2015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 张楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟长



2015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 张楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟长

2015年，在世界各国对国防工业基础和国家工业基础建设的大力支持下，世界军民两用技术与产品在多个领域取得了较为显著的进展，其中，智能制造、可重复使用运载器、3D打印、量子科技、物联网技术、人工智能、石墨烯材料、复合材料、铜铟镓硒薄膜太阳能电池和钙钛矿太阳能电池、核能技术、深海探测装备等方面的发展引人瞩目。这些技术的突破或将变革工业生产模式及人类生活方式。

1　智能制造研究炙手可热，新概念和新技术取得重要进展

随着德国“工业4.0”战略的提出和发展，全世界掀起了研究和发展智能制造的热潮。智能制造利用现代传感、网络、自动控制、人工智能等技术，实现设计、制造过程和制造装备的智能化，是制造业自动化、数字化发展的必然趋势，现已成为21世纪先进制造业的发展方向和新工业革命的重要标志，在全球范围内获得了广泛认同。2015年，世界各国均非常重视智能制造技术发展，在智能工厂、智能装备、基础技术研究等方面取得了诸多重要进展，显著提升了制造业的智能化水平。

首先，各国积极推动互联网技术在工业制造领域的应用，美国、欧洲、日本等发达国家或地区均将智能制造作为重振制造业发展的重要手段。美国能源部宣布牵头组建智能制造创新机构，投入多达7000万美元，针对先进传感器、控制器、平台和制造建模技术，支持能够减少其部署成本达50%的研究与开发工作。美国国家标准与技术研究所（NIST）正在开发一种智能制造无线网络试验台。该试验台将模拟各种工业设置条件，并支持在线的性能测试与试验开发，评估NIST的无线网络模型与仿真的实用性。欧盟宣布了“单一数字市场”战略的优先行动领域，将发展智能工业作为其中之一，标志着欧盟将智能工业纳入发展战略。德国2015年发布了“工业4.0”自主通信标准，以及传感器和控制设备等“专用设备”。日本紧追德国，关注互联网在工业生产领域的应用，制定了相应的发展计划。日本经济产业省2015年6月发布了《2015年版制造白皮书》，其中指出，日本制造业要积极发挥信息技术的作用，建议转型为利用大数据的“下一代”制造业。此外，日本三菱电机公司等约30家日本企业组建了联盟，共同探讨工厂互联的技术标准，并争取使其成为国际标准。

在智能制造技术发展方面，智能工厂、柔性工厂、机器人制造等技术发展较快。例如，德国Forcam公司开发的Forcam Force软件将帮助制造商实现工厂透明化，并最终实现集成数字制造——智能工厂。通用电气公司在印度建立了柔性制造工厂，可实现在同一工厂生产多种产品和零部件，利用相同的人和设备按照订单要求迅速调整生产。美国国家航空航天局（NASA）利用机器人制造系统建造复合材料产品。德国Manz公司全新研发的模块化装配平台开启了智能制造新模式。荷兰空中复材公司和德国西门子公司联合在荷兰构建了一间复合材料数字工厂——空中西门子数字工厂（实验室）。该工厂由复合材料制造业务环境、知识中枢和体验中心等三部分组成，将在统一环境中承担设计、仿真、生产规划、生产、反馈、测试，以及供应链管理等任务，将为复合材料制造业的数字化和自动化树立典范。

2　完全可重复使用运载器研制取得突破性进展

美国东部时间2015年12月21日20时28分，美国太空探索技术（SpaceX）公司“猎鹰”9运载火箭升空，成功为美国轨道通信公司发射了11颗小型通信卫星。12 月22日，该“猎鹰”9运载火箭一级箭体陆上回收成功，这在人类航天史上具有重大意义，为未来完全可重复使用运载器的研制奠定了一定的基础。完全可重复使用运载器研究涉及面广、技术实现难度大，在一次性运载火箭基础上实现完全可重复使用有不同的技术路线，此次SpaceX公司的一次性运载火箭子级回收是其中重要的技术路线之一。而“猎鹰”9火箭第一级地面回收的成功实现，在人类历史上首次验证了轨道运载火箭的可重复使用能力，而可重复使用火箭将使空间进入成本降低约两个数量级。

