國(guó)外航天前沿技術(shù)最新發(fā)展淺析

韓洪濤 楊開(kāi) （北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

前沿技術(shù)在航天裝備中的應(yīng)用能夠顯著提升裝備性能，重塑現(xiàn)有的裝備研制和生產(chǎn)流程，甚至顛覆未來(lái)作戰(zhàn)形態(tài)。當(dāng)前，世界主要航天國(guó)家持續(xù)加強(qiáng)對(duì)航天前沿技術(shù)和基礎(chǔ)科技的投資和重視，積極尋求新途徑、發(fā)展新型動(dòng)力技術(shù)，探索新概念航天發(fā)射技術(shù)，發(fā)展在軌機(jī)器人等先進(jìn)空間技術(shù)，積極布局和推進(jìn)以增材制造、智能制造等為代表的先進(jìn)制造技術(shù)，同時(shí)高度重視定向能、人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展，通過(guò)制定國(guó)家戰(zhàn)略、投入大量資金、推動(dòng)項(xiàng)目研發(fā)和技術(shù)驗(yàn)證等方式，加速推進(jìn)相關(guān)技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 先進(jìn)動(dòng)力技術(shù)

美俄核動(dòng)力技術(shù)在導(dǎo)彈武器與空間裝備的應(yīng)用方面取得突破

普京在2018年聯(lián)邦會(huì)議國(guó)情咨文中展示了6種先進(jìn)武器，其中包括兩種新型核動(dòng)力武器，即“海燕”核動(dòng)力巡航導(dǎo)彈和“波塞冬”核動(dòng)力無(wú)人潛航器?！昂Ｑ唷焙藙?dòng)力導(dǎo)彈在2017年末的發(fā)射試驗(yàn)中動(dòng)力裝置達(dá)到指定功率，并于2019年1月再次成功試射，證明核動(dòng)力裝置可保證導(dǎo)彈的無(wú)限飛行射程。由于該導(dǎo)彈飛行彈道難以預(yù)測(cè)且理論上具有無(wú)限射程，一旦研制成功，美國(guó)當(dāng)前的反導(dǎo)系統(tǒng)就將形同虛設(shè)。

NASA、洛斯阿拉莫里國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和能源部多方合力研發(fā)的迷你核裂變反應(yīng)堆電源——“千瓦動(dòng)力”（Kilopower）成功完成地面測(cè)試，下一步將開(kāi)展該裝置的在軌試驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)其在太空以及地外星球上的應(yīng)用。俄羅斯克爾德什研究中心在高度模擬太空環(huán)境的地面試驗(yàn)室中，成功對(duì)兆瓦級(jí)核動(dòng)力推進(jìn)裝置的關(guān)鍵組件——冷卻系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。俄羅斯計(jì)劃2020年制造出帶有兆瓦級(jí)核能動(dòng)力裝置的空間運(yùn)輸系統(tǒng)的飛行試驗(yàn)樣機(jī)。

“千瓦動(dòng)力”裝置在月球部署示意圖

洛馬公司在美國(guó)專利商標(biāo)局為緊湊型核聚變反應(yīng)堆申請(qǐng)的三項(xiàng)專利取得進(jìn)展，計(jì)劃在2019年開(kāi)工建設(shè)原型反應(yīng)堆。英國(guó)聚變應(yīng)用系統(tǒng)公司目前正在開(kāi)發(fā)一種新型核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并正申請(qǐng)專利。

美國(guó)推進(jìn)TBCC和復(fù)合預(yù)冷組合動(dòng)力技術(shù)的地面試驗(yàn)工作

高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)可使軍用飛機(jī)和導(dǎo)彈在較短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）通過(guò)“先進(jìn)全速域發(fā)動(dòng)機(jī)”（AFRE）項(xiàng)目研發(fā)全尺寸、可重復(fù)使用的渦輪基組合循環(huán)（TBCC）推進(jìn)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行地面演示驗(yàn)證，目前已完成雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)低馬赫數(shù)模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。同時(shí)，英國(guó)公司的“佩刀”復(fù)合預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)獲得美國(guó)軍方認(rèn)可，美國(guó)空軍提出基于該發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的兩級(jí)入軌方案，DARPA隨后支持該公司在美國(guó)開(kāi)展關(guān)鍵組件預(yù)冷卻器的地面試驗(yàn)。

蘇格蘭和烏克蘭研究可消耗自身結(jié)構(gòu)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)和烏克蘭第聶伯國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研制出一款采用創(chuàng)新燃燒方式與結(jié)構(gòu)的新型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展了持續(xù)時(shí)間60s的燃燒測(cè)試，證明可實(shí)現(xiàn)消耗固體發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的節(jié)流控制。

2 新概念發(fā)射技術(shù)

美國(guó)創(chuàng)新公司發(fā)展彈射入軌技術(shù)

