2015世界軍民兩用技術與產品發展特點回顧

中國航天系統科學與工程研究院 張楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟長

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2015世界軍民兩用技術與產品發展特點回顧

中國航天系統科學與工程研究院 張楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟長

2015年，在世界各國對國防工業基礎和國家工業基礎建設的大力支持下，世界軍民兩用技術與產品在多個領域取得了較為顯著的進展，其中，智能制造、可重復使用運載器、3D打印、量子科技、物聯網技術、人工智能、石墨烯材料、復合材料、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池、核能技術、深海探測裝備等方面的發展引人矚目。這些技術的突破或將變革工業生產模式及人類生活方式。

1　智能制造研究炙手可熱，新概念和新技術取得重要進展

隨著德國“工業4.0”戰略的提出和發展，全世界掀起了研究和發展智能制造的熱潮。智能制造利用現代傳感、網絡、自動控制、人工智能等技術，實現設計、制造過程和制造裝備的智能化，是制造業自動化、數字化發展的必然趨勢，現已成為21世紀先進制造業的發展方向和新工業革命的重要標志，在全球范圍內獲得了廣泛認同。2015年，世界各國均非常重視智能制造技術發展，在智能工廠、智能裝備、基礎技術研究等方面取得了諸多重要進展，顯著提升了制造業的智能化水平。

首先，各國積極推動互聯網技術在工業制造領域的應用，美國、歐洲、日本等發達國家或地區均將智能制造作為重振制造業發展的重要手段。美國能源部宣布牽頭組建智能制造創新機構，投入多達7000萬美元，針對先進傳感器、控制器、平臺和制造建模技術，支持能夠減少其部署成本達50%的研究與開發工作。美國國家標準與技術研究所（NIST）正在開發一種智能制造無線網絡試驗臺。該試驗臺將模擬各種工業設置條件，并支持在線的性能測試與試驗開發，評估NIST的無線網絡模型與仿真的實用性。歐盟宣布了“單一數字市場”戰略的優先行動領域，將發展智能工業作為其中之一，標志著歐盟將智能工業納入發展戰略。德國2015年發布了“工業4.0”自主通信標準，以及傳感器和控制設備等“專用設備”。日本緊追德國，關注互聯網在工業生產領域的應用，制定了相應的發展計劃。日本經濟產業省2015年6月發布了《2015年版制造白皮書》，其中指出，日本制造業要積極發揮信息技術的作用，建議轉型為利用大數據的“下一代”制造業。此外，日本三菱電機公司等約30家日本企業組建了聯盟，共同探討工廠互聯的技術標準，并爭取使其成為國際標準。

在智能制造技術發展方面，智能工廠、柔性工廠、機器人制造等技術發展較快。例如，德國Forcam公司開發的Forcam Force軟件將幫助制造商實現工廠透明化，并最終實現集成數字制造——智能工廠。通用電氣公司在印度建立了柔性制造工廠，可實現在同一工廠生產多種產品和零部件，利用相同的人和設備按照訂單要求迅速調整生產。美國國家航空航天局（NASA）利用機器人制造系統建造復合材料產品。德國Manz公司全新研發的模塊化裝配平臺開啟了智能制造新模式。荷蘭空中復材公司和德國西門子公司聯合在荷蘭構建了一間復合材料數字工廠——空中西門子數字工廠（實驗室）。該工廠由復合材料制造業務環境、知識中樞和體驗中心等三部分組成，將在統一環境中承擔設計、仿真、生產規劃、生產、反饋、測試，以及供應鏈管理等任務，將為復合材料制造業的數字化和自動化樹立典范。

2　完全可重復使用運載器研制取得突破性進展

美國東部時間2015年12月21日20時28分，美國太空探索技術（SpaceX）公司“獵鷹”9運載火箭升空，成功為美國軌道通信公司發射了11顆小型通信衛星。12 月22日，該“獵鷹”9運載火箭一級箭體陸上回收成功，這在人類航天史上具有重大意義，為未來完全可重復使用運載器的研制奠定了一定的基礎。完全可重復使用運載器研究涉及面廣、技術實現難度大，在一次性運載火箭基礎上實現完全可重復使用有不同的技術路線，此次SpaceX公司的一次性運載火箭子級回收是其中重要的技術路線之一。而“獵鷹”9火箭第一級地面回收的成功實現，在人類歷史上首次驗證了軌道運載火箭的可重復使用能力，而可重復使用火箭將使空間進入成本降低約兩個數量級。

