2014世界军民两用技术与产品发展特点回顾

中国航天系统科学与工程研究院 徐 曼 安孟长 张楠楠 彭 芳

2014世界军民两用技术与产品发展特点回顾

中国航天系统科学与工程研究院 徐 曼 安孟长 张楠楠 彭 芳

2014年，世界军民两用技术与产品发展呈现出新的特点，军民两用前沿技术不断取得突破，特别是在电子信息领域、新材料领域，以及先进制造领域，智能化技术、量子技术、石墨烯材料、纳米材料、3D打印技术、智能制造技术等先进军民两用技术发展快速，军民两用技术与产品的发展呈现出前沿有突破、技术更创新、应用更广泛等特点。

1 智能化技术研发热情高涨，人们期望计算机更智慧，会思考，能决策

智能化是指由现代通信与信息技术、计算机网络技术、行业技术、智能控制技术汇集而成的智能技术针对某一个方面的应用。随着现代计算机及网络技术的飞速发展，“智能化”获得了业界越来越高的期许，科学家期望未来计算机能够具备人工智能，能够在复杂情况下迅速学习和分析当下环境，并最终替代人类做出正确的决策。

美国卡内基梅隆大学正在尝试给由美国谷歌公司和美国国防部海军研究办公室共同资助的研究项目——“尼尔”的计算机植入人工智能“种子”。其在2个计算机组群上运行，拥有200个处理器核心，通过观看各种图像，学习观察图像之间的相互关系，“尼尔”已能够对图像进行次级分类，并可以在事物之间建立联系。美国研制出一种新的、更加接近人脑的计算体系——“沃森”，能够将信息存储在周期信号的频率和相位内，具备了能以正方也能以反方参加辩论的辩手功能。IBM公司发布了新一代模仿人类大脑的计算机芯片“神经突触计算机芯片”。美国斯坦福大学研制出Neurogrid电路板，其能够像人类大脑一样工作，可模拟100万个神经元细胞，以及数十亿个突触连接，运算速度可达当前普通电脑的9000倍。欧盟“脑飞行”项目取得进展，在飞行模拟器中使用专门算法成功解读飞行员脑电图并完成了根据大脑意识控制飞机起飞过程的实验。德国柏林自由大学研发出1台可模拟昆虫大脑感知和运动的装置，通过虚拟的“奖励传感神经细胞”的激励，可以学会接近某些颜色的物体，并避免碰到其它颜色。

2 量子技术研究热度不减，推动新型计算技术发展

电子信息科技在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的问题日渐凸显。对此，科学家对量子信息科学透出了日渐浓郁的关注度。近年来，不断突破的量子信息科技似乎正在开启新的机遇之门。新量子技术微芯片和超分子组装方法有望推动新型计算机研发步伐。

2014年，美国国家安全局加速量子计算机研发，其计算能力超越目前金融、政府部门等核心数据的加密强度。首台商用量子计算机问世，制造出运行最快的有机薄膜晶体管等。英国新研制的零差错射频识别系统用途广泛，新量子技术微芯片和超分子组装方法有望推动新型计算机研发步伐。英国苏塞克斯大学开发出一种新的量子芯片，可在微米级尺寸处理电子和电压，有望成为下一代超高速量子计算机的关键技术。英国马普学会量子光学研究所首次成功在晶体中精确定位单个稀土离子，并准确测量了其量子力学能量状态。该项研究使得在离子中存储量子信息成为可能。德国萨尔大学开发出一新的算法，可自动检测和调整量子计算机，使量子计算机运行前的准备时间从6h缩短至5min。中国科学院量子信息重点实验室通过国际合作，在实验中利用1个2粒子体系的简单模型，观测到了普通噪声环境中量子关联的恢复现象，意味着在普通噪声环境中调控量子关联成为可能。中国科学技术大学、清华大学、美国哈佛大学组成的研究小组提出并实现了“麦克斯韦妖式量子算法冷却”新方法，可用于量子计算机的初始化过程。西班牙马德里康普顿斯大学和奥地利因斯布鲁克大学合作研究出一套新的量子纠错方法，能够独立地检测和纠正每个粒子里可能的错误。 以色列魏茨曼研究所研制出了世界上首个光子路由装置，可实现单光子路由功能，基于这些技术的量子光学元件可用于未来量子计算机的构建。意大利帕多瓦大学通过实验证实，卫星间、卫星与地面站间进行量子通信是完全可能的。我国计划在2016年将全球首颗“量子通讯卫星”送入轨道，其他国家也有类似的计划，并正在进行实验。中国科学技术大学、中国科学院及瑞典的科学家合作，实现了量子态可恢复的新型量子测量，并验证了量子测量过程中信息提取与量子态恢复之间的转化等式关系，丰富了人们对量子测量这一基本问题的理解，对量子测量、量子信息安全等具有重要意义。

