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颠覆性技术对航天未来发展的推动与应用展望

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发布时间:2022-07-12 21:24:07>作者:{米6体育官方网站来源:m6米乐体彩

  颠覆性技术(Disruptive Technology)是一种另辟蹊径、会对已有传统或主流技术途径产生颠覆性效果的技术。从技术属性来讲,颠覆性技术可以是基于新原理的原始创新,或基于现有技术的集成创新,或是成熟技术的转移与创新应用。颠覆性技术具有重大突破,对原有技术具有替代性,具备极大应用价值,有望对相关领域发展产生深远影响。

  颠覆性技术强调的是效果,即这种技术的作用效应是颠覆性。因此,颠覆性技术不一定是全新的技术,也可能是一种新应用,只是最终实现了颠覆性的效果。

  航天领域是多学科融合集成的高科技领域,航天活动涉及材料、电子信息、制造、能源、医学等众多学科领域。这些领域出现的诸多颠覆性技术均具有航天应用潜力。

  结合颠覆性技术的一般定义,航天颠覆性技术是可极大提升航天系统效能,或大幅降低研制成本的变革性技术,将对航天产业、空间科学研究乃至军事航天领域产生重要影响的技术,具有创新性、前瞻性、突破性、影响深远性等特点。

  颠覆性技术涉及领域众多,评判标准不一。本文从颠覆性技术的定性遴选入手,旨在聚焦重大颠覆性技术;并建立指标评价体系,对重大颠覆性技术进行定量分析。以此为基础,再重点关注能在航天领域中产生巨大影响的重大颠覆性技术。

  采取情报调研、问卷调查、研讨访谈的方式,确定出当前发展中的12项重大颠覆性技术。

  通过查阅、梳理、分析国内外2009年以来各类研究报告近50篇,梳理出50项颠覆性技术;并涉及涵盖这50项技术的调查问卷,将问卷发放至各专业专家,由专家进行评判、取舍和补充;共发放问卷82份、收回问卷75份,经过分析、统计,对技术进行排序,遴选出25项技术;最后采取会议交流、专家研讨与访谈、内部研讨的方式进行技术聚焦、深度分析、综合集成,遴选出12项重大颠覆性技术。

  这12项重大颠覆性技术为:量子技术、太赫兹技术、石墨烯技术、负折射率材料技术、自主无人技术、赛博空间技术、超高含能材料技术、脑机接口技术、增材制造技术、定向能技术、空间对抗技术、高超声速飞行器技术。

  根据科技发展的历史,从中获得技术的演化规律,进而遴选出颠覆性技术并予以关注,是未来航天创新发展中值得关注的一个问题。建立颠覆性技术指标评价体系,有助于对颠覆性技术进行量化研究,为颠覆性技术的分析探索新的方法。

  将技术基础、技术范式、技术性能、技术应用、技术制约作为颠覆性技术指标评价体系的一级指标。技术基础指标B(Basement)表征技术投入与研发,技术范式指标F(Form)表征技术产生与实现途径,技术性能指标P(Performance)表征技术特性,技术应用指标S(Scale)表征技术应用范围和影响,技术制约指标R(Restrict)表征技术实现可能性。若用T(technology)作为对某项颠覆性技术的评价,则初步建立T的函数并做简化,即T=f(B,F,P,S,R)。

  针对5个一级指标B,F,P,S,R,设立了18个二级指标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,每个二级指标均可量化打分,如表1所示。

  对权重进行初步设计,给定权重范围。“技术基础”为宏观层面指标,主观性较强,权重可调低;“技术范式”指标权重降低;“技术性能”为最核心指标,权重调高;“技术应用”指标是对未来预测,权重减小。最终指标权重设置见表2。

  最终对某项颠覆性技术一级指标中每项二级指标逐项加权求和,再将5个一级指标得分相加,构成某项颠覆性技术的得分,如下:

  可使用该指标评价体系对12项重大颠覆性技术和5项典型非颠覆性技术进行得分计算。将得分计算结果进行对比。以验证指标体系的敏感性、合理性。

  5项典型非颠覆性技术为薄膜衍射成像技术、铝燃烧室技术、核热火箭技术、全光存储器技术、自适应变循环发动机技术,得分如表4所示:

  “颠覆性技术”和“非颠覆性技术”得分相对集中,体现了指标体系的敏感性;“颠覆性技术”得分相对较高,总体表明指标评价体系具有一定的合理性。

  发展中的12项重大颠覆性技术中得分最高的为“脑机接口技术”,该技术各国都非常重视,投入巨大精力,技术应用前景明朗且应用领域广泛;发展中的12项重大颠覆性技术中得分较低的“空间对抗技术”在“技术性能”指标上得分偏低,影响最终得分;得分最低的“高超声速飞行器技术”在“技术范式”上得分偏低,技术原理成熟较早(1938年),技术提升速率缓慢,影响最终得分。

  当前发展中的12项重大颠覆性技术中,量子技术、石墨烯技术、太赫兹技术、增材制造技术和高超声速飞行器技术等在航天领域具有可观的应用前景;并且依据其技术特性,可分为三个类别:

  (1)以量子和石墨烯技术为代表的新发现与新原理应用,有望极大提升系统性能

  量子通信利用光子的量子状态加载并传输信息,由于作为信息载体的单光子不可分割、量子状态不可克隆,可以实现抵御任何窃听的密钥分发,进而能保证用其加密的内容不可破译,并且通量容量大、传输速度快,是继电话和光通信后通信史上的又一次革命。量子计算利用量子态的叠加性质,可以实现计算能力的飞跃,量子计算具有经典计算不具有的并行计算能力,能够对某些重要的经典算法进行加速(图2),为解决密码分析、气象预报、药物设计、金融分析等大规模计算难题提供全新的方案。量子精密测量可以实现对重力、时间、位置等物理参数的超高灵敏度测量,大幅度提升导航、定位、资源勘探和医学检测等的准确性和精度。在航天领域,未来可实现卫星和地面之间的量子通信,作为广域量子通信体系——“量子互联网”的重要一环。即通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器连接实现城际量子网络、通过卫星中转实现远距离量子通信,最终构成广域量子通信网络。

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二位晶体(图3),兼具半导体和金属属性,是最薄也是最强韧、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,力学、电学、热学、光学性能十分突出,被喻为“新材料之王”。石墨烯有望取代硅成为下一代电子元器件的基础材料,应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件。在航天领域,未来或可应用石墨烯材料制成长达数万米的“太空电梯”缆绳。此外,石墨烯在超新型火箭、碳纤维飞行器外壳等领域也有重要应用。

  (2)以太赫兹和增材制造技术为代表的创新应用,推动分系统与部组件的跨越式进步

  太赫兹在能量上介于电子和光子之间,在众多领域具有独特优越性和巨大应用前景,被喻为第五维战场空间的“拓展者”,在军事领域可利用太赫兹成像的远距离透视能力,太赫兹雷达的高精度宽频带特点让隐身无所遁形,太赫兹通信可以开辟战术通信新领域等。在航天领域,太赫兹技术可用于空间通信,以及与重返大气层的飞行器通信。太赫兹波在外层空间可以无损耗地传输,用很小的功率实现远距离通信,而且相对于光学通信来说,波束较宽、容易对准,天线系统可以实现小型化、平面化;当飞行器重返大气层时,由于空气摩擦产生高温,飞行器周围的空气被电离形成等离子体,使通信遥测信号迅速衰减以至中断,此时,太赫兹系统是惟一有效的通信工具。

  增材制造技术是通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的一种创新型制造技术,完全不同于传统减材加工成形的制造理念,彻底改变传统的制造技术路线。在航天领域,增材制造技术已经得到应用,为实现航天器在轨维修提供技术手段,有望实现太空原位制造以及建造运载火箭难以运输的大型结构。长期以来,由于缺乏在国际空间站上按需制造零部件的能力,空间站所需的全部物品都需要在地面上预先制造好之后,依靠运载火箭和飞船送往空间站,从而消耗大量的发射时间和成本,增材制造技术的出现和快速发展为解决这些问题带来良好的契机。增材制造技术(图4)有望成为太空原位制造的主要制造模式,未来可支持空间站、载人登月、载人登火等各项载人航天任务。

  (3)以高超声速飞行器技术为代表的技术集成与创新,为系统级、任务级航天体系架构提供全新技术途径

  高超声速飞行器技术是飞行速度超过5倍声速的综合系统技术创新,集成了气动、结构、推进、热防护、制导控制等多项技术。以高超声速吸气式发动机或组合式发动机为动力,在大气层、临近空间和跨大气层中实现高超声速、远程飞行的飞行器,是航空航天技术的战略制高点。与现有航空航天器相比,具有速度快、响应能力快、突防能力高、运载能力强、研制成本低、可重复使用等优点。能实现全球范围内快速、精确打击,并且开辟了更安全、可靠、经济、快速进入太空的新技术途径与新方式。

  航天颠覆性技术在提高国家安全水平、引领科技发展、促进科学和探索等方面具有重大战略作用与意义。

  航天颠覆性技术的产生和应用不仅可以改善现有武器装备的性能,而且可能实现武器装备非连续、超常规、跨越式发展,催生一批新型作战力量,推动作战样式、战争形态变革。信息技术、动力能源技术、智能化技术、材料技术等的突破,已经对航天装备乃至作战样式等方面产生了重大影响,在增强军事实力、获取军事优势地位等方面发挥了十分重要的先导作用。

  航天颠覆性技术研究的突破需要依赖于基础学科、基础理论、基础工艺等基础研究的支持,主要军事大国特别重视对航天颠覆性技术进行超前部署,重点培育和扶持对助力航天颠覆性技术攻关的基础研究。如美国正在发起的第三次“抵消战略”,明确提出开展空间对抗、纳米卫星、增材制造技术、自主系统技术等研究。

  随着现代科学技术的发展,航天颠覆性技术的军民两用性特点进一步凸显。一方面,航天颠覆性技术突破和应用,形成新的武器装备,催生新的作战力量;另一方面,航天颠覆性技术的成果又可成为促进经济与社会发展的重要力量。

  航天科技工业是国家战略性新兴产业,是国家科技前沿技术成果研发与工程应用的集大成者,其发展的程度、质量和水平,关系到国家安全和利益的维护,关系到国计民生的福祉。航天颠覆性技术是航天科技工业需要重点布局和发展的关键领域,需要根据未来的使命和任务,审慎识别、系统研究可能影响航天运输、导弹武器等领域今后革命性发展的颠覆性技术,从而提升航天工业领域话语权,为长远发展奠定坚实的技术基础。

  纵观历史,科学技术对人类社会发展的推动力是超乎当时人们想象的,一次又一次加速人类文明的进程,太空探索就是其中的一个里程碑,航天技术也是今天人类文明的重要标志之一。

  中国作为世界航天技术领域的重要力量,更需要在未来发展的道路上加快技术创新,开发颠覆性技术成为航天事业的重要推动力。本文在分析和研究的基础上提出了一些认识,目的在于让更多的国内外学者关注颠覆性技术,为航天技术未来发展提供源源不断的推动力。

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