3　3D打印在材料、工藝、裝備、應用、標準等方面全面發展

2015年，針對增材制造技術的發展，美國、歐盟等國家制定了發展路線圖，明確了近期的發展重點和目標，并提出了標準化發展的策略，對于實現增材制造技術的健康、有序發展具有重要作用。“美國制造”（原“美國國家增材制造創新機構”）實施了多批增材制造研究項目，通過與工業界、學術界聯合，不斷推進先進增材制造技術和工藝的創新。增材制造的數字化也成為增材制造重要的發展方向之一。而為了使增材制造等新興技術在航空、航天等領域獲得廣泛應用，降低技術風險，美國國防預先研究計劃局（DARPA）計劃開發并驗證快速鑒定技術，全面獲取、分析并控制制造過程中的變化以預測最終產品的性能，從而加深人們對材料和工藝的理解，推動3D打印技術及其它創新性概念融入主流國防制造并發揮作用。此外，德國EOS公司與MTU航空發動機公司簽署協議，合作開發用于增材制造金屬發動機零部件的質量保證技術。這些新技術一旦開發成功，將極大地推動增材制造技術在航空、航天，以及其它軍用和民用領域的應用。

在3D打印技術方面，美國企業開發出一種全新的“連續液界面生產工藝”，不僅能讓3D打印速度提高25倍～100倍，還能制造出其它方法無法獲得的結構。在3D打印材料方面，2015年，適用材料在傳統材料種類增多的基礎上，還實現了高硬度金屬基材料等新型材料的3D打印。在打印結構尺度方面，一方面，大型結構件及大型3D打印設備不斷推陳出新；另一方面，微型結構的3D打印研究如火如荼，均實現了較快的發展。在3D打印設備方面，美國Optomec公司采用模塊化設計方式，在數控機床中嵌入增材制造模塊，使之升級為增/減材復合機床，經濟、有效地實現了增、減材制造工藝的結合。普渡大學利用噴墨打印技術制造出了一種液體合金3D打印設備，能夠打印用于一切彈性材料和纖維上的柔性可伸展導體。哈佛大學研制出一種新型多材料打印頭，能混合并打印濃縮、有粘彈性的“墨水”材料，不僅能控制幾何形狀，還能在運行中改變材料成分。麻省理工學院研制出一種被稱為“多種制造系統”的新型3D打印機，能一次使用10種不同材料，打印分辨率達40μm。此外，搭載在“龍”飛船上前往國際空間站的3D打印機已經通過驗證，并打印出了多種工具，歐空局也已向太空中發射了3D打印設備。在應用方面，3D打印在軍用和民用領域均獲得了廣泛的應用，其在航天部件如立方體衛星、推進系統、火箭發動機噴嘴、導彈部件等產品，航空部件如航空發動機部件，以及醫藥、機器人、生物組織等方面的應用進一步深入，相關測試工作正在進行，驗證了3D打印在航天、航空等領域的應用潛力。

但是，隨著3D打印技術的發展，業界對于3D打印的態度也發生了些許變化，開始審視3D打印技術及其應用過程中存在的問題。這也標志著3D打印技術進入了較為理性的發展階段。