3 物联网发展稳健，促进智能交互、射频、传感等技术全面进步

智能化程度提高的标志是人机互动越来越人性化，通过移动设备与传感器，新式物联网能直接监控所处环境并收集数据。在物联网、智慧城市及穿戴式设备的融合背景下，人机交互、智能识别射频传感等技术开始取得实质性进展。

在智能移动终端方面，在苹果公司推出TouchID指纹识别传感器技术之后，韩国三星电子公司等设备厂商先后推出了具有眼球追踪、语音、手势操控等方式的传感及识别技术，为后续物联网的延伸服务提供了充沛的技术储备。

英国剑桥大学开发出一种几乎零差错的新型广域无源超高频射频识别系统，能在不增加天线的前提下，将现有射频识别系统的识别范围从2m～3m扩大到15m～20m，并完全消除盲点。东京大学开发成功一种“无线有机传感系统”，在高分子薄膜上制造有机集成电路，厚度薄、可弯曲等特点，能够检测含水率、温度和压力等数据。由中国科学院自动化研究所承担的“面向公共安全的视觉物联网关键智能技术与产品”项目以公共安全等应用为驱动，以智能视觉感知，特别是“人、车、物”视觉标签提取与识别技术为核心，重点研发了背景建模、运动目标提取、人车检测和识别、目标跟踪、车标检测识别、视频浓缩，以及目标再辨识等技术，相关性能指标达到国内领先水平。中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所成功研制出一种新型柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤，可通过对人体说话时喉部肌肉群运动所产生的微弱压力变化，以及脉搏波形变化等进行分析，初步实现了语音识别和人体不同生理状态的准确检测，推进了可穿戴设备在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断等方面的应用。百度股份有限公司推出自主研发设计的高科技穿戴式产品——百度Eye原型。其主要功能是对用户第一视角的图像等视觉信息进行分析，为佩戴者实时提供所见物体的相关信息，应用广泛。美国微软公司推出可穿戴智能手环——Microsoft Band，以及与其配套的应用程序——Microsoft Band Sync。微软Band内置大量传感器，包括光学心率、加速度计、陀螺仪、环境光/紫外线、皮肤电反应、皮肤温度、电容式传感器及GPS等，用于监测用户的心率、步数等日常数据，可日夜连续佩戴。

推荐理由： 信息碎片化时代，深入而系统的思考力是宝贵的财富。只有学会思考，才能由表及里、去伪存真、去粗取精。系统思考专家邱昭良博士的《如何系统思考》凝聚了他20余年的实践心得，辅导数百家企业、上万名经理人的经验以及大量原创成果，帮助读者快速学会如何系统思考，并由知到行。

4 3D打印材料、尺度、设备、产品性能等取得新进展，太空3D打印时代开启

2014年，3D打印技术在制造业领域保持了较高的关注度，在各国的推动下，成形材料范围进一步扩展，零件性能显著提高；除传统的金属和非金属结构件制造外，开始在微增材制造方面取得突破，成形尺度从微米级向纳米级扩展；3D打印设备能力稳定提升，增材/减材混合加工设备发展快速；3D混合打印技术取得突破性进展，开始用于结构功能一体化构件的制造。

