顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵、分類和顯示方法淺析

孫靜芬 袁建華 趙滟 蒲洪波 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵、分類和顯示方法淺析

孫靜芬 袁建華 趙滟 蒲洪波 （中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

航天是多學(xué)科綜合集成的高科技領(lǐng)域，航天活動推動了諸如材料、導(dǎo)航、通信、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域的科技進步。提高航天技術(shù)水平、增強航天活動效能，占領(lǐng)國家安全、經(jīng)濟和科技競爭戰(zhàn)略制高點是世界航天大國孜孜以求的目標(biāo)，其核心就是航天技術(shù)創(chuàng)新。

顛覆性技術(shù)作為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的生力軍得到越來越多的關(guān)注和重視。歷史上，每次科技革命、工業(yè)革命、能源革命時期，均為顛覆性技術(shù)出現(xiàn)的高峰期。顛覆性技術(shù)往往源于各項技術(shù)的融合，許多重大創(chuàng)新出現(xiàn)在學(xué)科交叉領(lǐng)域，未來科技發(fā)展將越來越依賴多種學(xué)科的綜合和交叉。世界主要國家將顛覆性技術(shù)發(fā)展作為大國博弈的戰(zhàn)略需要和提升國家科技創(chuàng)新能力的重要途徑，積極謀劃推動其發(fā)展。

德國航空航天中心（DLR）與歐洲航天局（ESA）聯(lián)合開展了一項有關(guān)顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵和分類等研究。本文吸納了該研究成果的部分觀點，并結(jié)合我國航天特點，對顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵、分類以及技術(shù)顯示度曲線這一分析工具，在顛覆性航天技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展預(yù)測顯示方面的應(yīng)用等做了初步淺析，對航天領(lǐng)域顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的獨特性進行了分析，并對顛覆性航天技術(shù)發(fā)展提出六個方面的建議。

1 顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵和分類

顛覆性技術(shù)的一般概念

顛覆性技術(shù)這一理論概念最早由美國哈佛商學(xué)院教授克萊頓·克里斯滕森提出，他在1995年出版的《顛覆性技術(shù)的機遇浪潮》一書中首次使用了顛覆性技術(shù)這一詞匯。所謂顛覆性技術(shù)，是指一種另辟蹊徑、會對已有傳統(tǒng)或主流技術(shù)產(chǎn)生顛覆性效果的技術(shù)，既可能是完全創(chuàng)新的新技術(shù)，也可能是基于現(xiàn)有技術(shù)的跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的創(chuàng)新型應(yīng)用。顛覆性創(chuàng)新通常發(fā)端于非主流的低端市場或新市場，基于新概念或技術(shù)的新應(yīng)用，以新產(chǎn)品或新服務(wù)替代傳統(tǒng)產(chǎn)品或服務(wù)，并在相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性變革，帶來新的領(lǐng)域性增長。

顛覆性航天技術(shù)的內(nèi)涵

航天技術(shù)很大程度上受到用戶對航天系統(tǒng)性能理解和期望的影響。顛覆性航天技術(shù)與其他領(lǐng)域顛覆性技術(shù)相比，主要存在以下三點差異：①開發(fā)時間。航天技術(shù)開發(fā)時間長，因此顛覆性航天技術(shù)的過渡時間也長。②飛行試驗歷史經(jīng)驗。主導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)有較長時期的飛行試驗歷史經(jīng)驗，一個新的航天技術(shù)備選方案必須體現(xiàn)出對主導(dǎo)技術(shù)的顯著改進才能證明為它所付出的風(fēng)險和成本是值得的。③市場特征。航天是一個高度受政府影響的復(fù)雜市場，新技術(shù)的開發(fā)和使用常常與政治動機、國防工業(yè)政策和其他社會因素相關(guān)。顛覆性航天技術(shù)同時也更多受到市場因素（用戶）的影響，市場（用戶）的改變推動了技術(shù)的顛覆。

綜上，結(jié)合顛覆性技術(shù)的一般定義，顛覆性航天技術(shù)可以定義如下：顛覆性航天技術(shù)是能夠根本改變現(xiàn)有航天技術(shù)的狀態(tài)，以更好滿足用戶需求的技術(shù)，它是一種全新的技術(shù)或?qū)ΜF(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用以及創(chuàng)新技術(shù)（性能屬性）的不同組合等。