美國(guó)旋轉(zhuǎn)發(fā)射公司已經(jīng)針對(duì)利用彈射器將載荷送入軌道的方案開(kāi)展技術(shù)研發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)。其彈射方案是采用高速旋轉(zhuǎn)的離心分離機(jī)，通過(guò)離心分離機(jī)獲取的動(dòng)量，可以將載荷以4828km/h的速度（Ma約為4）彈射出去。這一發(fā)射方案單次發(fā)射的目標(biāo)價(jià)格為50萬(wàn)美元，將極大降低航天發(fā)射成本。

旋轉(zhuǎn)彈射入軌技術(shù)原理示意圖

俄羅斯、瑞士研究通過(guò)激光發(fā)射衛(wèi)星的方法

俄羅斯銀河公司技術(shù)總監(jiān)伊里恩透露，該公司與瑞士Dltech研究所的研究人員正在進(jìn)行激光炮發(fā)射衛(wèi)星方法的概念研究。電子炮計(jì)劃利用由瑞士Dltech研究所制造的功率300kW的激光器，然而據(jù)推斷，要推進(jìn)100kg的有效載荷，則激光器的功率至少應(yīng)為40MW，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也正在對(duì)此進(jìn)行研究。此前，美國(guó)曾開(kāi)發(fā)出將飛行器發(fā)射到30km以上高度的100kW氧化碳脈沖激光器。

韓國(guó)公司公布導(dǎo)彈電磁發(fā)射系統(tǒng)的研制計(jì)劃

韓國(guó)韓華防務(wù)系統(tǒng)公司公布面對(duì)空導(dǎo)彈電磁發(fā)射系統(tǒng)的研制計(jì)劃。該系統(tǒng)將配備脈沖電源系統(tǒng)，可以裝載不同類型導(dǎo)彈。該公司已經(jīng)成功將100kg的模型彈發(fā)射至20m的距離，并計(jì)劃在2019年將500kg的物體發(fā)射至同樣距離，遠(yuǎn)期目標(biāo)是將直徑275mm、質(zhì)量為400kg的物體（即“鐵鷹”地空導(dǎo)彈指標(biāo)）可靠地發(fā)射至20m/s的速度。

3 控制空間技術(shù)

NASA和DARPA聯(lián)合研制軍民兩用的在軌機(jī)器人

美國(guó)NASA與DARPA聯(lián)合開(kāi)展在軌機(jī)器人的研制活動(dòng)。這些機(jī)器人被稱為“在軌服務(wù)站”，它們不僅可以完成衛(wèi)星推進(jìn)劑加注和修理任務(wù)，還具備太空戰(zhàn)時(shí)破壞能力。NASA推動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)技術(shù)發(fā)展，使用在軌機(jī)器人技術(shù)的“機(jī)器人燃料加注任務(wù)第三階段”項(xiàng)目在肯尼迪航天中心完成了系列關(guān)鍵地面試驗(yàn)。

眾多太空企業(yè)加速發(fā)展在軌服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)

在政府的鼓勵(lì)下，美國(guó)私營(yíng)企業(yè)積極開(kāi)展在軌機(jī)器人的研發(fā)。美國(guó)軌道裝配公司（Orbital Assembly）提出三類空間機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，分別是“觀測(cè)機(jī)器人”、“蛙舌機(jī)器人”以及“回收機(jī)器人”，未來(lái)將用于空間設(shè)施維護(hù)和建設(shè)。軌道-ATK公司推出一款新型“任務(wù)機(jī)器人飛行器”（MRV），用于為燃料即將耗盡的靜地衛(wèi)星提供位置保持服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)5年的延壽。勞拉太空系統(tǒng)公司（SS/L）將于2021年發(fā)射機(jī)器人飛行器，為SES公司的衛(wèi)星提供在軌服務(wù)。

4 先進(jìn)制造技術(shù)

美歐推動(dòng)3D打印在新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及整箭制造上的應(yīng)用

美國(guó)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于新型“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型運(yùn)載火箭部件的制造，其芯級(jí)和上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件大量應(yīng)用選擇性激光熔化工藝。NASA在馬歇爾航天飛行中心成功對(duì)“低成本上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目下的3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行了一系列點(diǎn)火試驗(yàn)。航空噴氣-洛克達(dá)因公司在佛羅里達(dá)州西棕櫚灘成功開(kāi)展新型RL10發(fā)動(dòng)機(jī)推力室組件系列試車，該推力室組件幾乎全部采用增材制造方法。瑞典GKN航空航天公司獲得歐洲新的普羅米修斯液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的合同，并表示將采用3D打印技術(shù)來(lái)減少渦輪的零件數(shù)量。

