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    《電子技術應用》
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    王傳勝: 航空航天前沿技術發展趨勢

    2022-09-14
    來源: 6th CAIEC 空天界

      各位航空界、投資界的朋友,大家好,我是來自航空工業發展研究中心的王傳勝。很高興有機會和大家就航空航天前沿技術發展趨勢進行交流。今天,我主要想從三個方面和大家分享,第一部分是航空航天前沿技術的整體發展趨勢,第二部分是前沿技術在航空航天領域的應用趨勢,最后簡述關于前沿技術在航空領域投資的幾點思考。由于技術領域范圍廣,其中部分技術認識上會存在一定偏頗。更多的是和大家交流一下想法和認識。

      前言

      航空和航天是各具特色的兩個高科技領域,同屬于國家科技的戰略力量。從現代發展趨勢來看,航空與航天的技術高度交叉,兩個領域在有了臨近空間領域后進一步融合。從全球發展的產值來看,在全球航空航天8000多億的產值當中,航空與航天的比例大約為9:1,也就是說航空領域的產值是航天領域的9倍左右。

      美國作為全世界航空航天發展的代表,基本模式相同。其航空工業相比航天工業,大概也是9倍的量級。美國航空航天工業直接雇用了大約200萬人,占美國全部制造業人員的1/8。航空航天也是美國除了芯片以外的第二大出口產業,每年大概能為美國帶來900億美元的貿易盈余。

      我主要從事的是航空領域前沿技術的研究,這次與大家交流的題目是《航空航天前沿技術發展趨勢》。作為一個航空人,想更多分享的是航空的前沿技術和前沿技術在航空領域的應用。

      01

      航空航天的前沿技術發展趨勢

      1.更快、更高、更久

      航空有一個永恒的發展趨勢,那就是“更快、更高、更久”。

      空間和速度維度:從飛行馬赫數上看,現在的航空器包括戰斗機的馬赫數基本上都在2馬赫以下,未來有望發展到6馬赫以上,也就是高超聲速領域。從高度上看,現在不管是民用客機還是軍用客機,絕大多數都處于在18千米以下,未來有可能進入到100千米以上,這個位置就是傳統上所說的航空與航天的分界線。從留空時間上來看,現在的飛機留空時間大概在數小時到十幾個小時之間,未來或能在天上駐留幾天,甚至幾個月或者是更久。

      電磁維度:對于軍用飛機而言,還會關注電磁維度上的發展。它會由傳統雷達、紅外領域的應用、攻防,擴展到可見光、聲、磁、射頻、賽博等領域的全面感知與有效攻防。

      時間維度:未來的空中信息支援時間會向全天時、全天候的方向發展,遠程快速打擊的時間也會大幅縮短。

      2.高能化和智能化

      在航空研究的過程中,我們更喜歡用兩個詞,一個是高能化,一個是智能化,或者叫做兩能復合跨越。

      高能化基本上體現了整個物理域對能量運用的高要求。包括速度更快、機動性更好、航程更遠、留空時間更長的航空平臺高“動”能;更大推力、更高效率、更多能量提取、新能源體系的航空動力高“供”能;多電/全電、全機能量優化、變革性能量傳輸與存儲的高效“用”能;瞬態殺傷、效果可控的定向能武器的高“聚”能。從中我們可以看出,高能化是與能量和物質高度相關的一個方向。

      另一個方向是與現在的信息化、智能化高度相關,所以我們把它叫做智能化。主要體現的是在航空航天領域對信息域和認知域的新要求。對航空來說,主要包括以下幾個方面:適應不同速度范疇、多變復雜環境的軍用智能化航空平臺;更安全、更舒適的民用智能化航空平臺;精確感知、自主控制、精準決策、人機協同的軍用智能化航空任務系統;智能駕駛、空天地協同定位與通信、個性化乘坐體驗的民用智能化航空機載系統;跨域聯合、分布協同、靈活可組的軍用智能化裝備體系;精確打擊、抗擊干擾、殺傷迅捷的智能化機載武器;功能性能可靠性一體化設計、平戰結合的敏捷精準制造、全壽命周期服務保障的軍用智能化研制與保障體系;涵蓋智能空管、智能空運、智能服務保障的民用智能航空運營與保障體系。

