【战略前沿】助力科学:NASA大型战略科学任务(摘要)
来源: http://nap.edu/24857
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2018-01-05

摘要

美国国家航空航天局(NASA)科学任务局(SMD)管理着数十个执行许多不同任务的航天器。其中最引人瞩目的是大型战略空间科学任务,通常被称为“旗舰”任务。这些任务包括哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台,好奇号探测车,磁层多尺度任务(MMS)以及Terra对地观测卫星等。这些任务的经费通常高达数十亿美元,是最昂贵、最复杂也是NASA开发的最具能力的科学航天器舰队。它们产生了巨大的科学回报,成为NASA和美国太空计划全球声誉的基础。由于只有美国拥有经费、技术以及在多科学领域训练有素的专业人员等条件,美国能够执行这些任务,吸引一系列国际伙伴参与,因此,大型战略任务对维持美国在太空探索与科学领域的全球引领地位至关重要。为了实现一系列科学目标,一项大的战略任务可以由单一航天器或协同工作的航天器星座组成。很显然,所有大型任务都具有战略性,但并不是所有的战略任务都很大。对每一个NASA的四个分部(天体物理学、地球科学、太阳物理学和行星科学)来说,大型战略任务对其执行空间科学任务都至关重要,也是其解决最引人注目的科学问题的基本条件。

大型战略任务是由NASA指定一个特定的机构来开发,尽管这些大型战略任务中的仪器和子系统的开发往往需要竞争。大型战略任务有以下发展趋势:

  • 专注于对一系列广泛目标进行勘测;
  • 有更长的设计使用年限,持续关注于操作和校准一致性的细节;
  • 与一个不断发展的科学计划共同运行,这种作法可以响应在计划执行过程中获得的经验,而不是那种相对固定的科学计划;
  • 探索那些难以到达的目的地或充满挑战的环境;以及
  • 携带大量较大、较重的科学设备。

  相比之下,较小的任务通常:

  • 专注于单一目标或少数紧密相关的目标;
  • 探索更容易到达的目的地或更温和的环境;以及
  • 携带少量小型设备。

这些大型战略以及中小型任务的特点互相并不排斥。比如,NASA“新视野”号航天器这种中型任务已经前往太阳系的边缘这种“难以到达”的地点。此外,一些中小型航天器的设计寿命很长。但是通常来说,能力和设计寿命随着任务的规模和成本而变化。

2016年,NASA要求美国国家科学、工程和医学科学院协助检查大型战略任务在NASA SMD空间与地球科学计划内取得平衡项目的作用。(任务陈述见附录E)。

NASA大型战略科学任务:在平衡组合中的科学价值与作用委员会,自2016年秋季起至2017年2月止,共召开了3次会议,听取了来自NASA官方、几位以前开展过的科学院调查委员会主席,包括10年调查研究项目的科学院委员会主席,以及来自与NASA SMD四个分部各种NASA大型、小型任务的成本与产出方面的意见。根据NASA、科学界、国会工作人员等众多代表向委员会做的介绍,委员会达成了本报告中的一些结论和建议。

委员会认为大型战略任务惠及诸多方面。这些效益包括:

  • 获取了无法以任何其他方式获得的科学数据,通常由数据获取的物理特性推动了任务的规模和复杂性。
  • 回答了许多NASA SMD资助科学领域所面临的最具说服力的科学问题,最重要的是发展和深化了人类对地球、太阳系和宇宙的认识。
  • 开启了科学探究的新窗口,扩展了人类探索地球和宇宙的空间,并提供了新技术和工程途径,使未来的小、中型以及大型任务受益。
  • 提供了持续时间很长的高质量(精确且具有稳定的绝对校正)观测数据。
  • 支持劳动力、产业基础与技术的发展。
  • 保持美国在空间科学的国际引领地位。
  • 保持美国在科学界的引领地位。
  • 产生了能抓住公众的想象力、鼓励学生从事科学与技术事业的重大科学成果与发现。
  • 获得了高度的外部知名度,通常象征性地代表了NASA科学计划的整体水平。
  • 为国际参与、合作与协作提供了更大的机遇,也为NASA各科学领域提供了更深层次的跨学科调查机遇。

