科學衛(wèi)星引領(lǐng)顛覆性空間技術(shù)創(chuàng)新

近年來，顛覆性技術(shù)成為世界各國商業(yè)界、科技界和政府科技管理部門的高度重視的熱點。該概念最早來自于1997年哈佛大學教授克萊頓·克里斯坦森(Clayton Christensen)的著作《創(chuàng)新者的窘境》。 在書中他將技術(shù)分為兩類，一類是漸進性技術(shù)(Sustaining Technologies，或譯為持續(xù)性技術(shù))，另一類是顛覆性技術(shù)(Disruptive Technologies，或譯為破壞性技術(shù))。

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)的跨學科、跨領(lǐng)域的創(chuàng)新型應(yīng)用。顛覆式創(chuàng)新有兩大特征，一是不追求提高原有技術(shù)性能，二是進入新的技術(shù)曲線，通常更方便、更簡單、更便宜。漸進性技術(shù)往往沿原有技術(shù)路徑漸進式發(fā)展，期待不斷提高原有技術(shù)的性能指標，因此會出現(xiàn)性能過度，隨之導致技術(shù)過度復雜和造價昂貴。從產(chǎn)品角度來看，顛覆性技術(shù)往往是非主流的，剛出現(xiàn)的時候質(zhì)量較差、位于邊緣市場、面向邊緣客戶。

為了避免陷入被顛覆的境地，不少領(lǐng)域的科技管理者積極組織相關(guān)專家，希望通過文獻分析法、技術(shù)定義法、問卷調(diào)查法、場景模擬法、技術(shù)路線圖法等方法在早期識別出顛覆性技術(shù)，從而重點投入研發(fā)力量，以取得戰(zhàn)略主動。但本文認為，顛覆性技術(shù)是不能被預測和識別的，上述方法只可能對漸進性技術(shù)有效，因為如果顛覆性技術(shù)能被預測或識別，它們也就不會產(chǎn)生“意外”的顛覆性效果了。

技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)常被誤認為是純粹的技術(shù)行為，誤將技術(shù)進步看成技術(shù)創(chuàng)新的目的?，F(xiàn)代技術(shù)創(chuàng)新理論(Technical Innovation Theory)[6]的提出者約瑟夫·熊彼特(Joseph A Schumpeter)認為，創(chuàng)新是“一種新的生產(chǎn)函數(shù)的建立”，把一種從來沒有過的關(guān)于生產(chǎn)要素和生產(chǎn)條件的“新組合”引入生產(chǎn)體系[6]。因此，創(chuàng)新不是一個技術(shù)概念，創(chuàng)新不等于技術(shù)發(fā)明，創(chuàng)新也不等于技術(shù)進步，只有引入生產(chǎn)實際中的發(fā)明，并能對原有體系產(chǎn)生震蕩效應(yīng)才是創(chuàng)新。因此，需求牽引或拉動對技術(shù)創(chuàng)新具有特殊的意義和作用。需求的規(guī)模和結(jié)構(gòu)的變化，直接影響技術(shù)創(chuàng)新的速度、規(guī)模、方向、內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。顛覆性技術(shù)創(chuàng)新理論的提出者克里斯坦森也強調(diào)，技術(shù)本身無所謂顛覆性和漸進性，但是利用技術(shù)滿足不同需求的方式，才具備顛覆性。

一.空間技術(shù)面臨“創(chuàng)新者的窘境”

自1957年發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星以來，空間技術(shù)日新月異，深刻地改變著世界的面貌和人類的生活方式，但有很多空間技術(shù)面臨著“創(chuàng)新者的窘境”，即造價昂貴、過度追求性能和質(zhì)量指標、忽視客戶需求，只能沿著原有技術(shù)曲線漸進發(fā)展，隨時有被顛覆的危險。

首先，空間技術(shù)傾向于忽視市場和經(jīng)濟因素。孕育于二戰(zhàn)后期、誕生于冷戰(zhàn)初期，人類空間活動總是與國家戰(zhàn)略競爭、維護國家安全、彰顯大國地位、激發(fā)民族情感緊密聯(lián)系，因此當時美蘇等超級大國對空間項目不惜成本進行大規(guī)模投入。例如，在阿波羅計劃實施的關(guān)鍵時期的1964～1966年，美國國家航空航天局(NASA)的經(jīng)費占美國整個聯(lián)邦預算的4%、非國防機動開支的19%。

