淺析科技創(chuàng)新和關鍵核心技術突破對裝備環(huán)境適應性高質(zhì)量發(fā)展的重要性

羅來正，王江山

（1.西南技術工程技術研究所，重慶 400039；2.軍委裝備發(fā)展部某中心，北京 100009）

裝備環(huán)境適應性是指裝備（產(chǎn)品）在其壽命期內(nèi)預計可能遇到的各種環(huán)境作用下能實現(xiàn)其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力[1]，是裝備的六大重要通用質(zhì)量特性之一。裝備服役過程中，環(huán)境對裝備的影響不僅造成巨大經(jīng)濟損失，也嚴重影響裝備的先進性、安全性、可靠性和環(huán)境適應性，影響部隊戰(zhàn)斗力生成和發(fā)揮。如美國空軍總部對沿海某基地裝備故障調(diào)查表明，約52%故障由環(huán)境因素引起[2]。裝備環(huán)境適應性已成為衡量裝備是否“好用、管用、耐用、實用”的重要指標之一，貫穿于裝備論證與設計、研制與生產(chǎn)、使用與維護等全壽命周期各個階段，特別是在工程研制階段中發(fā)揮不可替代的重要作用。

中國工程院重大咨詢項目“中國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”最新調(diào)研結果表明，2014年中國總的腐蝕損失為2.1萬億元，約占當年GDP的3.34%。美國、俄羅斯等國家非常重視裝備環(huán)境適應性技術的發(fā)展。美國國防部早在1992年就發(fā)布了《美國國防部核心技術計劃》，“環(huán)境影響”已成為該計劃11項關鍵技術的重要一項，會對裝備系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響[3]。

習近平總書記強調(diào)：關鍵核心技術是國之重器，對推動我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、保障國家安全都具有十分重要的意義，必須切實提高我國關鍵核心技術創(chuàng)新能力，把科技發(fā)展主動權牢牢掌握在自己手里，為我國發(fā)展提供有力科技保障[4]。為此，在裝備環(huán)境適應性技術發(fā)展過程中，必須牢固樹立關鍵核心技術的自主創(chuàng)新意識，努力取得重大原創(chuàng)性突破，保證裝備實戰(zhàn)適用性的重要源頭，提升裝備環(huán)境適應性在國防科技工業(yè)基礎建設和軍工核心能力建設中的重要作用，為我國裝備又好又快發(fā)展提供可靠技術支撐。

1 裝備環(huán)境適應性關鍵核心技術

1.1 自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)體系建設

自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)是裝備環(huán)境適應性研究的基礎平臺，直接反映裝備不同環(huán)境下服役過程中的環(huán)境效應。英國作為世界上最早開展自然環(huán)境試驗研究的國家，早在1839年，就認識到裝備環(huán)境適應性研究工作的重要性。為了提升裝備的環(huán)境適應性，英國先后在本土、西非、新加坡、紐約、澳大利亞等多個地域分別建立了40個大氣環(huán)境試驗站[5]。美軍為了開展裝備環(huán)境適應性試驗與評價工作，先后在本土、太平洋和大西洋沿岸等地帶建立了21個自然環(huán)境試驗與觀測站/場，可以基本滿足與裝備研制相關的所有環(huán)境類型[6]。美國阿特拉斯耐候集團（Atlas Weathering Service Group）通過自建和共建方式，先后在全球23個地域建立了全球典型氣候的環(huán)境試驗與觀測站/場，可同時為民品和軍品提供試驗服務。阿特拉斯耐候集團建立的自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)體系如圖1所示。

圖1 阿特拉斯自然環(huán)境試驗與觀測站/場Fig.1 Atlas natural environment test and observation station / site

目前，我國已經(jīng)建成了國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)和國家材料環(huán)境腐蝕野外科學觀察研究平臺，為裝備全壽命周期中環(huán)境適應性數(shù)據(jù)積累、關鍵核心技術研發(fā)、環(huán)境適應性試驗與評價等提供了基礎平臺。國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)包括萬寧站、敦煌站和漠河站等9個大氣環(huán)境試驗站和3個海水試驗站[7]；國家材料環(huán)境腐蝕野外科學觀察研究平臺由1個綜合研究中心和32個試驗站構成，試驗站分別包括7個水環(huán)境站、9個土壤環(huán)境站和16個大氣環(huán)境站，國防站網(wǎng)是其骨干力量。32個試驗站情況見表1。

表1 32個試驗站情況Tab.1 32 test stations

由上述分析得知，歐美等發(fā)達國家自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)涵蓋了全球典型氣候環(huán)境，而我國站網(wǎng)均集中于我國主要典型氣候區(qū)域。隨著我國綜合國力的提升，裝備必將走向世界各地，而世界各地自然環(huán)境條件差異較大，急需建立覆蓋面更廣的全球典型氣候區(qū)域的自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)體系，保證我國裝備全球環(huán)境下安全、可靠服役。

