材料+｜顛覆性技術對航天未來發(fā)展的推動與應用展望

一、顛覆性技術概述

顛覆性技術（Disruptive Technology）是一種另辟蹊徑、會對已有傳統(tǒng)或主流技術途徑產(chǎn)生顛覆性效果的技術。從技術屬性來講，顛覆性技術可以是基于新原理的原始創(chuàng)新，或基于現(xiàn)有技術的集成創(chuàng)新，或是成熟技術的轉移與創(chuàng)新應用。顛覆性技術具有重大突破，對原有技術具有替代性，具備極大應用價值，有望對相關領域發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。

顛覆性技術強調(diào)的是效果，即這種技術的作用效應是顛覆性。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(xiàn)了顛覆性的效果。

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

結合顛覆性技術的一般定義，航天顛覆性技術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，將對航天產(chǎn)業(yè)、空間科學研究乃至軍事航天領域產(chǎn)生重要影響的技術，具有創(chuàng)新性、前瞻性、突破性、影響深遠性等特點。

二、顛覆性技術的定性遴選與定量分析

顛覆性技術涉及領域眾多，評判標準不一。本文從顛覆性技術的定性遴選入手，旨在聚焦重大顛覆性技術；并建立指標評價體系，對重大顛覆性技術進行定量分析。以此為基礎，再重點關注能在航天領域中產(chǎn)生巨大影響的重大顛覆性技術。

1、顛覆性技術的定性遴選

采取情報調(diào)研、問卷調(diào)查、研討訪談的方式，確定出當前發(fā)展中的12項重大顛覆性技術。

通過查閱、梳理、分析國內(nèi)外2009年以來各類研究報告近50篇，梳理出50項顛覆性技術；并涉及涵蓋這50項技術的調(diào)查問卷，將問卷發(fā)放至各專業(yè)專家，由專家進行評判、取舍和補充；共發(fā)放問卷82份、收回問卷75份，經(jīng)過分析、統(tǒng)計，對技術進行排序，遴選出25項技術；最后采取會議交流、專家研討與訪談、內(nèi)部研討的方式進行技術聚焦、深度分析、綜合集成，遴選出12項重大顛覆性技術。

這12項重大顛覆性技術為：量子技術、太赫茲技術、石墨烯技術、負折射率材料技術、自主無人技術、賽博空間技術、超高含能材料技術、腦機接口技術、增材制造技術、定向能技術、空間對抗技術、高超聲速飛行器技術。

2、顛覆性技術的定量分析

根據(jù)科技發(fā)展的歷史，從中獲得技術的演化規(guī)律，進而遴選出顛覆性技術并予以關注，是未來航天創(chuàng)新發(fā)展中值得關注的一個問題。建立顛覆性技術指標評價體系，有助于對顛覆性技術進行量化研究，為顛覆性技術的分析探索新的方法。

（1）顛覆性技術指標體系的構成

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、技術范式、技術性能、技術應用、技術制約作為顛覆性技術指標評價體系的一級指標。技術基礎指標B（Basement）表征技術投入與研發(fā)，技術范式指標F（Form）表征技術產(chǎn)生與實現(xiàn)途徑，技術性能指標P（Performance）表征技術特性，技術應用指標S（Scale）表征技術應用范圍和影響，技術制約指標R（Restrict）表征技術實現(xiàn)可能性。若用T（technology）作為對某項顛覆性技術的評價，則初步建立T的函數(shù)并做簡化，即T=f（B，F(xiàn)，P，S，R）。

針對5個一級指標B，F(xiàn)，P，S，R，設立了18個二級指標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，每個二級指標均可量化打分，如表1所示。

表 1 顛覆性技術指標評價體系二級指標

對權重進行初步設計，給定權重范圍?！凹夹g基礎”為宏觀層面指標，主觀性較強，權重可調(diào)低；“技術范式”指標權重降低；“技術性能”為最核心指標，權重調(diào)高；“技術應用”指標是對未來預測，權重減小。最終指標權重設置見表2。