雖然因涉及國家戰(zhàn)略競爭，空間技術(shù)不能簡單地用經(jīng)濟效益來衡量，但這并不代表著任何國家和政府可以不考慮投入產(chǎn)出比和經(jīng)濟效益、社會效益。投資天然追求回報，不論國家資本還是社會資本都是一樣的。

傳統(tǒng)空間技術(shù)研發(fā)承包商為爭取更多國家訂單，更強調(diào)空間技術(shù)的國家安全特性而回避市場評價，也逐漸忽略了低端市場、非主流市場對空間技術(shù)的需求。需要說明的是，本文認為空間技術(shù)的“低端”應(yīng)理解為航天工程(抗輻射、溫度、結(jié)構(gòu)強度等)質(zhì)量等級低、技術(shù)成熟度(TRL)低，而不僅是性能指標低。

由于空間技術(shù)研發(fā)相對封閉，市場競爭不充分，空間技術(shù)從概念提出，經(jīng)過研發(fā)形成產(chǎn)品，再到客戶應(yīng)用的閉環(huán)較長，甚至不能完成鏈條的閉環(huán)。因此，通?？v向的國家客戶經(jīng)常抱怨：技術(shù)指標都達到了，但是并不是我們想要的，或者沒有我們想要的能力?？臻g技術(shù)的發(fā)展不可避免的側(cè)重于目標導向，就技術(shù)談技術(shù)，只能在原有技術(shù)路徑上不斷提高性能指標，成為名副其實的漸進性技術(shù)等。

由于航天活動面臨巨大風險，航天器及其儀器設(shè)備在軌基本不可維修，空間技術(shù)天然追求可靠、安全與成功，對失敗的容忍度很低，而不能容忍失敗是無法創(chuàng)新的。因此，航天器天然傾向于采用成熟技術(shù)，一些新奇的、質(zhì)量等級還不高的技術(shù)很難被采用，甚至沒有機會去試驗，而在它們之中，很可能就孕育著未來的顛覆性技術(shù)。

以高速發(fā)展的電子信息技術(shù)為例，航天器上的處理器性能遠低于市場上的商用產(chǎn)品，甚至落后一代到幾代。同時，空間技術(shù)產(chǎn)品常常出現(xiàn)“過設(shè)計”的情況，空間技術(shù)也因此變得更加復雜、更加昂貴。再有，由于質(zhì)量等級和成熟度的限制，商用技術(shù)、通用技術(shù)以及其他領(lǐng)域的技術(shù)，應(yīng)用到空間領(lǐng)域?qū)⒂龅椒浅４蟮恼系K，同時需要相當長的時間。

近年來，以美國為代表的航天強國，開始大力扶持和發(fā)展商業(yè)航天，這除了資金投入結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)費投入總量的要求之外，在市場經(jīng)濟下需求的強大牽引也是技術(shù)創(chuàng)新的源泉。例如，在傳統(tǒng)老牌航天企業(yè)成本居高不下且不斷增長的情況下，SpaceX經(jīng)過多次試驗失敗，目前已經(jīng)以極低價格成功實現(xiàn)了一級火箭的可回收技術(shù)，徹底顛覆了運載火箭的業(yè)態(tài)，其創(chuàng)始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)也成為全球追捧的技術(shù)創(chuàng)新英雄。顯然，可回收火箭技術(shù)不是從技術(shù)本身出發(fā)規(guī)劃出來的，而是市場與客戶對降低價格的強烈需求牽引出來，是名副其實的顛覆性技術(shù)。

當前，對航天領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)存在很多錯誤認識，往往將顛覆性技術(shù)混同于新興技術(shù)、前沿技術(shù)、高技術(shù)，甚至核心技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)等，直觀地認為技術(shù)性能上更高、更精、更準、更寬、更強、更可靠……的技術(shù)就是顛覆性技術(shù)。而實際上，顛覆性技術(shù)一定是能夠更好地滿足用戶需求的技術(shù)，這不僅包括國家安全、軍事航天任務(wù)的需求，也包括空間科學探測與科學實驗的需求。

二.科學衛(wèi)星牽引空間技術(shù)創(chuàng)新

應(yīng)用衛(wèi)星致力于服務(wù)地球上的經(jīng)濟社會發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活，因此通常“向下”觀測地球。隨著應(yīng)用衛(wèi)星成系列、成批次地部署和在軌運行，以及數(shù)十年以來的改型升級與更新?lián)Q代，相關(guān)的空間技術(shù)已日臻成熟，在技術(shù)發(fā)展上主要關(guān)注功能的延展、性能的提高、業(yè)務(wù)服務(wù)的穩(wěn)定與可靠。因此，與之相關(guān)的很多空間技術(shù)已經(jīng)成為漸進性技術(shù)。