      3.軍用航空科技未來發展方向

      從軍用航空科技未來發展的方向來說,美國空軍在它的《科技戰略》當中,提出了未來防控技術的五大戰略能力,包括全球持續感知,彈性信息共享,快速有效的決策,復雜性、不可預測性和大數量以及破壞和殺傷的速度與范圍。與之相對應的是對技術的幾個不同要求,前三項基本上都集中在與信息技術相關的空天平臺的感知、信息共享和智能決策。后面兩項涉及到低成本空天平臺的制造、靈敏的數字化和增材制造、多域指揮控制、高超音速飛行、低成本聯網巡航導彈和智能彈藥、微波和激光定向能等方面。

      在對美國空軍科技領域的投資進行統計之后,可以發現美國的軍用技術在前沿技術方面主要發展的方向有這11個領域:高超聲速技術、自適應變循環發動機的高效渦輪航空發動機技術、機載激光武器技術、航空先進制造技術、無人機與自主技術、決策效力技術、射頻/光電傳感器技術、射頻/光電/紅外告警與對抗技術、航空指揮控制技術、新型機載武器總體技術和高功率系統技術。

      4.民機專業技術發展趨勢

      民機未來的重點產品主要可分為三種:第一種是更高效、更經濟的亞聲速飛機,像是NASA或歐洲提出的支撐翼、連接翼,甚至是融合翼等等。第二種是低阻、低聲爆綠色超聲速飛機,不管是美國、歐洲還是我們國內對這個都比較感興趣。第三種是清潔、低碳新能源飛機,歐洲和美國目前都在大力推進這一套新能源飛機。這三種產品基本上代表了民機未來技術上的重點發展方向。

      如果把它總結出幾個趨勢的話,我認為民機技術的發展趨勢可以概括為五個更:更安全、更環保、更經濟、更舒適和更便捷。

      世界民機技術發展從總體上來說,關注先進布局設計和先進流動控制;強度方面和材料方面,關注先進的復合材料、智能結構等;動力方面,除了對傳統民用航空發動機大涵道比以及齒輪傳動的大幅改進,未來有可能會向電動力、混合動力、氫動力等方向去發展;工業制造方面,有智能化的制造、自動化制造、柔性制造等;機載設備、航電系統一定是向綜合化、模塊化的方向發展;機電系統肯定會向多電化、能量體制多元化方向發展;從飛機的使用維護上來看,會從健康監測向健康管理發展。

      02

      前沿技術的航空航天應用趨勢

      1.前沿技術的特點分析

      無論是國內還是國外,在新的競爭環境下,我們可以把航空技術分成三個類型。第一,必須突破瓶頸短板技術,確保不受制。第二,必須掌握關鍵核心技術,確保不落后。第三,必須把握新興前沿技術,確保有機會在未來實現超越。我們更關注的是新興前沿技術。

      前沿技術或者說前沿科技(很多時候處于“前沿”的是科學領域,因而稱為前沿科技更合適)有它的特點和定位。對于一般的前沿技術,我認為它主要有如下幾個方面的特征:第一,前端且不太成熟。第二,一旦突破,將具引領性,對全局影響較大。第三,因關注度較高,競爭較大。這些前沿技術往往并不是航空領域的技術,我們航空對它的關注主要是在航空中如何應用。