1.2 環(huán)境適應性數(shù)據(jù)資源建設

環(huán)境適應性數(shù)據(jù)包括環(huán)境因素數(shù)據(jù)和裝備（產(chǎn)品）環(huán)境效應數(shù)據(jù)兩大類，它反映了裝備（產(chǎn)品）在預期服役環(huán)境中的環(huán)境適應性，具有典型性、真實性和不可替代性的特征[8]。國外環(huán)境適應性研究起步很早，到目前已經(jīng)形成了環(huán)境適應性數(shù)據(jù)采集、試驗評價、標準規(guī)范建立、數(shù)據(jù)手冊、數(shù)據(jù)庫建設等數(shù)據(jù)資源成果推廣應用的成熟體系。從20世紀60年代開始，美國海軍土木工程實驗室、海軍應用科研實驗室和海軍研究實驗室，先后在全球11個海水試驗站對鋼、鋁合金、復合材料等材料進行了長達16年的環(huán)境適應性研究，并在太平洋表層海水和不同深度海水環(huán)境下，對475種合金、2萬余件樣品進行了3~36個月的環(huán)境適應性研究[9]。歐洲腐蝕聯(lián)盟于1992年分別在8個國家的11種典型環(huán)境下進行了海水環(huán)境適應性研究。國際標準化組織從1986年開始分別在全世界64種典型環(huán)境下對4種金屬材料開展了大氣環(huán)境適應性研究。日本曾與美國、英國、法國等國家一起研究了多種鋼材在不同國家的工業(yè)、農(nóng)村和海洋環(huán)境下不同朝向和角度放置的環(huán)境適應性，研究周期長達16年[10-11]。通過長期的裝備（產(chǎn)品）環(huán)境適應性數(shù)據(jù)采集與積累研究，歐美等發(fā)達國家及時分析各種環(huán)境適應性數(shù)據(jù)，并將其固化成手冊、標準和環(huán)境適應性數(shù)據(jù)庫等形式，極大發(fā)展與豐富了環(huán)境適應性數(shù)據(jù)資源。俄羅斯出版了OCT 190368《飛機和直升機金屬材料和抗腐蝕防護涂層的選擇》，美國腐蝕工程師協(xié)會早在1985年就出版了《Corrosion Data Survey》，美國海軍出版了《海水腐蝕手冊》，美國出版了MIL-HDBK-310《全球氣候極值》等，英國出版了DEF STAN00-35《國防裝備環(huán)境手冊》。同時，美國還建立了腐蝕數(shù)據(jù)中心，涵蓋了20余萬條數(shù)據(jù)、103個文摘庫和多個專家咨詢系統(tǒng)[12]，這些手冊、標準和數(shù)據(jù)庫有效地指導了裝備的選材設計。

以國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)為依托，我國從“十五”開始，對環(huán)境適應性數(shù)據(jù)資源開展了有效、連續(xù)的建設，先后采集了航空、航天、兵器、電子、船舶等裝備（產(chǎn)品）上千種材料、工藝及結構件的環(huán)境適應性數(shù)據(jù)。截止目前，積累的環(huán)境適應性數(shù)據(jù)超過10萬個[13]，初步構建了環(huán)境因素與環(huán)境效應數(shù)據(jù)庫。但與國外相比，固化成冊、公開出版的可鑒數(shù)據(jù)手冊、標準等很少，數(shù)據(jù)庫也未發(fā)揮應有的作用。

由于世界各國自然環(huán)境條件差異較大，裝備環(huán)境適應性數(shù)據(jù)無處引進、無可替代。目前由于受自然環(huán)境試驗與觀測站網(wǎng)體系的限制，建立的環(huán)境適應性數(shù)據(jù)資源均來自國內(nèi)典型氣候區(qū)域，尚無法滿足我國裝備全球化服役的需求。

1.3 環(huán)境適應性模擬加速試驗設備開發(fā)

國外從20世紀60年代開始開發(fā)環(huán)境適應性試驗設備。實驗室加速模擬試驗設備開發(fā)方面，先后開發(fā)了包括高低溫、高低濕、太陽輻射、雨、雪、沙塵暴、凍冰等大量的實驗室試驗模擬設備。利用這些試驗設備，美國建立了麥金利氣候?qū)嶒炇?，俄羅斯建立了導彈加速模擬和貯存實驗室。自然環(huán)境加速試驗設備開發(fā)方面，美國阿特拉斯耐候集團20世紀70年代研發(fā)的跟蹤太陽暴露試驗機，被廣泛應用于高分子材料自然環(huán)境加速試驗，得出了涂層材料自然環(huán)境暴露試驗14周等于自然暴露3年的結論[14]。近年來，阿特拉斯耐候集團研發(fā)了一種大型跟蹤太陽發(fā)射聚能試驗設備（見圖2），利用該設備可聚焦相當于自然光50~100倍的紫外強度。試驗表明，該裝置戶外1年接受的紫外輻照量相當于美國弗羅里達州63年的紫外輻射總量，成功解決了樣品表面溫度控制的難度[15]。這些加速試驗設備的開發(fā)，極大地縮短了裝備的研制周期，加速了裝備發(fā)展。

