國防顛覆性技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用研究

欒恩杰，孫棕檀，李輝，賈平

（1. 國家國防科技工業(yè)局，北京 100048；2. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

國防顛覆性技術(shù)在航天領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用研究

欒恩杰1，孫棕檀2，李輝2，賈平2

（1. 國家國防科技工業(yè)局，北京 100048；2. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

本文從國防顛覆性技術(shù)入手，進(jìn)行定性遴選，聚焦重大國防顛覆性技術(shù)并建立指標(biāo)評價(jià)體系，對重大國防顛覆性技術(shù)進(jìn)行定量分析。并以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)關(guān)注能在航天領(lǐng)域中產(chǎn)生巨大影響的重大國防顛覆性技術(shù)。這些在航天領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)有望極大地提升航天系統(tǒng)的效能、大幅降低研制成本，推動(dòng)航天技術(shù)水平的跨越式提升。

顛覆性技術(shù)；航天；效能；成本

一、顛覆性技術(shù)概述

顛覆性技術(shù)是一種另辟蹊徑、改變原有技術(shù)路線，對原有技術(shù)體系和應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生顛覆性效果的技術(shù)。從技術(shù)屬性來講，顛覆性技術(shù)有三種產(chǎn)生途徑：一是基于新原理、新發(fā)現(xiàn)的原始創(chuàng)新；二是基于現(xiàn)有技術(shù)的集成創(chuàng)新與應(yīng)用；三是科學(xué)原理與成熟技術(shù)的轉(zhuǎn)移與創(chuàng)新應(yīng)用。

顛覆性技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是效果，即這種技術(shù)的作用效應(yīng)是顛覆性的。因此，顛覆性技術(shù)不一定是全新的技術(shù)，也可能是一種新應(yīng)用，只是最終實(shí)現(xiàn)了顛覆性的效果。航天活動(dòng)本身雖然具有一定的技術(shù)引領(lǐng)與帶動(dòng)作用，但更多地是由眾多科學(xué)和技術(shù)融合而成，生物、信息、制造、能源、材料等眾多科學(xué)和技術(shù)的突破均具有航天應(yīng)用潛力，需要從提升系統(tǒng)整體性能的角度去評價(jià)航天顛覆性技術(shù)。

結(jié)合顛覆性技術(shù)的一般定義，航天顛覆性技術(shù)定義為：可極大提升航天系統(tǒng)效能、或大幅降低研制成本，將對航天產(chǎn)業(yè)、空間科學(xué)研究乃至軍事航天領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響的變革性技術(shù)。

二、國防顛覆性技術(shù)的定性遴選與定量分析

（一）國防顛覆性技術(shù)的定性遴選

本文采取情報(bào)調(diào)研、問卷調(diào)查、研討與訪談的方式，確定出當(dāng)前發(fā)展中的12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)。

通過查閱、梳理、分析國內(nèi)外2009年以來各類研究報(bào)告近50篇[1～3]，梳理出50項(xiàng)國防顛覆性技術(shù)；并設(shè)計(jì)涵蓋這50項(xiàng)技術(shù)的調(diào)查問卷，將問卷發(fā)放給各位專家，由專家進(jìn)行評判、取舍和補(bǔ)充。共發(fā)放問卷82份、收回問卷75份，經(jīng)過分析、統(tǒng)計(jì)，遴選出25項(xiàng)技術(shù)。最后采取會(huì)議交流、專家研討與訪談、內(nèi)部研討的方式進(jìn)行技術(shù)聚焦、深度分析、綜合集成，遴選出12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)。

這12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)分別為：量子技術(shù)、太赫茲技術(shù)、石墨烯技術(shù)、負(fù)折射率材料技術(shù)、無人自主技術(shù)、賽博空間技術(shù)、超高能含能材料技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、增材制造技術(shù)、定向能武器技術(shù)、空間攻防對抗技術(shù)、高超聲速飛行器技術(shù)。

（二）國防顛覆性技術(shù)的定量分析

在定性遴選的基礎(chǔ)上建立國防顛覆性技術(shù)指標(biāo)評價(jià)體系，對顛覆性技術(shù)進(jìn)行量化研究。

1. 國防顛覆性技術(shù)指標(biāo)體系的構(gòu)成

國防顛覆性技術(shù)指標(biāo)體系由一級指標(biāo)、二級指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重組成。