歐空局發射至國際空間站的3D打印機概念圖

4　量子科技研發熱度持續走高，我國占據國際領先地位

量子是微觀世界里不可分割的基本個體，有著諸如未知量子態不可復制、量子非定域性等不同于宏觀物理世界的奇妙特性，掌握這些特性，有望實現信息處理能力革命性的突破。

2015年，世界各國爭相開展量子技術相關研究。美國麻省理工學院和貝爾格萊德大學合作開發出一種新技術，使用單個光子成功實現了與3000個原子的糾纏，創下了迄今為止粒子糾纏數量的新紀錄。加州大學洛杉磯分校發現了使光子發生多維度糾纏的新方法。紐約城市學院生成了一種半光半物質的粒子，為研制同時具備光和物質屬性的器件增加了可能性，促進了量子計算實用平臺的開發。日本東北大學通過計算證明了“量子糾纏”形成時空的原理，為構筑涵蓋一般相對論和量子力學的終極統一理論作出了貢獻。加拿大物理學家在利用純光打造量子計算機基礎元件——邏輯門的研究工作中取得進展，成功通過單光子對其它光束施加影響。英國和日本合作，首次成功將量子隱形傳態的核心電路集成為一塊微型光學芯片，將復雜的量子光學系統縮小了1萬倍，為制造超高速量子計算機、實現超安全量子通訊鋪平了道路。中國科學院研發出了“非摧毀性的測量技術”，首次實現了單光子多自由度量子隱形傳態，同時傳送了單光子的自旋和軌道角動量兩項信息，為量子網絡技術奠定了基礎。我國與英國合作，在實驗中實現了68Gbps（世界最快）的高速量子隨機數發生器，為未來超高速量子密碼系統的量子隨機數需求提供了可行的解決方案。中科院與美國華盛頓大學合作，在國際上首次在類石墨烯單原子層半導體材料中發現了非經典單光子發射器，連接了量子光學和二維材料這兩個重要領域，打開了一條通往新型光量子器件的道路。

5　物聯網技術穩步發展，助推行業生態系統加速構建

借助傳感技術、大數據，以及云計算等技術，物聯網可顯著提高工業研發生產的效率與安全性，優化生產模式，提高經濟效益。2015年，世界物聯網技術發展穩步推進。美國英特爾公司推出全新一代物聯網平臺參考架構及相關硬件和軟件產品，在優化軟硬件性能的同時，降低了操作難度，使物聯網構建更加便捷。美國微軟公司宣布Azure物聯網套件將支持以Windows 10為基礎的物聯網終端。美國亞馬遜公司推出物聯網應用平臺AWS IoT，用于物聯網應用研發、基礎架構管理和數據分析。韓國三星公司推出了新品牌，以期統一其企業級物聯網產品及服務。英國政府表示，為了開發以物聯網技術為基礎的醫療保健和社會性應用，將投資4000萬英鎊用于示范項目、企業孵化器和研究中心等建設。日本政府成立“物聯網推進聯盟”，就物聯網技術的研發測試及先進示范項目制定計劃，將就網絡安全對策等展開討論。我國重慶郵電大學發布了全球首款433MHz/470MHz頻段工業物聯網核心芯片——CY4520。百度公司發布了自己的物聯網平臺——BaiduIoT，以期打破行業間的界限。而工業互聯網聯盟和IEEE標準協會將合作為可互操作的工業物聯網研究新型體系架構。

6　虛擬現實、類腦技術、人機交互技術等“人工智能”研發屢結碩果

2015年，以人機交互、虛擬現實、類腦技術等為重點的“人工智能”技術發展迅猛。10月，美國國家經濟委員會和國家科學與技術政策辦公室合編出爐了2015版《美國國家創新戰略》，確定了九大優先發展領域，其中含大腦計劃和高性能計算。這一年，無人駕駛汽車成為現實，語音控制系統一改笨嘴拙舌的舊面貌，變得更加智能和便捷。蘋果公司新一代Siri語音控制系統只需要輕聲說一句“Hey，Siri”就能即刻“喚醒”自動語音控制功能。谷歌公司的Google Now、亞馬遜公司的Alexa語音助手，以及微軟公司的Cortana等語音控制系統也同樣變“聰明”了。微軟公司推出了新款全息眼鏡——Hololens，佩戴者可通過手勢及語音對構建的場景對象進行實時操控，NASA將把其應用于太空探索和研究中。谷歌公司推出Cardboard V2版本虛擬現實頭盔。美國DARPA正在實施一個名為“與計算機交流”的新項目，計算機可以像人一樣交流。美國和日本合作開發出一種能模擬人腦進行自然計算的硬件平臺，未來電腦將與人類一樣聰明。美國加州大學圣地亞哥分校利用存儲式處理器研制出一種模擬人腦運作方式的新型電腦樣機。