從定義可以看出，顛覆性航天技術(shù)具有如下的內(nèi)涵：

1）能夠根本改變現(xiàn)有航天技術(shù)的狀態(tài)，即是顛覆性的，而不是漸進性的創(chuàng)新；

2）它以更好地滿足用戶需求為目標(biāo)，包括國家安全、軍事航天任務(wù)需求以及空間科學(xué)和空間應(yīng)用等用戶需求；

3）既可以是一種全新的技術(shù)，也可以是對現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，還可以是創(chuàng)新技術(shù)的不同組合。

關(guān)于顛覆性航天技術(shù)可以是性能屬性的不同組合。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，小衛(wèi)星在技術(shù)性能上并無太大優(yōu)勢，但它能用更低成本（雷達(dá)圖上得分越高越有優(yōu)勢）和更低復(fù)雜性來實現(xiàn)功能組合，體現(xiàn)出它對某些特定用戶的價值。

藍(lán)色代表顛覆性航天技術(shù)，綠色代表傳統(tǒng)技術(shù)

以小衛(wèi)星為例說明航天領(lǐng)域內(nèi)低端的顛覆性創(chuàng)新

從雷達(dá)圖中可以看出，顛覆性航天技術(shù)可以是性能屬性的一個不同組合，它們能夠在發(fā)展成熟變?yōu)橹鲗?dǎo)技術(shù)并改變市場之前先行打造一個小型市場，例如一個特定的科學(xué)任務(wù)。

顛覆性航天技術(shù)的分類

目前，關(guān)于對航天領(lǐng)域破壞性、間斷性或根本性技術(shù)創(chuàng)新的分類術(shù)語并不統(tǒng)一。歐洲航天部門采用“顛覆性技術(shù)”術(shù)語；英國開展了“地平線掃描”，發(fā)布了《科學(xué)技術(shù)“地平線掃描”》白皮書；美國流行“改變游戲規(guī)則的技術(shù)”這一術(shù)語，例如，美國智庫發(fā)布《游戲規(guī)則改變者：顛覆性技術(shù)與美國國防戰(zhàn)略》報告，美國國防科學(xué)委員會發(fā)布《支撐2030年優(yōu)勢的技術(shù)與創(chuàng)新》報告，美國國防部開展“技術(shù)監(jiān)視/水平掃描”（TW/HS）項目，監(jiān)控全球潛在的顛覆性技術(shù)等；在材料和基礎(chǔ)物理等基礎(chǔ)領(lǐng)域更傾向于使用“突破性發(fā)現(xiàn)”。

航天領(lǐng)域顛覆性創(chuàng)新的金字塔結(jié)構(gòu)

突破性發(fā)現(xiàn)的例子

顛覆性航天技術(shù)的例子

德國航空航天中心和歐洲航天局的專家于2012年給出了航天領(lǐng)域顛覆性創(chuàng)新的金字塔結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，其將航天領(lǐng)域顛覆性創(chuàng)新歸為三類，即突破性發(fā)現(xiàn)、顛覆性航天技術(shù)和改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新。三類顛覆性創(chuàng)新分別主要出現(xiàn)在材料和基礎(chǔ)物理領(lǐng)域，系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部組件層級，以及任務(wù)級、航天體系架構(gòu)級和系統(tǒng)的系統(tǒng)級。

改變游戲規(guī)則的創(chuàng)新的例子

2 技術(shù)顯示度曲線在顛覆性航天技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展預(yù)測顯示上的應(yīng)用

技術(shù)顯示度曲線由著名的技術(shù)研發(fā)與咨詢企業(yè)高德納公司（Gartner）提出，是一個呈鐘形的曲線，橫軸表示時間，縱軸代表技術(shù)價值的顯示度或技術(shù)期望。技術(shù)顯示度曲線由2條不同的曲線合成，其中一條呈鐘形的曲線反映了技術(shù)顯示度水平的變化過程，人們在開始階段往往會對一項新興技術(shù)的發(fā)展過于推崇和樂觀，使得該技術(shù)的顯示度水平達(dá)到頂峰，但由于新技術(shù)的應(yīng)用通常難以達(dá)到人們的預(yù)期，又會使得技術(shù)的顯示度大幅下降到一個較低的水平；另一條S形曲線則反映了技術(shù)的成熟過程，開始階段技術(shù)的成熟速度較慢，隨著知識的積累和投資的增加，在達(dá)到一定的拐點后技術(shù)會加快成熟，最終隨著技術(shù)性能達(dá)到極限，該技術(shù)將實現(xiàn)完全成熟。