表2 指標權重設置

最終對某項顛覆性技術一級指標中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：

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）顛覆性技術指標體系的驗證

可使用該指標評價體系對12項重大顛覆性技術和5項典型非顛覆性技術進行得分計算。將得分計算結果進行對比。以驗證指標體系的敏感性、合理性。

12項重大顛覆性技術的得分如表3所示：

表3 當前的12項重大顛覆性技術得分

5項典型非顛覆性技術為薄膜衍射成像技術、鋁燃燒室技術、核熱火箭技術、全光存儲器技術、自適應變循環(huán)發(fā)動機技術，得分如表4所示：

表4  五項典型非顛覆性技術得分

12項重大顛覆性技術和5項典型非顛覆性技術

5項典型非顛覆性技術得分

“顛覆性技術”和“非顛覆性技術”得分相對集中，體現(xiàn)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。

發(fā)展中的12項重大顛覆性技術中得分最高的為“腦機接口技術”，該技術各國都非常重視，投入巨大精力，技術應用前景明朗且應用領域廣泛；發(fā)展中的12項重大顛覆性技術中得分較低的“空間對抗技術”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），技術提升速率緩慢，影響最終得分。

三、顛覆性技術在航天領域的應用

當前發(fā)展中的12項重大顛覆性技術中，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；并且依據(jù)其技術特性，可分為三個類別：

（1）以量子和石墨烯技術為代表的新發(fā)現(xiàn)與新原理應用，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，可以實現(xiàn)抵御任何竊聽的密鑰分發(fā)，進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。量子計算利用量子態(tài)的疊加性質(zhì)，可以實現(xiàn)計算能力的飛躍，量子計算具有經(jīng)典計算不具有的并行計算能力，能夠?qū)δ承┲匾慕?jīng)典算法進行加速（圖2），為解決密碼分析、氣象預報、藥物設計、金融分析等大規(guī)模計算難題提供全新的方案。量子精密測量可以實現(xiàn)對重力、時間、位置等物理參數(shù)的超高靈敏度測量，大幅度提升導航、定位、資源勘探和醫(yī)學檢測等的準確性和精度。在航天領域，未來可實現(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)。即通過光纖實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡、通過中繼器連接實現(xiàn)城際量子網(wǎng)絡、通過衛(wèi)星中轉實現(xiàn)遠距離量子通信，最終構成廣域量子通信網(wǎng)絡。

圖2 NASA購買的D-Wave量子計算機可對某些算法進行加速計算

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二位晶體（圖3），兼具半導體和金屬屬性，是最薄也是最強韌、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，力學、電學、熱學、光學性能十分突出，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材料，應用于高性能集成電路和新型納米電子器件。在航天領域，未來或可應用石墨烯材料制成長達數(shù)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。

（2）以太赫茲和增材制造技術為代表的創(chuàng)新應用，推動分系統(tǒng)與部組件的跨越式進步

太赫茲在能量上介于電子和光子之間，在眾多領域具有獨特優(yōu)越性和巨大應用前景，被喻為第五維戰(zhàn)場空間的“拓展者”，在軍事領域可利用太赫茲成像的遠距離透視能力，太赫茲雷達的高精度寬頻帶特點讓隱身無所遁形，太赫茲通信可以開辟戰(zhàn)術通信新領域等。在航天領域，太赫茲技術可用于空間通信，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損耗地傳輸，用很小的功率實現(xiàn)遠距離通信，而且相對于光學通信來說，波束較寬、容易對準，天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化、平面化；當飛行器重返大氣層時，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，使通信遙測信號迅速衰減以至中斷，此時，太赫茲系統(tǒng)是惟一有效的通信工具。

