前沿技術(shù)發(fā)展及在航天裝備中的應(yīng)用

韓洪濤 王友利 王璐 李東昊 單文杰 （ 北京航天長征科技信息研究所； 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

前沿技術(shù)發(fā)展及在航天裝備中的應(yīng)用

Development of the Emerging Technology and its Application in Space Equipment

韓洪濤1王友利1王璐1李東昊2單文杰2（1 北京航天長征科技信息研究所；2 中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

當(dāng)前，以美國為代表的各軍事大國加速推動高超聲速、自主系統(tǒng)、定向能等前沿技術(shù)的研究開發(fā)，其中有些技術(shù)正處于探索階段，有些技術(shù)已完成分系統(tǒng)和總體驗證試驗，有些技術(shù)甚至已進入工程應(yīng)用階段。綜合來看，這些前沿技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在形態(tài)上更具有超越性和突變性，在效能上更具備革命性和顛覆性。

在航天領(lǐng)域，前沿技術(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。航天相關(guān)的前沿技術(shù)打破了傳統(tǒng)的技術(shù)思維和技術(shù)路線，是對漸進性技術(shù)創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，但同時，其從發(fā)現(xiàn)到成熟需要一個長期的培育過程，能否最終成功應(yīng)用于航天裝備也存在較大不確定性。

本文綜述了國外高超聲速技術(shù)、定向能技術(shù)、量子技術(shù)、新概念材料、增材制造技術(shù)等重點前沿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對未來的發(fā)展趨勢進行分析預(yù)測；針對具有應(yīng)用前景的多項技術(shù)，分析了它們在航天裝備上的應(yīng)用。

1 航天相關(guān)前沿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

前沿技術(shù)的潛在作戰(zhàn)效能和在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景已引起了航天大國的廣泛重視。下文在研究國外智庫、媒體，以及外軍對前沿技術(shù)表述的基礎(chǔ)上，選取一系列國外與航天相關(guān)的熱點前沿技術(shù)進行重點介紹。

高超聲速技術(shù)

1）美國積極構(gòu)建戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)級高超聲速滑翔武器型譜，俄羅斯瞄準(zhǔn)突防持續(xù)開展機動滑翔彈頭試驗。美國的高超聲速技術(shù)飛行器-2（HTV-2）、“先進高超聲速武器”（AHW）分別為洲際射程和中遠程武器技術(shù)驗證機，可對敵方戰(zhàn)略性目標(biāo)構(gòu)成威脅。后續(xù)，美國海軍將開展?jié)撋湫虯HW的飛行試驗。美國“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔”（TBG）導(dǎo)彈技術(shù)將實現(xiàn)防區(qū)外快速精確打擊。俄羅斯于2015-2016年，3次開展Yu-71飛行試驗，兩次成功，試驗飛行距離達到6000km。該項目將在2020年前研制出少量可攜帶核彈頭的高超聲速滑翔飛行器。

2）美、俄加快高超聲速巡航導(dǎo)彈的武器化研制，印度積極開展高超聲速巡航飛行器驗證計劃。

“高速打擊武器”想象圖

美國空軍和美國國防高級研究計劃局（DARPA）聯(lián)合開展“高速打擊武器”（HSSW）項目，研制實用型高超聲速巡航導(dǎo)彈。2014財年，DARPA與空軍已正式啟動相關(guān)演示驗證項目的研究。俄羅斯近幾年連續(xù)開展了“鋯石”高超聲速反艦巡航導(dǎo)彈的飛行試驗。印度積極開展“高超聲速技術(shù)驗證飛行器”（HSTDV）項目，為發(fā)展高超聲速巡航導(dǎo)彈進行技術(shù)儲備。

定向能技術(shù)

1）激光武器可在海陸空天等平臺部署，機載和艦載激光器已經(jīng)開展打靶試驗。在20世紀(jì)80年代到90年代，美國以反導(dǎo)反衛(wèi)為目的，開展了天基、地基和空基激光武器的研究，近年來美軍重點開展機載和艦載激光武器的研制和試驗。DARPA開展的“航空自適應(yīng)光束控制”計劃和“持久”項目，旨在改善戰(zhàn)術(shù)飛機高能激光器的性能。2014年11月，美國海軍展示了在海上用激光武器打擊敵人小艇的試驗。