3　3D打印在材料、工艺、装备、应用、标准等方面全面发展

2015年，针对增材制造技术的发展，美国、欧盟等国家制定了发展路线图，明确了近期的发展重点和目标，并提出了标准化发展的策略，对于实现增材制造技术的健康、有序发展具有重要作用。“美国制造”（原“美国国家增材制造创新机构”）实施了多批增材制造研究项目，通过与工业界、学术界联合，不断推进先进增材制造技术和工艺的创新。增材制造的数字化也成为增材制造重要的发展方向之一。而为了使增材制造等新兴技术在航空、航天等领域获得广泛应用，降低技术风险，美国国防预先研究计划局（DARPA）计划开发并验证快速鉴定技术，全面获取、分析并控制制造过程中的变化以预测最终产品的性能，从而加深人们对材料和工艺的理解，推动3D打印技术及其它创新性概念融入主流国防制造并发挥作用。此外，德国EOS公司与MTU航空发动机公司签署协议，合作开发用于增材制造金属发动机零部件的质量保证技术。这些新技术一旦开发成功，将极大地推动增材制造技术在航空、航天，以及其它军用和民用领域的应用。

在3D打印技术方面，美国企业开发出一种全新的“连续液界面生产工艺”，不仅能让3D打印速度提高25倍～100倍，还能制造出其它方法无法获得的结构。在3D打印材料方面，2015年，适用材料在传统材料种类增多的基础上，还实现了高硬度金属基材料等新型材料的3D打印。在打印结构尺度方面，一方面，大型结构件及大型3D打印设备不断推陈出新；另一方面，微型结构的3D打印研究如火如荼，均实现了较快的发展。在3D打印设备方面，美国Optomec公司采用模块化设计方式，在数控机床中嵌入增材制造模块，使之升级为增/减材复合机床，经济、有效地实现了增、减材制造工艺的结合。普渡大学利用喷墨打印技术制造出了一种液体合金3D打印设备，能够打印用于一切弹性材料和纤维上的柔性可伸展导体。哈佛大学研制出一种新型多材料打印头，能混合并打印浓缩、有粘弹性的“墨水”材料，不仅能控制几何形状，还能在运行中改变材料成分。麻省理工学院研制出一种被称为“多种制造系统”的新型3D打印机，能一次使用10种不同材料，打印分辨率达40μm。此外，搭载在“龙”飞船上前往国际空间站的3D打印机已经通过验证，并打印出了多种工具，欧空局也已向太空中发射了3D打印设备。在应用方面，3D打印在军用和民用领域均获得了广泛的应用，其在航天部件如立方体卫星、推进系统、火箭发动机喷嘴、导弹部件等产品，航空部件如航空发动机部件，以及医药、机器人、生物组织等方面的应用进一步深入，相关测试工作正在进行，验证了3D打印在航天、航空等领域的应用潜力。

但是，随着3D打印技术的发展，业界对于3D打印的态度也发生了些许变化，开始审视3D打印技术及其应用过程中存在的问题。这也标志着3D打印技术进入了较为理性的发展阶段。

