硬核航空：以新动力技术群为首的航空新技术的六大技术群辨析

张聚恩/文

进入21世纪以来，在航空工程的旺盛需求牵引，以及相关科技领域持续进步的双重推动下，航空技术正在加快发展。相关领域的技术突破层出不穷，其中一些项目有可能对航空工程发展引发重大影响，甚至颠覆性作用，这是航空工程技术的动力之源，也是做好未来发展战略布局与谋划的基础。

为切实推动科技创新，我们需要对这些新技术进行辨析、预判与部署。我尝试着做一些初步分析，从宏观领域着眼，进而提出六大技术群。不排除航空行业自身正在开展的新技术研究，但侧重于对航空行业以外的技术进展进行评述，切入点是这些技术对航空可能产生的影响。实为管见，意在倡导一种思想方法。见仁见智，旨在引发大家的思考。

宏观领域的图像描述

首先，从宏观领域，主要从能量类、物质类、信息类和综合类这四大领域来观察，有可能对航空产生重大影响、催生航空新技术的有关内容与属性可概略描述如下。

（1）能量类——获取新能量样式是工业革命的动因，人类在此领域的技术进步体现在两个方面，第一，寻新，即不断探索新的可支配自然资源，第二，用好，即探究能量利用的最大化方式；这两者往往不可分割。航空是新能源、新动力的直接受惠者，处于新时代的航空正急切期盼在此领域的新突破。

（2）物质类——人类在物质类技术领域的革命性进步源于对物质既向微观尺度、又向极度宏观的逐步深入的认识，以及对物质的掌控应用；在某种意义上，航空发展史也是一部材料发展史，破解诸如结构质量约束难题、构建航空器新物理形态，其最大的希望在于具有全新性能的新材料发现与应用。

（3）信息类——信息技术领域的进步将在计算机、人工智能、量子技术等方面展开，一系列新成就将带动社会文明进程，加速信息的扩展、传递、融合与应用；作为高速交通工具的航空器，在与先进通信技术联袂后，必将激发出超乎想象的性能与功能。

（4）综合类——对于能量、物质和信息领域知识与技术的综合利用，将出现如仿生工程、基因工程等为代表的重大工程，对于提升人类自身的认知和行为能力，提高社会财富的创新速度与效率，将产生不可估量的作用；由此，不仅会推动航空器的技术进步，更会改变航空工业的组织样式与流程，创造出令人惊叹的生产力。

六大技术群的图像描述

根据上述宏观认识和航空的主要需求，对有可能引发航空创新、特别是跃变式创新的新技术群，可做出按重要性排序的初步辨析。

我认为，对未来航空发生革命性影响，排在第一位的是新动力，一如我对人类历史上几次工业革命的真正动因的认识，也一如我对航空发动机不仅驱动了航空器的发展，也驱动了整个航空产业诞生和壮大的认识。

在新材料、制造（两者深度交融）和新控制技术方面，正呈现技术进步快速积累、量变促成质变的局面，其重要性亦不可小觑。虽然其引发影响的深度不及新动力，但在时间序上有可能“优先”。在后十数年，甚至更长时间里，不断发生在身边，带给我们欣喜的将主要是来自这些领域的突破与进步。

以下，对我心目中的、有可能对航空产生重大影响、甚至是颠覆性影响的六大技术群——新动力、新材料、新控制、新制造、新飞行原理和新概念布局、

信息与量子应用，做一个粗线条的图像描述。这一描述是基于个人有限的知识与经验储备，尽量使用一些较新的动向资讯，对形成的初步认知进行阐释。

（1）新动力技术群

在上一篇里，我对航空动力领域当前的技术发展重点做过分析，主要是变循环/自适应发动机、电推进/混合推进与分布式推进，而从根本上改变现有主流动力样式的变革尚未到来。但为了未来更广阔领域的持久、高速飞行，为了应对化石类燃料终将竭尽的局面，必须探秘求新，包括研究与应用新能源，如小型核动力技术、储能新技术、太阳能高效利用等，以及新推进原理研究和基于新能源的新动力样式。

未来航空迫切需要新的推进原理以及新概念推进理论与方法，破译引力本质，探索反引力技术，突破重力场和大气层的束缚，进行反引力推进系统研究；开展反物质研究，以提供超高密度的能量源；寻找新能源，进而改变航空动力样式等。

2019年初，美国麻省理工学院（MIT）研究人员研制出一架颠覆传统动力系统的飞机。试验机重2.45千克、翼展5米，机翼下不是传统的引擎，而是布列数排、由非常细的导线组成的两组电极。一组在机翼前面，一组在机翼后面。在前后两极分别施加正、负20000伏特的电压，用这个电场去电离极间大气中的氮。生成的氮离子从正极奔向负极，与中性空气分子相互碰撞，产生推动飞机前行的“离子风”，飞行器以每秒4.8米的速度飞行了10秒钟，飞行约60米。这次飞行被认为是航空史上首次固态（无动部件）动力装置的验证飞行。

