基于專利分析的空間充氣展開技術創(chuàng)新趨勢研究

于曉樂,張逸群,譚惠豐

(1.中國空間技術研究院西安分院,西安710100；2.西安電子科技大學電子裝備結構教育部重點實驗室,西安710071；3.哈爾濱工業(yè)大學復合材料與結構研究所,哈爾濱150001)

1 引言

為了滿足多種航天任務的需求,越來越多的航天工程中將會應用到大型空間結構。例如,隨著通信衛(wèi)星待處理信息量的不斷增大以及衛(wèi)星移動用戶終端不斷輕質化與便攜化的發(fā)展趨勢,必須增大衛(wèi)星天線口徑來提高其傳輸帶寬與信號增益,導致未來空間天線的展開口徑將向百米量級發(fā)展。同時,未來空間太陽能電站等系統(tǒng)面對運載尺寸的限制,也必須在發(fā)射前進行折疊、收攏,入軌后再展開,方能實現(xiàn)預定功能[1]。

充氣展開技術是空間結構展開的一種重要手段[2]?？臻g充氣展開結構由柔性薄膜材料制成,入軌之后通過充氣的方式使這一薄膜結構展開,達到預先設定的形狀并實現(xiàn)其基本功能。除了重量輕、結構簡單、成本低等優(yōu)點之外,充氣展開技術能夠實現(xiàn)優(yōu)于其它展開方式的收納比[3],因此國內(nèi)外學者針對這項技術在星載天線[4-6]、載人空間站[7-10]、空間飛行器減速與著陸[11-14]、空間太陽能電站[15]、太陽帆[16]等領域中的應用開展了深入研究。

專利是科學發(fā)現(xiàn)的重要載體,很多專利信息從未或不再在其他出版物發(fā)表。通過對專利信息的深入分析,有助于研究者掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢和技術發(fā)展趨勢,并對產(chǎn)業(yè)和技術的未來發(fā)展進行預判[17-19]。關富玲[20]等采用文獻分析等方法對空間充氣展開技術的創(chuàng)新趨勢和關鍵技術進行了分析,但國內(nèi)外尚無通過專利分析方法對這項技術的創(chuàng)新趨勢進行研究的報道。因此本文從專利信息出發(fā),對空間充氣展開技術的專利申請年度分布、地域分布、核心申請人和主要應用方向進行分析,以期為我國研究機構和政府的研發(fā)投入提供對策和建議。

2 數(shù)據(jù)來源

采用充氣(inflatable、inflation、inflated)等關鍵詞與航天、宇航、衛(wèi)星、星載、空間站、空間飛行器(aerospace、 spacecraft、 space-borne、satellite、space station、spaceflight)等關鍵詞進行了組合,并結合B64G、H01Q等重點分類號設計了檢索式,利用incoPat商業(yè)專利數(shù)據(jù)庫[21]和中國國家知識產(chǎn)權局專利檢索及分析系統(tǒng)[22]完成了專利信息檢索。

截至2017年12月31日,在全球范圍內(nèi)檢索出542件相關專利,同族合并(該概念詳見文獻[23])后得到388項。由于專利自申請之日起18個月后自行公布,因此2016年和2017年的申請數(shù)量僅供參考。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 年度申請趨勢

依據(jù)申請年度對388項專利進行了分析,總結出空間充氣展開技術的誕生期、低谷期、復蘇期和發(fā)展期等4個階段,如圖1所示。

圖1 專利年度申請趨勢Fig.1 Annual distribution of patent application

1959～1968年為該技術的誕生期,36項專利中的35項源于美國政府機構和企業(yè),其中包括空間充氣展開技術的首項專利—“Self Supporting Space Vehicle(US2996212)”[24]。在這十年間美國宇航局[25]、固特異宇航公司[26]、貝爾實驗室[27]等機構攻克了被動式充氣展開通信衛(wèi)星所需的材料、保型、熱控等關鍵技術,并以專利的形式對這些技術進行了保護。這一時期美國還針對載人空間站[28]、空間飛行器減速[29]等技術申請了基礎專利。

隨著主動通信衛(wèi)星體制的興起,充氣展開技術的專利申請迎來了低谷期,1969～1984年的16年間僅有11項專利申請,且這11項專利主題較為分散。除了美國、德國的持續(xù)探索之外,法國企業(yè)也開始申請專利[30]。

1985～2000年間的專利申請整體呈現(xiàn)出了復蘇趨勢,各國累計申請71項專利。其特點包括：①美國、歐洲圍繞空間充氣展開天線申請了大量專利[31-32]；②美國宇航局基于運輸居住艙項目(TransHab)針對充氣式載人空間站請了基礎性專利[33]；③專利布局的分支拓展到了空間飛行器防護等領域[34]；④日本等國申請人的加入拓展了專利申請人的群體[35]。

