CAIEC实录 | 王传胜: 航空航天前沿技术发展趋势
2022-09-13
从现代发展趋势来看，航空与航天的技术高度交叉，两个领域在有了临近空间领域后进一步融合。
各位航空界、投资界的朋友，大家好，我是来自航空工业发展研究中心的王传胜。很高兴有机会和大家就航空航天前沿技术发展趋势进行交流。今天，我主要想从三个方面和大家分享，第一部分是航空航天前沿技术的整体发展趋势，第二部分是前沿技术在航空航天领域的应用趋势，最后简述关于前沿技术在航空领域投资的几点思考。由于技术领域范围广，其中部分技术认识上会存在一定偏颇。更多的是和大家交流一下想法和认识。
前言
航空和航天是各具特色的两个高科技领域，同属于国家科技的战略力量。从现代发展趋势来看，航空与航天的技术高度交叉，两个领域在有了临近空间后进一步融合。从全球发展的产值来看，在全球航空航天8000多亿的产值当中，航空与航天的比例大约为9:1，也就是说航空领域的产值是航天领域的9倍左右。
美国作为全世界航空航天发展的代表，基本模式相同。其航空工业相比航天工业，大概是9倍的量级。美国航空航天工业直接雇用了大约200万人，占美国全部制造业人员的1/8。航空航天是美国除了芯片以外的第二大出口产业，每年大概能为美国带来900亿美元的贸易盈余。
我主要从事的是航空领域前沿技术的研究，这次与大家交流的题目是《航空航天前沿技术发展趋势》。作为一个航空人，想更多分享的是航空的前沿技术和前沿技术在航空领域的应用。
航空航天的前沿技术发展趋势
航空有一个永恒的发展趋势，那就是“更快、更高、更久”。空间和速度维度：从飞行马赫数上看，现在的航空器包括战斗机的马赫数基本上都在2马赫以下，未来有望发展到6马赫以上，也就是高超声速领域。从高度上看，现在不管是民用客机还是军用客机，绝大多数都处于在18千米以下，未来有可能进入到100千米以上，这个位置就是传统上所说的航空与航天的分界线。从留空时间上来看，现在的飞机留空时间大概在数小时到十几个小时之间，未来或能在天上驻留几天，甚至几个月或者是更久。电磁维度：对于军用飞机而言，还会关注电磁维度上的发展。它会由传统雷达、红外领域的应用、攻防，扩展到可见光、声、磁、射频、赛博等领域的全面感知与有效攻防。时间维度：未来的空中信息支援时间会向全天时、全天候的方向发展，远程快速打击的时间也会大幅缩短。在航空研究的过程中，我们更喜欢用两个词，一个是高能化，一个是智能化，或者叫做两能复合跨越。高能化基本上体现了整个物理域对能量运用的高要求。包括速度更快、机动性更好、航程更远、留空时间更长的航空平台高“动”能；更大推力、更高效率、更多能量提取、新能源体系的航空动力高“供”能；多电/全电、全机能量优化、变革性能量传输与存储的高效“用”能；瞬态杀伤、效果可控的定向能武器的高“聚”能。从中我们可以看出，高能化是与能量和物质高度相关的一个方向。另一个方向是与现在的信息化、智能化高度相关，所以我们把它叫做智能化。主要体现的是在航空航天领域对信息域和认知域的新要求。对航空来说，主要包括以下几个方面：适应不同速度范畴、多变复杂环境的军用智能化航空平台；更安全、更舒适的民用智能化航空平台；精确感知、自主控制、精准决策、人机协同的军用智能化航空任务系统；智能驾驶、空天地协同定位与通信、个性化乘坐体验的民用智能化航空机载系统；跨域联合、分布协同、灵活可组的军用智能化装备体系；精确打击、抗击干扰、杀伤迅捷的智能化机载武器；功能性能可靠性一体化设计、平战结合的敏捷精准制造、全寿命周期服务保障的军用智能化研制与保障体系；涵盖智能空管、智能空运、智能服务保障的民用智能航空运营与保障体系。从军用航空科技未来发展的方向来说，美国空军在它的《科技战略》当中，提出了未来防控技术的五大战略能力，包括全球持续感知，弹性信息共享，快速有效的决策，复杂性、不可预测性和大数量以及破坏和杀伤的速度与范围。与之相对应的是对技术的几个不同要求，前三项基本上都集中在与信息技术相关的空天平台的感知、信息共享和智能决策。后面两项涉及到低成本空天平台的制造、灵敏的数字化和增材制造、多域指挥控制、高超音速飞行、低成本联网巡航导弹和智能弹药、微波和激光定向能等方面。