7　石墨烯制備技術進展顯著，產業化及應用獲突破

2015年，世界石墨烯技術快速發展，美國、英國、韓國等國家在石墨烯制備和應用研究方面取得了顯著成效。規模化、產業化制備技術，以及應用研究成為研究人員關注的重點。

微軟公司推出的全息眼鏡——Hololens

在新型石墨烯材料研究方面，美、中、日科學家發現了一種五邊石墨烯，計算機模擬結果顯示，其具有超高機械強度，能耐727℃左右的高溫。美國加州大學河濱分校采用新方法，讓石墨烯在擁有磁性的同時獲得了新的電學性能，能產生新的量子現象。美國康奈爾大學將10μm厚的石墨烯裁剪、折疊、扭轉、彎曲成多種造型，為納米級柔性器件的研發提供了新思路。加拿大不列顛哥倫比亞大學通過在石墨烯中摻雜鋰離子并將其冷卻到5.9K，證明了石墨烯具有超導性，并制造出了首個超導石墨烯樣品，有望迎來石墨烯電子學和納米量子器件的新時代。俄羅斯尼古拉耶夫無機化學研究所和生物物理研究所合作，成功將石墨烯碳納米管和納米金剛石粉結合，獲得了在微弱電流刺激下可發光的復合材料，既可用于制造新型顯示屏，也可用于醫療診斷。韓國材料學家通過將氧化石墨烯噴入高溫溶劑，制成了一種類似絨球的圓形石墨烯微粒，為制造電池和超級電容器上的電極材料提供了一種簡單、通用的方法，或將提高蓄電設備的能源效率和功率密度。

在石墨烯產業化制備方面，美國橡樹嶺國家實驗室首次利用化學氣相沉積工藝制成了51mm×51mm的石墨烯片材，為實現石墨烯商業化規模生產奠定了重要的基礎。英國格拉斯哥大學發現了一種能大量生產石墨烯薄膜的新方法，據稱可使基板制造成本大幅降低到約為先前使用材料的1/100。英國牛津大學開發出了一種生產大面積高質量石墨烯薄膜的技術，據稱是現有推進石墨烯商業化應用的最快方法。西班牙AIMEN技術中心通過短激光脈沖誘導石墨烯的化學晶格發生變化，開發出了石墨烯材料的超高速激光加工新技術，使得石墨烯的大規模加工生產成為可能。

在石墨烯應用方面，英國曼徹斯特大學與BGT材料有限公司合作，用壓縮石墨烯墨水打印出了射頻天線，可應用在無線射頻識別標簽和無線傳感器上。此外，石墨烯在超級電容、鋰離子電池、電子元器件、水過濾、傳感器等方面的應用不斷取得新的進展，正在逐步走向實用。

8　復合材料在航空領域的應用備受重視，發展迅猛

2015年，世界各國大力推進復合材料的研究和發展，特別重視復合材料在航空領域的應用。2015年1月，美國總統奧巴馬宣布成立先進復合材料制造創新機構，計劃投資超過2.5億美元，致力于開發低成本、高速、高效的先進復合材料制造和循環再用工藝，確保美國在下一代復合材料領域的領先地位。復合材料在航空領域已獲得了大量的應用，在特定應用部件中，復合材料能夠替代的金屬組件已所剩不多。特別是，復合材料在商用飛機上的應用正在逐步增多。目前，空客A380、A350XWB和波音787均在開展復合材料部件生產。NASA正與5個機構合作成立一個聯盟，開發未來航空復合材料，推進復合材料研究和認證，使得飛機既保持高強度又能輕質。