將技術(shù)基礎(chǔ)（B）、技術(shù)范式（F）、技術(shù)性能（P）、技術(shù)應(yīng)用（S）、技術(shù)制約（R）作為顛覆性技術(shù)指標(biāo)評價(jià)體系的一級指標(biāo)。技術(shù)基礎(chǔ)指標(biāo)表征技術(shù)的投入與研發(fā)，技術(shù)范式指標(biāo)表征技術(shù)產(chǎn)生與實(shí)現(xiàn)途徑，技術(shù)性能指標(biāo)表征技術(shù)的特性，技術(shù)應(yīng)用指標(biāo)表征技術(shù)應(yīng)用的范圍和影響，技術(shù)制約指標(biāo)表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能性。若將T（technology）作為對某項(xiàng)國防顛覆性技術(shù)的評價(jià)，則初步建立T的函數(shù)并做簡化，即 T = f（B，F(xiàn)，P，S，R）。

針對5個(gè)一級指標(biāo)B，F(xiàn)，P，S，R，設(shè)立了18 個(gè)二級指標(biāo) Bi，F(xiàn)j，Pk，Sl，Rm，其中 i = 1，2，3，4，5，6；j = 1，2，3；k = 1，2，3，4，5；l = 1，2；m = 1，2。每個(gè)二級指標(biāo)均可量化打分，如表1所示。

對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，給定權(quán)重范圍。技術(shù)基礎(chǔ)指標(biāo)為宏觀層面指標(biāo)，主觀性較強(qiáng)，權(quán)重可調(diào)低；技術(shù)范式指標(biāo)權(quán)重可降低；技術(shù)性能為最核心指標(biāo)，權(quán)重可調(diào)高；技術(shù)應(yīng)用指標(biāo)是對未來情況的預(yù)測，權(quán)重可降低。最終指標(biāo)權(quán)重設(shè)置見表2。

最終對某項(xiàng)顛覆性技術(shù)一級指標(biāo)中的每項(xiàng)二級指標(biāo)逐項(xiàng)加權(quán)求和，再將5個(gè)一級指標(biāo)得分相加，構(gòu)成某項(xiàng)顛覆性技術(shù)的得分，如下：

2. 國防顛覆性技術(shù)指標(biāo)體系的驗(yàn)證

使用該指標(biāo)評價(jià)體系對發(fā)展中的12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)和5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)進(jìn)行得分計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。以驗(yàn)證指標(biāo)體系的敏感性與合理性。

12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)的得分主要分布在2～5分，腦機(jī)接口技術(shù)得分最高，為4.607分，空間攻防對抗技術(shù)得分最低，為2.537分（5分為滿分）。

5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)為海水制油技術(shù)、鋁燃燒室技術(shù)、核熱火箭技術(shù)、制導(dǎo)槍彈技術(shù)、自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。使用指標(biāo)評價(jià)體系對這5項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了得分計(jì)算，得分分別為2.68、2.93、1.87、2.06、3.05。

5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)和12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)得分如圖1所示。

“顛覆性技術(shù)”和“非顛覆性技術(shù)”得分相對集中，體現(xiàn)了指標(biāo)體系的敏感性；“顛覆性技術(shù)”得分相對較高，總體表明指標(biāo)評價(jià)體系具有一定的合理性。

當(dāng)前的12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)中得分最高的為腦機(jī)接口技術(shù)，世界各國都非常重視該技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用前景明朗且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；發(fā)展中的12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)中得分較低的空間攻防對

抗技術(shù)在“技術(shù)性能”指標(biāo)上得分偏低，影響最終得分；得分最低的高超聲速飛行器技術(shù)在“技術(shù)范式”上得分偏低，技術(shù)原理成熟較早（1938年），技術(shù)提升速度緩慢，影響最終得分。

表1 顛覆性技術(shù)指標(biāo)評價(jià)體系二級指標(biāo)

表2 指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

圖1 5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)和12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)得分

三、國防顛覆性技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前，在發(fā)展中的12項(xiàng)重大國防顛覆性技術(shù)中，量子技術(shù)、石墨烯技術(shù)、太赫茲技術(shù)、增材制造技術(shù)和高超聲速飛行器技術(shù)等在航天領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景。依據(jù)其技術(shù)特性，可分為以下三個(gè)類別。

