國防顛覆性技術在航天領域的發展應用研究

欒恩杰，孫棕檀，李輝，賈平

（1. 國家國防科技工業局，北京 100048；2. 中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048）

國防顛覆性技術在航天領域的發展應用研究

欒恩杰1，孫棕檀2，李輝2，賈平2

（1. 國家國防科技工業局，北京 100048；2. 中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048）

本文從國防顛覆性技術入手，進行定性遴選，聚焦重大國防顛覆性技術并建立指標評價體系，對重大國防顛覆性技術進行定量分析。并以此為基礎，重點關注能在航天領域中產生巨大影響的重大國防顛覆性技術。這些在航天領域的顛覆性技術有望極大地提升航天系統的效能、大幅降低研制成本，推動航天技術水平的跨越式提升。

顛覆性技術；航天；效能；成本

一、顛覆性技術概述

顛覆性技術是一種另辟蹊徑、改變原有技術路線，對原有技術體系和應用系統產生顛覆性效果的技術。從技術屬性來講，顛覆性技術有三種產生途徑：一是基于新原理、新發現的原始創新；二是基于現有技術的集成創新與應用；三是科學原理與成熟技術的轉移與創新應用。

顛覆性技術強調的是效果，即這種技術的作用效應是顛覆性的。因此，顛覆性技術不一定是全新的技術，也可能是一種新應用，只是最終實現了顛覆性的效果。航天活動本身雖然具有一定的技術引領與帶動作用，但更多地是由眾多科學和技術融合而成，生物、信息、制造、能源、材料等眾多科學和技術的突破均具有航天應用潛力，需要從提升系統整體性能的角度去評價航天顛覆性技術。

結合顛覆性技術的一般定義，航天顛覆性技術定義為：可極大提升航天系統效能、或大幅降低研制成本，將對航天產業、空間科學研究乃至軍事航天領域產生重要影響的變革性技術。

二、國防顛覆性技術的定性遴選與定量分析

（一）國防顛覆性技術的定性遴選

本文采取情報調研、問卷調查、研討與訪談的方式，確定出當前發展中的12項重大國防顛覆性技術。

通過查閱、梳理、分析國內外2009年以來各類研究報告近50篇[1～3]，梳理出50項國防顛覆性技術；并設計涵蓋這50項技術的調查問卷，將問卷發放給各位專家，由專家進行評判、取舍和補充。共發放問卷82份、收回問卷75份，經過分析、統計，遴選出25項技術。最后采取會議交流、專家研討與訪談、內部研討的方式進行技術聚焦、深度分析、綜合集成，遴選出12項重大國防顛覆性技術。

這12項重大國防顛覆性技術分別為：量子技術、太赫茲技術、石墨烯技術、負折射率材料技術、無人自主技術、賽博空間技術、超高能含能材料技術、腦機接口技術、增材制造技術、定向能武器技術、空間攻防對抗技術、高超聲速飛行器技術。

（二）國防顛覆性技術的定量分析

在定性遴選的基礎上建立國防顛覆性技術指標評價體系，對顛覆性技術進行量化研究。

1. 國防顛覆性技術指標體系的構成

國防顛覆性技術指標體系由一級指標、二級指標和指標權重組成。

將技術基礎（B）、技術范式（F）、技術性能（P）、技術應用（S）、技術制約（R）作為顛覆性技術指標評價體系的一級指標。技術基礎指標表征技術的投入與研發，技術范式指標表征技術產生與實現途徑，技術性能指標表征技術的特性，技術應用指標表征技術應用的范圍和影響，技術制約指標表征技術實現的可能性。若將T（technology）作為對某項國防顛覆性技術的評價，則初步建立T的函數并做簡化，即 T = f（B，F，P，S，R）。

針對5個一級指標B，F，P，S，R，設立了18 個二級指標 Bi，Fj，Pk，Sl，Rm，其中 i = 1，2，3，4，5，6；j = 1，2，3；k = 1，2，3，4，5；l = 1，2；m = 1，2。每個二級指標均可量化打分，如表1所示。

對指標權重進行初步設計，給定權重范圍。技術基礎指標為宏觀層面指標，主觀性較強，權重可調低；技術范式指標權重可降低；技術性能為最核心指標，權重可調高；技術應用指標是對未來情況的預測，權重可降低。最終指標權重設置見表2。

最終對某項顛覆性技術一級指標中的每項二級指標逐項加權求和，再將5個一級指標得分相加，構成某項顛覆性技術的得分，如下：

2. 國防顛覆性技術指標體系的驗證

使用該指標評價體系對發展中的12項重大國防顛覆性技術和5項典型非顛覆性技術進行得分計算。將計算結果進行對比。以驗證指標體系的敏感性與合理性。

12項重大國防顛覆性技術的得分主要分布在2～5分，腦機接口技術得分最高，為4.607分，空間攻防對抗技術得分最低，為2.537分（5分為滿分）。

5項典型非顛覆性技術為海水制油技術、鋁燃燒室技術、核熱火箭技術、制導槍彈技術、自適應變循環發動機技術。使用指標評價體系對這5項技術進行了得分計算，得分分別為2.68、2.93、1.87、2.06、3.05。

