材料+｜顛覆性技術(shù)對(duì)航天未來(lái)發(fā)展的推動(dòng)與應(yīng)用展望

一、顛覆性技術(shù)概述

顛覆性技術(shù)（Disruptive Technology）是一種另辟蹊徑、會(huì)對(duì)已有傳統(tǒng)或主流技術(shù)途徑產(chǎn)生顛覆性效果的技術(shù)。從技術(shù)屬性來(lái)講，顛覆性技術(shù)可以是基于新原理的原始創(chuàng)新，或基于現(xiàn)有技術(shù)的集成創(chuàng)新，或是成熟技術(shù)的轉(zhuǎn)移與創(chuàng)新應(yīng)用。顛覆性技術(shù)具有重大突破，對(duì)原有技術(shù)具有替代性，具備極大應(yīng)用價(jià)值，有望對(duì)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

顛覆性技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是效果，即這種技術(shù)的作用效應(yīng)是顛覆性。因此，顛覆性技術(shù)不一定是全新的技術(shù)，也可能是一種新應(yīng)用，只是最終實(shí)現(xiàn)了顛覆性的效果。

航天領(lǐng)域是多學(xué)科融合集成的高科技領(lǐng)域，航天活動(dòng)涉及材料、電子信息、制造、能源、醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域。這些領(lǐng)域出現(xiàn)的諸多顛覆性技術(shù)均具有航天應(yīng)用潛力。

結(jié)合顛覆性技術(shù)的一般定義，航天顛覆性技術(shù)是可極大提升航天系統(tǒng)效能，或大幅降低研制成本的變革性技術(shù)，將對(duì)航天產(chǎn)業(yè)、空間科學(xué)研究乃至軍事航天領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響的技術(shù)，具有創(chuàng)新性、前瞻性、突破性、影響深遠(yuǎn)性等特點(diǎn)。

二、顛覆性技術(shù)的定性遴選與定量分析

顛覆性技術(shù)涉及領(lǐng)域眾多，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不一。本文從顛覆性技術(shù)的定性遴選入手，旨在聚焦重大顛覆性技術(shù)；并建立指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)重大顛覆性技術(shù)進(jìn)行定量分析。以此為基礎(chǔ)，再重點(diǎn)關(guān)注能在航天領(lǐng)域中產(chǎn)生巨大影響的重大顛覆性技術(shù)。

1、顛覆性技術(shù)的定性遴選

采取情報(bào)調(diào)研、問卷調(diào)查、研討訪談的方式，確定出當(dāng)前發(fā)展中的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)。

通過查閱、梳理、分析國(guó)內(nèi)外2009年以來(lái)各類研究報(bào)告近50篇，梳理出50項(xiàng)顛覆性技術(shù)；并涉及涵蓋這50項(xiàng)技術(shù)的調(diào)查問卷，將問卷發(fā)放至各專業(yè)專家，由專家進(jìn)行評(píng)判、取舍和補(bǔ)充；共發(fā)放問卷82份、收回問卷75份，經(jīng)過分析、統(tǒng)計(jì)，對(duì)技術(shù)進(jìn)行排序，遴選出25項(xiàng)技術(shù)；最后采取會(huì)議交流、專家研討與訪談、內(nèi)部研討的方式進(jìn)行技術(shù)聚焦、深度分析、綜合集成，遴選出12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)。

這12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)為：量子技術(shù)、太赫茲技術(shù)、石墨烯技術(shù)、負(fù)折射率材料技術(shù)、自主無(wú)人技術(shù)、賽博空間技術(shù)、超高含能材料技術(shù)、腦機(jī)接口技術(shù)、增材制造技術(shù)、定向能技術(shù)、空間對(duì)抗技術(shù)、高超聲速飛行器技術(shù)。

2、顛覆性技術(shù)的定量分析

根據(jù)科技發(fā)展的歷史，從中獲得技術(shù)的演化規(guī)律，進(jìn)而遴選出顛覆性技術(shù)并予以關(guān)注，是未來(lái)航天創(chuàng)新發(fā)展中值得關(guān)注的一個(gè)問題。建立顛覆性技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，有助于對(duì)顛覆性技術(shù)進(jìn)行量化研究，為顛覆性技術(shù)的分析探索新的方法。