在对美国空军科技领域的投资进行统计之后，可以发现美国的军用技术在前沿技术方面主要发展的方向有这11个领域：高超声速技术、自适应变循环发动机的高效涡轮航空发动机技术、机载激光武器技术、航空先进制造技术、无人机与自主技术、决策效力技术、射频/光电传感器技术、射频/光电/红外告警与对抗技术、航空指挥控制技术、新型机载武器总体技术和高功率系统技术。民机未来的重点产品主要可分为三种：第一种是更高效、更经济的亚声速飞机，像是NASA或欧洲提出的支撑翼、连接翼，甚至是融合翼等等。第二种是低阻、低声爆绿色超声速飞机，不管是美国、欧洲还是我们国内对这个都比较感兴趣。第三种是清洁、低碳新能源飞机，欧洲和美国目前都在大力推进这一套新能源飞机。这三种产品基本上代表了民机未来技术上的重点发展方向。如果把它总结出几个趋势的话，我认为民机技术的发展趋势可以概括为五个更：更安全、更环保、更经济、更舒适和更便捷。世界民机技术发展从总体上来说，关注先进布局设计和先进流动控制；强度方面和材料方面，关注先进的复合材料、智能结构等；动力方面，除了对传统民用航空发动机大涵道比以及齿轮传动的大幅改进，未来有可能会向电动力、混合动力、氢动力等方向去发展；工业制造方面，有智能化的制造、自动化制造、柔性制造等；机载设备、航电系统一定是向综合化、模块化的方向发展；机电系统肯定会向多电化、能量体制多元化方向发展；从飞机的使用维护上来看，会从健康监测向健康管理发展。
1.前沿技术的特点分析
无论是国内还是国外，在新的竞争环境下，我们可以把航空技术分成三个类型。第一，必须突破瓶颈短板技术，确保不受制。第二，必须掌握关键核心技术，确保不落后。第三，必须把握新兴前沿技术，确保有机会在未来实现超越。我们更关注的是新兴前沿技术。
前沿技术或者说前沿科技（很多时候处于“前沿”的是科学领域，因而称为前沿科技更合适)有它的特点和定位。对于一般的前沿技术，我认为它主要有如下几个方面的特征：第一，前端且不太成熟。第二，一旦突破，将具引领性，对全局影响较大。第三，因关注度较高，竞争较大。这些前沿技术往往并不是航空领域的技术，我们航空对它的关注主要是在航空中如何应用。2.具有较大航空应用潜力的前沿科技
我们团队梳理了很多公开渠道的前沿科技发展，尤其是已经取得重大突破，可能对社会、军事等其他领域造成颠覆性影响的前沿科技。我们特别关注的是对航空有重大影响，进行系统的梳理之后，将这些技术分为物质类、信息类、能量类和综合类。物质类是从物质材料角度，信息类是从计算、信息存储、信息传递等角度，能量类包括核能小型化、生物燃料、太阳能电池等，综合类可以认为是对前三类的一个综合运用，里边可能会涉及到智能制造、人工智能等领域。下面针对每一类前沿科技，我想举几个例子，和大家分享一下这些前沿技术在航空领域可能会应用的方面。（1）物质类
物质类的前沿科技很容易理解，它可能会扩展航空领域整体的材料体系，下面我举3个物质类前沿科技的例子和大家分享一下。第一种：超材料。以前航空在应用材料的时候，是先有需求，根据需求去试材料、找材料，而超材料能够实现从微观到宏观的按需设计。一旦能够实现，它就能达到超强的物理性能，这也是它叫做超材料的原因。现在研究的比较多的超材料，能实现可见光隐身的，能实现声隐身的，还能实现电磁隐身的。通过这几个名称就可以看出来，这些技术很有可能会应用到飞行器隐身方面。还有一种超材料叫做力学超材料，这种超材料在整个飞行器的结构方面会有很大的应用范围。第二种：碳纳米材料。现在谈论比较多的碳纳米材料是碳纳米管和石墨烯。从物理性能上来说，这两种材料都具有超强的力学性能、电磁性能等。这种材料主要可以用到三个方面，分别是：超强纤维和复合材料增强体、隐身材料、电子器件。航空航天现在已经开始关注石墨烯材料。它有几个方面的特点：第一，比较好的力学性能，可以直接作为添加剂使复合材料的力学性能大幅提升，也可以用来做防弹材料。第二，很好的光电性能，可以用作透明电极制造液晶、光学透镜、显示器等。第三，有导热/导电性能，在航空领域可作为电磁干扰防护、除冰系统的解决方案。第四，比较好的电磁性能，可作为雷达吸波材料。当然，这些功能有的处于探索阶段，有的处于验证阶段，有的还处于推想阶段。仅对于石墨烯，欧盟推出了一个技术计划。按照它的计划，石墨烯使用的维度是非常多的，包括复合材料、太阳能电池、燃料电池、6G系统等多个方面。第三种：智能材料。例如我们经常说的记忆合金、压电材料、光敏材料、多晶型物质等等。美国在它的F/A-18的折叠系统中，已经采用了形状记忆折叠系统。未来，随着飞机进一步发展，可能会把智能材料用于智能蒙皮、变体飞机、旋翼控制 、PHM（故障预测与健康管理）等多个方面。（2）能量类