当前,NASA SMD管理运行的大型战略任务包括:哈勃、钱德拉MMS、Terra、Aqua、Aura、Cassini以及好奇号。还包括数十项中小型任务[1]。通常来说,这些中小型任务通过竞争过程挑选出来,而不是考虑它们在过去10年在各空间科学学科中的优先地位[2]。大型战略任务由NASA指定特定的研究所进行开发,一些主要部分和系统通过要求提交的项目计划书以及适时发布项目的竞争过程获得。中小型任务能完成一些大型战略任务的目标,比如,单个或小型成套设备持续获取数据。它们还具有独特的优势,包括:

  • 更快的节奏
  • 对于新的科学发现的更高灵活性和响应度;以及
  • 不同的风险承受度[3]

与通常需要十年或更长时间才能发展[4]的大型战略任务相比,较小的任务往往可以在5年内完成(或者,最小的任务甚至用更短的时间就能完成)。有时候,这使得较小的任务更适合响应最新的发现。小型任务这种公开竞争的特性也鼓励独创性。在任务期间对科学发现做出响应方面,大型战略任务比小型任务具有更强的敏捷性和灵活性(例如,卡西尼号土卫二发现的羽流和泰坦海洋地形测量),而小型任务在发展方面的响应更快。

然而,每个部门中大小任务的作用各不相同,而且由十年调查过程决定其最佳作用。例如,在天体物理学部中,尽管像费米望远镜这样更小的任务也支持“客座观察者”,“大天文台”却为客座观察者提供了更广泛的参与机会,特别是哈勃和钱德拉这些长寿命周期任务。地球科学部也已经利用其大型战略任务来实现广泛科学参与。对于行星科学部来说,旅行者号、伽利略号、卡西尼号和好奇号等大型战略任务为大型行星科学界的多个部分提供支持,包括大气层和磁层研究以及地球化学和地球物理学。太阳物理学部已经完成了多项战略任务,包括太阳动力学观测站(SDO)、范艾伦探测器、MMS、日地关系天文台(STEREO)以及旅行者号(完成其行星相遇任务后,成为太阳物理学任务)。并不是所有这些都是“大型”战略任务。一些寿命周期长的任务有助于支持太阳物理学界开展研究[5]。大型战略任务也为许多研究人员使用的大型数据存档开发做出贡献。比如, HST的数据存档越来越多地被天文学家使用,他们可以对将近30年的望远镜观测数据进行分析挖掘。

大型战略科学任务支持科学家和研究生团队开展的科学研究,总体上说,支持了整个研究界。因此,这些任务以小型任务达不到的方式来维持其代表的科学界的健康发展。对于培养新一代科学家、仪器操作专家以及工程师来说,不仅是在任务发展初期,甚至在任务运作多年后。

大型战略任务具有很强的科学生产力。诸多小型任务也具有相当大的科学生产力,而且它们能够解决一系列不同的科学问题,而这些科学问题不可能完全由大型任务完成。较小的任务往往需要提供新的见解,对最新发现做出响应,并且可以改善为数不多的大型战略任务的科学目标。

在本次调研过程中,委员会收集的数据表明,技术开发发生在许多层面:大型战略任务、中型任务甚至小型任务以及单独的技术开发计划。大型任务有大量预算用于孵化技术。相比之下,较小的任务有更快的周转时间,以更快的速度引入和孵化技术。CubeSats是一个快速技术孵化器的案例,尽管其优点和局限性仍在研究,CubeSats有助于将新技术融入到计划中。小型任务也有可能从为大型任务开发的技术中受益。

在劳动力发展方面,大型任务比小型任务更具优势,主要是因为大型任务拥有预算、涉及的科学面比较宽,而且能长期支持更多的研究人员开展工作。许多小型任务只支持小型研究组,甚至不能为其首席科学家和协同调查人员提供全力支持。此外,与大型任务相比,许多小型任务的寿命周期相对较短,在任务到期之前,小型任务的运行时间可能不足以支持研究人员开展工作,尤其是那些处于职业生涯早期的研究人员。

大型战略任务对于平衡NASA几个科学部门并形成由其代表的学科骨干起着至关重要的作用。然而,每个学科对这些任务的价值都有不同的看法,而且随着科学技术的发展,这些学科的价值观也在不断演化。

 

建议:NASA应继续规划大型战略任务,作为所有科学学科的主要组成部分,也作为包括较小任务的均衡计划的一部分。 (见第1章)

委员会授命解决“SMD在有限预算条件下进行大型战略任务开发与运营之间平衡的一般原则(如,FoM法),掌握与/或中小型任务学术带头人(PI)任务线的节奏”。经过慎重审议,委员会认为,没有一个单一品质因数法可以应用于所有4个科学学科。委员会还考虑了是否有可能针对不同学科制定不同的品质因数。尽管有可能实现,但是需要大量专业知识,这种专业知识跨学科委员会不具备,但专业性强的委员会可能提供。