5項典型非顛覆性技術和12項重大國防顛覆性技術得分如圖1所示。

“顛覆性技術”和“非顛覆性技術”得分相對集中，體現了指標體系的敏感性；“顛覆性技術”得分相對較高，總體表明指標評價體系具有一定的合理性。

當前的12項重大國防顛覆性技術中得分最高的為腦機接口技術，世界各國都非常重視該技術，技術應用前景明朗且應用領域廣泛；發展中的12項重大國防顛覆性技術中得分較低的空間攻防對

抗技術在“技術性能”指標上得分偏低，影響最終得分；得分最低的高超聲速飛行器技術在“技術范式”上得分偏低，技術原理成熟較早（1938年），技術提升速度緩慢，影響最終得分。

表1 顛覆性技術指標評價體系二級指標

表2 指標權重設置

圖1 5項典型非顛覆性技術和12項重大國防顛覆性技術得分

三、國防顛覆性技術在航天領域的應用

當前，在發展中的12項重大國防顛覆性技術中，量子技術、石墨烯技術、太赫茲技術、增材制造技術和高超聲速飛行器技術等在航天領域具有可觀的應用前景。依據其技術特性，可分為以下三個類別。

（一）以量子技術和石墨烯技術為代表的新發現與新原理應用，有望極大提升航天系統的性能

量子技術是基于量子理論的技術應用，主要包括量子通信、量子計算和量子精密測量。量子通信是利用了量子力學的不確定性、不可克隆原理和糾纏態等特性，其應用主要集中在基于量子密鑰分發的量子保密通信和量子隱形傳態等方面。當前，基于量子密鑰分發的保密通信具有產業化潛力。在航天領域，量子通信可實現星地間可靠、高速地通信，成為全球保密通信體系的重要一環，即利用衛星中轉實現超出中繼器工作范圍的遠距離城際間的量子通信。量子計算的本質是應用量子力學的疊加特性，通過保持量子比特序列間的量子力學特性，并加以控制，實現高速并行運算，可在特定算法上表現出極強的加速性能。雖然目前量子比特間的連通性和相干時間不足，但一旦取得突破，會為航天高性能計算提供全新方案。量子精密測量主要是將傳統物理原理與量子效應相結合，對特定物理量的測量精度或靈敏度可提高3～5個數量級。例如，由陀螺儀、加速度計和采用量子技術的原子鐘構成的量子慣性導航系統，或可取代衛星導航和傳統的慣性導航。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、只有一個原子層厚度的二維材料（見圖2），兼具半導體和金屬屬性，其導電與導熱性能最強，材料厚度最薄、強度最大，被喻為“新材料之王”。隨著制備技術和應用研究的不斷發展，石墨烯有望取代硅材料成為下一代電子元器件的基礎材料，應用于高性能集成電路和新型納米電子器件。石墨烯已經深刻地影響了鋰離子電池、太陽能電池、傳感器等與航天器材密切相關的技術領域，未來或可應用石墨烯材料制成長達數萬米的“太空電梯”纜繩。此外，石墨烯在超新型火箭、碳纖維飛行器外殼等領域也有重要應用。

（二）以太赫茲技術和增材制造技術為代表的創新應用，推動航天分系統與部組件的跨越式進步

太赫茲波是介于微波與紅外線之間的一段電磁波段，具有不同于其他波段電磁波的獨特特性。20世紀一直缺乏對太赫茲波有效的探測和產生手段，進入21世紀，隨著太赫茲波元器件、放大器、功率器件的陸續研制，太赫茲技術將很快地從理論走向應用。

由于波長短于微波，太赫茲雷達能探測到更小的目標，對于當前只在特定頻率范圍內有效的隱身技術，也能進行有效的反制，這給反隱形技術帶來了新的突破。就航天領域而言，由于太赫茲波帶寬的優勢，以其為載體尤其適合在太空環境中進行大數據的高速傳輸與通信。太赫茲波在太空中可無損傳輸，一方面可使衛星之間的通信數據傳輸速率可達到25～250 GB/s，即使按照25 GB/s計算，也是目前微波帶寬的27倍；另一方面，由于太赫茲的波束較寬，容易對準，利于衛星天線分系統實現小型化。