如果对前沿科技有一定的了解，我们就可以发现，现在发展最快的是信息类科技。物质类的前沿科技和能量类的前沿科技发展相对较慢，尤其是能量类的前沿科技，如果能够在这方面取得突破的话，那不仅是对航空航天，对全人类来说都会有一个全新的发展。第一种：核能小型化技术。大家对这项技术都寄予厚望，如果核能能够实现小型化，并且能安全、高效地应用到航空平台上，那可能会全面颠覆航空动力能源体系。美国和前苏联在冷战时期都曾探索过在轰炸机上安装核动力，最后都未实现。目前就核动力而言，核能小型化技术包括核反应堆小型化技术和核电池技术。核电池在航天领域用的比较多。2012年，美国在“好奇号”火星车上就配装了这种电池，据说其寿命可达14年。2013年，我国在“玉兔号”月球车上采用了核电池加太阳能的方法。2020年，美国国防部启动了“贝利计划”，将移动式微型堆技术研发合同授予了三家公司，包括BWX技术公司、西屋政府服务公司、探索能源公司。据称，这个小型堆电功率大概在1-20兆瓦。换言之，一台涡桨发动机的功率在9兆瓦左右，也就是说如果这个小型堆能实现的话，大概相当于三台比较高效的涡桨发动机。它的体积相当一个标准集装箱，应该是可以装到飞机上去的。但是目前这个计划还在推进当中，后续还有很多的关键技术需要得到进一步的确认。第二种：高效太阳能电池技术。其中光伏发电已经是一个很热门的、被广泛应用的技术。但对于航空领域来说，它的发展空间还是很大的。国内的航空、航天领域已经在研究太阳能飞机，国外的“阳光动力号”已经实现载人全球飞行。但是由于太阳能电池的光电转化效率比较低，一架翼展相当于波音737大小的阳光动力号只能搭载一个人。所以未来想长时间留空的太阳能无人机或者太阳能飞艇仍需要进一步研究。其中光电转化效率能进一步提升的话，这项技术可能会在航空领域中得到更多的应用。第三种：光合作用制氢技术。利用光合作用的原理从水中大量制取氢气，减少大气污染。我们也更关注如何将这类制氢技术应用到航空动力领域。现在已经有使用氢燃料电池的飞机，像是波音于2012年首飞的“幻影眼”无人机。英国、法国、美国都对氢燃料动力飞机寄予厚望并且认为它有望成为未来的支线客机，甚至是干线客机的有力的竞争者。国内对此也保持高度关注，但是这项技术仍存在难点包括氢燃料的发动机和氢能的存储等。（3）信息类
第一种：脑机接口技术。国内外对这项技术的研究都比较多。美国在2013年就已经实现了在实验室里利用脑电波来控制直升机，躲避障碍物的成功率高达90% 。马斯克曾说，侵入式脑机接口有望在一年内在临床上实现人类大脑的完成植入。美国空军也采用了非侵入式的脑机接口技术在地面训练飞行员。如果这项技术能够实现，飞行员可以用脑直接操控飞机，而不是像原来那样，脑操纵手然后通过操纵杆来操纵飞机，未来的操纵会更加高效。未来对于军用和民用领域中较为敏感的操作将会有较好的应用。第二种：量子信息技术。重点方向：第一，量子通信技术。我们国内的量子通信技术发展的还是不错的，但是在航空领域应用不多。如果将这项技术应用在航空领域的话，可以用于飞机之间的通讯，实现物理上的绝对安全。或者是在地面上形成一个量子加密网络，可以实现异地之间高效的协同设计和协同制造，这对于航空行业来说是非常有价值的。第二，量子导航。未来作战或者民机飞行都可能会遇到导航失效的情况，量子导航系统发展到比较理想化的状态下，基本上可以达到GPS的导航精度，能够满足飞机平台控制的导航需求。第三，量子成像或者叫做量子探测。从理论上来说，它能够穿透烟雾、云层，甚至是树叶等干扰，实现高清成像 。在理论上来说它也具备反隐身的特点，但是目前这项技术还在进一步的探索和验证当中。