科學衛(wèi)星是在日地空間、行星際空間乃至整個宇宙空間探測研究的物理、天文、化學及生命等自然現(xiàn)象及其規(guī)律的航天器(衛(wèi)星)?？茖W衛(wèi)星對空間技術(shù)的需求是新奇而獨特的。科學衛(wèi)星和深空探測器往往“向上”面向浩瀚的宇宙，通過探測黑洞、暗物質(zhì)、暗能量、引力波，深化對宇宙演化、生命起源、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等基本科學規(guī)律的認知；通過探索月球、火星、小行星、彗星甚至飛向太陽系邊緣等，不斷拓展人類在宇宙中的存在和活動范圍；還通過宇宙空間的特殊環(huán)境開展科學實驗，驗證基本物理規(guī)律。例如，2016年發(fā)射的我國量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號，就是利用超大尺度開展天地之間的量子力學完備性檢驗。

自從2016年2月激光干涉引力波天文臺(LIGO)實驗組宣布在地面直接觀測到了引力波之后，在空間探測低頻段引力波成為國際科學界關(guān)注的新熱點。以歐洲空間局(ESA)主導的空間引力波探測計劃-激光干涉空間天線(LISA)計劃為例，為了實現(xiàn)對低頻引力波的探測，位于等邊三角形定點上的3個航天器將在宇宙空間開展幾百萬公里的激光弱光鎖相干涉。這一目標對穩(wěn)頻鎖相的大功率激光器、激光干涉系統(tǒng)、無拖曵技術(shù)控制的高精度光學平臺、超低重力水平的慣性傳感器都提出了極高的要求，要求控制各種出引力波外的非保守力以分辨出引力波引起的皮米(10-12m)量級的極微小變化，該測量精度是當前人類測量能力的極限。上述這些需求是應(yīng)用衛(wèi)星不可能提出的，由此形成的對現(xiàn)有技術(shù)的巨大挑戰(zhàn)，必將激發(fā)技術(shù)人員不斷轉(zhuǎn)變思路，實現(xiàn)創(chuàng)新。而技術(shù)創(chuàng)新的過程，將對現(xiàn)有空間激光干涉技術(shù)、慣性傳感技術(shù)、無拖曳控制技術(shù)以及超精密加工與制造技術(shù)產(chǎn)生顛覆效應(yīng)。

除了歐洲空間局以預研多年并完成了探路者(pathfinder)在軌技術(shù)驗證的LISA計劃，我國科學家也提出了在空間探測引力波的科學衛(wèi)星計劃方案。

再以美國上世紀九十年代發(fā)射的哈勃空間望遠鏡(HST)為例，由其帶動發(fā)展起來的超精密鏡面光學加工、電荷耦合器件(CCD)成像、波前像差和熱電制冷等技術(shù)，推動了空間望遠鏡技術(shù)的革命。在哈勃空間望遠鏡之后，康普頓(Compton)伽馬射線天文臺、錢德拉(Chandra)X射線望遠鏡、XMM牛頓天文望遠鏡、雨燕(Swift)天文衛(wèi)星、斯必澤(Spizter)紅外空間望遠鏡、赫歇爾(Herschel)紅外空間天文臺、普朗克(Planck)空間天文臺、費米(Fermi)天文衛(wèi)星等空間望遠鏡先后發(fā)射并投入使用，為人類帶來了無可比擬的基礎(chǔ)科學發(fā)現(xiàn)和重大科學成果，也為近三十年的空間望遠鏡技術(shù)創(chuàng)新提供了前所未有的機遇。

科學發(fā)現(xiàn)“只有第一，沒有第二”，而且科學衛(wèi)星不會像氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等應(yīng)用衛(wèi)星那樣成批次部署，因此每一顆科學衛(wèi)星都不相同。要實現(xiàn)這些前所未有的、不重復的科學探測和實驗，不僅要采用新技術(shù)，而且必須采用全新的思路和巧妙的方案，有時候還要將某些原先與空間不相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用到科學衛(wèi)星的研發(fā)中，通過孵育(spin-in)形成新的空間技術(shù)。雖然這些技術(shù)往往在剛開始的時候達不到空間飛行的航天工程質(zhì)量等級的要求，其技術(shù)成熟度也較低，但是這正是顛覆性技術(shù)的特點，不需要因此而拒絕它。在產(chǎn)生顛覆效應(yīng)之后，“低端”的顛覆性技術(shù)就會沿著技術(shù)曲線漸進性發(fā)展，逐步提高到達到要求的質(zhì)量和成熟度等級。