（1）顛覆性技術(shù)指標(biāo)體系的構(gòu)成

指標(biāo)體系由一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重組成。

將技術(shù)基礎(chǔ)、技術(shù)范式、技術(shù)性能、技術(shù)應(yīng)用、技術(shù)制約作為顛覆性技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系的一級(jí)指標(biāo)。技術(shù)基礎(chǔ)指標(biāo)B（Basement）表征技術(shù)投入與研發(fā)，技術(shù)范式指標(biāo)F（Form）表征技術(shù)產(chǎn)生與實(shí)現(xiàn)途徑，技術(shù)性能指標(biāo)P（Performance）表征技術(shù)特性，技術(shù)應(yīng)用指標(biāo)S（Scale）表征技術(shù)應(yīng)用范圍和影響，技術(shù)制約指標(biāo)R（Restrict）表征技術(shù)實(shí)現(xiàn)可能性。若用T（technology）作為對(duì)某項(xiàng)顛覆性技術(shù)的評(píng)價(jià)，則初步建立T的函數(shù)并做簡(jiǎn)化，即T=f（B，F(xiàn)，P，S，R）。

針對(duì)5個(gè)一級(jí)指標(biāo)B，F(xiàn)，P，S，R，設(shè)立了18個(gè)二級(jí)指標(biāo)Bi，F(xiàn)j，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(gè)二級(jí)指標(biāo)均可量化打分，如表1所示。

表 1 顛覆性技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系二級(jí)指標(biāo)

對(duì)權(quán)重進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，給定權(quán)重范圍。“技術(shù)基礎(chǔ)”為宏觀層面指標(biāo)，主觀性較強(qiáng)，權(quán)重可調(diào)低；“技術(shù)范式”指標(biāo)權(quán)重降低；“技術(shù)性能”為最核心指標(biāo)，權(quán)重調(diào)高；“技術(shù)應(yīng)用”指標(biāo)是對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)，權(quán)重減小。最終指標(biāo)權(quán)重設(shè)置見表2。

表2 指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

最終對(duì)某項(xiàng)顛覆性技術(shù)一級(jí)指標(biāo)中每項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)逐項(xiàng)加權(quán)求和，再將5個(gè)一級(jí)指標(biāo)得分相加，構(gòu)成某項(xiàng)顛覆性技術(shù)的得分，如下：

T=f(B，F(xiàn)，P，S，R)=∑(BiWBi，F(xiàn)jWFj，PkWPk，SlWSl，RmWRm)

=∑BiWBi+∑FjWFj+∑PkWPk+∑SlWSl+∑RmWRm

（i=1、2、…、6，j=1、2、3，

k=1、2、3、4、5，l=1、2，m=1、2）

（2）顛覆性技術(shù)指標(biāo)體系的驗(yàn)證

可使用該指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)和5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)進(jìn)行得分計(jì)算。將得分計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。以驗(yàn)證指標(biāo)體系的敏感性、合理性。

12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)的得分如表3所示：

表3 當(dāng)前的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)得分

5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)為薄膜衍射成像技術(shù)、鋁燃燒室技術(shù)、核熱火箭技術(shù)、全光存儲(chǔ)器技術(shù)、自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，得分如表4所示：

表4  五項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)得分

12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)和5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)

5項(xiàng)典型非顛覆性技術(shù)得分

“顛覆性技術(shù)”和“非顛覆性技術(shù)”得分相對(duì)集中，體現(xiàn)了指標(biāo)體系的敏感性；“顛覆性技術(shù)”得分相對(duì)較高，總體表明指標(biāo)評(píng)價(jià)體系具有一定的合理性。

發(fā)展中的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中得分最高的為“腦機(jī)接口技術(shù)”，該技術(shù)各國(guó)都非常重視，投入巨大精力，技術(shù)應(yīng)用前景明朗且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛；發(fā)展中的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中得分較低的“空間對(duì)抗技術(shù)”在“技術(shù)性能”指標(biāo)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(shù)”在“技術(shù)范式”上得分偏低，技術(shù)原理成熟較早（1938年），技術(shù)提升速率緩慢，影響最終得分。

三、顛覆性技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

當(dāng)前發(fā)展中的12項(xiàng)重大顛覆性技術(shù)中，量子技術(shù)、石墨烯技術(shù)、太赫茲技術(shù)、增材制造技術(shù)和高超聲速飛行器技術(shù)等在航天領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景；并且依據(jù)其技術(shù)特性，可分為三個(gè)類別：