      2.具有較大航空應用潛力的前沿科技

      我們團隊梳理了很多公開渠道的前沿科技發展,尤其是已經取得重大突破,可能對社會、軍事等其他領域造成顛覆性影響的前沿科技。我們特別關注的是對航空有重大影響,進行系統的梳理之后,將這些技術分為物質類、信息類、能量類和綜合類。物質類是從物質材料角度,信息類是從計算、信息存儲、信息傳遞等角度,能量類包括核能小型化、生物燃料、太陽能電池等,綜合類可以認為是對前三類的一個綜合運用,里邊可能會涉及到智能制造、人工智能等領域。下面針對每一類前沿科技,我想舉幾個例子,和大家分享一下這些前沿技術在航空領域可能會應用的方面。

      (1)物質類

      物質類的前沿科技很容易理解,它可能會擴展航空領域整體的材料體系,下面我舉3個物質類前沿科技的例子和大家分享一下。

      第一種:超材料。以前航空在應用材料的時候,是先有需求,根據需求去試材料、找材料,而超材料能夠實現從微觀到宏觀的按需設計。一旦能夠實現,它就能達到超強的物理性能,這也是它叫做超材料的原因?,F在研究的比較多的超材料,能實現可見光隱身的,能實現聲隱身的,還能實現電磁隱身的。通過這幾個名稱就可以看出來,這些技術很有可能會應用到飛行器隱身方面。還有一種超材料叫做力學超材料,這種超材料在整個飛行器的結構方面會有很大的應用范圍。

      第二種:碳納米材料?,F在談論比較多的碳納米材料是碳納米管和石墨烯。從物理性能上來說,這兩種材料都具有超強的力學性能、電磁性能等。這種材料主要可以用到三個方面,分別是:超強纖維和復合材料增強體、隱身材料、電子器件。航空航天現在已經開始關注石墨烯材料。它有幾個方面的特點:第一,比較好的力學性能,可以直接作為添加劑使復合材料的力學性能大幅提升,也可以用來做防彈材料。第二,很好的光電性能,可以用作透明電極制造液晶、光學透鏡、顯示器等。第三,有導熱/導電性能,在航空領域可作為電磁干擾防護、除冰系統的解決方案。第四,比較好的電磁性能,可作為雷達吸波材料。當然,這些功能有的處于探索階段,有的處于驗證階段,有的還處于推想階段。僅對于石墨烯,歐盟推出了一個技術計劃。按照它的計劃,石墨烯使用的維度是非常多的,包括復合材料、太陽能電池、燃料電池、6G系統等多個方面。

      第三種:智能材料。例如我們經常說的記憶合金、壓電材料、光敏材料、多晶型物質等等。美國在它的F/A-18的折疊系統中,已經采用了形狀記憶折疊系統。未來,隨著飛機進一步發展,可能會把智能材料用于智能蒙皮、變體飛機、旋翼控制 、PHM(故障預測與健康管理)等多個方面。

     ?。?)能量類

      如果對前沿科技有一定的了解,我們就可以發現,現在發展最快的是信息類科技。物質類的前沿科技和能量類的前沿科技發展相對較慢,尤其是能量類的前沿科技,如果能夠在這方面取得突破的話,那不僅是對航空航天,對全人類來說都會有一個全新的發展。

      第一種:核能小型化技術。大家對這項技術都寄予厚望,如果核能能夠實現小型化,并且能安全、高效地應用到航空平臺上,那可能會全面顛覆航空動力能源體系。美國和前蘇聯在冷戰時期都曾探索過在轟炸機上安裝核動力,最后都未實現。目前就核動力而言,核能小型化技術包括核反應堆小型化技術和核電池技術。核電池在航天領域用的比較多。2012年,美國在“好奇號”火星車上就配裝了這種電池,據說其壽命可達14年。2013年,我國在“玉兔號”月球車上采用了核電池加太陽能的方法。2020年,美國國防部啟動了“貝利計劃”,將移動式微型堆技術研發合同授予了三家公司,包括BWX技術公司、西屋政府服務公司、探索能源公司。據稱,這個小型堆電功率大概在1-20兆瓦。換言之,一臺渦槳發動機的功率在9兆瓦左右,也就是說如果這個小型堆能實現的話,大概相當于三臺比較高效的渦槳發動機。它的體積相當一個標準集裝箱,應該是可以裝到飛機上去的。但是目前這個計劃還在推進當中,后續還有很多的關鍵技術需要得到進一步的確認。

