國外航天前沿技術最新發展淺析

韓洪濤 楊開 （北京航天長征科技信息研究所）

前沿技術在航天裝備中的應用能夠顯著提升裝備性能，重塑現有的裝備研制和生產流程，甚至顛覆未來作戰形態。當前，世界主要航天國家持續加強對航天前沿技術和基礎科技的投資和重視，積極尋求新途徑、發展新型動力技術，探索新概念航天發射技術，發展在軌機器人等先進空間技術，積極布局和推進以增材制造、智能制造等為代表的先進制造技術，同時高度重視定向能、人工智能等基礎技術發展，通過制定國家戰略、投入大量資金、推動項目研發和技術驗證等方式，加速推進相關技術在航天領域的應用。

1 先進動力技術

美俄核動力技術在導彈武器與空間裝備的應用方面取得突破

普京在2018年聯邦會議國情咨文中展示了6種先進武器，其中包括兩種新型核動力武器，即“海燕”核動力巡航導彈和“波塞冬”核動力無人潛航器。“海燕”核動力導彈在2017年末的發射試驗中動力裝置達到指定功率，并于2019年1月再次成功試射，證明核動力裝置可保證導彈的無限飛行射程。由于該導彈飛行彈道難以預測且理論上具有無限射程，一旦研制成功，美國當前的反導系統就將形同虛設。

NASA、洛斯阿拉莫里國家實驗室和能源部多方合力研發的迷你核裂變反應堆電源——“千瓦動力”（Kilopower）成功完成地面測試，下一步將開展該裝置的在軌試驗，最終實現其在太空以及地外星球上的應用。俄羅斯克爾德什研究中心在高度模擬太空環境的地面試驗室中，成功對兆瓦級核動力推進裝置的關鍵組件——冷卻系統樣機進行了測試。俄羅斯計劃2020年制造出帶有兆瓦級核能動力裝置的空間運輸系統的飛行試驗樣機。

“千瓦動力”裝置在月球部署示意圖

洛馬公司在美國專利商標局為緊湊型核聚變反應堆申請的三項專利取得進展，計劃在2019年開工建設原型反應堆。英國聚變應用系統公司目前正在開發一種新型核聚變火箭發動機，并正申請專利。

美國推進TBCC和復合預冷組合動力技術的地面試驗工作

高超聲速推進系統可使軍用飛機和導彈在較短的響應時間內進行遠距離飛行。美國國防高級研究計劃局（DARPA）通過“先進全速域發動機”（AFRE）項目研發全尺寸、可重復使用的渦輪基組合循環（TBCC）推進系統，并對該系統進行地面演示驗證，目前已完成雙模態沖壓發動機低馬赫數模態轉換試驗。同時，英國公司的“佩刀”復合預冷組合發動機技術獲得美國軍方認可，美國空軍提出基于該發動機技術的兩級入軌方案，DARPA隨后支持該公司在美國開展關鍵組件預冷卻器的地面試驗。

蘇格蘭和烏克蘭研究可消耗自身結構的固體火箭發動機

蘇格蘭格拉斯哥大學和烏克蘭第聶伯國立大學研究團隊聯合研制出一款采用創新燃燒方式與結構的新型固體火箭發動機原理樣機，并在實驗室中開展了持續時間60s的燃燒測試，證明可實現消耗固體發動機自身結構的目標，并且能夠實現對固體火箭發動機燃燒過程的節流控制。

2 新概念發射技術

美國創新公司發展彈射入軌技術

美國旋轉發射公司已經針對利用彈射器將載荷送入軌道的方案開展技術研發和驗證試驗。其彈射方案是采用高速旋轉的離心分離機，通過離心分離機獲取的動量，可以將載荷以4828km/h的速度（Ma約為4）彈射出去。這一發射方案單次發射的目標價格為50萬美元，將極大降低航天發射成本。

旋轉彈射入軌技術原理示意圖

俄羅斯、瑞士研究通過激光發射衛星的方法

俄羅斯銀河公司技術總監伊里恩透露，該公司與瑞士Dltech研究所的研究人員正在進行激光炮發射衛星方法的概念研究。電子炮計劃利用由瑞士Dltech研究所制造的功率300kW的激光器，然而據推斷，要推進100kg的有效載荷，則激光器的功率至少應為40MW，項目團隊也正在對此進行研究。此前，美國曾開發出將飛行器發射到30km以上高度的100kW氧化碳脈沖激光器。