第四，量子计算机技术。美国的Google公司已经基本上研制出超过100个比特量级的量子计算机，国内在这方面的研究也比较靠前，达到了世界先进水平。但是这个计算机虽然芯片不大但整个保障系统是非常大的，对温度的要求也比较苛刻，而且必须要有与量子计算机相适应的量子软件，甚至说整个生态，不然量子计算机从实现难度上到未来使用环境上都会有比较大的障碍。再过10年 、20年，这项技术可能才会得到广泛应用。对于航空来说，它可能对飞机设计和未来的智能决策，以及复杂的体系作战等有重要的支撑作用。第三种：5G技术。对于航空来说，具有超宽带、海量连接、低延时、高可靠的特点。我们站在航空领域来说，可以把5G技术用在飞机内部，实现不同的东西可以布置在不同的位置上，就是实现物理上的分离、功能上的集成，这对飞机设计和飞机制造来说绝对是一个重大的突破。除此之外，还可以用于机间通信、智能制造、试飞保障、装备训练等方面。（4）综合类
综合领域的前沿科技，对整个航空装备甚至航空制造都会带来重大的影响。第一种：人工智能。从航空装备来说，人工智能对分布式空战、马赛克战、无人机作战，包括有人机作战的决策都会有重大影响。飞机设计、制造、保障等方面都可以大量的利用人工智能技术。第二种：数字孪生技术。数字孪生技术是一组虚拟的信息结构，用于描述一个潜在的或实际存在的制造产品。可以理解为一架实际的飞机对应计算机内的一架虚拟的飞机，实际飞机和虚拟飞机之间能够形成信息的映射。通过这种映射关系，我们可以把它用到飞机设计、制造与装接、试验与评价以及作战使用环节。这个技术的难点在于如何实现实体和虚体之间一一对应的关系。第三种：VR和AR技术。在游戏界已经大量使用，航空领域的波音公司和空客公司在飞机研制过程中已经在使用，包括在设计阶段早期的虚拟/增强工程、在物理样机成形前后的虚拟/增强建造、后期的虚拟/增强保障服务。第四种：区块链技术。一听到这项技术，我们就会联想到银行、金融。对于航空来说，它也是有应用前景的。区块链技术可以视作是一种分布式账本技术，可以在不可信的竞争环境中低成本建立信任的新型计算范式和协作模式。在航空领域，我们可以将它用于武器装备的完整性检测、增强军事物流智能化、武器装备全寿命管理等方面。从美国已经开始使用的情况来看，它有安全、可追踪、防篡改、易共享的特点，可以实现分布式的保障和制造，在后勤保障方面会得到大规模的推进和使用。
前面我简单地介绍了一下航空航天前沿技术的发展趋势和前沿技术在航空方面的应用。最后我想简单谈几点对前沿技术投资的几点思考，供大家参考。
第一，大家在投资技术领域尤其是前沿技术的时候，首先要考虑这技术类别，它是属于核心技术、重要技术还是一般技术。因为对于航空工业这类关系到国计民生的重要领域来说，如果属于是核心技术，基本可以确定是由国家计划渠道主导投资，其他的投资领域起辅助作用。如果属于重要技术，那么可能是由国家计划投资加上市场协同投资并行。如果属于一般技术，虽然范围广阔，但基本由市场推动，择优进入到市场竞争当中。
第二，因为前沿技术大多数是跨领域的，立足于航空工业发展或者航空产业角度来说，首先关注的是这项技术在航空领域的应用场景和应用前景。其次是看水平，1-3级是实验室阶段，4-6级是技术攻关阶段，7-9级可能往产品应用发展。最后判断研究团队能力，因为团队决定了技术发展的基线和期望。
第三，现阶段热度较高的新能源飞行器可能在未来形成颠覆性影响，所以要对其突破门槛点进行预判。例如现在的电动飞机制能时间不长，航程太短，效率不高，同时很多新能源飞机的应用场景不清晰，需要找准其应用场景的定位。
第四，有大批人员热衷于小型的无人机或者新能源飞行器，其实瞄准一些细分的市场，也存在快速增长的诸多机遇。像是多类型机电、多元化材料等。
第五，一定要符合未来航空产品与技术的整体的发展趋势。值得关注的前沿技术应支持低成本、模块化、分布式、快速升级等。如果能满足以上指标，基本上就能参与到航空工业甚至航空产业的整体当中，发挥它的作用。同时不能忘记，技术项目是否能更快的带来更多的效益。
本文根据嘉宾在【第二届中国航空投资峰会】上的发言整理、删减。（查看更多完整视频请扫描二维码）