委员会还认为,试图让本委员会取代10年期调查已经给NASA提供的指导意见是不合适的。平衡只能由10年期调查本身决定。他们对平衡的定义可能随时间而改变,因此必须在随后的10年期调查中重新审视,并在相关10年期中期考核期间进行评估。此外,10年期调查提供的平衡定义可能是唯一满足科学多样化的定义。

然而,委员会认为,有许多一般原则可适用于NASA所有科学任务部门,本报告就此提出了一些建议。委员会特别注意10年期调查过程对每个部门的重要性和实力,着力强调这一事实并进一步巩固10年期调查过程。委员会的建议包括为10年期调查提供更好投入,指出在10年期调查不足的时候,NASA有其他咨询途径来寻求具体的投入,例如,在中期考核期间重新确定方案的优先顺序或重新定向。这些咨询方法已具有公信力,依靠这些方法,尤其是在一般的指南可能不足的特殊情况下,NASA也能从中受益。委员会重申了NASA采用的更好成本核算机制的价值,并提出了相关建议。

委员会指出,如果SMD在有限预算条件内,在大型战略任务发展运行及其中小型任务路线之间寻求“权衡利弊”来进行取舍的话,任何这类原则都不能太笼统否则不会有太大用处。此外,如果这些原则非常及时并能够瞄准最需要帮助的领域,那么这些原则就最能起作用。NASA在美国国家科学院的咨询顾问结构近期经过调整,确保每个空间科学学科的学术委员会能够更及时满足NASA各科学部门的需求。这一调整再加上其他咨询顾问结构的变化,可以极大帮助NASA制定决策。

 

建议:当面临需要在大型战略任务发展运行及其较小任务之间进行权衡时,NASA科学任务局(SMD)各部门应首先审视其相关10年期调查和他们的中期考核报告,以寻求指导。如果这些资源不足,SMD各部门应该向与其相关的顾问小组征求意见。(见第2章)

整个NASA科学计划的平衡包括对小型、中型和大型任务的适当组合。对于未来10年“平衡”的详细含义,根据该学科每一项基于10年期调查进行适当定义,基于科学委员会通过调查发现该学科追求最引人注目的科学需求。例如,最近一次行星科学10年期调查确定了在未来10年中的一个平衡方案,包括一到两个大型战略任务、两个中型新前沿任务以及至少3个小型发现级任务。10年期调查可以建立更广泛的平衡,包括通常由其他机构提供的科学能力,如美国国家科学基金会(NSF)、国家海洋与大气管理局(NOAA)以及美国地质调查局(USGS)等。10年期调查比本研究更接近其研究对象和社区,而且,重复开展的10年期调查(及其中期考核),使其建议能够随着学科进步而发展。委员会认为,10年期调查可以最好地解决未来大型战略任务将如何继续适应其计划。但委员会也认为,这些调查也需要帮助以便能够更好地评估这些任务,例如那些在10年期调查之前开始的研究任务。 

 

建议:为了准备10年期调查,大型战略任务提议小组应考虑为其计划的大型战略任务进行描述科学领域的范围,例如最低科学目标和最高预算,并确定在不同预算条件中最理想的科学目标。这种途径可以使科学界和NASA为任务概念制定出比较便宜的实施策略,而且不会超出当前的预算限制。(见第2章)

10年期调查的主要焦点是科学,最近所有的10年期调查都详细描述了最优先的科学问题和前沿领域。尽管随着时间的推移,科学问题与机遇会不断变化,但解决科学问题的技术也在随着时间而变化。

 

建议:一个10年期科学计划的制定应包括预算约束。10年期调查产生的决策规则应该具有灵活性,既允许大型战略任务在面临成本超支或难以克服技术障碍的情况下缩小任务范围(de-scoping),又允许其在新技术或其他机遇出现时扩大任务范围(up-scoping)。(见第2章)

 

建议:10年期调查应制定任务概念的变体,或采用其他途径评估成本和技术风险界限,并推荐应用决策规则,为NASA各科学部门以及最重要的是为科学界提供灵活性。在开展10年期调查来确定科学优先事项时,这样能够进一步完善任务概念。(见第2章)

 