韓國公司公布導彈電磁發射系統的研制計劃

韓國韓華防務系統公司公布面對空導彈電磁發射系統的研制計劃。該系統將配備脈沖電源系統，可以裝載不同類型導彈。該公司已經成功將100kg的模型彈發射至20m的距離，并計劃在2019年將500kg的物體發射至同樣距離，遠期目標是將直徑275mm、質量為400kg的物體（即“鐵鷹”地空導彈指標）可靠地發射至20m/s的速度。

3 控制空間技術

NASA和DARPA聯合研制軍民兩用的在軌機器人

美國NASA與DARPA聯合開展在軌機器人的研制活動。這些機器人被稱為“在軌服務站”，它們不僅可以完成衛星推進劑加注和修理任務，還具備太空戰時破壞能力。NASA推動衛星服務技術發展，使用在軌機器人技術的“機器人燃料加注任務第三階段”項目在肯尼迪航天中心完成了系列關鍵地面試驗。

眾多太空企業加速發展在軌服務機器人系統

在政府的鼓勵下，美國私營企業積極開展在軌機器人的研發。美國軌道裝配公司（Orbital Assembly）提出三類空間機器人設計方案，分別是“觀測機器人”、“蛙舌機器人”以及“回收機器人”，未來將用于空間設施維護和建設。軌道-ATK公司推出一款新型“任務機器人飛行器”（MRV），用于為燃料即將耗盡的靜地衛星提供位置保持服務，可實現長達5年的延壽。勞拉太空系統公司（SS/L）將于2021年發射機器人飛行器，為SES公司的衛星提供在軌服務。

4 先進制造技術

美歐推動3D打印在新型火箭發動機及整箭制造上的應用

美國將3D打印技術應用于新型“航天發射系統”（SLS）重型運載火箭部件的制造，其芯級和上面級發動機零部件大量應用選擇性激光熔化工藝。NASA在馬歇爾航天飛行中心成功對“低成本上面級發動機”項目下的3D打印火箭發動機燃燒室進行了一系列點火試驗。航空噴氣-洛克達因公司在佛羅里達州西棕櫚灘成功開展新型RL10發動機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動機渦輪的合同，并表示將采用3D打印技術來減少渦輪的零件數量。

美國初創航天企業相對論空間公司計劃通過3D打印技術和智能技術的結合實現小型火箭的無人制造，顛覆傳統的火箭制造方式。該公司正在建造一種中型運載火箭，其中包含95%的3D打印部件。該公司表示，他們生產火箭的零件數量是正常情況下的1/100。例如，其發動機噴注器和燃燒室僅由3個3D打印部件組成，而這些部件傳統上需要近3000個部件。該公司的3D打印火箭，只需要60天的打印時間，預計能夠發射高達1225kg的有效載荷。每次發射耗資約1000萬美元。

美國利用增材制造技術推動高超聲速技術能力

軌道-ATK公司在德克薩斯州伯內特的某靶場首次對部分3D打印的高超聲速武器戰斗部進行了爆炸試驗。該型戰斗部質量約22.7kg，五分之三的部件由3D打印制造。該型戰斗部采用了異形結構，結構構型復雜，研發團隊利用3D打印使得制備周期比傳統工藝節省了至少一個半月時間。隨后，美國諾格公司也完成將裝備在美軍天對地和地對地高超聲速武器上的新型22.7kg級戰斗部的系列測試。

美國休斯研究實驗室（HRL）通過采用增材制造工藝，制造出結構復雜、耐高溫且缺陷少的陶瓷基復合材料。該材料可承受1700℃高溫，強度達到同類材料的10倍，具有應用于未來高超聲速飛行器的潛力，美國空軍對這種耐高溫碳氧化硅材料進行了風洞試驗。

美國陸軍車載激光武器

5 定向能武器

美國軍方推動定向能武器在反導、空戰、防空等領域的實用化

美國國防部副部長邁克·格里芬稱，國防部的定向能項目的重要性僅次于高超聲速武器研發，在前沿武器中排第二。美國國防部將在十年內使激光和其他定向能武器配備給一線戰斗人員。

美國導彈防御局發展無人機助推段激光反導技術，這類無人機將比波音747小得多，能在19.2km的高度攜帶5.7t的載荷。洛馬公司獲得價值2550萬美元的研究合同，以繼續開發低功率激光器演示驗證器，其原型機預計在2023年制造出來。