美國(guó)初創(chuàng)航天企業(yè)相對(duì)論空間公司計(jì)劃通過(guò)3D打印技術(shù)和智能技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)小型火箭的無(wú)人制造，顛覆傳統(tǒng)的火箭制造方式。該公司正在建造一種中型運(yùn)載火箭，其中包含95%的3D打印部件。該公司表示，他們生產(chǎn)火箭的零件數(shù)量是正常情況下的1/100。例如，其發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器和燃燒室僅由3個(gè)3D打印部件組成，而這些部件傳統(tǒng)上需要近3000個(gè)部件。該公司的3D打印火箭，只需要60天的打印時(shí)間，預(yù)計(jì)能夠發(fā)射高達(dá)1225kg的有效載荷。每次發(fā)射耗資約1000萬(wàn)美元。

美國(guó)利用增材制造技術(shù)推動(dòng)高超聲速技術(shù)能力

軌道-ATK公司在德克薩斯州伯內(nèi)特的某靶場(chǎng)首次對(duì)部分3D打印的高超聲速武器戰(zhàn)斗部進(jìn)行了爆炸試驗(yàn)。該型戰(zhàn)斗部質(zhì)量約22.7kg，五分之三的部件由3D打印制造。該型戰(zhàn)斗部采用了異形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)型復(fù)雜，研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用3D打印使得制備周期比傳統(tǒng)工藝節(jié)省了至少一個(gè)半月時(shí)間。隨后，美國(guó)諾格公司也完成將裝備在美軍天對(duì)地和地對(duì)地高超聲速武器上的新型22.7kg級(jí)戰(zhàn)斗部的系列測(cè)試。

美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室（HRL）通過(guò)采用增材制造工藝，制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耐高溫且缺陷少的陶瓷基復(fù)合材料。該材料可承受1700℃高溫，強(qiáng)度達(dá)到同類材料的10倍，具有應(yīng)用于未來(lái)高超聲速飛行器的潛力，美國(guó)空軍對(duì)這種耐高溫碳氧化硅材料進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。

美國(guó)陸軍車載激光武器

5 定向能武器

美國(guó)軍方推動(dòng)定向能武器在反導(dǎo)、空戰(zhàn)、防空等領(lǐng)域的實(shí)用化

美國(guó)國(guó)防部副部長(zhǎng)邁克·格里芬稱，國(guó)防部的定向能項(xiàng)目的重要性僅次于高超聲速武器研發(fā)，在前沿武器中排第二。美國(guó)國(guó)防部將在十年內(nèi)使激光和其他定向能武器配備給一線戰(zhàn)斗人員。

美國(guó)導(dǎo)彈防御局發(fā)展無(wú)人機(jī)助推段激光反導(dǎo)技術(shù)，這類無(wú)人機(jī)將比波音747小得多，能在19.2km的高度攜帶5.7t的載荷。洛馬公司獲得價(jià)值2550萬(wàn)美元的研究合同，以繼續(xù)開(kāi)發(fā)低功率激光器演示驗(yàn)證器，其原型機(jī)預(yù)計(jì)在2023年制造出來(lái)。

美空軍提出空基激光武器分步走發(fā)展規(guī)劃，美空軍計(jì)劃在2018－2020財(cái)年開(kāi)展一系列空基激光武器的飛行試驗(yàn)，預(yù)計(jì)在2025年實(shí)現(xiàn)100kW級(jí)別高能激光器，2029年實(shí)現(xiàn)功率為300kW級(jí)別激光器。

2018年，美國(guó)陸軍在俄克拉荷馬州錫爾堡火力卓越中心舉行的機(jī)動(dòng)火力綜合演習(xí)中使用微波和激光武器攔截45架無(wú)人機(jī)。此外，美國(guó)陸軍還授予雷神公司用于中型戰(zhàn)術(shù)車輛上“高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示”（HEL TVD）項(xiàng)目合同，開(kāi)發(fā)100kW級(jí)的激光武器系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于擊落火箭、火炮、迫擊炮或小型無(wú)人機(jī)。

俄羅斯聚焦機(jī)載激光反衛(wèi)和天基激光系統(tǒng)方案探索

俄羅斯武器制造商金剛石-安泰公司已經(jīng)完成可攻擊敵方衛(wèi)星的機(jī)載激光器的研發(fā)，并持續(xù)推進(jìn)該項(xiàng)目的相關(guān)工作。該項(xiàng)目建立在蘇聯(lián)時(shí)期別里耶夫A-60機(jī)載激光武器項(xiàng)目基礎(chǔ)之上。近期，該公司已完成這種反衛(wèi)綜合設(shè)施（包括激光器以及相關(guān)地面控制裝備）的試驗(yàn)工作。目前該武器搭載在A-60機(jī)載激光實(shí)驗(yàn)室上，未來(lái)將采用一種全新的飛機(jī)來(lái)攜帶。俄羅斯技術(shù)集團(tuán)研制出在軌將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成激光的系統(tǒng)方案，計(jì)劃在2020年后投入使用此項(xiàng)技術(shù)。俄羅斯精密儀器系統(tǒng)科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體正在基于3m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡研制用于清除空間碎片的“激光炮”，同樣具有潛在的反衛(wèi)星作戰(zhàn)能力。