（一）以量子技術(shù)和石墨烯技術(shù)為代表的新發(fā)現(xiàn)與新原理應(yīng)用，有望極大提升航天系統(tǒng)的性能

量子技術(shù)是基于量子理論的技術(shù)應(yīng)用，主要包括量子通信、量子計(jì)算和量子精密測量。量子通信是利用了量子力學(xué)的不確定性、不可克隆原理和糾纏態(tài)等特性，其應(yīng)用主要集中在基于量子密鑰分發(fā)的量子保密通信和量子隱形傳態(tài)等方面。當(dāng)前，基于量子密鑰分發(fā)的保密通信具有產(chǎn)業(yè)化潛力。在航天領(lǐng)域，量子通信可實(shí)現(xiàn)星地間可靠、高速地通信，成為全球保密通信體系的重要一環(huán)，即利用衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)超出中繼器工作范圍的遠(yuǎn)距離城際間的量子通信。量子計(jì)算的本質(zhì)是應(yīng)用量子力學(xué)的疊加特性，通過保持量子比特序列間的量子力學(xué)特性，并加以控制，實(shí)現(xiàn)高速并行運(yùn)算，可在特定算法上表現(xiàn)出極強(qiáng)的加速性能。雖然目前量子比特間的連通性和相干時(shí)間不足，但一旦取得突破，會(huì)為航天高性能計(jì)算提供全新方案。量子精密測量主要是將傳統(tǒng)物理原理與量子效應(yīng)相結(jié)合，對特定物理量的測量精度或靈敏度可提高3～5個(gè)數(shù)量級。例如，由陀螺儀、加速度計(jì)和采用量子技術(shù)的原子鐘構(gòu)成的量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，或可取代衛(wèi)星導(dǎo)航和傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、只有一個(gè)原子層厚度的二維材料（見圖2），兼具半導(dǎo)體和金屬屬性，其導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能最強(qiáng)，材料厚度最薄、強(qiáng)度最大，被喻為“新材料之王”。隨著制備技術(shù)和應(yīng)用研究的不斷發(fā)展，石墨烯有望取代硅材料成為下一代電子元器件的基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件。石墨烯已經(jīng)深刻地影響了鋰離子電池、太陽能電池、傳感器等與航天器材密切相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，未來或可應(yīng)用石墨烯材料制成長達(dá)數(shù)萬米的“太空電梯”纜繩。此外，石墨烯在超新型火箭、碳纖維飛行器外殼等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

（二）以太赫茲技術(shù)和增材制造技術(shù)為代表的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)航天分系統(tǒng)與部組件的跨越式進(jìn)步

太赫茲波是介于微波與紅外線之間的一段電磁波段，具有不同于其他波段電磁波的獨(dú)特特性。20世紀(jì)一直缺乏對太赫茲波有效的探測和產(chǎn)生手段，進(jìn)入21世紀(jì)，隨著太赫茲波元器件、放大器、功率器件的陸續(xù)研制，太赫茲技術(shù)將很快地從理論走向應(yīng)用。

由于波長短于微波，太赫茲雷達(dá)能探測到更小的目標(biāo)，對于當(dāng)前只在特定頻率范圍內(nèi)有效的隱身技術(shù)，也能進(jìn)行有效的反制，這給反隱形技術(shù)帶來了新的突破。就航天領(lǐng)域而言，由于太赫茲波帶寬的優(yōu)勢，以其為載體尤其適合在太空環(huán)境中進(jìn)行大數(shù)據(jù)的高速傳輸與通信。太赫茲波在太空中可無損傳輸，一方面可使衛(wèi)星之間的通信數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到25～250 GB/s，即使按照25 GB/s計(jì)算，也是目前微波帶寬的27倍；另一方面，由于太赫茲的波束較寬，容易對準(zhǔn)，利于衛(wèi)星天線分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化。

圖2 石墨烯微觀結(jié)構(gòu)圖

增材制造技術(shù)是通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實(shí)體物件的一種創(chuàng)新型制造技術(shù)，完全不同于傳統(tǒng)減材加工成形的制造理念，可徹底改變傳統(tǒng)的制造技術(shù)路線。在航天領(lǐng)域，增材制造技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。一是為實(shí)現(xiàn)航天器在軌維修提供技術(shù)手段，有望實(shí)現(xiàn)太空原位制造以及建造運(yùn)載火箭難以運(yùn)輸?shù)拇笮徒Y(jié)構(gòu)[4]。例如，可在空間站直接按需制造所需零部件，不用再依賴運(yùn)載火箭和飛船將地面預(yù)制好的零部件運(yùn)往空間站（見圖3）。未來，增材制造技術(shù)還有望成為太空原位制造的主要制造模式，可支持空間站、載人登月、載人登火星等各項(xiàng)載人航天任務(wù)。二是為運(yùn)載火箭與衛(wèi)星小型零部件的結(jié)構(gòu)制造提供新方法。例如，美國的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型火箭在研制過程中，芯級、上面級發(fā)動(dòng)機(jī)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)用了增材制造技術(shù)。早在2014年，洛克達(dá)因公司（Rocketdyne）就成功應(yīng)用增材制造技術(shù)制造了可用于立方星推進(jìn)的MPS-120模塊化推進(jìn)系統(tǒng)，并成功進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)。