建议:10年期调查应该得到未来预算的预测信息,但不限于此。这种灵活性可能促使新的和具有颠覆性潜力的大型战略任务产生。(见第2章)

如果未来预测过于乐观,这种灵活性也会有助于避免无意的程序化死胡同。 过去大型战略任务的成本超支对NASA科学投资中的其他计划产生了实质性的影响-特别是詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)和好奇号探测器。(见图S.1)

发现:大型战略任务的成本控制对保持总体规划平衡至关重要。(见第3章)

公众、新闻界和科学界通常会在申请过程中使用低精确度的早期成本估算,这种做法产生了误导,认为任务的成本大大增加了。而实际情况是:早期“估计”不是真实估测,或早期估计是由项目倡导者而不是由独立权威部门做出的。对申请机构和一个科学计划,这种错误印象很难改变。在过去10年间,NASA引入了大量的成本控制和成本评估机制。正如本报告所讨论的那样,这些机制有效地限制了非预期成本超支和对平衡总体规划的影响。

 

建议:NASA应确保在10年期调查开始之前进行强大的任务研究,以便在潜在大型战略任务中进行权衡(包括科学、风险、成本、绩效和时间表)。这些权衡方案应该转交10年期调查,以期得到解决,但不局限于此。(见第3章)

尽管在10年调查前充分进行此类研究可能并不现实,但10年期调查的固定节奏却使计划执行更容易。如果10年期调查有更多有用的以及更早的信息投入,那么实施它们将不那么麻烦。

NASA常常将越来越雄心勃勃的科学任务建立新的概念途径,其中许多是首次实现的,或者利用新的体系结构或技术实现。NASA一直被期待着不断推动科学技术前沿的发展,并采取新的方法最大限度地提高科学回报。成本模型,无论是经验参数工具还是基于类比的方法,都依赖于体系以前积累的历史数据。新技术和运行方式可以超越工具和成本估算所依据的现有成本数据库的边界,因此不断修改和开发成本估算方法非常重要。NASA在机构指定的“关键决定点C”(KDP-C)中确定了项目的基准预算。KDP-C正式决定一个项目的立项,目前所作的独立估计是唯一有效的方式。

 

建议:NASA应继续使用不同的成本估算与成本管理工具来评估和控制大型战略任务的成本与风险,确保其可行性。随着新技术与新任务的出现,将需要新的成本估算工具促使NASA确定其可能的成本。NASA应支持开发新工具来执行可靠的成本估算与风险评估。这些新的成本估算工具也将有助于支持国家科学院的10年期调查。(见第3章)

像CubeSats这样的新技术-特别是在大型星座项目中-需要新的成本估算方法,其中一些已经被产业界开发。尽管NASA在成本估算方面已经做得很好,随着技术发展,它也不得不进行调整。这些是NASA已经做过的事情-见证了过去10年间采用成本估算的演变,例如改变新项目估算的置信水平-但委员会的观点是,随着技术的进步,成本估算工具也必需推进。

尽管成本估算和控制至关重要,委员会告诫,对成本的最佳赞赏是业绩;许多地球和空间科学任务已远远超出了它们的初期任务,以相对较低的运营成本提供了巨大的价值回报。这应归功于NASA长期充分发挥其生产力。

本研究的部署,部分是为了审查和讨论不同规模任务的作用和科学生产力。受限于各项任务在不同部门中扮演的角色不同,以及现有数据的局限性,委员会感到此项任务极其困难。然而,委员会认为,NASA可通过公开展示已收集的关于运行任务的大量数据,尤其是作为其延伸任务的高级考核过程的一部分,来促使完成这项任务。委员会注意到,特别是自21世纪初在NASA实行全额成本核算以来,各项任务的数据收集工作有了很大改进。因此,对于近期开展的任务而言,其所拥有的成本数据要比早期立项但目前仍在运行的任务好很多。这将使NASA能够在未来更好地呈现这些数据。

 

建议:为证明大型战略任务在推动科学、技术以及领域长期健康发展方面的作用与科学生产力,NASA科学任务理事局(SMD)应该建立一个可公开访问的数据库,至少每年更新一次,追踪所有确认任务相关的基本数据,以及SMD各部门正在运行和曾经开展的任务相关的数据。这些数据应包括开发成本,出版数和其他文献数据,传播推广数据(也应追踪新闻发布会数量等数据),科学、工程及其他全时工作当量(FTEs),以及在主要任务完成后通常在高级审查提案中寻求的其他常规数据。这些数据应具有足够的细节和质量,以便进行与科学生产力相关的基本分析和对各自领域健康的贡献。 (见第4章)