      第二種:高效太陽能電池技術。其中光伏發電已經是一個很熱門的、被廣泛應用的技術。但對于航空領域來說,它的發展空間還是很大的。國內的航空、航天領域已經在研究太陽能飛機,國外的“陽光動力號”已經實現載人全球飛行。但是由于太陽能電池的光電轉化效率比較低,一架翼展相當于波音737大小的陽光動力號只能搭載一個人。所以未來想長時間留空的太陽能無人機或者太陽能飛艇仍需要進一步研究。其中光電轉化效率能進一步提升的話,這項技術可能會在航空領域中得到更多的應用。

      第三種:光合作用制氫技術。利用光合作用的原理從水中大量制取氫氣,減少大氣污染。我們也更關注如何將這類制氫技術應用到航空動力領域?,F在已經有使用氫燃料電池的飛機,像是波音于2012年首飛的“幻影眼”無人機。英國、法國、美國都對氫燃料動力飛機寄予厚望并且認為它有望成為未來的支線科技,甚至是干線科技的有力的競爭者。國內對此也保持高度關注,但是這項技術仍存在難點包括氫燃料的發動機和氫能的存儲等。

     ?。?)信息類

      這一類技術可以顛覆航空電子能力。

      第一種:腦機接口技術。國內外對這項技術的研究都比較多。美國在2013年就已經實現了在實驗室里利用腦電波來控制直升機,躲避障礙物的成功率高達90% 。馬斯克曾說,侵入式腦機接口有望在一年內在臨床上實現人類大腦的完成植入。美國空軍也采用了非侵入式的腦機接口技術在地面訓練飛行員。如果這項技術能夠實現,飛行員可以用腦直接操控飛機,而不是像原來那樣,腦操縱手然后通過操縱桿來操縱飛機,未來的操縱會更加高效。未來對于軍用和民用領域中較為敏感的操作將會有較好的應用。

      第二種:量子信息技術。重點方向:第一,量子通信技術。我們國內的量子通信技術發展的還是不錯的,但是在航空領域應用不多。如果將這項技術應用在航空領域的話,可以用于飛機之間的通訊,實現物理上的絕對安全?;蛘呤窃诘孛嫔闲纬梢粋€量子加密網絡,可以實現異地之間高效的協同設計和協同制造,這對于航空行業來說是非常有價值的。第二,量子導航。未來作戰或者民機飛行都可能會遇到導航失效的情況,量子導航系統發展到比較理想化的狀態下,基本上可以達到GPS的導航精度,能夠滿足飛機平臺控制的導航需求。第三,量子成像或者叫做量子探測。從理論上來說,它能夠穿透煙霧、云層,甚至是樹葉等干擾,實現高清成像 。在理論上來說它也具備反隱身的特點,但是目前這項技術還在進一步的探索和驗證當中。第四,量子計算機技術。美國的Google公司已經基本上研制出超過100個比特量級的量子計算機,國內在這方面的研究也比較靠前,達到了世界先進水平。但是這個計算機雖然芯片不大但整個保障系統是非常大的,對溫度的要求也比較苛刻,而且必須要有與量子計算機相適應的量子軟件,甚至說整個生態,不然量子計算機從實現難度上到未來使用環境上都會有比較大的障礙。再過10年 、20年,這項技術可能才會得到廣泛應用。對于航空來說,它可能對飛機設計和未來的智能決策,以及復雜的體系作戰等有重要的支撐作用。