（三）以高超聲速飛行器技術(shù)為代表的技術(shù)集成與創(chuàng)新，為系統(tǒng)級、任務(wù)級航天體系架構(gòu)提供全新技術(shù)途徑

高超聲速飛行器技術(shù)是飛行速度超過5倍聲速的綜合系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新，集成了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、熱防護(hù)、制導(dǎo)控制等多項(xiàng)技術(shù)。以高超聲速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或組合式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在大氣層、臨近空間和跨大氣層中實(shí)現(xiàn)高超聲速、遠(yuǎn)程飛行的飛行器，是航空航天技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。當(dāng)高超聲速飛行器技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并與航天技術(shù)結(jié)合時(shí)，人類長久以來的航空航天飛機(jī)夢將得以實(shí)現(xiàn)——即從跑道起飛，直接飛向太空。航空航天飛機(jī)能水平起降，自由進(jìn)出大氣層，可執(zhí)行低成本空天運(yùn)輸、快速響應(yīng)發(fā)射或回收衛(wèi)星、反衛(wèi)星作戰(zhàn)、偵察與監(jiān)視等多種航空航天任務(wù)，開辟了更安全、更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更快速進(jìn)入太空的新技術(shù)途徑與新方式，將為全新航天運(yùn)輸體系的構(gòu)建創(chuàng)造條件。

四、結(jié)語

航天顛覆性技術(shù)逐步經(jīng)歷了從“獨(dú)有”技術(shù)到“引領(lǐng)”技術(shù)、再到“共享”技術(shù)的三個(gè)階段，航天顛覆性技術(shù)愈發(fā)表現(xiàn)出高度交叉、融合、協(xié)同等特征。在新一輪科技革命的大背景下，各行業(yè)間技術(shù)融合的趨勢愈發(fā)明顯，其他行業(yè)的技術(shù)進(jìn)展與突破將會(huì)深刻地帶動(dòng)航天顛覆性技術(shù)的發(fā)展。航天顛覆性技術(shù)的發(fā)展可充分吸收其他行業(yè)的技術(shù)突破和科技成果。

圖3 國際太空站的宇航員展示使用增材制造技術(shù)打印出的套筒扳手

通過對以量子技術(shù)、太赫茲技術(shù)、石墨烯技術(shù)、增材制造技術(shù)、高超聲速飛行器技術(shù)為典型代表的航天顛覆性技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，航天顛覆性技術(shù)對航天領(lǐng)域的影響與推動(dòng)了涵蓋部組件、分系統(tǒng)、系統(tǒng)級等各層級；同時(shí)航天顛覆性技術(shù)集中在信息、動(dòng)力、材料制造等幾個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域，從而使得空間攻防[5]、航天運(yùn)輸、深空探測等成為未來航天領(lǐng)域取得突破的重大方向。

我國航天科技的整體水平和發(fā)展速度與航天強(qiáng)國相比還有一定的差距。因此，提高自主創(chuàng)新能力成為當(dāng)前一項(xiàng)十分迫切的戰(zhàn)略任務(wù)。航天顛覆性技術(shù)將成為航天科技創(chuàng)新發(fā)展的重要突破口，對此類技術(shù)進(jìn)行超前布局，著力攻關(guān)，也是提高航天國際競爭力，保持企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐與保障。

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Prospects for the Promotion and Application of Defense Disruptive Technology in Developing the Space Industry

Luan Enjie1, Sun Zongtan2, Li Hui2, Jia Ping2
(1. State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence, PRC, Beijing 100048, China;2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048, China)

This paper starts by making a qualitative selection of defense disruptive technologies. It considers the features of various defense disruptive technologies and establishes an index evaluation system to carry out a quantitative analysis of the major ones.Based on this, this paper identi fi es major defense disruptive technologies that can have a huge impact on the space industry. These are expected to greatly improve the ef fi ciency of the space industry, signi fi cantly reduce research cost, and lead to a considerable improvement in the current level of space technology.

disruptive technologies; space; ef fi ciency; cost

V19

A

2017-08-03；

2017-09-25

欒恩杰，中國工程院，院士，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)工程；E-mail: pepsijian@163.com

中國工程院咨詢項(xiàng)目“引發(fā)產(chǎn)業(yè)變革的重大顛覆性技術(shù)預(yù)測研究”(2016-ZD-12)

本刊網(wǎng)址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.05.013