2001年至今專利申請整體呈現(xiàn)了快速增長的態(tài)勢。在這一階段,美國宇航局因缺少資金支持取消了對TransHab計劃的投資[36],但以畢格羅公司為代表的商業(yè)航天企業(yè)獲得了美國政府的專利授權[37],開始積極進行技術開發(fā)和專利申請。從2005年開始,以哈爾濱工業(yè)大學[38]、西安電子科技大學[39]為代表的中國申請人,在十多年的時間內(nèi)使中國的專利申請量總量躍居世界第二,也推動了全球專利數(shù)量的快速發(fā)展；隨著空間碎片對飛行器安全的影響和全球能源問題的緊張,專利申請的方向進一步拓展到了空間碎片主動清除[40]、空間太陽能電站[41]等領域。

3.2 專利申請地域

各國專利局的申請量對比結果如圖2所示。美國專利及商標局(UPSTO)和中國專利局的申請量位列第一和第二位,分別達到了186件和168件；日本特許廳、世界知識產(chǎn)權組織、歐洲專利局處于第二梯隊,專利申請量在30～40件范圍內(nèi)；德國專利局、法國專利局處于第三梯隊,專利申請量均為15件；其它國家專利局的申請量均少于10件。

根據(jù)圖2中各主要專利局的申請數(shù)量,對其申請人國別進行了分析,結果見表1。美國作為航天領域的第一強國,除了對國內(nèi)市場的重視之外,還將其專利家族布局在日本、歐洲和中國；法國雖然專利數(shù)量處于第三梯隊,但空客公司(包括其前身歐洲宇航防務集團)的布局意識較為強烈,其專利在主要專利局均進行了申請；日本企業(yè)除了在本國布局之外,日本電報電話公司還以JP4141122專利為基礎在美國和歐洲進行了布局；俄羅斯企業(yè)的專利布局限于本國,顯示了其航天產(chǎn)業(yè)近年來的衰落態(tài)勢；我國的專利申請量雖然高居世界第二,但在海外的申請量為零,未來的產(chǎn)品出口中存在風險；英國和瑞士本土的研究機構具有一定的研發(fā)能力。澳大利亞、加拿大、西班牙、巴西、希臘、以色列等國家的專利局雖有專利申請,但申請人均為外國籍,其本國的研究機構并未就充氣展開技術申請專利。

圖2 各國專利局的申請分布Fig.2 Application distribution within main patent offices

表1 專利申請國別分析Table 1 Nationality analysis of assignees in different patent offices

3.3 主要申請人

圖3對主要申請人進行了排名分析。其中美國的研發(fā)機構數(shù)量最多,既包括了美國宇航局、美國空軍等政府機構,還包括了洛克希德馬丁公司、波音、哈里斯大型軍工企業(yè)和畢格羅、ILC Dover等中小型企業(yè)；中國的哈爾濱工業(yè)大學位于榜單第一,上海衛(wèi)星工程研究所、北京空間飛行器總體設計部、中國空間技術研究院都位于榜單前列；日本電報電話公司和三菱重工進入了榜單前列；歐洲則只有空客公司(含合并之前的歐洲宇航防務集團的專利申請)進入榜單前列。

圖3 主要發(fā)明人的申請數(shù)量Fig.3 Quantity of application of main assignees

哈爾濱工業(yè)大學近年來異軍突起,在空間充氣展開領域申請了114項專利,名列全球第一,專利覆蓋了天線、太陽翼等相關產(chǎn)品領域；美國宇航局累計申請了35項專利,大多屬于核心專利,具有很高的參考價值；畢格羅公司在受讓美國宇航局技術的基礎上,充分進行了專利信息的挖掘和技術開發(fā),圍繞充氣式載人空間站申請了22項專利；哈里斯公司的專利主要集中在天線領域,將充氣展開技術用于天線的支撐結構而非反射體；日本電報電話公司的專利也集中在充氣展開天線產(chǎn)品中。

3.4 專利的技術領域和創(chuàng)新趨勢

對388項專利的應用方向進行歸類和分析,以揭示其創(chuàng)新趨勢。83%的專利(322項)分布在星載天線、載人空間站、通用結構、再入與降落技術、材料工藝與測試技術、碎片防護與清除等6個應用方向,其余的66項專利則針對太陽翼、太陽能電站、太空望遠鏡、太陽帆等方向。