虽然很难收集并解释NASA诸多任务的历史数据,包括在数据库中的信息,配以适当的评语与注释,这些对NASA目前及未来任务来说可能提供极具价值的观点。例如,这可能包括维修哈勃太空望远镜的费用,因为过去的维修数据对于未来可能也需要维修的任务非常有价值。虽然委员会承认建立这样一个公共数据库需要NASA的努力,但它认为这将有助于该机构传播整个任务的价值和产出,优于通过定期的新闻发布会或科学会议来推广。今天,NASA在准确报告整体SMD任务成本与性能方面,与10年前相比,做得更好了。

委员会的第一项任务是负责指导对大型战略空间与地球科学任务,在未来权衡计划中进行优先排序,这些内容在本报告第1章至第3章中讨论。第2项任务是使用一系列生命周期成本方法评估当前和最近SMD任务的影响,这些在第4章中讨论;附录A至D包含了主要由NASA提供的信息,响应委员会的要求,以解决这一问题。本报告的第1章阐述了NASA SMD中大型战略任务当前和近期的历史背景。第2章讨论了大型战略任务在4个SMD部门的每一个中实现平衡所发挥的作用。第3章讨论了空间科学任务的成本估计和控制问题,在过去10年间实施的新程序与新方法如何改进了这些问题,以及控制成本如何对实现方案平衡至关重要。第4章对比阐述了大型战略任务和较小型NASA空间科学任务在技术开发与转让、劳动力培训以及科学生产力方面的区别。

经审议,委员会得出结论,尽管一些因素如任务的成本相对容易评估(假设数据已经收集并保持一致性),而其他因素如科学社区的健康与否以及一项任务的科学生产力等因素本质上是定性而不是定量评估。多学科、多平台的科学使这些测量进一步复杂化。另外,运行寿命周期长的任务为其创造了新的动力。以HST为例,哈勃望远镜获取的数据存档如此之大,以至于越来越多的科学家利用这些数据来产生新的科学发现。对各种具有面广、不同特点、不同目标和寿命周期的许多各种各样的任务进行科学回报量化,不是一项容易的任务,也可能是一项不可能实现的任务。尽管如此,委员会认为,通过支持创造适当的工具,NASA可以更好地传播大型战略空间科学任务的价值。

综上所述,委员会对NASA广泛开展的各种规模的科学任务印象深刻。但是,正是这些大型战略任务,展现了美国在科学发现和空间探索领域作为领袖的一些最伟大的科学进步和能力。哈勃望远镜的深空观测和对哈勃常数的改进,卡西尼号对土星环和土卫二羽流的观测,旅行者号的多星际旅行和穿越太阳系的旅行,以及好奇号对火星过去习性的探索,这些都是过去几十年来最伟大的科学成就之一,已经成为美国成就的代名词。

图S.1 在戈达德太空飞行中心的詹姆斯·韦伯太空望远镜

来源:NASA

 

 

原文题目:

Powering Science: NASA's Large Strategic Science Missions

资料来源:

http://nap.edu/24857

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)

 


[1]对于此研究,委员会了解了科学任务理事局(SMD)当前负责管理和运行的各项任务。委员会开展了一些大型战略任务的历史预算分析,回溯到上世纪60年代以来的时段,见图1.1。

[2] 委员会关注SMD 4个分部管理的空间计划:天体物理部、地球科学部、太阳物理学部和行星科学部。委员会对提及的“科学学科”基于一个总体假设,即每个分部都代表一门科学学科。还有其他的科学学科,以及一些相互重叠但是类别比较明显的科学学科。

[3]对不同的载荷,NASA有着不同的风险接受程度。A类任务被认为是高优先级,具有非常低(最小化)的风险;B类任务被认为是高度优先,风险程度低;C类任务被认为是中等优先,具有中等风险;而D类任务被认为是低优先级,具有高风险。风险等级计算包括诸如通信和推进等关键功能冗余等因素。大型战略任务始终是A类任务。小型任务通常是B、C或D类。

[4]比如,詹姆斯·韦伯太空望远镜的最初开发合同于2002年签发,目前计划发射时间是2018年。

[5]磁层多尺度任务(MMS)最初是在2003年太阳物理学10年调查任务中提出的,作为“中型”任务。随着后来不断增加成本,该任务通常被认为是一个“大型”任务。