国外航天前沿技术最新发展浅析

韩洪涛 杨开 （北京航天长征科技信息研究所）

前沿技术在航天装备中的应用能够显著提升装备性能，重塑现有的装备研制和生产流程，甚至颠覆未来作战形态。当前，世界主要航天国家持续加强对航天前沿技术和基础科技的投资和重视，积极寻求新途径、发展新型动力技术，探索新概念航天发射技术，发展在轨机器人等先进空间技术，积极布局和推进以增材制造、智能制造等为代表的先进制造技术，同时高度重视定向能、人工智能等基础技术发展，通过制定国家战略、投入大量资金、推动项目研发和技术验证等方式，加速推进相关技术在航天领域的应用。

1 先进动力技术

美俄核动力技术在导弹武器与空间装备的应用方面取得突破

普京在2018年联邦会议国情咨文中展示了6种先进武器，其中包括两种新型核动力武器，即“海燕”核动力巡航导弹和“波塞冬”核动力无人潜航器。“海燕”核动力导弹在2017年末的发射试验中动力装置达到指定功率，并于2019年1月再次成功试射，证明核动力装置可保证导弹的无限飞行射程。由于该导弹飞行弹道难以预测且理论上具有无限射程，一旦研制成功，美国当前的反导系统就将形同虚设。

NASA、洛斯阿拉莫里国家实验室和能源部多方合力研发的迷你核裂变反应堆电源——“千瓦动力”（Kilopower）成功完成地面测试，下一步将开展该装置的在轨试验，最终实现其在太空以及地外星球上的应用。俄罗斯克尔德什研究中心在高度模拟太空环境的地面试验室中，成功对兆瓦级核动力推进装置的关键组件——冷却系统样机进行了测试。俄罗斯计划2020年制造出带有兆瓦级核能动力装置的空间运输系统的飞行试验样机。

“千瓦动力”装置在月球部署示意图

洛马公司在美国专利商标局为紧凑型核聚变反应堆申请的三项专利取得进展，计划在2019年开工建设原型反应堆。英国聚变应用系统公司目前正在开发一种新型核聚变火箭发动机，并正申请专利。

美国推进TBCC和复合预冷组合动力技术的地面试验工作

高超声速推进系统可使军用飞机和导弹在较短的响应时间内进行远距离飞行。美国国防高级研究计划局（DARPA）通过“先进全速域发动机”（AFRE）项目研发全尺寸、可重复使用的涡轮基组合循环（TBCC）推进系统，并对该系统进行地面演示验证，目前已完成双模态冲压发动机低马赫数模态转换试验。同时，英国公司的“佩刀”复合预冷组合发动机技术获得美国军方认可，美国空军提出基于该发动机技术的两级入轨方案，DARPA随后支持该公司在美国开展关键组件预冷却器的地面试验。

苏格兰和乌克兰研究可消耗自身结构的固体火箭发动机

苏格兰格拉斯哥大学和乌克兰第聂伯国立大学研究团队联合研制出一款采用创新燃烧方式与结构的新型固体火箭发动机原理样机，并在实验室中开展了持续时间60s的燃烧测试，证明可实现消耗固体发动机自身结构的目标，并且能够实现对固体火箭发动机燃烧过程的节流控制。

2 新概念发射技术

美国创新公司发展弹射入轨技术

美国旋转发射公司已经针对利用弹射器将载荷送入轨道的方案开展技术研发和验证试验。其弹射方案是采用高速旋转的离心分离机，通过离心分离机获取的动量，可以将载荷以4828km/h的速度（Ma约为4）弹射出去。这一发射方案单次发射的目标价格为50万美元，将极大降低航天发射成本。

旋转弹射入轨技术原理示意图

俄罗斯、瑞士研究通过激光发射卫星的方法

俄罗斯银河公司技术总监伊里恩透露，该公司与瑞士Dltech研究所的研究人员正在进行激光炮发射卫星方法的概念研究。电子炮计划利用由瑞士Dltech研究所制造的功率300kW的激光器，然而据推断，要推进100kg的有效载荷，则激光器的功率至少应为40MW，项目团队也正在对此进行研究。此前，美国曾开发出将飞行器发射到30km以上高度的100kW氧化碳脉冲激光器。