首先，美国、日本、英国等国家，以及一些企业均对3D打印技术表现出了极大的关注，纷纷制定相关计划促进3D打印技术的研究与发展。例如，英国宣布投资1.54亿英镑用于包括飞机零件的3D打印技术研发等在内的航空航天研究。英国政府还支持设立国家3D打印中心，总投资约3000万英镑用于资助中心的3D制造活动。GKN航宇公司将领导英国企业成立一个地平线研发项目，历时3年半，投资1340万英镑，致力于增强企业的增材制造能力。美国国家航空航天局（NASA）开展了多项3D打印技术研究，并在多种金属3D打印、微观3D打印等方面取得了进展；美国国家增材制造创新机构进一步发展壮大。日本政府为其国家3D打印项目投入40亿日元，包括3D打印设备和精密3D成形技术的研发。这些规划计划的出台在未来将极大地促进世界3D打印技术及其应用的发展。

在3D打印材料方面，实现了钛合金、铜材料，以及复合材料部件的3D打印。美国EOS公司为其直接金属激光烧结EOSINT M系列机型，研制了2种粉末金属材料：钛Ti64ELI和EOS不锈钢316L。美国硅谷Arevo实验室推出制造高强度碳复合材料最终产品的3D打印技术，可使用的基体材料有聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚芳基醚酮、自强化聚亚苯基、聚苯亚砜树脂等。NASA和航空喷气•洛克达因公司完成了一系列通过铜合金增材制造技术制备的运载火箭发动机燃烧室组件的热点火试验。美国NanoSteel公司开发的新型铁基金属基材料可用于3D打印，生产出完全致密、高硬度的金属零件。

在3D打印制造尺度方面，3D打印的尺度已扩展到纳米级。美国IBM公司将3D打印技术与纳米技术相结合，制作了一款微观3D打印机，打印出了需采用电子显微镜才能看到的世界上最小的杂志封面。韩国电工研究所在世界上首次完全使用石墨烯成功3D打印出了一个纳米结构，证明了将纯石墨烯材料用于3D打印的可能性。

在3D打印设备方面，除传统的3D打印设备不断改进，型号不断更新外，新型增材/减材混合加工设备发展快速。例如，日本沙迪克公司开发出的“OPM250L”3D打印机将利用激光熔融凝固金属粉末的沉积成型与基于切削加工的精加工组合在一起；日本三菱电机公司所属MC机床系统公司与日本Matsuura机床公司合作开发出了新型LUMEX Avance-25金属激光烧结混合铣床，将熔融金属激光烧结技术和高速铣削技术集于一体，可高精度地生产复杂零件。

在3D打印技术方面，NASA开发出一种新的3D打印技术，可在1个部件上混合打印多种金属或合金，解决了长期以来飞行器尤其是航天器零部件制造中面临的一大难题，还能用于研究潜在的合金。

在3D打印应用方面，2014年，3D打印航空航天部件如发动机叶片、燃烧室喷嘴、油箱、卫星支架等产品的不断涌现和陆续测试进一步验证了3D打印的应用潜力。

此外，美国时间2014年9月21日，美国太空探索技术（SpaceX）公司的“龙”货运飞船搭载1台3D打印机飞往国际空间站，开启了人类太空制造的新纪元。该3D打印机可通过挤压热塑性塑料进行三维物体的制造，未来国际空间站现有的30%以上的备用部件都可由这台3D打印机在太空快速、低成本地制造。目前，其已在太空中打印了20多个对象，制造出了首个太空工具——扳手。这种制造方式可能为月球基地的建设，以及其它行星甚至更远的太空探索提供可能，或将彻底改变未来太空探索的方式。