圖2 石墨烯微觀結構圖

增材制造技術是通過逐層增加材料的方式將數字模型制造成三維實體物件的一種創新型制造技術，完全不同于傳統減材加工成形的制造理念，可徹底改變傳統的制造技術路線。在航天領域，增材制造技術已經得到應用。一是為實現航天器在軌維修提供技術手段，有望實現太空原位制造以及建造運載火箭難以運輸的大型結構[4]。例如，可在空間站直接按需制造所需零部件，不用再依賴運載火箭和飛船將地面預制好的零部件運往空間站（見圖3）。未來，增材制造技術還有望成為太空原位制造的主要制造模式，可支持空間站、載人登月、載人登火星等各項載人航天任務。二是為運載火箭與衛星小型零部件的結構制造提供新方法。例如，美國的太空發射系統（SLS）重型火箭在研制過程中，芯級、上面級發動機的噴注器、渦輪泵和排氣蓋板等結構零部件的制造大量應用了增材制造技術。早在2014年，洛克達因公司（Rocketdyne）就成功應用增材制造技術制造了可用于立方星推進的MPS-120模塊化推進系統，并成功進行了點火試驗。

（三）以高超聲速飛行器技術為代表的技術集成與創新，為系統級、任務級航天體系架構提供全新技術途徑

高超聲速飛行器技術是飛行速度超過5倍聲速的綜合系統技術創新，集成了氣動、結構、推進、熱防護、制導控制等多項技術。以高超聲速吸氣式發動機或組合式發動機為動力，在大氣層、臨近空間和跨大氣層中實現高超聲速、遠程飛行的飛行器，是航空航天技術的戰略制高點。當高超聲速飛行器技術進一步發展并與航天技術結合時，人類長久以來的航空航天飛機夢將得以實現——即從跑道起飛，直接飛向太空。航空航天飛機能水平起降，自由進出大氣層，可執行低成本空天運輸、快速響應發射或回收衛星、反衛星作戰、偵察與監視等多種航空航天任務，開辟了更安全、更可靠、更經濟、更快速進入太空的新技術途徑與新方式，將為全新航天運輸體系的構建創造條件。

四、結語

航天顛覆性技術逐步經歷了從“獨有”技術到“引領”技術、再到“共享”技術的三個階段，航天顛覆性技術愈發表現出高度交叉、融合、協同等特征。在新一輪科技革命的大背景下，各行業間技術融合的趨勢愈發明顯，其他行業的技術進展與突破將會深刻地帶動航天顛覆性技術的發展。航天顛覆性技術的發展可充分吸收其他行業的技術突破和科技成果。

圖3 國際太空站的宇航員展示使用增材制造技術打印出的套筒扳手

通過對以量子技術、太赫茲技術、石墨烯技術、增材制造技術、高超聲速飛行器技術為典型代表的航天顛覆性技術的研究發現，航天顛覆性技術對航天領域的影響與推動了涵蓋部組件、分系統、系統級等各層級；同時航天顛覆性技術集中在信息、動力、材料制造等幾個重點領域，從而使得空間攻防[5]、航天運輸、深空探測等成為未來航天領域取得突破的重大方向。

我國航天科技的整體水平和發展速度與航天強國相比還有一定的差距。因此，提高自主創新能力成為當前一項十分迫切的戰略任務。航天顛覆性技術將成為航天科技創新發展的重要突破口，對此類技術進行超前布局，著力攻關，也是提高航天國際競爭力，保持企業可持續發展的重要支撐與保障。

[1] Alan R S. Keeping technology programs alive and running [R].Washington, DC: U.S. Department of Defense, 2014.

[2] United States Air Force Global Science and Technology Vision.Global horizons fi nal report [R]. Washington, DC: United States Air Force, 2013.

[3] Defense Advanced Research Projects Agency. Breakthrough technologies for national security [R]. Arlington: Defense Advanced Research Projects Agency, 2015.

[4] 賈平, 李輝, 孫棕檀. 國外3D打印技術在航天領域的應用分析[J]. 國際太空, 2015 (4): 31–34.Jia P, Li H, Sun Z T. Application and analysis of 3D printing technology abroad [J]. Space International, 2015 (4): 31–34.

[5] 陳建光, 劉海印. 美軍分散空間系統體系的最新發展 [J]. 國際太空, 2015 (12): 26–32.Chen J G, Liu H Y. Latest development in U.S. military disaggregated space architectures [J]. Space International, 2015(12): 26–32.

Prospects for the Promotion and Application of Defense Disruptive Technology in Developing the Space Industry

Luan Enjie1, Sun Zongtan2, Li Hui2, Jia Ping2
(1. State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence, PRC, Beijing 100048, China;2. China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048, China)

This paper starts by making a qualitative selection of defense disruptive technologies. It considers the features of various defense disruptive technologies and establishes an index evaluation system to carry out a quantitative analysis of the major ones.Based on this, this paper identi fi es major defense disruptive technologies that can have a huge impact on the space industry. These are expected to greatly improve the ef fi ciency of the space industry, signi fi cantly reduce research cost, and lead to a considerable improvement in the current level of space technology.

disruptive technologies; space; ef fi ciency; cost

V19

A

2017-08-03；

2017-09-25

欒恩杰，中國工程院，院士，主要研究方向為控制系統工程；E-mail: pepsijian@163.com

中國工程院咨詢項目“引發產業變革的重大顛覆性技術預測研究”(2016-ZD-12)

本刊網址：www.enginsci.cn

DOI 10.15302/J-SSCAE-2017.05.013