（1）以量子和石墨烯技術(shù)為代表的新發(fā)現(xiàn)與新原理應(yīng)用，有望極大提升系統(tǒng)性能

量子通信利用光子的量子狀態(tài)加載并傳輸信息，由于作為信息載體的單光子不可分割、量子狀態(tài)不可克隆，可以實(shí)現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進(jìn)而能保證用其加密的內(nèi)容不可破譯，并且通量容量大、傳輸速度快，是繼電話和光通信后通信史上的又一次革命。量子計(jì)算利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的飛躍，量子計(jì)算具有經(jīng)典計(jì)算不具有的并行計(jì)算能力，能夠?qū)δ承┲匾慕?jīng)典算法進(jìn)行加速（圖2），為解決密碼分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析等大規(guī)模計(jì)算難題提供全新的方案。量子精密測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重力、時(shí)間、位置等物理參數(shù)的超高靈敏度測(cè)量，大幅度提升導(dǎo)航、定位、資源勘探和醫(yī)學(xué)檢測(cè)等的準(zhǔn)確性和精度。在航天領(lǐng)域，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，作為廣域量子通信體系——“量子互聯(lián)網(wǎng)”的重要一環(huán)。即通過光纖實(shí)現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)、通過中繼器連接實(shí)現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡(luò)、通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信，最終構(gòu)成廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。

圖2 NASA購(gòu)買的D-Wave量子計(jì)算機(jī)可對(duì)某些算法進(jìn)行加速計(jì)算

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二位晶體（圖3），兼具半導(dǎo)體和金屬屬性，是最薄也是最強(qiáng)韌、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性能十分突出，被喻為“新材料之王”。石墨烯有望取代硅成為下一代電子元器件的基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件。在航天領(lǐng)域，未來(lái)或可應(yīng)用石墨烯材料制成長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)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(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

（2）以太赫茲和增材制造技術(shù)為代表的創(chuàng)新應(yīng)用，推動(dòng)分系統(tǒng)與部組件的跨越式進(jìn)步

太赫茲在能量上介于電子和光子之間，在眾多領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)越性和巨大應(yīng)用前景，被喻為第五維戰(zhàn)場(chǎng)空間的“拓展者”，在軍事領(lǐng)域可利用太赫茲成像的遠(yuǎn)距離透視能力，太赫茲雷達(dá)的高精度寬頻帶特點(diǎn)讓隱身無(wú)所遁形，太赫茲通信可以開辟戰(zhàn)術(shù)通信新領(lǐng)域等。在航天領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)可用于空間通信，以及與重返大氣層的飛行器通信。太赫茲波在外層空間可以無(wú)損耗地傳輸，用很小的功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，而且相對(duì)于光學(xué)通信來(lái)說(shuō)，波束較寬、容易對(duì)準(zhǔn)，天線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小型化、平面化；當(dāng)飛行器重返大氣層時(shí)，由于空氣摩擦產(chǎn)生高溫，飛行器周圍的空氣被電離形成等離子體，使通信遙測(cè)信號(hào)迅速衰減以至中斷，此時(shí)，太赫茲系統(tǒng)是惟一有效的通信工具。

增材制造技術(shù)是通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實(shí)體物件的一種創(chuàng)新型制造技術(shù)，完全不同于傳統(tǒng)減材加工成形的制造理念，徹底改變傳統(tǒng)的制造技術(shù)路線。在航天領(lǐng)域，增材制造技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)航天器在軌維修提供技術(shù)手段，有望實(shí)現(xiàn)太空原位制造以及建造運(yùn)載火箭難以運(yùn)輸?shù)拇笮徒Y(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏在國(guó)際空間站上按需制造零部件的能力，空間站所需的全部物品都需要在地面上預(yù)先制造好之后，依靠運(yùn)載火箭和飛船送往空間站，從而消耗大量的發(fā)射時(shí)間和成本，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展為解決這些問題帶來(lái)良好的契機(jī)。增材制造技術(shù)（圖4）有望成為太空原位制造的主要制造模式，未來(lái)可支持空間站、載人登月、載人登火等各項(xiàng)載人航天任務(wù)。

圖4 國(guó)際太空站的宇航員展示使用增材制造技術(shù)打印出的套筒扳手

（3）以高超聲速飛行器技術(shù)為代表的技術(shù)集成與創(chuàng)新，為系統(tǒng)級(jí)、任務(wù)級(jí)航天體系架構(gòu)提供全新技術(shù)途徑