欧空局发射至国际空间站的3D打印机概念图

4　量子科技研发热度持续走高，我国占据国际领先地位

量子是微观世界里不可分割的基本个体，有着诸如未知量子态不可复制、量子非定域性等不同于宏观物理世界的奇妙特性，掌握这些特性，有望实现信息处理能力革命性的突破。

2015年，世界各国争相开展量子技术相关研究。美国麻省理工学院和贝尔格莱德大学合作开发出一种新技术，使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠，创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录。加州大学洛杉矶分校发现了使光子发生多维度纠缠的新方法。纽约城市学院生成了一种半光半物质的粒子，为研制同时具备光和物质属性的器件增加了可能性，促进了量子计算实用平台的开发。日本东北大学通过计算证明了“量子纠缠”形成时空的原理，为构筑涵盖一般相对论和量子力学的终极统一理论作出了贡献。加拿大物理学家在利用纯光打造量子计算机基础元件——逻辑门的研究工作中取得进展，成功通过单光子对其它光束施加影响。英国和日本合作，首次成功将量子隐形传态的核心电路集成为一块微型光学芯片，将复杂的量子光学系统缩小了1万倍，为制造超高速量子计算机、实现超安全量子通讯铺平了道路。中国科学院研发出了“非摧毁性的测量技术”，首次实现了单光子多自由度量子隐形传态，同时传送了单光子的自旋和轨道角动量两项信息，为量子网络技术奠定了基础。我国与英国合作，在实验中实现了68Gbps（世界最快）的高速量子随机数发生器，为未来超高速量子密码系统的量子随机数需求提供了可行的解决方案。中科院与美国华盛顿大学合作，在国际上首次在类石墨烯单原子层半导体材料中发现了非经典单光子发射器，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。

5　物联网技术稳步发展，助推行业生态系统加速构建

借助传感技术、大数据，以及云计算等技术，物联网可显著提高工业研发生产的效率与安全性，优化生产模式，提高经济效益。2015年，世界物联网技术发展稳步推进。美国英特尔公司推出全新一代物联网平台参考架构及相关硬件和软件产品，在优化软硬件性能的同时，降低了操作难度，使物联网构建更加便捷。美国微软公司宣布Azure物联网套件将支持以Windows 10为基础的物联网终端。美国亚马逊公司推出物联网应用平台AWS IoT，用于物联网应用研发、基础架构管理和数据分析。韩国三星公司推出了新品牌，以期统一其企业级物联网产品及服务。英国政府表示，为了开发以物联网技术为基础的医疗保健和社会性应用，将投资4000万英镑用于示范项目、企业孵化器和研究中心等建设。日本政府成立“物联网推进联盟”，就物联网技术的研发测试及先进示范项目制定计划，将就网络安全对策等展开讨论。我国重庆邮电大学发布了全球首款433MHz/470MHz频段工业物联网核心芯片——CY4520。百度公司发布了自己的物联网平台——BaiduIoT，以期打破行业间的界限。而工业互联网联盟和IEEE标准协会将合作为可互操作的工业物联网研究新型体系架构。

6　虚拟现实、类脑技术、人机交互技术等“人工智能”研发屡结硕果

2015年，以人机交互、虚拟现实、类脑技术等为重点的“人工智能”技术发展迅猛。10月，美国国家经济委员会和国家科学与技术政策办公室合编出炉了2015版《美国国家创新战略》，确定了九大优先发展领域，其中含大脑计划和高性能计算。这一年，无人驾驶汽车成为现实，语音控制系统一改笨嘴拙舌的旧面貌，变得更加智能和便捷。苹果公司新一代Siri语音控制系统只需要轻声说一句“Hey，Siri”就能即刻“唤醒”自动语音控制功能。谷歌公司的Google Now、亚马逊公司的Alexa语音助手，以及微软公司的Cortana等语音控制系统也同样变“聪明”了。微软公司推出了新款全息眼镜——Hololens，佩戴者可通过手势及语音对构建的场景对象进行实时操控，NASA将把其应用于太空探索和研究中。谷歌公司推出Cardboard V2版本虚拟现实头盔。美国DARPA正在实施一个名为“与计算机交流”的新项目，计算机可以像人一样交流。美国和日本合作开发出一种能模拟人脑进行自然计算的硬件平台，未来电脑将与人类一样聪明。美国加州大学圣地亚哥分校利用存储式处理器研制出一种模拟人脑运作方式的新型电脑样机。