機載激光武器示意圖

2）高功率微波武器從實驗室裝置轉(zhuǎn)向?qū)嵱没b備，并逐漸向軍用平臺和進攻型武器方向過渡。高功率微波武器技術(shù)正向小型化、高效率、模塊化方向發(fā)展。2012年，美國空軍將高功率微波武器裝在無人機上，用來攻擊防空導(dǎo)彈、雷達、車輛的電子設(shè)備；波音公司測試的新型高功率微波武器，成功癱瘓美國猶他州沙漠中一個軍事基地的計算機設(shè)施。

無人自主系統(tǒng)

1）無人機成功應(yīng)用于各類軍事任務(wù)，察打一體、“蜂群”等新型作戰(zhàn)概念受到重視。無人機已經(jīng)由最初執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)偵察任務(wù)發(fā)展到能夠執(zhí)行偵察預(yù)警、電子對抗、對地打擊等多種任務(wù)。X-47B是美國海軍第一型可實現(xiàn)在航母上起降的察打一體隱身無人戰(zhàn)機。無人機“蜂群”是一種看似隨機，實則嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮f(xié)同戰(zhàn)術(shù)，由多架分散的小型（也可能是大型）無人機從多個方向匯聚到目標(biāo)上空形成。目前，美國DARPA、海軍和空軍均開展了無人機“蜂群”項目研究。

DARPA開展的“小精靈”無人機“蜂群”項目示意圖

2）空間自主飛行器驗證軌道自主接近操作能力，空間對抗技術(shù)向天地一體、攻防兼?zhèn)?、以民掩軍方向發(fā)展?？臻g自主接近軌道飛行器代表未來空間進攻裝備的發(fā)展方向。當(dāng)前，美國以在軌服務(wù)的名義發(fā)展自主接近軌道飛行器，通過“鳳凰計劃”、“同步軌道衛(wèi)星機器人服務(wù)”等計劃，在已經(jīng)驗證近地軌道自主逼近、交會以及對合作目標(biāo)捕獲的基礎(chǔ)上，正在積極發(fā)展中、高軌的自主接近操作能力。

量子技術(shù)

DARPA開展的“同步軌道衛(wèi)星機器人服務(wù)”項目

1）量子通信技術(shù)開創(chuàng)新型可靠高速通信概念，各國相繼開展試驗和應(yīng)用。世界主要國家在量子通信領(lǐng)域的研究已進入大規(guī)模應(yīng)用前夕。美國是最先將量子技術(shù)列入國家戰(zhàn)略、國防和安全研發(fā)計劃的國家。歐盟推出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的“歐洲量子科學(xué)技術(shù)”計劃，以及“歐洲量子信息處理與通信”計劃。日本政府提出了以新一代量子通信技術(shù)為對象的長期研究戰(zhàn)略。中國在2016年發(fā)射了第一顆量子通信實驗衛(wèi)星墨子號。

2）量子導(dǎo)航可取代傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航，美、英已開展小型化高精度慣性傳感器件研發(fā)。以美國和英國為代表的軍事強國先后提出了基于各種量子效應(yīng)和微加工技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為量子導(dǎo)航。美國DARPA先后開展了“精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)”（PINS）和“基于微技術(shù)的定位、導(dǎo)航與授時系統(tǒng)”（Micro-PNT)的研究計劃。英國海軍計劃采用一種以超冷原子為基礎(chǔ)的加速計——量子定位系統(tǒng)來進行潛艇的導(dǎo)航。

量子通信示意圖

3）量子雷達技術(shù)仍處在研究和探索階段，美國海軍和陸軍已對量子雷達進行實用研究。目前量子雷達技術(shù)仍處在研究和探索階段，但距離實用不會很遠。美國海軍和陸軍已對量子雷達進行了深入的研究。DARPA也對量子雷達十分感興趣，提出了“量子傳感器計劃”（QSP），之后演變?yōu)椤傲孔虞o助傳感和讀出”（QuASAR）項目。