5 复合材料非热压罐成型技术应用获得突破

复合材料非热压罐成型技术无需热压罐罐压，只需利用真空压力即可成型，且具有广泛的手工铺贴和自动铺贴的工艺基础，具有成本低廉、制造周期短等优点，近年来受到了广泛关注。2014年，复合材料非热压罐成型技术的应用获得了多个方面的突破。

宇航员展示在国际空间站上3D打印出来的扳手

其次，2014年4月，加拿大庞巴迪集团公司的“利尔喷气 85”公务机实现首飞，其是世界上利用复合材料非热压罐成型技术批量制造机身主承力结构件的最大飞机。另外，俄罗斯中央空气流体动力学研究院4月完成了MS-21单通道客机复合材料试验翼盒的耐久性测试，俄罗斯联合飞机制造公司将装配该采用非热压罐成型技术制造的机翼主承力结构。这是民用客机首次采用非热压罐成型技术生产机翼主结构。这表明，非热压罐成型技术已初步攻克了基体主承力结构制造难关，实现了应用突破。

6 纳米材料与技术、可自愈智能材料及结构不断涌现

2014年，世界纳米材料与技术持续发展，在新型纳米材料制备、纳米功能材料开发等方面取得了新的成就。美国国家标准与技术研究院在纳米尺度上采用一种独特的三明治结构，开发出一种多壁碳纳米管材料，其整体厚度不足500nm，却能够大幅降低泡沫制品的可燃性。美国宾夕法尼亚州立大学生产出了一种超细“钻石纳米线”，其强度和硬度超过目前最强的纳米管和聚合材料。英国南安普敦大学光电子研究中心在世界上率先研制出一种玻璃纳米纤维，其比钢坚硬15倍，长度可达1000km，且原料易得，可应用于制造固定翼飞机、快艇和直升机等。哈佛大学和麻省理工学院合作，通过在精心设计的不同三维DNA模块中植入极小的金属纳米“种子”，并激发其生长成为一个与该模块相同维度的立方体纳米粒子，铸造出了小于25nm的三维技术物件。美国多家研究机构合作，以纳米微格为基础，制造出了极为坚固的材料，同时具有高硬度、高强度、超低密度等优点，有望使相同重量的材料在硬度方面刷新纪录。英国萨里纳米系统公司采用碳纳米管研制出一种“超级黑”材料——Vantablack，其光反射率仅为0.035%，创造了新的世界纪录。美国国家标准技术研究所用银、玻璃和铬制备出一种纳米结构的新型超材料，可在一个方向上几乎完全遏制光线传播，而在另一个方向上使光线畅通无阻，从而为可见光制造了一条“单行道”，有望在光学信息处理、新型生物传感设备等领域大显身手。

2014年，智能材料特别是能够自愈的材料取得了较大的进展。美国匹兹堡大学研制出一种能自愈的新凝胶，能够使复杂的物品自我修复，有望大幅延长物品的使用寿命。美国伊利诺伊大学研发出一种可多次自愈合的聚合物材料——活力聚脲，加快了自修复油漆和其它涂料等自愈合材料的应用进程。美国研究人员通过“计算化学”方法将实验室实验与高精度计算相结合，开发出2种可循环利用的新型高聚材料，有望为交通运输、航空、微电子等行业的加工制造带来变革。欧洲SHINE研发团队成功在合成橡胶添加弹性体材料技术方面获得突破，开发的弹性体材料可在数秒内常温无任何外部条件干预下，自动回复到原始状态的97%以上，为实现合成橡胶材料的自修复技术奠定了基础。