7　石墨烯制备技术进展显著，产业化及应用获突破

2015年，世界石墨烯技术快速发展，美国、英国、韩国等国家在石墨烯制备和应用研究方面取得了显著成效。规模化、产业化制备技术，以及应用研究成为研究人员关注的重点。

微软公司推出的全息眼镜——Hololens

在新型石墨烯材料研究方面，美、中、日科学家发现了一种五边石墨烯，计算机模拟结果显示，其具有超高机械强度，能耐727℃左右的高温。美国加州大学河滨分校采用新方法，让石墨烯在拥有磁性的同时获得了新的电学性能，能产生新的量子现象。美国康奈尔大学将10μm厚的石墨烯裁剪、折叠、扭转、弯曲成多种造型，为纳米级柔性器件的研发提供了新思路。加拿大不列颠哥伦比亚大学通过在石墨烯中掺杂锂离子并将其冷却到5.9K，证明了石墨烯具有超导性，并制造出了首个超导石墨烯样品，有望迎来石墨烯电子学和纳米量子器件的新时代。俄罗斯尼古拉耶夫无机化学研究所和生物物理研究所合作，成功将石墨烯碳纳米管和纳米金刚石粉结合，获得了在微弱电流刺激下可发光的复合材料，既可用于制造新型显示屏，也可用于医疗诊断。韩国材料学家通过将氧化石墨烯喷入高温溶剂，制成了一种类似绒球的圆形石墨烯微粒，为制造电池和超级电容器上的电极材料提供了一种简单、通用的方法，或将提高蓄电设备的能源效率和功率密度。

在石墨烯产业化制备方面，美国橡树岭国家实验室首次利用化学气相沉积工艺制成了51mm×51mm的石墨烯片材，为实现石墨烯商业化规模生产奠定了重要的基础。英国格拉斯哥大学发现了一种能大量生产石墨烯薄膜的新方法，据称可使基板制造成本大幅降低到约为先前使用材料的1/100。英国牛津大学开发出了一种生产大面积高质量石墨烯薄膜的技术，据称是现有推进石墨烯商业化应用的最快方法。西班牙AIMEN技术中心通过短激光脉冲诱导石墨烯的化学晶格发生变化，开发出了石墨烯材料的超高速激光加工新技术，使得石墨烯的大规模加工生产成为可能。

在石墨烯应用方面，英国曼彻斯特大学与BGT材料有限公司合作，用压缩石墨烯墨水打印出了射频天线，可应用在无线射频识别标签和无线传感器上。此外，石墨烯在超级电容、锂离子电池、电子元器件、水过滤、传感器等方面的应用不断取得新的进展，正在逐步走向实用。

8　复合材料在航空领域的应用备受重视，发展迅猛

2015年，世界各国大力推进复合材料的研究和发展，特别重视复合材料在航空领域的应用。2015年1月，美国总统奥巴马宣布成立先进复合材料制造创新机构，计划投资超过2.5亿美元，致力于开发低成本、高速、高效的先进复合材料制造和循环再用工艺，确保美国在下一代复合材料领域的领先地位。复合材料在航空领域已获得了大量的应用，在特定应用部件中，复合材料能够替代的金属组件已所剩不多。特别是，复合材料在商用飞机上的应用正在逐步增多。目前，空客A380、A350XWB和波音787均在开展复合材料部件生产。NASA正与5个机构合作成立一个联盟，开发未来航空复合材料，推进复合材料研究和认证，使得飞机既保持高强度又能轻质。