      第三種:5G技術。對于航空來說,具有超寬帶、海量連接、低延時、高可靠的特點。我們站在航空領域來說,可以把5G技術用在飛機內部,實現不同的東西可以布置在不同的位置上,就是實現物理上的分離、功能上的集成,這對飛機設計和飛機制造來說絕對是一個重大的突破。除此之外,還可以用于機間通信、智能制造、試飛保障、裝備訓練等方面。

     ?。?)綜合類

      綜合領域的前沿科技,對整個航空裝備甚至航空制造都會帶來重大的影響。

      第一種:人工智能。從航空裝備來說,人工智能對分布式空戰、馬賽克戰、無人機作戰,包括有人機作戰的決策都會有重大影響。飛機設計、制造、保障等方面都可以大量的利用人工智能技術。

      第二種:數字孿生技術。數字孿生技術是一組虛擬的信息結構,用于描述一個潛在的或實際存在的制造產品??梢岳斫鉃橐患軐嶋H的飛機對應計算機內的一架虛擬的飛機,實際飛機和虛擬飛機之間能夠形成信息的映射。通過這種映射關系,我們可以把它用到飛機設計、制造與裝接、試驗與評價以及作戰使用環節。這個技術的難點在于如何實現實體和虛體之間一一對應的關系。

      第三種:VR和AR技術。在游戲界已經大量使用,航空領域的波音公司和空客公司在飛機研制過程中已經在使用,包括在設計階段早期的虛擬/增強工程、在物理樣機成形前后的虛擬/增強建造、后期的虛擬/增強保障服務。

      第四種:區塊鏈技術。一聽到這項技術,我們就會聯想到銀行、金融。對于航空來說,它也是有應用前景的。區塊鏈技術可以視作是一種分布式賬本技術,可以在不可信的競爭環境中低成本建立信任的新型計算范式和協作模式。在航空領域,我們可以將它用于武器裝備的完整性檢測、增強軍事物流智能化、武器裝備全壽命管理等方面。從美國已經開始使用的情況來看,它有安全、可追蹤、防篡改、易共享的特點,可以實現分布式的保障和制造,在后勤保障方面會得到大規模的推進和使用。

      03

      關于前沿技術投資的幾點思考

      前面我簡單地介紹了一下航空航天前沿技術的發展趨勢和前沿技術在航空方面的應用。最后我想簡單談幾點對前沿技術投資的幾點思考,供大家參考。

      第一,大家在投資技術領域尤其是前沿技術的時候,首先要考慮這技術類別,它是屬于核心技術、重要技術還是一般技術。因為對于航空工業這類關系到國計民生的重要領域來說,如果屬于是核心技術,基本可以確定是由國家計劃渠道主導投資,其他的投資領域起輔助作用。如果屬于重要技術,那么可能是由國家計劃投資加上市場協同投資并行。如果屬于一般技術,雖然范圍廣闊,但基本由市場推動,擇優進入到市場競爭當中。

      第二,因為前沿技術大多數是跨領域的,立足于航空工業發展或者航空產業角度來說,首先關注的是這項技術在航空領域的應用場景和應用前景。其次是看水平,1-3級是實驗室階段,4-6級是技術攻關階段,7-9級可能往產品應用發展。最后判斷研究團隊能力,因為團隊決定了技術發展的基線和期望。

      第三,現階段熱度較高的新能源飛行器可能在未來形成顛覆性影響,所以要對其突破門檻點進行預判。例如現在的電動飛機制能時間不長,航程太短,效率不高,同時很多新能源飛機的應用場景不清晰,需要找準其應用場景的定位。

      第四,有大批人員熱衷于小型的無人機或者新能源飛行器,其實瞄準一些細分的市場,也存在快速增長的諸多機遇。像是多類型機電、多元化材料等。

      第五,一定要符合未來航空產品與技術的整體的發展趨勢。值得關注的前沿技術應支持低成本、模塊化、分布式、快速升級等。如果能滿足以上指標,基本上就能參與到航空工業甚至航空產業的整體當中,發揮它的作用。同時不能忘記,技術項目是否能更快的帶來更多的效益。


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