在復合材料研究與開發方面，荷蘭Elsevier公司推出了復合材料拉伸、剪切、彎曲，以及沖擊性能的互動編譯平臺——Knovel樹脂基復合材料數據庫，將幫助企業替代現有的材料或在工程研究和設計過程中選擇新的復合材料，提高效率，降低測試和維護的成本，并最終提高產品性能。日本東邦Tenax有限公司推出新等級的碳纖維產品Tenaxr XMS32，其性能達到了飛機和汽車應用所需的高強度和高拉伸模量。美國空軍實驗室和PROOF研究公司正致力于開發先進的高溫聚合物基復合材料用于取代鈦合金，應用于F-135和F-110航空發動機，B-2、F-117和F-22飛機，導彈結構和第六代發動機等方面。英國威格斯公司推出一種新型單向帶和層壓板復合材料——Victrex AE250復合材料，可用于制造飛機一級和二級結構的支架、夾子、卡箍、外殼等。美國精神航空公司為聯合多用途技術驗證機計劃完成了首個貝爾直升機機身的制造，即將進行組裝，不僅縮短了制造周期，還降低了制造成本。

雖然復合材料在航空領域的應用廣受重視，并取得了突破性進展，但金屬與復合材料之爭并未結束。盡管近期認證的飛機復合材料用量很高，但是重新設計的波音777 和777X仍將采用碳纖維復合材料機翼和鋁合金機身，全復合材料的新設計被退回。包括空客A320neo和波音737MAX等在內的單通道飛機仍然大量采用鋁合金，并沒有在主承力結構中大量使用先進復合材料。日本首款國產噴氣式支線飛機MRJ的主翼由于復合材料強度不足，交付時間一拖再拖。此外，金屬供應商積極開發鋁鋰合金等新型合金，以應對與復合材料的競爭。在這種競爭中，復合材料和金屬材料相互促進，其性能都將得以大幅提升。

9　深海探測、深海工程裝備領域研究穩步推進

2015年，世界各國對海洋資源開發利用方面的研發熱度持續不減，美國海洋能源管理局設立深海科學研究計劃，加大深海考察和科研活動投入。韓國海洋科技協會宣布投資興建水下機器人研究中心，專注于水下機器人的研究和應用，進一步提高韓國在海底電纜鋪設等方面的技術能力。我國同濟大學海底觀測基地暨國家重點實驗室一期建成投用，將著力于海洋資源開發、海洋權益維護等方面的重大科學問題研究及技術創新。

深海探測及深海機器人等工程裝領域研發活動穩步進行。

在深海探測方面，俄羅斯 “羅斯”號自主潛水器在大西洋中部完成水下6000m深海下潛實驗，最高下潛深度6180m。日本將研發新型載人深潛器——“深海12000”，其將采用多種最新技術，有助于資源探測，計劃于21世紀20年代后半期完成研發，可下潛至世界最深海溝馬里亞納海溝。我國萬米級載人深潛器和著陸器——“彩虹魚”項目已完成4000m級海試，最大下潛深度4328m，其本體國產化率達到95%，計劃于2016年進行11000m馬里亞納海溝測試，有望培育千億元級規模的深海裝備產業集群。

在深海機器人等作業裝備方面，韓國海洋科學和技術研究所發布世界上最大、下潛最深的水下行走機器人——Crabster CR200，重635kg，下潛深度200m。中科院沈陽自動化研究所成功研發我國首臺具有完全自主知識產權的6000m深海水下無人無纜深潛機器人——“潛龍一號”，測試最大潛深達到5213m，單次下潛水下工作時長31h。與此同時，我國首臺自主研制的4500m級無人遙控潛水器作業系統——“海馬”號無人自主航行作業系統，以及我國最大深度海底深孔巖心鉆機“海牛”通過驗收。

10　銅銦鎵硒太陽能電池應用進展顯著，鈣鈦礦等太陽能新技術研究取得突破

目前，新興太陽能電池技術通常可分為三大類，一是銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘、硅薄膜等薄膜太陽能電池技術；二是低聚光LCPV和高聚光HCPV的聚光光伏（CPV）技術；三是第三代太陽能電池技術，包括有機光伏電池、染料敏化太陽能電池、銅鋅錫硫太陽能電池、量子點和鈣鈦礦太陽能電池等。總體來講，薄膜太陽能電池和聚光光伏技術在不久的將來即可進入商業化階段，而第三代光伏技術實現這一目標尚需時日。