高超聲速飛行器技術(shù)是飛行速度超過5倍聲速的綜合系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新，集成了氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、推進(jìn)、熱防護(hù)、制導(dǎo)控制等多項(xiàng)技術(shù)。以高超聲速吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或組合式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在大氣層、臨近空間和跨大氣層中實(shí)現(xiàn)高超聲速、遠(yuǎn)程飛行的飛行器，是航空航天技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。與現(xiàn)有航空航天器相比，具有速度快、響應(yīng)能力快、突防能力高、運(yùn)載能力強(qiáng)、研制成本低、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速、精確打擊，并且開辟了更安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、快速進(jìn)入太空的新技術(shù)途徑與新方式。

四、航天顛覆性技術(shù)作用及影響分析

航天顛覆性技術(shù)在提高國(guó)家安全水平、引領(lǐng)科技發(fā)展、促進(jìn)科學(xué)和探索等方面具有重大戰(zhàn)略作用與意義。

（1）引領(lǐng)作用明顯，促進(jìn)軍事航天領(lǐng)域重大變革和創(chuàng)新發(fā)展

航天顛覆性技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用不僅可以改善現(xiàn)有武器裝備的性能，而且可能實(shí)現(xiàn)武器裝備非連續(xù)、超常規(guī)、跨越式發(fā)展，催生一批新型作戰(zhàn)力量，推動(dòng)作戰(zhàn)樣式、戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)變革。信息技術(shù)、動(dòng)力能源技術(shù)、智能化技術(shù)、材料技術(shù)等的突破，已經(jīng)對(duì)航天裝備乃至作戰(zhàn)樣式等方面產(chǎn)生了重大影響，在增強(qiáng)軍事實(shí)力、獲取軍事優(yōu)勢(shì)地位等方面發(fā)揮了十分重要的先導(dǎo)作用。

（2）先導(dǎo)作用不斷彰顯，引發(fā)對(duì)基礎(chǔ)研究的培育和挖掘愈加重視

航天顛覆性技術(shù)研究的突破需要依賴于基礎(chǔ)學(xué)科、基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)工藝等基礎(chǔ)研究的支持，主要軍事大國(guó)特別重視對(duì)航天顛覆性技術(shù)進(jìn)行超前部署，重點(diǎn)培育和扶持對(duì)助力航天顛覆性技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)研究。如美國(guó)正在發(fā)起的第三次“抵消戰(zhàn)略”，明確提出開展空間對(duì)抗、納米衛(wèi)星、增材制造技術(shù)、自主系統(tǒng)技術(shù)等研究。

（3）軍民兩用技術(shù)深度融合，航天顛覆性技術(shù)的兩用化趨勢(shì)日益凸顯

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天顛覆性技術(shù)的軍民兩用性特點(diǎn)進(jìn)一步凸顯。一方面，航天顛覆性技術(shù)突破和應(yīng)用，形成新的武器裝備，催生新的作戰(zhàn)力量；另一方面，航天顛覆性技術(shù)的成果又可成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要力量。

（4）影響航天科技工業(yè)發(fā)展格局，成為未來(lái)航天創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力量

航天科技工業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家科技前沿技術(shù)成果研發(fā)與工程應(yīng)用的集大成者，其發(fā)展的程度、質(zhì)量和水平，關(guān)系到國(guó)家安全和利益的維護(hù)，關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的福祉。航天顛覆性技術(shù)是航天科技工業(yè)需要重點(diǎn)布局和發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域，需要根據(jù)未來(lái)的使命和任務(wù)，審慎識(shí)別、系統(tǒng)研究可能影響航天運(yùn)輸、導(dǎo)彈武器等領(lǐng)域今后革命性發(fā)展的顛覆性技術(shù)，從而提升航天工業(yè)領(lǐng)域話語(yǔ)權(quán)，為長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

縱觀歷史，科學(xué)技術(shù)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)力是超乎當(dāng)時(shí)人們想象的，一次又一次加速人類文明的進(jìn)程，太空探索就是其中的一個(gè)里程碑，航天技術(shù)也是今天人類文明的重要標(biāo)志之一。

       中國(guó)作為世界航天技術(shù)領(lǐng)域的重要力量，更需要在未來(lái)發(fā)展的道路上加快技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)顛覆性技術(shù)成為航天事業(yè)的重要推動(dòng)力。本文在分析和研究的基礎(chǔ)上提出了一些認(rèn)識(shí)，目的在于讓更多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注顛覆性技術(shù)，為航天技術(shù)未來(lái)發(fā)展提供源源不斷的推動(dòng)力.