增材制造技術是通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實體物件的一種創(chuàng)新型制造技術，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)的制造技術路線。在航天領域，增材制造技術已經(jīng)得到應用，為實現(xiàn)航天器在軌維修提供技術手段，有望實現(xiàn)太空原位制造以及建造運載火箭難以運輸?shù)拇笮徒Y構。長期以來，由于缺乏在國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先制造好之后，依靠運載火箭和飛船送往空間站，從而消耗大量的發(fā)射時間和成本，增材制造技術的出現(xiàn)和快速發(fā)展為解決這些問題帶來良好的契機。增材制造技術（圖4）有望成為太空原位制造的主要制造模式，未來可支持空間站、載人登月、載人登火等各項載人航天任務。

圖4 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

（3）以高超聲速飛行器技術為代表的技術集成與創(chuàng)新，為系統(tǒng)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(tǒng)技術創(chuàng)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(fā)動機或組合式發(fā)動機為動力，在大氣層、臨近空間和跨大氣層中實現(xiàn)高超聲速、遠程飛行的飛行器，是航空航天技術的戰(zhàn)略制高點。與現(xiàn)有航空航天器相比，具有速度快、響應能力快、突防能力高、運載能力強、研制成本低、可重復使用等優(yōu)點。能實現(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、快速進入太空的新技術途徑與新方式。

四、航天顛覆性技術作用及影響分析

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

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

航天顛覆性技術的產(chǎn)生和應用不僅可以改善現(xiàn)有武器裝備的性能，而且可能實現(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，推動作戰(zhàn)樣式、戰(zhàn)爭形態(tài)變革。信息技術、動力能源技術、智能化技術、材料技術等的突破，已經(jīng)對航天裝備乃至作戰(zhàn)樣式等方面產(chǎn)生了重大影響，在增強軍事實力、獲取軍事優(yōu)勢地位等方面發(fā)揮了十分重要的先導作用。

（2）先導作用不斷彰顯，引發(fā)對基礎研究的培育和挖掘愈加重視

航天顛覆性技術研究的突破需要依賴于基礎學科、基礎理論、基礎工藝等基礎研究的支持，主要軍事大國特別重視對航天顛覆性技術進行超前部署，重點培育和扶持對助力航天顛覆性技術攻關的基礎研究。如美國正在發(fā)起的第三次“抵消戰(zhàn)略”，明確提出開展空間對抗、納米衛(wèi)星、增材制造技術、自主系統(tǒng)技術等研究。

（3）軍民兩用技術深度融合，航天顛覆性技術的兩用化趨勢日益凸顯

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，航天顛覆性技術的軍民兩用性特點進一步凸顯。一方面，航天顛覆性技術突破和應用，形成新的武器裝備，催生新的作戰(zhàn)力量；另一方面，航天顛覆性技術的成果又可成為促進經(jīng)濟與社會發(fā)展的重要力量。

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

航天科技工業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是國家科技前沿技術成果研發(fā)與工程應用的集大成者，其發(fā)展的程度、質(zhì)量和水平，關系到國家安全和利益的維護，關系到國計民生的福祉。航天顛覆性技術是航天科技工業(yè)需要重點布局和發(fā)展的關鍵領域，需要根據(jù)未來的使命和任務，審慎識別、系統(tǒng)研究可能影響航天運輸、導彈武器等領域今后革命性發(fā)展的顛覆性技術，從而提升航天工業(yè)領域話語權，為長遠發(fā)展奠定堅實的技術基礎。

結語

縱觀歷史，科學技術對人類社會發(fā)展的推動力是超乎當時人們想象的，一次又一次加速人類文明的進程，太空探索就是其中的一個里程碑，航天技術也是今天人類文明的重要標志之一。

       中國作為世界航天技術領域的重要力量，更需要在未來發(fā)展的道路上加快技術創(chuàng)新，開發(fā)顛覆性技術成為航天事業(yè)的重要推動力。本文在分析和研究的基礎上提出了一些認識，目的在于讓更多的國內(nèi)外學者關注顛覆性技術，為航天技術未來發(fā)展提供源源不斷的推動力.