2015年，世界銅銦鎵硒薄膜太陽能電池技術與產品研發，以及市場活動活躍。日本Solar Frontier公司實現了銅銦硒（CIS）模塊全球銷售量超過3GW的里程碑。美國Stion公司的系列CIGS薄膜太陽能電池模塊被批準進入迪拜市場，成為迪拜市場首批合格的長期訂貨光伏模塊。此外，其基于納米結構的CIGS薄膜太陽能電池模塊完成了228kW商業屋頂太陽能電池項目。德國柏林亥姆霍茲中心生產出了高質量超薄CIGS有源層，通過在背接觸和有源層之間加入納米顆粒陣列，提高了電池效率（達到11.1%）。美國Ascent Solar技術公司已經開始向“沉默鷹”無人機技術公司提供安裝于“沉默鷹”無人機系統機翼上的輕型、柔性CIGS薄膜光伏模塊，以滿足第一個批量生產商業訂單需求。德國Manz公司利用批量生產的CIGS薄膜太陽能電池模塊創下了轉換效率16%的新紀錄。歐洲新研究項目Sharc25將采用CIGS共蒸發技術制備薄膜太陽能電池，以獲得25%的轉換效率。

在鈣鈦礦等新型太陽能電池方面，不僅新產品研發取得了進展，在實際應用方面也進步顯著。鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從2006年的2%提高到2015年的超過20.1%，市場規模也有所擴大。澳大利亞Dyesol公司的鈣鈦礦太陽能技術實現了從實驗室到工廠的里程碑式跨越，經1000h加速測試，光電轉換效率衰減不到10%。美國布朗大學開發出了制備鈣鈦礦太陽能電池的簡化室溫工藝，制備的電池的光電轉換效率高達15.2%，在半透明100nm厚鈣鈦礦薄膜上制備的太陽能電池平均轉換效率為10.1%，適用于大規模生產。瑞士洛桑理工學院開發出了可吸收X射線和可見光的太陽能面板鈣鈦礦材料，研究表明，這種材料可以吸收X射線和空間粒子能量以轉換成電能。除鈣鈦礦太陽能電池外，量子點電池、染料敏化太陽能電池等新型電池也獲得了較快的發展。

11　美國推出多款創新型核聚變裝置設計，俄羅斯新一代核能技術取得新進展

2015年，美國在新型核聚變裝置設計方面的進展引人矚目，多款創新型核聚變裝置設計方案先后推出，有望縮短核聚變能應用預期。2015年7月，美國波音公司獲得一項高效激光點火核聚變發動機設計專利，設計原理與火箭發動機相似，推進器的一端是一個半球形腔體，強大的自由電子激光束注入腔體后，聚焦在氘氚燃料上，引起核聚變反應，釋放能量，核聚變產生的物質通過噴射口噴出，產生推力。8月，麻省理工學院發布小型磁約束聚變反應堆設計，計劃10年內建成原型裝置并發電，電功率為270MW。雖然目前媒體所報道的核聚變反應堆的設計進展十分快速、顯著，但是，尚未真正實現。

2015年，俄羅斯在鈉冷快堆及其燃料技術、VVER-TOI壓水堆等研究方面取得了突破。7月，俄羅斯國家原子能公司開發出一種“超純”鎳合金新材料，并利用這種新材料制造了首個VVER-TOI壓水堆“超強”壓力容器。9月，俄羅斯開始建造功率為150MW、全球最大的多功能快中子研究堆，其可將新材料和燃料的研究時間縮短至原來的1/2甚至1/3，用于支持新燃料、新材料開發，開展反應堆物理和熱工水力研究，開展閉合燃料循環研究，發展同輻技術應用等。4月～8月，俄羅斯先后有9個混合氮化物燃料組件裝入BN-600鈉冷快堆，進行為期3年以上的輻照測試，為鈉冷快堆及其燃料的下一步開發打下了基礎，促進了閉合燃料循環的發展，將進一步推動輕水反應堆技術發展及應用。