6 人工智能

美軍積極引領(lǐng)人工智能基礎(chǔ)核心技術(shù)的發(fā)展

DARPA啟動(dòng)引領(lǐng)第三代人工智能技術(shù)的“人工智能未來(lái)”（AI Next）計(jì)劃，旨在發(fā)展對(duì)新環(huán)境和信息做出響應(yīng)的機(jī)器，未來(lái)5年投資高達(dá)20億美元。DARPA已經(jīng)開(kāi)展多個(gè)新的人工智能研究項(xiàng)目推動(dòng)算法和學(xué)習(xí)能力的提升，例如通過(guò)“使用更少標(biāo)簽學(xué)習(xí)”減少對(duì)標(biāo)記數(shù)據(jù)的依賴程度，通過(guò)“機(jī)器常識(shí)”項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)新的學(xué)習(xí)算法和機(jī)器的常識(shí)推理能力。此外，美國(guó)空軍尋求穩(wěn)健安全的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)以加強(qiáng)抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的能力，提高機(jī)器決策的可信性。

DARPA下一代人工智能計(jì)劃

人工智能在ISR、后勤等軍事領(lǐng)域取得應(yīng)用進(jìn)展

目前，人工智能發(fā)揮其數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始在ISR信息處理方面嶄露頭角。美國(guó)國(guó)防部提出利用人工智能進(jìn)行導(dǎo)彈預(yù)警。美軍正在秘密研究使用人工智能來(lái)預(yù)測(cè)核導(dǎo)彈的發(fā)射，跟蹤和瞄準(zhǔn)朝鮮或其他國(guó)家的移動(dòng)發(fā)射車等。英國(guó)防務(wù)科技實(shí)驗(yàn)所稱，他們借助人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種新型軟件，能有效對(duì)全球雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤分析。BAE系統(tǒng)公司通過(guò)“復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境起因探析”（CONTEXT）項(xiàng)目，研究計(jì)算機(jī)模擬、算法和先進(jìn)軟件，為軍事決策者確定作戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)爭(zhēng)和沖突的起因。美國(guó)陸軍尋求利用人工智能提升戰(zhàn)車后勤維護(hù)能力，以簡(jiǎn)化后勤流程和補(bǔ)給力量。

美俄致力于空中和空間無(wú)人集群的協(xié)同組網(wǎng)管理研究

美軍多項(xiàng)空中編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力研究項(xiàng)目取得重要進(jìn)展。DARPA“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目進(jìn)入飛行演示階段，將完成該項(xiàng)目軟件的研發(fā)和最終的飛行演示?！绑w系集成技術(shù)和試驗(yàn)”（SoSITE）項(xiàng)目成功完成多域組網(wǎng)飛行驗(yàn)證，證明可快速將多個(gè)系統(tǒng)組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用于執(zhí)行ISR任務(wù)?！胺植际阶鲬?zhàn)管理”項(xiàng)目的多次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了作戰(zhàn)輔助決策軟件在有人無(wú)人編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)中的應(yīng)用。

俄羅斯飛行控制中心表示俄羅斯在軌衛(wèi)星群的管理引入了人工智能，嘗試建立一項(xiàng)全新的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。研究人員正在研制“類似蜂群和蟻丘的東西”，即多代理系統(tǒng)，目前正在對(duì)其進(jìn)行加工，以適應(yīng)工作規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析。

7 展望

組合動(dòng)力、核動(dòng)力等技術(shù)是未來(lái)提升導(dǎo)彈武器的動(dòng)力性能的重要方向，將帶來(lái)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)方式的變革。新概念發(fā)射技術(shù)的嘗試將推動(dòng)航天發(fā)射成本的降低，顛覆航天發(fā)射行業(yè)的發(fā)展。先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步將重塑航天裝備設(shè)計(jì)和制造流程，將在復(fù)雜、昂貴部件的制造上得到廣泛應(yīng)用。定向能武器和電磁導(dǎo)軌炮等新概念武器不斷走向?qū)嵱没?，形成新質(zhì)作戰(zhàn)能力，對(duì)航天武器作戰(zhàn)能力造成不確定的影響。人工智能未來(lái)將用于作戰(zhàn)決策和導(dǎo)彈預(yù)警，雖然有可能引入新的風(fēng)險(xiǎn)，但將帶來(lái)作戰(zhàn)體系的全面升級(jí)。無(wú)人系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)和方案的研究，將提升導(dǎo)彈武器的組網(wǎng)突防能力，提高武器裝備的作戰(zhàn)效率和協(xié)同化水平。