在复合材料研究与开发方面，荷兰Elsevier公司推出了复合材料拉伸、剪切、弯曲，以及冲击性能的互动编译平台——Knovel树脂基复合材料数据库，将帮助企业替代现有的材料或在工程研究和设计过程中选择新的复合材料，提高效率，降低测试和维护的成本，并最终提高产品性能。日本东邦Tenax有限公司推出新等级的碳纤维产品Tenaxr XMS32，其性能达到了飞机和汽车应用所需的高强度和高拉伸模量。美国空军实验室和PROOF研究公司正致力于开发先进的高温聚合物基复合材料用于取代钛合金，应用于F-135和F-110航空发动机，B-2、F-117和F-22飞机，导弹结构和第六代发动机等方面。英国威格斯公司推出一种新型单向带和层压板复合材料——Victrex AE250复合材料，可用于制造飞机一级和二级结构的支架、夹子、卡箍、外壳等。美国精神航空公司为联合多用途技术验证机计划完成了首个贝尔直升机机身的制造，即将进行组装，不仅缩短了制造周期，还降低了制造成本。

虽然复合材料在航空领域的应用广受重视，并取得了突破性进展，但金属与复合材料之争并未结束。尽管近期认证的飞机复合材料用量很高，但是重新设计的波音777 和777X仍将采用碳纤维复合材料机翼和铝合金机身，全复合材料的新设计被退回。包括空客A320neo和波音737MAX等在内的单通道飞机仍然大量采用铝合金，并没有在主承力结构中大量使用先进复合材料。日本首款国产喷气式支线飞机MRJ的主翼由于复合材料强度不足，交付时间一拖再拖。此外，金属供应商积极开发铝锂合金等新型合金，以应对与复合材料的竞争。在这种竞争中，复合材料和金属材料相互促进，其性能都将得以大幅提升。

9　深海探测、深海工程装备领域研究稳步推进

2015年，世界各国对海洋资源开发利用方面的研发热度持续不减，美国海洋能源管理局设立深海科学研究计划，加大深海考察和科研活动投入。韩国海洋科技协会宣布投资兴建水下机器人研究中心，专注于水下机器人的研究和应用，进一步提高韩国在海底电缆铺设等方面的技术能力。我国同济大学海底观测基地暨国家重点实验室一期建成投用，将着力于海洋资源开发、海洋权益维护等方面的重大科学问题研究及技术创新。

深海探测及深海机器人等工程装领域研发活动稳步进行。

在深海探测方面，俄罗斯 “罗斯”号自主潜水器在大西洋中部完成水下6000m深海下潜实验，最高下潜深度6180m。日本将研发新型载人深潜器——“深海12000”，其将采用多种最新技术，有助于资源探测，计划于21世纪20年代后半期完成研发，可下潜至世界最深海沟马里亚纳海沟。我国万米级载人深潜器和着陆器——“彩虹鱼”项目已完成4000m级海试，最大下潜深度4328m，其本体国产化率达到95%，计划于2016年进行11000m马里亚纳海沟测试，有望培育千亿元级规模的深海装备产业集群。

在深海机器人等作业装备方面，韩国海洋科学和技术研究所发布世界上最大、下潜最深的水下行走机器人——Crabster CR200，重635kg，下潜深度200m。中科院沈阳自动化研究所成功研发我国首台具有完全自主知识产权的6000m深海水下无人无缆深潜机器人——“潜龙一号”，测试最大潜深达到5213m，单次下潜水下工作时长31h。与此同时，我国首台自主研制的4500m级无人遥控潜水器作业系统——“海马”号无人自主航行作业系统，以及我国最大深度海底深孔岩心钻机“海牛”通过验收。

10　铜铟镓硒太阳能电池应用进展显著，钙钛矿等太阳能新技术研究取得突破

目前，新兴太阳能电池技术通常可分为三大类，一是铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉、硅薄膜等薄膜太阳能电池技术；二是低聚光LCPV和高聚光HCPV的聚光光伏（CPV）技术；三是第三代太阳能电池技术，包括有机光伏电池、染料敏化太阳能电池、铜锌锡硫太阳能电池、量子点和钙钛矿太阳能电池等。总体来讲，薄膜太阳能电池和聚光光伏技术在不久的将来即可进入商业化阶段，而第三代光伏技术实现这一目标尚需时日。