技術(shù)顯示度曲線可以分為5個階段：①技術(shù)萌芽期。新技術(shù)概念開始傳播并吸引媒體的關(guān)注，風(fēng)險資本開始介入以期獲取先發(fā)優(yōu)勢。②顯示度頂峰期。人們對新技術(shù)的期望達(dá)到頂峰，并廣泛見諸媒體，企業(yè)資本蜂擁進入。③幻想破滅期。過高的熱情導(dǎo)致新技術(shù)的應(yīng)用難以達(dá)到預(yù)期，公眾的失望開始擴散，媒體呈現(xiàn)負(fù)面報道。④顯示度復(fù)蘇期。早期的進入者繼續(xù)開展技術(shù)研發(fā)并獲益，技術(shù)性能逐步提升。⑤生產(chǎn)力高原期。市場化應(yīng)用獲得成功，技術(shù)價值得以實現(xiàn)。

技術(shù)顯示度曲線這一工具可以比較直觀地看出某領(lǐng)域各項技術(shù)所處的狀態(tài)，以及未來發(fā)展態(tài)勢（技術(shù)突破可能需要的時間）。該方法也可以應(yīng)用到航天顛覆性技術(shù)的現(xiàn)狀分布和未來突破時間預(yù)測等方面的顯示。

技術(shù)顯示度曲線的合成過程

3 航天領(lǐng)域顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的獨特性

航天顛覆性技術(shù)創(chuàng)新需要跨越研發(fā)投入的“死亡谷”

“阿波羅”時代之后，世界航天部門相對趨于保守，更多關(guān)注低風(fēng)險的創(chuàng)新而非突破性、顛覆性創(chuàng)新，這主要源于航天活動的高風(fēng)險、高成本和嚴(yán)酷的環(huán)境條件約束。許多新技術(shù)由于缺乏持續(xù)的研發(fā)投入，跨不過技術(shù)開發(fā)的“死亡谷”而夭折?！八劳龉取笔怯脕硇蜗蟮乇扔鹘橛诨A(chǔ)技術(shù)開發(fā)（技術(shù)推動，達(dá)到技術(shù)成熟度4/5級）和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)（技術(shù)拉動，超過技術(shù)成熟度6/7級）之間的投資缺口。要跨越“死亡谷”就必須在技術(shù)開發(fā)的早期階段，對該技術(shù)未來是否能通過顛覆性創(chuàng)新帶來能力的飛躍進行評估。最有可能成功并帶來顛覆性創(chuàng)新的航天技術(shù)被稱之為顛覆性航天技術(shù)。

航天推進和動力領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的顯示度曲線（來自德國航空航天中心和歐洲航天局專家2012年的經(jīng)驗，僅為示意）

航天技術(shù)因其固有特點，使鼓勵顛覆性創(chuàng)新的文化受到影響

隨著技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新的不斷開展，航天領(lǐng)域的技術(shù)能力持續(xù)提升。然而，創(chuàng)新活動雖然頻繁，對技術(shù)性能提升的力度卻不夠大，這主要是受到了“保成功”文化的影響。航天領(lǐng)域的研發(fā)和創(chuàng)新的擴散與其他領(lǐng)域不同。宇宙空間環(huán)境惡劣，新技術(shù)面臨的環(huán)境適應(yīng)性挑戰(zhàn)大，例如，航天新技術(shù)需應(yīng)對真空、微重力、高輻射、極端溫度環(huán)境、微流星體和軌道碎片等影響，發(fā)射后的修復(fù)和調(diào)整機會受限等，加上航天產(chǎn)品小批量、高成本的特點，需要滿足更加嚴(yán)格的質(zhì)量和可靠性要求，在創(chuàng)新和“保成功”的平衡中往往傾向于后者，對顛覆性技術(shù)創(chuàng)新文化形成了一定的沖擊。

航天領(lǐng)域的市場結(jié)構(gòu)與其他高科技領(lǐng)域差別很大，具有自身的獨特性

航天領(lǐng)域的市場動力學(xué)受到參與者及其相互關(guān)系的影響。技術(shù)開發(fā)中通常有兩類“客戶-賣方”關(guān)系，一是用戶需求驅(qū)動市場，二是政府需求（軍事或科學(xué)）驅(qū)動市場。兩類情況下的創(chuàng)新動力學(xué)不同。航天科學(xué)任務(wù)屬于買方市場，政府是相關(guān)航天技術(shù)的主要投資方，軍事航天任務(wù)與其相似，而商業(yè)航天更接近壟斷市場。大眾消費市場中，產(chǎn)品或技術(shù)通常由最終用戶來使用，而大部分的航天技術(shù)并非如此。以衛(wèi)星通信為例，衛(wèi)星運營服務(wù)提供商是航天技術(shù)的用戶，將其服務(wù)提供給最終用戶（個人、機構(gòu)、公共用戶等），如果沒有外部因素推動的話，運營商一般沒有足夠的動機來承受新技術(shù)的測試和使用風(fēng)險，這意味著與其他領(lǐng)域不同，航天領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)更多地要依靠政府進行投入和培育。