7 石墨烯材料及其应用进一步发展，类石墨烯材料初露端倪

2014年，在石墨烯制备和应用研究方面，世界各国均投入了大量的人力和资金，取得了丰硕的成果。美国国家直线加速器实验室和斯坦福大学合作，首次揭示了石墨烯插层复合材料的超导机制，并发现一种能使石墨烯获得超导性能的潜在工艺。美国麻省理工学院和密歇根大学合作，通过将石墨烯直接沉积到最终产品的衬底上，开发出了大规模生产石墨烯的新方法，或将很快解决石墨烯“制备难”的问题。法国、美国、德国等3国组成的国际研究团队采用新方法合成了宽度仅40nm的高质量石墨烯纳米带，其在室温下的电子迁移率超过106cm2/Vs，为新型电子设备的研发拓展了新的空间。爱尔兰都柏林圣三一学院先进材料与生物工程研究中心和物理学院合作，将石墨烯添加入市售橡胶中，使橡胶在保留原有机械性能的同时具备了导电性，从而制造出了世界上首个可穿戴的石墨烯—橡胶传感器，为开发基于橡胶的可穿戴传感器提供了思路。美国乔治•华盛顿大学推进器和纳米技术实验室创建了一个新的超级电容，其混合石墨烯片与单壁碳纳米管，使该设备兼具了高性能与低成本。剑桥大学开发出了世界上首个基于石墨烯的柔性显示器，在石墨烯的商业化应用方面取得突破性进展。美国马萨诸塞大学通过研究发现，石墨烯具有良好的抗冲击性能，以其为基础的复合材料及其它轻质高强材料有望替代钢铁或芳纶纤维，成为一种“很有前景的盔甲系统”。英国曼彻斯特大学、中国科学技术大学，以及荷兰内梅亨大学合作，发现石墨烯及氮化硼等具有单原子层厚度的二维纳米材料可以作为良好的“质子传导膜”，有望为燃料电池和其它氢动力相关技术领域带来革命性变化。

在石墨烯材料备受瞩目的同时，很多研究人员另辟蹊径，在类石墨烯材料的研究中取得了突破。由法国艾克斯-马赛大学等机构组成的欧洲联合研究团队成功合成了新型二维材料——锗烯，其由单层锗原子构成，或具备出色的电学和光学性质，未来有可能被广泛集成在各种电子设备中，可在室温下用于未来量子计算等设备制造。英国曼彻斯特大学利用有“白色石墨烯”之称的二维材料六方氮化硼，层叠合成了含有六方氮化硼夹层的石墨烯材料，其具备储存电子能量和动量的功能，未来或成为制造新一代晶体管的材料首选。英国南安普敦大学开发出二硫化钼超薄材料，除具备极佳的导电性能和超强的硬度外，其还具有发光特性，有望成为石墨烯有力的挑战者。

8 高效、新型电池与能源技术不断突破

2014年，在新能源领域，各类电池的能源效率再创新高，充电时间不断缩短，新型燃料技术不断取得突破，或将对军用和民用领域的能源利用带来变革。

美国能源部国家再生能源实验室制造的四结太阳能电池在234倍日光聚集下实现了45.7%的转换效率，达到了所有类型太阳能电池效率的最高水平。瑞典Midsummer公司将无镉柔性薄膜铜铟镓硒太阳能电池的转换效率从15%提高到16.2%，全部太阳能电池孔径面积为156mm×156mm。日本Solar Frontier公司与新能源产业技术综合开发机构合作在面积为0.5cm2的铜铟硒电池上实现了20.9%的转换效率，刷新了薄膜光伏技术转换效率的世界纪录。美国第一太阳能公司将碲化镉总面积模块的转换效率从16.1%提高至17%。美国Ascent Solar技术公司和沉默鹰无人驾驶飞机技术公司联合开发的“沉默鹰”无人机成功首飞，电源采用了Ascent Solar公司轻量级、柔性的铜铟镓硒薄膜光伏模块。

新加坡南洋理工大学成功研制出一种超快的充电电池，能够在2min内充电70%，且使用寿命可达20年，将为电子设备和电动汽车带来重大影响。美国密苏里大学打开了发展新一代以β射线为动力来源的水基电池的大门，可潜在应用于从汽车电池到太空飞船等方面。