3.4.1 星載天線

星載天線是空間充氣展開技術專利申請最早且專利數(shù)量最多的應用方向,占到了專利總數(shù)的22%(85項)。早期專利主要圍繞著被動式通信衛(wèi)星技術,這種衛(wèi)星實質上是一種空間反射面天線,可以認為“衛(wèi)星即天線、天線即衛(wèi)星”。美國宇航局、貝爾實驗室和固特異宇航公司的專利集中在天線在軌形狀保持、高可靠性、空間碎片防護等關鍵技術中。雖然這種技術很快被有源通信衛(wèi)星淘汰,但從專利引證等信息來看,這些早期專利后來在太空望遠鏡、空間太陽能電站等領域得到了充分的繼承和挖掘,為空間充氣展開技術的進一步發(fā)展奠定了基礎,因而具有重要的意義。

在經(jīng)歷了近20年的停滯之后,空間充氣展開天線的專利中出現(xiàn)了4個分支：

第一技術分支：支撐環(huán)和反射體均為充氣展開結構。最早由美國L′garde公司[42]和瑞士Contraves公司[31]申請專利,相關產(chǎn)品通過美國宇航局的IAE實驗進行了在軌驗證。這種技術方案的問題在于難以長期保持反射體的形狀,從專利信息來看這一技術方案已經(jīng)被放棄。

第二技術分支：以充氣環(huán)作為網(wǎng)面天線的支撐結構。最早由美國Astro Aerospace公司[43]申請專利,哈里斯公司[44]、諾格公司[45]、西安電子科技大學[39]、大連理工大學[46]也在這方面開展了專利布局,以期進一步提高環(huán)形天線的收納率并降低其重量。

第三技術分支：充氣式柱面反射器,最早由雷神公司申請了專利[47]。隨著天基雷達技術的發(fā)展,這一方向越來越受到重視,國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學[48]、上海衛(wèi)星工程研究所[49]也相繼申請了專利。

第四技術分支：肋板支撐充氣式拋物面天線。哈爾濱工業(yè)大學申請了系列專利[38],未見其它申請人。

將專利文獻和非專利文獻相結合可見,由于充氣展開技術存在型面精度低的缺陷,該技術在星載天線中的應用前景尚不明朗。

3.4.2 空間站

充氣式空間站的專利數(shù)量占總數(shù)的18%(70項),是最有商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化前景的技術。美國宇航局早在1961年就申請了充氣式空間站的專利[28],多年來累計申請了14項專利,集中于艙段設計、姿態(tài)保持等關鍵技術,是充氣式空間站的奠基者。畢格羅公司依托從美國宇航局得到的技術和人力資源開始持續(xù)投入,聚焦于舷窗設計、氣閘艙等關鍵技術,申請的16項專利具有很高的價值：如 US6962310 專利“Inflatable satellite bus”[50]在充氣艙段的基礎上增加了太陽帆和姿態(tài)控制系統(tǒng),使之成為了衛(wèi)星平臺,構成了創(chuàng)世紀飛行器(Genesis)的基礎；US20140319282專利“Space station configuration”[51]提出了凈空間為180 m3且具備與空間站對接能力的太空艙,是畢格羅可拓展活動模塊(Bigelow Expandable Activity Module,簡稱BEAM)艙的技術基礎；US20150090842專利“Airlock with enlarged viewports”[52]提供了具有360°視角的舷窗,能夠給乘坐者更好的視覺感受,是其未來涉足商業(yè)航天的“利器”。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院沈陽自動化研究所、北京空間飛行器總體設計部等也針對性申請了專利。

3.4.3 通用結構

通用結構是指未提及具體應用方向或可用于多個應用方向的技術,主要涉及到管狀、環(huán)狀和桁架結構等,是充氣展開結構的技術基礎。值得關注的是,基于仿生技術的通用結構已經(jīng)成為了專利申請的熱點。例如中國科學院沈陽自動化研究所申請了“一種仿生充氣可展開結構”發(fā)明專利[53],基于蝴蝶羽化發(fā)育展開的仿生方法來實現(xiàn)充氣展開結構；中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所申請的“基于枯葉蛺蝶鱗翅的可展仿生結構”發(fā)明專利[54],能夠提高展開結構的收縮性和穩(wěn)定性。由此可見,空間充氣展開技術未來有可能與仿生技術、折紙技術等新技術、新理論融合,牽引空間充氣展開產(chǎn)品的性能提升。

3.4.4 再入與降落技術

充氣式再入與降落技術(Inflatable Reentry and Descending Technology,簡稱IRDT)可用于火星、金星等有大氣天體的探測,多年來一直是深空探測領域的研究熱點,共有38項專利申請。目前美國、俄羅斯、中國、法國和日本的專利涉及到結構設計與優(yōu)化、落點控制、燒蝕材料等關鍵技術。