航天技術(shù)市場上的關(guān)鍵參與者

顛覆性航天技術(shù)更多產(chǎn)生于技術(shù)推動主導(dǎo)的基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域

航天領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)和特定任務(wù)技術(shù)開發(fā)應(yīng)加以區(qū)分，基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)屬于技術(shù)推動，特定任務(wù)技術(shù)開發(fā)屬于需求牽引。技術(shù)推動下的投資會帶來技術(shù)突破，而需求牽引下的投資產(chǎn)生漸進的創(chuàng)新。技術(shù)推動下的投資更多涉及基礎(chǔ)研究和新材料應(yīng)用，而需求牽引下的投資更多是對現(xiàn)有技術(shù)或設(shè)計的改進。航天領(lǐng)域要培育顛覆性技術(shù)，應(yīng)更多關(guān)注技術(shù)推動方面的基礎(chǔ)與前沿研究并加大投入。然而，有2個主要因素阻礙了技術(shù)推動投入：一是在技術(shù)開發(fā)項目的選擇過程中成熟技術(shù)更受歡迎，由此導(dǎo)致了技術(shù)開發(fā)的僵局，形成了技術(shù)創(chuàng)新的障礙；二是采用新技術(shù)需要進行測試和飛行試驗驗證，飛行試驗驗證是應(yīng)用新技術(shù)的一個最大藩籬。低風(fēng)險承受力是航天領(lǐng)域的特點，在商業(yè)衛(wèi)星通信和導(dǎo)航任務(wù)中，需要測試和飛行試驗驗證的創(chuàng)新技術(shù)常被排除在外?？茖W(xué)和對地觀測任務(wù)是更加容易創(chuàng)新的領(lǐng)域，這一領(lǐng)域的用戶通常是科學(xué)家，他們需要更先進的航天傳感器，因此在任務(wù)中使用成熟度不高的創(chuàng)新技術(shù)，提供了飛行試驗數(shù)據(jù)并應(yīng)用到將來的商業(yè)衛(wèi)星中。歐洲航天局過去曾采用的顛覆性航天技術(shù)已經(jīng)在科學(xué)和對地觀測任務(wù)中達(dá)到了成熟水平。例如，“土壤濕度和海洋鹽度”衛(wèi)星（SMOS）關(guān)鍵參與者項目中的干涉儀輻射線測定技術(shù)、“赫歇爾”（Hershel）項目中的金剛砂反射鏡技術(shù)和“蓋亞”（Gaia）項目中的金剛砂結(jié)構(gòu)技術(shù)等。

歐洲“赫歇爾”空間望遠(yuǎn)鏡

歐洲“蓋亞”空間望遠(yuǎn)鏡

4 顛覆性航天技術(shù)發(fā)展的建議

頂層設(shè)計，完善機制，在航天技術(shù)創(chuàng)新體系中將顛覆性技術(shù)發(fā)展形成制度化

顛覆性航天技術(shù)是航天技術(shù)創(chuàng)新體系的生力軍，應(yīng)在航天技術(shù)創(chuàng)新體系的頂層設(shè)計中，將顛覆性航天技術(shù)發(fā)展形成制度化。一是在組織機構(gòu)和制度建設(shè)上，應(yīng)培育形成顛覆性航天技術(shù)創(chuàng)新的常態(tài)化機制。美國國防高級研究計劃局（DARPA）是發(fā)展顛覆性技術(shù)的典型機構(gòu)代表，培育和推動重大顛覆性技術(shù)并取得了成功；俄羅斯2012年成立國防高級研究基金會，捕獲包括顛覆性技術(shù)在內(nèi)的新興前沿技術(shù)機遇等。二是在研發(fā)經(jīng)費投入上，應(yīng)加大對顛覆性技術(shù)發(fā)展的自主投入，并積極爭取政府更多的投入，推動一些科技重大專項和重大航天工程的立項實施。三是培育鼓勵顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的文化環(huán)境。