在新能源开发方面，一个跨国研究组织在SOLAR-JET（针对喷气发动机可再生燃料长期可用性的日光化学反应器演示和优化）项目下使用日光、水和二氧化碳首次成功生产出了喷气发动机燃料。英国空气燃料合成公司发明了一种“空气捕获”技术，可从大气中有效提取二氧化碳，二氧化碳经处理后可用于生产汽油。美国海军已研发出从海水中提取二氧化碳和氢气的技术，使用催化式排气净化器，通过气态到液态的工艺过程，实现了将海水转化为燃油。

NASA选出了4个用于先进能源存储技术的提案，作为NASA未来空间任务的能源：Amprius公司提交的用于高比能系统的硅阳极电池；加州理工学院提交的用于航空航天的高能密度长寿命锂-硫电池；印第安纳大学提交的先进高能可再充电锂-硫电池；马里兰大学提交的基于安全的石榴石电解质的锂-硫能源存储。

在生物燃料方面，生物燃料在航空领域的应用取得了较快的发展，生物燃料在船舶等军民用领域的应用也受到了越来越广泛的重视。2014年9月，美国国防部通过“国防生产法案”为Emerald生物燃料公司、Fulcrum生物能源公司和Red Rock生物公司提供了2.1亿美元的资金，用于建设生产低成本军用生物燃料的生物精炼厂，目标是到2016年使生物燃料的价格降至0.92美元/升，可与石油基燃料竞争，并实现温室气体减排50%。澳大利亚海军将在2020年前使现役海军舰船和飞机具备使用生物燃料的能力。美国波音公司、南非航空公司，以及SkyNRG公司正在合作开发利用新型烟草可持续生产航空生物燃油的技术。

9 多国推动私有化参与军工的进程

2014年，以色列、俄罗斯等国积极推动军工企业的私有化改革，印度还提出了推进私营企业参与军工科研生产等措施，以建设经济可承受的国防。

2014年10月5日，以色列政府宣布了更大规模的私有化计划，将于2016年出售以色列宇航工业公司，于2017年出售拉法尔公司。该计划还包括其他一些以色列国有企业，旨在使国库收入达到25亿美元，以偿还国家债务。

俄罗斯积极推进国防工业和国防装备资产私有化，以减轻国家财政负担。俄罗斯卡玛兹公司计划于2014年年底剥离其最后的核心军事业务——鞑靼斯坦特种车辆厂。俄罗斯技术公司在其网站上列出了将要出售的12项非核心实体业务，其中包括9个工业工厂和大量的国防工业公司股权，包括军用无线电控制引信和火炮弹药生产商NPO Luch厂、Lenelektronmash自动化研究中心、飞行模拟器生产商OAO电子公司49%的股份、电子连接器制造商Snexhet公司等。此前，俄罗斯已于2013年创建卡拉什尼科夫轻武器公司，俄罗斯投资公司Transkomplekt股份公司持有其49%的股份。在航天领域，俄罗斯副总理罗戈津表示，政府必须关注建立公私合作关系，以提高航天工业的利润空间。

印度政府正在采取多种措施，在军工领域促进私营化，同时批准私营企业扩大国防活动。印度政府已经开始放宽一些国防装备的生产许可，旨在提高当地军工私营部门的参与，提高本国国防装备制造能力。印度取消了“向政府机构销售国防产品和服务前需要获得批准”的要求，以及之前对具有国防生产许可证的私营公司年度产能的限制。2014年8月，印度取消了对生产军民两用物品许可证的要求，除坦克和装甲战车、航天航空飞行器、军舰、全自动及半自动枪支、弹药，以及大多数情报、监视和侦察电子装备外，既有军事功能，又有民用功能的两用物品不再需要工业许可证明。这些最新举措，“解放”了超过50%～60%的需要许可的国防装备。预计在不久的将来，一些新的私营防务公司将诞生，大量私营企业将进军军工制造业。此外，印度电信部已同意印度无人机制造商使用已分配给印度军队的频段，这为印度政府向私营企业颁发无人机制造许可证扫清了障碍。