3.4.5 材料、工藝與測試技術

材料、工藝和測試技術屬于技術基礎,對空間充氣展開技術的發(fā)展至關重要,共有47項相關專利。除了傳統(tǒng)的聚酰亞胺薄膜等材料之外,近年來涌現(xiàn)出的新材料包括：畢格羅公司在“Method of deploying a spacecraft shield in space”專利[55]中,提出將碳納米管用于空間飛行器的防護；通過外界的刺激可以恢復初始形狀的記憶材料(Shape Memory Material)多年來也是研究熱點,例如哈爾濱工業(yè)大學申請的“帶有輔助展開裝置的形狀記憶樹脂基復合材料充氣支撐環(huán)及其充氣展開方法”專利[56],利用了形狀記憶復合材料在加熱和冷卻兩種工況下的不同特性,解決了充氣時難以完全展開和彎折處易粘連的技術難題。

3.4.6 空間碎片防護與清除技術

隨著空間碎片和廢棄飛行器的不斷增多,空間碎片防護與清除技術近年來逐漸成為了研究熱點,共誕生相關專利26項。在碎片清除方面,哈爾濱工業(yè)大學提出了利用充氣式抓捕手來抓捕空間大尺寸非合作目標的系列專利[57],與美國Aerospace Corporation公司提出的利用充氣式手指抓住廢棄衛(wèi)星并使其變軌或再入焚燒的專利[58]具有相似特點；同濟大學、上海宇航系統(tǒng)工程研究所則提出了飛網(wǎng)式捕獲等技術方案[59-60]。在碎片防護方面,畢格羅公司提出了由多層三角形布構成的防護屏的技術[61],哈爾濱工業(yè)大學提出了在軌充氣展開并剛化以抵御空間碎片的專利組合[62]。

3.4.7 其他

應用于空間太陽能電站技術的專利共有9項,大都將充氣結構作為聚光體。值得關注的是Solaren公司[41]和美國能源部[63]申請的專利。從長遠角度出發(fā),我國作為一個能源短缺的國家,應加大對空間太陽能電站的支持力度。

應用于對空間飛行器進行推進的太陽帆中共有5項專利。由于日本已經(jīng)于2004年將對角長度為20米的太陽帆成功應用于伊卡洛斯宇宙帆船(Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun,IKAROS),因此以充氣桿作為太陽帆支撐結構在深空探測等領域的應用值得期待。

其它26項專利應用于空間飛行器熱控、抗震、燃料儲箱、級間分離裝置、遮光罩等。

4 小結

經(jīng)過對專利信息的分析可知,空間充氣展開技術近年來的專利申請量呈現(xiàn)了快速增長的態(tài)勢,預計未來仍有望保持這一趨勢。

基于專利信息的分析,對我國政府和研究機構提出以下建議：

1)從產(chǎn)品成熟度來看,空間充氣展開技術在空間站中的應用最為成熟,有望近期在商業(yè)航天領域得到推廣；從中遠期來看,充氣展開技術較為適用于型面精度要求不高的超大型空間結構,因此其在空間太陽能電站、太陽帆、空間碎片清除等前沿領域的應用值得期待。由于星載天線的型面精度要求越來越高,雖然在這一方向的專利數(shù)量最多,但應用前景不明朗。因此,我國政府宜重點支持充氣式空間站、空間太陽能電站、太陽帆、空間碎片清除等領域的技術研發(fā),研究機構也應相應的加強在這些領域的研究深度并申請高價值專利。

2)我國雖然專利申請量已經(jīng)居世界第二,但還未能實現(xiàn)量質并進,與美國專利的差距主要表現(xiàn)在核心專利少、權利要求數(shù)量少、專利維持年限短、海外布局數(shù)量為零等方面；同時,美國在空間充氣展開領域已經(jīng)從由政府機構主導發(fā)展到商業(yè)機構主導,以畢格羅公司為代表的商業(yè)航天企業(yè)已經(jīng)在受讓專利技術的基礎上進行了改進研發(fā)、提升了產(chǎn)品的技術成熟度并進行了在軌驗證,而我國民營機構在這項技術中的發(fā)明尚不活躍。因此,政府有必要引導建立產(chǎn)學研知識產(chǎn)權聯(lián)盟,加速高校和科研院所的成果轉化和企業(yè)對知識產(chǎn)權的運用。

致謝：特別感謝東方紅衛(wèi)星有限公司車曉玲博士,中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院褚鵬蛟研究員、張會庭研究員對本文的幫助。