地尺寸，將被播種菌絲和乾燥的飼料，並被外界消毒。在目的地，可以使用struts將shell配置為其最終的內部維度。根據質量的權衡，菌絲和飼料材料將被火星或陸地的水浸溼，加熱，開始真菌(和生物飼料)生長。當原料被消耗，熱量被提取或菌絲被熱殺死時，菌絲生長將停止。如果需要增加或修復這些結構，可以添加水、熱量和原料來重新激活休眠真菌的生長。

模塊化主動自組裝太空望遠鏡群

德米特里薩蘭斯基，康奈爾大學，伊薩卡，紐約

我們提出了一種模塊化的、自組裝的結構，能夠構建直徑30多米的反射式太空望遠鏡和有源光學。該望遠鏡的整個結構，包括主鏡和副鏡，副支撐結構和平面遮陽罩，將由一個單獨的、大量生產的航天器模塊構成。每個模塊將由一個六角形~1米直徑的航天器組成，頂部有一個從邊緣到邊緣的主動鏡組件。這面鏡子至少有30度的自由度，由機械執行機構驅動，這樣，組裝的主鏡和副鏡將會被完全激活，並且可以被分階段進行，並在裝配後得到適當的形狀。模塊將作為機遇的有效載荷獨立發射，並使用可展開的太陽帆導航到太陽-地球L2點。在安裝望遠鏡時，太陽帆將成為平面望遠鏡的遮陽罩，它將不需要額外的人工或機器人干預就能自動前進。

目標任務的概念是一個大口徑實現的大型紫外/光學/紅外測量器(LUVOIR)，它已經在美國宇航局天體物理學路線圖中規劃出來。

太陽中微子宇宙飛船的天體物理學和技術研究

Nickolas Solomey, Wichita State University, Kansas

這項技術需要研究太陽的太陽內部的目的是更好地瞭解我們的太陽，它的未來預期變化如太陽能產出的長期預測,以及理解核聚變反應速率等基礎物理,粒子物理學暗物質搜索,中微子振盪和核物理中微子交互作用的影響。

在地球上，中微子的太陽強度非常低，但是通過接近太陽的近距離太陽的7個太陽半徑，中微子的速度可以達到1000倍。在這個項目中，將評估在非相干中微子半徑內的一個小型探測器，以探索其研究太陽內部核反應的科學潛力。不像太陽光,來自同一個核爐芯內的核聚變反應,但需要能源50000到100000年到達水面,中微子,弱相互作用,與物質,直接從太陽核心很快和他們會告訴我們更多關於當前太陽能室內測量比其他粒子從太陽發出的。

通過推進和發展中微子探測器技術，將在外層空間飛行和操作，將會創建一個小說研究太陽的機會，一個將增強我們的能力來預測長期太陽能輸出和太陽風暴以及執行從根本上新的科學研究，目前無法實現的。

先進的衍射金屬膜Sailcraft

Grover Swartzlander，羅切斯特理工學院，紐約

作為一種推動帶有太陽帆的航天器的手段，大量未被利用的太陽光子動量正變得越來越有吸引力。數十年的理論任務研究已經檢驗了從米到公里的微觀薄膜是如何利用免費的陽光進行近地、行星際和星際空間旅行的。在幾乎所有的情況下，反射金屬塗層的薄膜被認為是光子對帆動量轉移的機制。在這裡，我們描述了一種有吸引力和創新性的選擇，利用最近成熟的元材料設計和製造：衍射帆。寬帶高效單衍射階光柵和有源電光控制方案的設計和製造的進步，可能使衍射帆在軌道升降、站位保持和其他任務類型上優於反射帆。例如，擬議的新航空航天建築可以提供低成本和高效率的方法，可以將數百個LEO立方體衛星和其他衛星送入更高的軌道。這類衛星對科學、安全和商業用途都變得非常重要。提出了實驗、數值建模和路線圖開發。該項目將探索更高的輻射壓力與大氣阻力在LEO的顯著減少相比反射的衍射帆。從低成本極低的地球軌道上建造數百個立方體衛星的潛力（也包括去軌道或空間站）將是一個公認的遊戲改變者，它將在學生、企業家、航天科學家和工程師日益壯大的小型衛星社區中建立熱情和倡導。衍射薄膜提供了一種創新的方法，將廣泛影響未來的太陽能和激光驅動的航行。這個建議代表了對這些創新的第一步，將TRL從1提高到3。

Spectrally-Resolved合成成像干涉儀

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

提出了一種新的光譜分辨長基線干涉測量方法。利用頻率梳的參考，可以在頻率梳的全譜範圍內對光學場進行相干檢測和數字化。頻率梳的寬頻、相干性使窄帶頻率通道在射頻下轉換和測量，並在數字域中增加相干性，從而產生與傳統的直接檢測干涉儀相當的信噪比，但不需要用於波束組合目的的納米尺度光程控制或直接採樣光場所需的太比特/秒數據速率。

該系統的光譜靈敏度允許徑向測速測量對幾個赫茲的紅移敏感，這足以解決毫米/秒的相對速度變化。利用該系統進行的直接光譜測量將足夠靈敏，能夠探測存在的水、甲烷和其他具有頻率梳譜吸收特性的化合物。由於這種寬帶相干檢測方案的性質，所有的光譜信息都固有地存在於所有測量數據中，允許同時成像、測速和光譜測量。

放射性同位素正電子推進

Ryan Weed，正電子動力學，利弗莫爾，加州

用於化學或離子推進劑的空間推進系統目前的技術水平不能滿足21世紀空間任務的要求。反物質是推進系統的一種候選機制，它可以運輸人類和/或機器人系統，大大減少運輸時間，提供更快的科學結果，增加有效載荷質量，使更有能力的儀器和更大的機組人員，並降低總體任務成本。不幸的是，先前的推進概念依賴於不現實的被困反物質的數量——與任何短期能力相差一個數量級。這項工作的目標是確定(TRL 1-2)放射性同位素正電子催化聚變推進概念的可行性，而不是依賴於捕獲的反物質。這種革命性的技術激發和推動了航天界的進一步創新，並可應用於相關的任務——將一顆完整的小行星批量回收到跨月空間——這是一項具有重大科學和商業價值的任務(如小行星採礦)。利用小行星資源的想法可以追溯到一個多世紀以前的柴可夫斯基。從根本上說，要使小行星採礦在經濟上可行，回收航天器的成本必須低於小行星帶來的價值。因此，開發減少檢索航天器質量和複雜性的技術(例如高效推進系統)必須優先考慮。

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NIAC項目主管賈森•德賴斯表示：“2018年第一階段的競賽特別激烈，有超過230份提案，只有25家勝出。”“我迫不及待地想看看NIAC的新成員們能為NASA做些什麼!”

第二階段研究讓得獎者有時間改進他們的設計，並探討實施新技術的各方面。今年的第二期項目涉及一系列前沿概念，包括星際前驅任務的突破性推進架構、大型太空望遠鏡、Triton的新型探測工具以及馬赫效應的重力輔助驅動推進。

在NIAC項目第二階段的獎勵中，為期兩年的研究可獲得高達50萬美元的獎勵，並允許申請人進一步開發第I階段的概念，成功地證明了最初的可行性和效益。

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