科學衛(wèi)星牽引帶動的空間技術(shù)，不僅在傳統(tǒng)空間技術(shù)領(lǐng)域帶來了顛覆式效應(yīng)，而且也可以反過來，將空間技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化(spin-off)到經(jīng)濟社會發(fā)展和人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，能夠產(chǎn)生巨大“溢出效應(yīng)”。

仍以哈勃空間望遠鏡為例，其海量數(shù)天文據(jù)處理技術(shù)被私營公司改進后，應(yīng)用到了人類基因組測序研究中取得了巨大成功；其鏡面技術(shù)用來研制更加精細的集成電路芯片；磨制鏡片的工具用來磨制更加鋒利的冰刀，以幫助美國運動員在冬奧會上取得金牌；星圖(star-mapping)算法用來跟蹤定位地球上鯨鯊等瀕危動物；高靈敏度的CCD技術(shù)還用來對病人胸部組織進行更加安全和疼痛更小的活檢；哈勃空間望遠鏡的太空修復技術(shù)也開創(chuàng)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的大發(fā)展。

科學衛(wèi)星更能容忍失敗，這也是牽引顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的重要條件。承擔國防與軍事任務(wù)的衛(wèi)星，提供通信、導航、氣象預報等服務(wù)的應(yīng)用衛(wèi)星，以及載人航天飛行等，都對空間技術(shù)的可靠性、安全性、可用性有著極其苛刻的要求，而深空探測和科學衛(wèi)星則因其目標不具有直接用途，同時具有探索性和不確定性的特點，能夠在相當程度上接受故障甚至失敗。這就為新技術(shù)、技術(shù)引入科學衛(wèi)星研發(fā)提供了便利，更保留了顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的火苗。

科學衛(wèi)星因致力于基礎(chǔ)科學研究，相對比較“中性”，能夠在很大程度上向社會和公眾開放。一方面適宜對外開展國際合作，另一方面可以對內(nèi)在更廣范圍內(nèi)選擇承研單位?？茖W衛(wèi)星的開放特性有利于在市場上提供其他技術(shù)服務(wù)和產(chǎn)品的承包商，將各種商用技術(shù)、通用技術(shù)應(yīng)用到科學衛(wèi)星上，形成創(chuàng)新；同時也有利于將科學衛(wèi)星培育的技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化回到市場中，形成閉環(huán)。哈勃空間望遠鏡的技術(shù)承包商既包括加州理工學院噴射推進實驗室(JPL)、戈達德太空飛行中心(GFSC)這些國家科研機構(gòu)，也包括研究型大學諸如威斯康星大學、科羅拉多州立大學等，還有大量的私營公司和商業(yè)企業(yè)，例如博爾航空航天科技公司、柏京艾爾摩公司等。

科學衛(wèi)星牽引空間技術(shù)創(chuàng)新，也是實現(xiàn)軍民融合的理想方式。技術(shù)在得到廣泛應(yīng)用和不斷轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的演化過程中，才能形成真正的創(chuàng)新。單純地將空間技術(shù)轉(zhuǎn)化到商用市場和民用領(lǐng)域的“軍轉(zhuǎn)民”是軍民融合的初級階段，而由科學衛(wèi)星牽引帶動空間技術(shù)是高度“軍民一體化”的。例如，哈勃空間望遠鏡的主要承包商之一的洛克希德馬丁公司，同時也在為美國軍方制造KH-11鎖眼偵察衛(wèi)星，通常認為這種衛(wèi)星的形狀和主鏡大小及相關(guān)技術(shù)都與哈勃空間望遠鏡極為相似。而反過來，美國國家偵察局曾于2011年將2架偵察望遠鏡和包括一個主反射鏡及其他部件，贈予美國國家航空航天局(NASA)。NASA以這些偵查望遠鏡為基礎(chǔ)，建造探索暗能量和暗物質(zhì)、尋找系外宜居行星的科學衛(wèi)星“寬視場紅外巡天望遠鏡”(WFIRST)[17]。這體現(xiàn)了科學衛(wèi)星在促進技術(shù)要素充分流動、廣泛應(yīng)用、轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化、產(chǎn)生效果、形成創(chuàng)新這一過程中的關(guān)鍵作用。