圖2 大型跟蹤太陽發(fā)射聚能試驗設備Fig.2 Large-scale test equipment for tracking solar emission and energy accumulation

國內(nèi)圍繞裝備（產(chǎn)品）研制、生產(chǎn)、使用急需，先后開發(fā)了一大批大氣環(huán)境試驗設備，如大氣環(huán)境綜合自然加速試驗設備[16]、氣候環(huán)境-工況耦合試驗設備[17-21]等，如圖3、4所示。盡管近年來國內(nèi)的模擬加速試驗設備發(fā)展迅猛，但在某些關鍵領域，如光老化試驗設備的燈管、反射元件、集光器等核心元件，仍然需要從國外進口。

圖3 大氣環(huán)境綜合自然加速試驗設備Fig.3 Integrated natural acceleration test equipment for atmospheric environment

圖4 氣候環(huán)境-工況耦合試驗設備Fig.4 Coupling test equipment for climate environment and working conditions

1.4 環(huán)境適應性量化評價

目前，裝備環(huán)境適應性只能進行定性評價，不能進行量化表征，導致型號論證設計、鑒定與驗收等環(huán)節(jié)無法提出具體的指標參數(shù)，環(huán)境適應性量化表征一直是困擾軍方、型號研制單位和環(huán)境試驗專業(yè)研究機構的技術難題。國內(nèi)外在環(huán)境適應性量化表征方面尚沒有明顯突破，急需形成相應的量化評價指標，量化評價步驟及標準等，滿足裝備環(huán)境適應性的論證、表示、計算、評價和考核需求，推動該專業(yè)發(fā)展。

2 科技創(chuàng)新與裝備環(huán)境適應性高質(zhì)量發(fā)展的關系

近一段時期以來，我國經(jīng)濟發(fā)展的環(huán)境發(fā)生了深度變化，需要面對美國貿(mào)易霸凌主義和國際貿(mào)易保護主義，眾多核心關鍵領域面臨“卡脖子”問題，急需提升核心技術創(chuàng)新能力，扭轉(zhuǎn)不利局面。

建立健全基礎研究創(chuàng)新體系，提升科技創(chuàng)新整體實力，開展裝備環(huán)境適應性前瞻性、基礎性創(chuàng)新研究，推動高新裝備創(chuàng)新發(fā)展。始終把原始創(chuàng)新能力擺在首位，加強基礎研究前瞻性部署，引導技術能力突出的創(chuàng)新型領軍企業(yè)加強基礎研究，堅固科技創(chuàng)新整體實力提升的基石。國家應建立健全基礎研究的長期穩(wěn)定支持機制，集中力量加大對基礎研究創(chuàng)新領域的財政穩(wěn)定支持力度，同時加強對科研院所創(chuàng)新能力建設的投入，為從事基礎研究的科研人員有效提供“一輩子只干好一件事”的必要條件。裝備環(huán)境適應性發(fā)展要緊密圍繞國家戰(zhàn)略，以新時期軍事斗爭需求和高新裝備發(fā)展存在的瓶頸問題為導向，以裝備環(huán)境適應性關鍵核心技術突破為首要工作，以裝備環(huán)境適應性體系自我良性發(fā)展為目標，將裝備環(huán)境適應性體系建設成更高水平的集公益性、基礎性、創(chuàng)新性為一體的重大科研基礎設施，全面貫徹科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略，全面支撐質(zhì)量強國戰(zhàn)略，推動我國高新裝備創(chuàng)新發(fā)展，提升裝備質(zhì)量保證能力，服務國民經(jīng)濟建設和國家安全。

3 結語

當今世界正處于大變革、大發(fā)展、大調(diào)整時期，世界格局正發(fā)生深刻、復雜的變化，為保障國家建設與發(fā)展，維護國家安全，裝備走向深藍、走向全球的戰(zhàn)略需求日益緊迫，裝備使用強度及頻率日益加大，使用環(huán)境日益復雜嚴酷，裝備作戰(zhàn)適用性的問題日益凸顯。為滿足我國高新裝備創(chuàng)新發(fā)展的需求，進一步提升裝備質(zhì)量保證能力，裝備環(huán)境適應性建設一是需要拓展海外典型環(huán)境試驗站網(wǎng)；二是建立長期的環(huán)境適應性數(shù)據(jù)采集機制；三是突破環(huán)境適應性量化表征等關鍵核心技術；四是整合力量，加強核心領域核心元件的技術突破。