以市場為導(dǎo)向，以需求為牽引，共同推動顛覆性航天技術(shù)發(fā)展

顛覆性技術(shù)需要在競爭的環(huán)境下、在較短的時間內(nèi)脫穎而出，實現(xiàn)對傳統(tǒng)技術(shù)的取代和顛覆。因此，顛覆性航天技術(shù)的發(fā)展應(yīng)以市場為導(dǎo)向，發(fā)揮市場在資源配置中的決定性作用，同時以滿足國家戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟社會發(fā)展需求為牽引，促進對顛覆性技術(shù)的發(fā)掘、培育和發(fā)展，完善創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用機制，營造有利于孵化顛覆性技術(shù)的生態(tài)環(huán)境，通過市場導(dǎo)向和需求牽引，共同推動顛覆性航天技術(shù)發(fā)展。

產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，強化基礎(chǔ)前沿和交叉學(xué)科研究，助力創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展

顛覆性技術(shù)往往源于各項技術(shù)的融合，未來科技發(fā)展也將越來越依賴多種學(xué)科的綜合、滲透和交叉，跨學(xué)科研究、學(xué)科交叉研究將孕育出顛覆性技術(shù)新的生長點?；A(chǔ)與前沿領(lǐng)域是航天技術(shù)更新?lián)Q代和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，建立創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，強化基礎(chǔ)前沿和交叉學(xué)科研究，加速突破未來顛覆性技術(shù)（如量子、信息、認(rèn)知科學(xué)、通信、電子、材料、能源動力、先進制造等領(lǐng)域），大幅增加技術(shù)儲備，助力創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。

人才為本，激勵保障，加強顛覆性技術(shù)創(chuàng)新隊伍、激勵機制建設(shè)

人才是推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的內(nèi)核，是顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的根基。通過選拔培養(yǎng)，將創(chuàng)新人才聚集到創(chuàng)新隊伍中，營造充滿活力的創(chuàng)新環(huán)境，打造梯隊合理、相對穩(wěn)定、流動有序的創(chuàng)新隊伍，培養(yǎng)一批關(guān)鍵領(lǐng)域創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和戰(zhàn)略科學(xué)家。建立科學(xué)合理的考評體系，運用先進的激勵理念，物質(zhì)、精神和情感激勵有效結(jié)合，建立符合航天創(chuàng)新人員多層次需求的有競爭力的激勵機制。將保護顛覆性技術(shù)創(chuàng)新人員權(quán)益的相關(guān)措施固化到制度文件中。

方法輔助，流程科學(xué)，積極采用技術(shù)識別的方法工具和組織實施流程

對顛覆性技術(shù)的挖掘和識別可以借鑒技術(shù)識別的方法和工具。例如，國外采用了文獻計量法、專利分析法、德爾菲方法、專家會議法、情景分析法、頭腦風(fēng)暴法等一些通用的技術(shù)識別方法。美國蘭德公司采用了“快速證據(jù)評估方法”（REA）為英國國防部選擇未來技術(shù)，美國國防部“技術(shù)監(jiān)視/地平線掃描”項目當(dāng)前仍較多采用了文獻計量、專利分析、專家研討、現(xiàn)場匯報以及參觀訪談等人工方式，正在建立未來自動化分析的系統(tǒng)架構(gòu)。實施流程上，歐洲航天局開展技術(shù)預(yù)見的三階段方法值得借鑒。對其現(xiàn)狀和發(fā)展的顯示可以采用技術(shù)顯示度曲線方法等。

把握整體，雙輪驅(qū)動，實現(xiàn)顛覆性技術(shù)和漸進性技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展

顛覆性技術(shù)不會一夜之間徹底“顛覆”主流技術(shù)，必須把握航天未來發(fā)展整體需求，實現(xiàn)顛覆性技術(shù)和漸進性技術(shù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。美、俄等國在航空動力領(lǐng)域，一方面取得渦槳、渦噴、渦扇等顛覆性技術(shù)進步，與此同時，長期、持續(xù)、漸進地開展技術(shù)革新工作，確立了在航空動力領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。因此，必須堅持顛覆性技術(shù)創(chuàng)新和漸進性技術(shù)創(chuàng)新雙輪驅(qū)動，推動其協(xié)調(diào)發(fā)展。

Analysis of Concept， Classification and Display Methods of Subversive Aerospace Technology