三.我國科學衛(wèi)星發(fā)展及帶動空間技術(shù)創(chuàng)新情況

2011年以來，中科院部署空間科學先導專項，成系列地部署實施科學衛(wèi)星任務(wù)。2015～2017年系列科學衛(wèi)星成功發(fā)射，在軌運行取得的了重大科學發(fā)現(xiàn)。其中，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”、量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”等科學衛(wèi)星在Nature和Science等國際頂級學術(shù)期刊上發(fā)表，獲得了國際科學界高度評價和持續(xù)關(guān)注，極大提升了我國空間科學在國內(nèi)外的影響力。

在取得重大科學成果的同時，除了專用有效載荷技術(shù)以外，科學衛(wèi)星也帶動了傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺空間技術(shù)的創(chuàng)新。例如，暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星“悟空”設(shè)計實現(xiàn)了以有效載荷為中心的一體化的衛(wèi)星平臺，整星質(zhì)量為1 850 kg，有效載荷質(zhì)量高達1 400 kg，以高承載比、高效率、低成本的特點，顛覆了有效載荷“搭車”衛(wèi)星平臺的傳統(tǒng)空間技術(shù)；量子科學實驗衛(wèi)星“墨子”號，為了滿足天地之間進行量子科學實驗的需求，帶動了高精度捕獲跟蹤瞄準(Acquisition Tracking Pointing,ATP)技術(shù)，星地之間的光路對準精度達到了1.2 μrad。

但是，由于當前我國科學衛(wèi)星才剛剛起步，不僅科學衛(wèi)星的數(shù)量很少，規(guī)模較小，而且多為中小型衛(wèi)星，國家對科學衛(wèi)星的投入尚不到民用航天總投入的10%，缺少大型或旗艦型的空間科學衛(wèi)星計劃。因此科學衛(wèi)星對空間技術(shù)的牽引作用還不夠顯著，輻射和溢出效應(yīng)還未充分顯現(xiàn)。從直觀上，大型科學衛(wèi)星計劃的科學意義和對空間技術(shù)的顛覆和驅(qū)動，也將是巨大的。

顛覆性空間技術(shù)發(fā)展要靠需求牽引。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，我國航天事業(yè)取得了輝煌的成就，空間技術(shù)和空間應(yīng)用得到了長足的發(fā)展[25]。站在新的歷史起點上，我國空間技術(shù)跨越發(fā)展需要新的驅(qū)動力?？茖W衛(wèi)星作為我國航天器系列中新的成員，其獨特而新奇的需求，對于顛覆性空間技術(shù)創(chuàng)新具有強烈的牽引作用；科學衛(wèi)星比較能容忍失敗，為低端和非主流的顛覆性空間技術(shù)提供了孕育生長的土壤；科學衛(wèi)星所具有的天然開放的特性，也有助于技術(shù)引進和轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，有利于激活和閉環(huán)技術(shù)創(chuàng)新的鏈條，形成孕育顛覆性技術(shù)的生動環(huán)境與土壤。

當前，我國科學衛(wèi)星的數(shù)量、規(guī)模、水平和能力都與世界航天強國存在較大差距?？茖W衛(wèi)星的數(shù)量、規(guī)模還很小，投入科學衛(wèi)星的經(jīng)費也在民用航天總經(jīng)費中所占比例較低；同時，還缺少大型空間科學衛(wèi)星。近年來，包括我國在內(nèi)的多個國家都正在論證空間探測引力波的科學衛(wèi)星計劃，并已開展了核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試驗。無論對歐洲、美國還是我國來說，空間引力波探測顯然是旗艦型的大型空間科學衛(wèi)星計劃。可以預期，通過實施空間引力波探測，必將在強化我國基礎(chǔ)研究的同時，牽引大量的顛覆性空間技術(shù)創(chuàng)新。

此次?？劢箍臻g引力波探測所需的核心關(guān)鍵技術(shù)刊登了11篇文章，是相關(guān)領(lǐng)域研究人員對該項技術(shù)研究和試驗工作的進展總結(jié)，涉及慣性傳感器技術(shù)、無拖曳控制技術(shù)(檢驗質(zhì)量技術(shù)、亞微牛級推力測量系統(tǒng))、激光干涉測量技術(shù)(激光指向調(diào)控方案、全玻璃光纖耦合器)、絕對距離測量及通信技術(shù)、衛(wèi)星入軌誤差分析以及極端質(zhì)量比旋進系統(tǒng)高精度重校準引力波建模等，相信能為空間引力波測量領(lǐng)域的技術(shù)研究工作提供有益的借鑒和重要的參考。