新概念材料

1）石墨烯具有學(xué)界公認(rèn)的優(yōu)異特質(zhì)，制備技術(shù)和應(yīng)用研究不斷取得進展。目前，國外石墨烯的制備研究開始轉(zhuǎn)入如何降低成本并大規(guī)模制備階段，如美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員開發(fā)了制造石墨烯和碳納米管混合材料的新方法。石墨烯具體應(yīng)用方面的研究同時也在廣泛展開，石墨烯如今已經(jīng)出現(xiàn)在新型晶體管、存儲器和其他器件的原型樣品當(dāng)中。

2）超材料是一種具有超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，具有廣泛的隱身應(yīng)用前景。2006年，美國杜克大學(xué)和英國帝國理工學(xué)院的研究者成功使用超材料讓一個物體在微波下隱形。歐盟聯(lián)合歐洲24所大學(xué)共同開展了聯(lián)合項目，研究新型超電磁材料。日本政府將超材料技術(shù)列為下一代隱形戰(zhàn)斗機的核心關(guān)鍵技術(shù)。

石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖

3）智能材料經(jīng)歷30多年的發(fā)展，美國、日本及歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)投入巨資開展研究。美國將智能結(jié)構(gòu)定位于其在21世紀(jì)武器處于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵技術(shù)之一。20世紀(jì)80年代，美國軍方即開展智能旋翼飛行器和飛行器智能蒙皮的研究計劃。日本在形狀記憶合金和高分子聚合物壓電材料的研究方面處于國際領(lǐng)先地位。英國和德國也開展了分布式傳感器、新型驅(qū)動器、形狀記憶合金物理特性等方面的研究。

增材制造技術(shù)

1）增材制造技術(shù)應(yīng)用向?qū)椢淦黝I(lǐng)域拓展，將改變導(dǎo)彈武器的設(shè)計生產(chǎn)模式。增材制造技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈武器領(lǐng)域，將改變傳統(tǒng)的制造業(yè)批量化、規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)模式，實現(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)快速動態(tài)調(diào)整、復(fù)雜產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)。這項技術(shù)目前已經(jīng)開始應(yīng)用于導(dǎo)彈產(chǎn)品的制造。雷神公司表示，他們已經(jīng)使用3D打印技術(shù)制作了制導(dǎo)導(dǎo)彈80%的組成部分。

2）增材制造技術(shù)在運載火箭結(jié)構(gòu)制造中獲得積極嘗試和應(yīng)用，NASA推動“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）火箭發(fā)動機小型零部件的增材制造。美國的NASA近年來積極推動并支持3D打印技術(shù)在運載火箭結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。選擇性激光熔化技術(shù)是NASA開拓增材制造在高科技產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的典型案例。在SLS重型運載火箭的研制中，芯級和上面級發(fā)動機的噴注器、渦輪泵和排氣蓋板等結(jié)構(gòu)零部件的制造大量應(yīng)用了選擇性激光熔化技術(shù)。

3）增材制造技術(shù)成功實現(xiàn)衛(wèi)星零部件的地面制造和應(yīng)用，空間零重力增材制造正在開展試驗驗證。

目前，增材制造技術(shù)已經(jīng)成功用于制造小衛(wèi)星的零部件，并獲得實際驗證。在太空打印方面，美國已經(jīng)在“國際空間站”上開展太空3D打印試驗，歐洲也設(shè)立了相關(guān)的增材制造項目，旨在將第一臺3D金屬打印機運至“國際空間站”。

2 前沿技術(shù)在典型航天裝備上的應(yīng)用研究

前沿技術(shù)在航天武器裝備中的應(yīng)用能夠顯著提升裝備性能，革新作戰(zhàn)形態(tài)和操作模式，重塑現(xiàn)有的裝備研制和生產(chǎn)流程，推動航天領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