美空軍提出空基激光武器分步走發展規劃，美空軍計劃在2018－2020財年開展一系列空基激光武器的飛行試驗，預計在2025年實現100kW級別高能激光器，2029年實現功率為300kW級別激光器。

2018年，美國陸軍在俄克拉荷馬州錫爾堡火力卓越中心舉行的機動火力綜合演習中使用微波和激光武器攔截45架無人機。此外，美國陸軍還授予雷神公司用于中型戰術車輛上“高能激光戰術車輛演示”（HEL TVD）項目合同，開發100kW級的激光武器系統。該系統用于擊落火箭、火炮、迫擊炮或小型無人機。

俄羅斯聚焦機載激光反衛和天基激光系統方案探索

俄羅斯武器制造商金剛石-安泰公司已經完成可攻擊敵方衛星的機載激光器的研發，并持續推進該項目的相關工作。該項目建立在蘇聯時期別里耶夫A-60機載激光武器項目基礎之上。近期，該公司已完成這種反衛綜合設施（包括激光器以及相關地面控制裝備）的試驗工作。目前該武器搭載在A-60機載激光實驗室上，未來將采用一種全新的飛機來攜帶。俄羅斯技術集團研制出在軌將太陽能轉化成激光的系統方案，計劃在2020年后投入使用此項技術。俄羅斯精密儀器系統科學生產聯合體正在基于3m光學望遠鏡研制用于清除空間碎片的“激光炮”，同樣具有潛在的反衛星作戰能力。

6 人工智能

美軍積極引領人工智能基礎核心技術的發展

DARPA啟動引領第三代人工智能技術的“人工智能未來”（AI Next）計劃，旨在發展對新環境和信息做出響應的機器，未來5年投資高達20億美元。DARPA已經開展多個新的人工智能研究項目推動算法和學習能力的提升，例如通過“使用更少標簽學習”減少對標記數據的依賴程度，通過“機器常識”項目，開發新的學習算法和機器的常識推理能力。此外，美國空軍尋求穩健安全的機器學習技術以加強抵御網絡攻擊的能力，提高機器決策的可信性。

DARPA下一代人工智能計劃

人工智能在ISR、后勤等軍事領域取得應用進展

目前，人工智能發揮其數據處理的優勢，開始在ISR信息處理方面嶄露頭角。美國國防部提出利用人工智能進行導彈預警。美軍正在秘密研究使用人工智能來預測核導彈的發射，跟蹤和瞄準朝鮮或其他國家的移動發射車等。英國防務科技實驗所稱，他們借助人工智能技術開發出一種新型軟件，能有效對全球雷達系統進行跟蹤分析。BAE系統公司通過“復雜作戰環境起因探析”（CONTEXT）項目，研究計算機模擬、算法和先進軟件，為軍事決策者確定作戰環境下戰爭和沖突的起因。美國陸軍尋求利用人工智能提升戰車后勤維護能力，以簡化后勤流程和補給力量。

美俄致力于空中和空間無人集群的協同組網管理研究

美軍多項空中編隊協同作戰能力研究項目取得重要進展。DARPA“拒止環境中協同作戰”（CODE）項目進入飛行演示階段，將完成該項目軟件的研發和最終的飛行演示。“體系集成技術和試驗”（SoSITE）項目成功完成多域組網飛行驗證，證明可快速將多個系統組成一個網絡，用于執行ISR任務。“分布式作戰管理”項目的多次飛行試驗驗證了作戰輔助決策軟件在有人無人編隊協同作戰中的應用。

俄羅斯飛行控制中心表示俄羅斯在軌衛星群的管理引入了人工智能，嘗試建立一項全新的數字生態系統。研究人員正在研制“類似蜂群和蟻丘的東西”，即多代理系統，目前正在對其進行加工，以適應工作規劃和數據分析。

7 展望

組合動力、核動力等技術是未來提升導彈武器的動力性能的重要方向，將帶來導彈武器作戰方式的變革。新概念發射技術的嘗試將推動航天發射成本的降低，顛覆航天發射行業的發展。先進制造技術的進步將重塑航天裝備設計和制造流程，將在復雜、昂貴部件的制造上得到廣泛應用。定向能武器和電磁導軌炮等新概念武器不斷走向實用化，形成新質作戰能力，對航天武器作戰能力造成不確定的影響。人工智能未來將用于作戰決策和導彈預警，雖然有可能引入新的風險，但將帶來作戰體系的全面升級。無人系統組網協同作戰技術和方案的研究，將提升導彈武器的組網突防能力，提高武器裝備的作戰效率和協同化水平。