韩国公司公布导弹电磁发射系统的研制计划

韩国韩华防务系统公司公布面对空导弹电磁发射系统的研制计划。该系统将配备脉冲电源系统，可以装载不同类型导弹。该公司已经成功将100kg的模型弹发射至20m的距离，并计划在2019年将500kg的物体发射至同样距离，远期目标是将直径275mm、质量为400kg的物体（即“铁鹰”地空导弹指标）可靠地发射至20m/s的速度。

3 控制空间技术

NASA和DARPA联合研制军民两用的在轨机器人

美国NASA与DARPA联合开展在轨机器人的研制活动。这些机器人被称为“在轨服务站”，它们不仅可以完成卫星推进剂加注和修理任务，还具备太空战时破坏能力。NASA推动卫星服务技术发展，使用在轨机器人技术的“机器人燃料加注任务第三阶段”项目在肯尼迪航天中心完成了系列关键地面试验。

众多太空企业加速发展在轨服务机器人系统

在政府的鼓励下，美国私营企业积极开展在轨机器人的研发。美国轨道装配公司（Orbital Assembly）提出三类空间机器人设计方案，分别是“观测机器人”、“蛙舌机器人”以及“回收机器人”，未来将用于空间设施维护和建设。轨道-ATK公司推出一款新型“任务机器人飞行器”（MRV），用于为燃料即将耗尽的静地卫星提供位置保持服务，可实现长达5年的延寿。劳拉太空系统公司（SS/L）将于2021年发射机器人飞行器，为SES公司的卫星提供在轨服务。

4 先进制造技术

美欧推动3D打印在新型火箭发动机及整箭制造上的应用

美国将3D打印技术应用于新型“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭部件的制造，其芯级和上面级发动机零部件大量应用选择性激光熔化工艺。NASA在马歇尔航天飞行中心成功对“低成本上面级发动机”项目下的3D打印火箭发动机燃烧室进行了一系列点火试验。航空喷气-洛克达因公司在佛罗里达州西棕榈滩成功开展新型RL10发动机推力室组件系列试车，该推力室组件几乎全部采用增材制造方法。瑞典GKN航空航天公司获得欧洲新的普罗米修斯液氧甲烷发动机涡轮的合同，并表示将采用3D打印技术来减少涡轮的零件数量。

美国初创航天企业相对论空间公司计划通过3D打印技术和智能技术的结合实现小型火箭的无人制造，颠覆传统的火箭制造方式。该公司正在建造一种中型运载火箭，其中包含95%的3D打印部件。该公司表示，他们生产火箭的零件数量是正常情况下的1/100。例如，其发动机喷注器和燃烧室仅由3个3D打印部件组成，而这些部件传统上需要近3000个部件。该公司的3D打印火箭，只需要60天的打印时间，预计能够发射高达1225kg的有效载荷。每次发射耗资约1000万美元。

美国利用增材制造技术推动高超声速技术能力

轨道-ATK公司在德克萨斯州伯内特的某靶场首次对部分3D打印的高超声速武器战斗部进行了爆炸试验。该型战斗部质量约22.7kg，五分之三的部件由3D打印制造。该型战斗部采用了异形结构，结构构型复杂，研发团队利用3D打印使得制备周期比传统工艺节省了至少一个半月时间。随后，美国诺格公司也完成将装备在美军天对地和地对地高超声速武器上的新型22.7kg级战斗部的系列测试。

美国休斯研究实验室（HRL）通过采用增材制造工艺，制造出结构复杂、耐高温且缺陷少的陶瓷基复合材料。该材料可承受1700℃高温，强度达到同类材料的10倍，具有应用于未来高超声速飞行器的潜力，美国空军对这种耐高温碳氧化硅材料进行了风洞试验。

美国陆军车载激光武器

5 定向能武器

美国军方推动定向能武器在反导、空战、防空等领域的实用化

美国国防部副部长迈克·格里芬称，国防部的定向能项目的重要性仅次于高超声速武器研发，在前沿武器中排第二。美国国防部将在十年内使激光和其他定向能武器配备给一线战斗人员。

美国导弹防御局发展无人机助推段激光反导技术，这类无人机将比波音747小得多，能在19.2km的高度携带5.7t的载荷。洛马公司获得价值2550万美元的研究合同，以继续开发低功率激光器演示验证器，其原型机预计在2023年制造出来。