高超聲速技術(shù)應(yīng)用

高超聲速技術(shù)的應(yīng)用將催生高速化新型空天武器裝備，未來還將實現(xiàn)快速、廉價、高可靠性的航天運輸系統(tǒng)。

高超聲速技術(shù)將使未來的作戰(zhàn)裝備具備高速化、智能化的特點。高超聲速技術(shù)的應(yīng)用，使得未來戰(zhàn)爭在攻、防兩端的作戰(zhàn)節(jié)奏顯著加快，“高速化”將成為未來裝備發(fā)展的重要趨勢，典型方案是以高超聲速巡航導(dǎo)彈、助推滑翔導(dǎo)彈、空天飛機等為代表的新型空天武器裝備；還將間接帶動電磁軌道炮和激光武器等其他高速打擊方案的發(fā)展。而在高超聲速作戰(zhàn)條件下，戰(zhàn)場狀況瞬息萬變、戰(zhàn)機稍縱即逝，推動信息化裝備向“智能化”方向發(fā)展。裝備本身必須具備一定的信息自處理、自配置和自操作的能力，能根據(jù)具體情況靈活作戰(zhàn)。

高超聲速技術(shù)的發(fā)展還將為實現(xiàn)快速、廉價、安全、高效的航天運輸體系創(chuàng)造條件。未來，特別是可重復(fù)使用的亞軌道運輸飛行器和空天飛機的出現(xiàn)與應(yīng)用，將顯著提高運載能力，大幅度降低航天運輸成本、縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間，增強航天發(fā)射的安全性和可靠性。

激光技術(shù)應(yīng)用

激光技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈的快速攔截和自身防御，徹底改變導(dǎo)彈攻防作戰(zhàn)形態(tài)。

激光技術(shù)具備“看見”即“命中”的特點，是快速攔截多目標(biāo)的理想武器。與現(xiàn)役的防空導(dǎo)彈相比，同樣攔截距離為150km外的目標(biāo)，防空導(dǎo)彈以3倍聲速飛行，擊中目標(biāo)需要耗時2min，而激光武器發(fā)出的激光束只需1s就可以擊中同等距離外的目標(biāo)。

激光技術(shù)可實現(xiàn)海、陸、空、天，多平臺、低成本、靈活部署。激光武器僅消耗電能，每發(fā)費用只需要幾美元，遠低于每枚50萬美元的“愛國者”導(dǎo)彈。

激光技術(shù)為武器帶上“護身符”，增強武器的自身防御。作為一種有效的光電對抗裝備，激光武器能干擾、壓制或攔阻敵方精確制導(dǎo)武器的進攻。

量子雷達技術(shù)應(yīng)用

量子雷達可提高導(dǎo)彈系統(tǒng)的預(yù)警、電子對抗、反隱身、超視距作戰(zhàn)和區(qū)域防空等能力，并顛覆現(xiàn)有隱身技術(shù)和反輻射武器作戰(zhàn)模式。

部署在地面/艦上的量子雷達，依靠其強大的反隱身技術(shù)和極遠的探測距離，將可能使幾乎所有的空中目標(biāo)都逃不過量子雷達的探測，并可持續(xù)探測目標(biāo)的軌跡和行蹤，依據(jù)量子雷達的引導(dǎo)，將大大提高防空反導(dǎo)系統(tǒng)中的面對空導(dǎo)彈的命中概率。

裝備量子雷達的作戰(zhàn)飛機，由于對空目標(biāo)探測距離極遠，將使空中作戰(zhàn)從目前的中距擴展為遠距。例如，戰(zhàn)機的火力攻擊距離可達到數(shù)百至數(shù)千千米之外，空中戰(zhàn)爭將從傳統(tǒng)的數(shù)十千米的超視距作戰(zhàn)變?yōu)殚g隔數(shù)千千米的非接觸戰(zhàn)爭。

此外，量子雷達不發(fā)射電磁波，當(dāng)前的反輻射導(dǎo)彈基于偵收電磁波的作戰(zhàn)機理將無法捕獲到量子雷達，將徹底顛覆反輻射導(dǎo)彈的作戰(zhàn)機理和作戰(zhàn)模式。