2015年，世界铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术与产品研发，以及市场活动活跃。日本Solar Frontier公司实现了铜铟硒（CIS）模块全球销售量超过3GW的里程碑。美国Stion公司的系列CIGS薄膜太阳能电池模块被批准进入迪拜市场，成为迪拜市场首批合格的长期订货光伏模块。此外，其基于纳米结构的CIGS薄膜太阳能电池模块完成了228kW商业屋顶太阳能电池项目。德国柏林亥姆霍兹中心生产出了高质量超薄CIGS有源层，通过在背接触和有源层之间加入纳米颗粒阵列，提高了电池效率（达到11.1%）。美国Ascent Solar技术公司已经开始向“沉默鹰”无人机技术公司提供安装于“沉默鹰”无人机系统机翼上的轻型、柔性CIGS薄膜光伏模块，以满足第一个批量生产商业订单需求。德国Manz公司利用批量生产的CIGS薄膜太阳能电池模块创下了转换效率16%的新纪录。欧洲新研究项目Sharc25将采用CIGS共蒸发技术制备薄膜太阳能电池，以获得25%的转换效率。

在钙钛矿等新型太阳能电池方面，不仅新产品研发取得了进展，在实际应用方面也进步显著。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从2006年的2%提高到2015年的超过20.1%，市场规模也有所扩大。澳大利亚Dyesol公司的钙钛矿太阳能技术实现了从实验室到工厂的里程碑式跨越，经1000h加速测试，光电转换效率衰减不到10%。美国布朗大学开发出了制备钙钛矿太阳能电池的简化室温工艺，制备的电池的光电转换效率高达15.2%，在半透明100nm厚钙钛矿薄膜上制备的太阳能电池平均转换效率为10.1%，适用于大规模生产。瑞士洛桑理工学院开发出了可吸收X射线和可见光的太阳能面板钙钛矿材料，研究表明，这种材料可以吸收X射线和空间粒子能量以转换成电能。除钙钛矿太阳能电池外，量子点电池、染料敏化太阳能电池等新型电池也获得了较快的发展。

11　美国推出多款创新型核聚变装置设计，俄罗斯新一代核能技术取得新进展

2015年，美国在新型核聚变装置设计方面的进展引人瞩目，多款创新型核聚变装置设计方案先后推出，有望缩短核聚变能应用预期。2015年7月，美国波音公司获得一项高效激光点火核聚变发动机设计专利，设计原理与火箭发动机相似，推进器的一端是一个半球形腔体，强大的自由电子激光束注入腔体后，聚焦在氘氚燃料上，引起核聚变反应，释放能量，核聚变产生的物质通过喷射口喷出，产生推力。8月，麻省理工学院发布小型磁约束聚变反应堆设计，计划10年内建成原型装置并发电，电功率为270MW。虽然目前媒体所报道的核聚变反应堆的设计进展十分快速、显著，但是，尚未真正实现。

2015年，俄罗斯在钠冷快堆及其燃料技术、VVER-TOI压水堆等研究方面取得了突破。7月，俄罗斯国家原子能公司开发出一种“超纯”镍合金新材料，并利用这种新材料制造了首个VVER-TOI压水堆“超强”压力容器。9月，俄罗斯开始建造功率为150MW、全球最大的多功能快中子研究堆，其可将新材料和燃料的研究时间缩短至原来的1/2甚至1/3，用于支持新燃料、新材料开发，开展反应堆物理和热工水力研究，开展闭合燃料循环研究，发展同辐技术应用等。4月～8月，俄罗斯先后有9个混合氮化物燃料组件装入BN-600钠冷快堆，进行为期3年以上的辐照测试，为钠冷快堆及其燃料的下一步开发打下了基础，促进了闭合燃料循环的发展，将进一步推动轻水反应堆技术发展及应用。