美空军提出空基激光武器分步走发展规划，美空军计划在2018－2020财年开展一系列空基激光武器的飞行试验，预计在2025年实现100kW级别高能激光器，2029年实现功率为300kW级别激光器。

2018年，美国陆军在俄克拉荷马州锡尔堡火力卓越中心举行的机动火力综合演习中使用微波和激光武器拦截45架无人机。此外，美国陆军还授予雷神公司用于中型战术车辆上“高能激光战术车辆演示”（HEL TVD）项目合同，开发100kW级的激光武器系统。该系统用于击落火箭、火炮、迫击炮或小型无人机。

俄罗斯聚焦机载激光反卫和天基激光系统方案探索

俄罗斯武器制造商金刚石-安泰公司已经完成可攻击敌方卫星的机载激光器的研发，并持续推进该项目的相关工作。该项目建立在苏联时期别里耶夫A-60机载激光武器项目基础之上。近期，该公司已完成这种反卫综合设施（包括激光器以及相关地面控制装备）的试验工作。目前该武器搭载在A-60机载激光实验室上，未来将采用一种全新的飞机来携带。俄罗斯技术集团研制出在轨将太阳能转化成激光的系统方案，计划在2020年后投入使用此项技术。俄罗斯精密仪器系统科学生产联合体正在基于3m光学望远镜研制用于清除空间碎片的“激光炮”，同样具有潜在的反卫星作战能力。

6 人工智能

美军积极引领人工智能基础核心技术的发展

DARPA启动引领第三代人工智能技术的“人工智能未来”（AI Next）计划，旨在发展对新环境和信息做出响应的机器，未来5年投资高达20亿美元。DARPA已经开展多个新的人工智能研究项目推动算法和学习能力的提升，例如通过“使用更少标签学习”减少对标记数据的依赖程度，通过“机器常识”项目，开发新的学习算法和机器的常识推理能力。此外，美国空军寻求稳健安全的机器学习技术以加强抵御网络攻击的能力，提高机器决策的可信性。

DARPA下一代人工智能计划

人工智能在ISR、后勤等军事领域取得应用进展

目前，人工智能发挥其数据处理的优势，开始在ISR信息处理方面崭露头角。美国国防部提出利用人工智能进行导弹预警。美军正在秘密研究使用人工智能来预测核导弹的发射，跟踪和瞄准朝鲜或其他国家的移动发射车等。英国防务科技实验所称，他们借助人工智能技术开发出一种新型软件，能有效对全球雷达系统进行跟踪分析。BAE系统公司通过“复杂作战环境起因探析”（CONTEXT）项目，研究计算机模拟、算法和先进软件，为军事决策者确定作战环境下战争和冲突的起因。美国陆军寻求利用人工智能提升战车后勤维护能力，以简化后勤流程和补给力量。

美俄致力于空中和空间无人集群的协同组网管理研究

美军多项空中编队协同作战能力研究项目取得重要进展。DARPA“拒止环境中协同作战”（CODE）项目进入飞行演示阶段，将完成该项目软件的研发和最终的飞行演示。“体系集成技术和试验”（SoSITE）项目成功完成多域组网飞行验证，证明可快速将多个系统组成一个网络，用于执行ISR任务。“分布式作战管理”项目的多次飞行试验验证了作战辅助决策软件在有人无人编队协同作战中的应用。

俄罗斯飞行控制中心表示俄罗斯在轨卫星群的管理引入了人工智能，尝试建立一项全新的数字生态系统。研究人员正在研制“类似蜂群和蚁丘的东西”，即多代理系统，目前正在对其进行加工，以适应工作规划和数据分析。

7 展望

组合动力、核动力等技术是未来提升导弹武器的动力性能的重要方向，将带来导弹武器作战方式的变革。新概念发射技术的尝试将推动航天发射成本的降低，颠覆航天发射行业的发展。先进制造技术的进步将重塑航天装备设计和制造流程，将在复杂、昂贵部件的制造上得到广泛应用。定向能武器和电磁导轨炮等新概念武器不断走向实用化，形成新质作战能力，对航天武器作战能力造成不确定的影响。人工智能未来将用于作战决策和导弹预警，虽然有可能引入新的风险，但将带来作战体系的全面升级。无人系统组网协同作战技术和方案的研究，将提升导弹武器的组网突防能力，提高武器装备的作战效率和协同化水平。