量子雷達成像示意圖

量子通信技術(shù)應(yīng)用

量子通信技術(shù)將實現(xiàn)武器裝備和衛(wèi)星系統(tǒng)的安全保密、超光速和遠距離通信，可應(yīng)用于無人、深海和核輻射等特殊環(huán)境。

在安全保密通信方面，量子技術(shù)具有傳統(tǒng)加密通信無法實現(xiàn)的絕對安全、可靠的特征，可構(gòu)建作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)機動的安全軍事通信網(wǎng)絡(luò)。

在無人作戰(zhàn)系統(tǒng)中，量子技術(shù)的超大通信容量、超快通信速度和超強抗干擾能力將為無人系統(tǒng)指控平臺提供強有力的保證。

在深海作戰(zhàn)應(yīng)用中，量子波束憑借隱形態(tài)傳輸與傳播介質(zhì)無關(guān)的特點，可以在深海下自由通信。水下潛艇再也不需要浮出水面來通信，不會暴露自身位置。

在核戰(zhàn)爭中，量子束的糾纏特性極強，并且不會受到核輻射的影響。

超材料技術(shù)應(yīng)用

超材料技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈及其他武器隱身設(shè)計領(lǐng)域，可使敵方傳統(tǒng)的探測和制導(dǎo)雷達失效。受耐高溫性能的限制，超材料技術(shù)尚不適用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈?？蓪⒊牧蠎?yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈的中段，以超材料技術(shù)為基礎(chǔ)，對彈頭和設(shè)備艙等部段采用超材料隱身設(shè)計，將電磁隱身性能與具有常規(guī)機械、物理性能的結(jié)構(gòu)技術(shù)相融合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在不改變導(dǎo)彈外形特征和不影響現(xiàn)有動力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，具有高隱身性能，使導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的預(yù)警雷達和作戰(zhàn)指揮雷達發(fā)射的電磁波在艙體表面產(chǎn)生負折射效應(yīng)，讓電磁波發(fā)生波束偏折或極化旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)隱身功能。

增材制造技術(shù)應(yīng)用

新型增材制造技術(shù)的應(yīng)用可顛覆現(xiàn)有航天裝備的研制流程，實現(xiàn)航天裝備設(shè)計、制造、驗證一體化，具備按需定制和快速生產(chǎn)能力。

昂貴金屬材料的航天結(jié)構(gòu)件的增材制造可以減少原材料的浪費。例如，金屬高性能增材制造技術(shù)可以把高性能金屬零件制造的材料利用率提高到60%～95%，甚至更高，同時顯著減少機械加工量。

增材制造還為高性能、難加工金屬大型復(fù)雜整體構(gòu)件低成本、快速制造提供了技術(shù)新途徑，還能夠制造一些過去無法實現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)，通過多材料任意復(fù)合，實現(xiàn)一個零件的不同部位分別滿足不同的技術(shù)需求等。

此外，增材制造可實現(xiàn)零件的高性能成形快速修復(fù)，實現(xiàn)空間在軌快速制造等，顯著改變現(xiàn)有的航天制造體系。

未來太空制造的大尺寸空間結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語

前沿技術(shù)對航天裝備發(fā)展有顛覆性的影響。一方面，某些前沿技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用可以為航天裝備和工業(yè)發(fā)展帶來根本性變革，形成可改變戰(zhàn)爭形態(tài)的變革性航天武器系統(tǒng)。另一方面，一些前沿技術(shù)的發(fā)展也可能對傳統(tǒng)的航天裝備能力造成抵消，使其喪失作戰(zhàn)優(yōu)勢，改變現(xiàn)有軍事平衡。

未來我們應(yīng)重點關(guān)注高超聲速技術(shù)、無人自主技術(shù)、定向能技術(shù)、量子通信、量子雷達、增材制造等前沿技術(shù)，進一步深入研究其應(yīng)用模式和可行性，為我國未來航天裝備體系建設(shè)和發(fā)展提供參考。