MIT的新装置虽动力微小，工程化为时尚远，但确为全新概念，称其有“石破天惊”之义，并不过分。未来的飞行不必一定要靠螺旋桨或涡轮机之类的动力，完全可能像在影片《星际迷航》里看到的，带着神秘的蓝色辉光、在空中悄然滑行。我国南航、北航等也有类似研究，不过主要不是作为推进的动力源，而是作为控制力，参与飞行控制，相对更接近工程实用。MIT、南航、北航的新驱动机制，不管是作为推进力，还是控制力，都是采用建立电场、电离空气、加速空气这样的技术思路，但需要提高推力密度，即单位面积上可产生的推力，以逐步达到工程实用的量值。

新储能技术因其对航空可能产生重大影响而引起关注，包括新型锂电池、燃料电池等，研发重点在于小型化、高能化、清洁化等方面，核心是提高能量密度。近期，电推进和混合推进成为航空发展的一个热点，甚至有人认为航空将在活塞、喷气时代之后，进入第三个时代——电动时代。但由于当前电池能量密度仅为250Wh/kg级，而化石燃料高达12000Wh/kg级，意味着要完成大载重、长航程的飞行，需携带几十吨、甚至上百吨的电池，这对于大型飞机是不可接受的。未来电动化的使用范围，主要取决于储能技术的大跨度进步，特别是能量密度的显著提高。现实的路径是，电动化率先在小飞机上实现，混合推进在中型飞机上使用，大型飞机将取多电化方案。

带有更根本意义的是小型可控核聚变装置及其航空应用研究；全球已有多家研究机构、甚至有数家顶尖航空企业投身这项研发活动。《航空周刊》2014年10月报告，洛克希德马丁公司称他们设计的磁约束紧凑型核聚变装置将实现小型化（7×10英尺）。科技网站arstechnica2015年7月报道，波音获批一项高效激光点火核聚变发动机设计技术专利，有望产生飞行器新动力；波音希望用这种核动力引擎代替目前航空涡轮动力装置，甚至航天器助推火箭系统。2015年8月，MIT发布一款小型磁约束聚变反应堆设计方案，计划10年内建成原型装置并发电。2019年10月，《麻省理工科技评论》选出当年“全球十大突破性技术”，其中的第二项为“核能新浪潮（New Wave Nuclear Power）”。上述研究资讯表明，人类以核能替代化石能源的最新努力在加快，而可控核聚变因不带来放射性污染，原料取之不尽，可视为终极的能源方式。无论前面的道路还有多远，可控核聚变装置一旦小型化、实用化，飞行器将实现“动力自由”，无限久远的飞行将不再是梦。

（2）新材料技术群

航空界人士均认可“一代材料一代飞机”，或倒过来“一代飞机一代材料”的说法。前者是新材料带给航空的效用，后者是新飞机的需求牵引材料进步。纵观历史进程，更多的是材料技术的进步和新材料的不断出现，带给航空以活力，也带给飞机设计师更多的选择，导致航空器发生剧变，如全金属飞机的出现，复合材料的大规模使用等。现在，材料技术领域正在孕育大突破，正在和还将给航空带来更鼓舞人心的希望。新材料技术群主要包括纳米材料、超材料、智能材料等，有望对航空发展产生重大、甚至是颠覆性影响。

纳米尺度（nm，毫微米）的材料或微结构（100nm以下尺度），具有突出的表面效应、小尺寸效应和量子限域效应，具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。基于纳米材料与纳米微结构，可以直接发展微机械和微机电（MEMS），可用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统及特种电子设备等。纳米电子学也将获得发展，纳米电子器件、纳米结构的光/电性能开发、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等将取得新的实用成果。

纳米技术在航空器上的应用前景广阔，需十分关注，并适时获取之，并推动航空工程应用。碳纳米管、纳米陶瓷、石墨烯和碳炔等纳米材料，已开始试验性航空应用。基于纳米材料的结构与功能材料一旦实用化，作为超轻超强材料，将对传统的飞行器构型带来革命性前景，结构材料的真正轻质化可能实现，结构质量系数的世纪难题有望破解；作为特殊功能材料，还将直接推动微纳飞行器和微型发动机的出现。

超材料（也称计算材料）技术通过内部结构的人工设计，制备出具有超常性能的新材料，实现材料制备与部件制造的一体化。智能材料则是能够感知外部环境和内部状态的改变，通过自身信息处理和反馈机制，而实时改变性能参数的技术。超材料和智能材料及其结合应用，具有广阔前景：可开发具有隐身性能的电磁窗和平面天线等，可用于自适应机翼、智能蒙皮和自修复结构，实现结构健康监测等。

（3）新控制技术群

莱特兄弟成功的世纪之飞，除了载人和有动力以外，最重要的技术进步是找到了有效的控制方式。现代航空进步的历史，同时也是控制技术进步的历史，当前，我们需要特别注意的新控制技术群包括自主控制、脑机接口、人工智能和智能空中系统等。

自主控制（autonomous control）是一项远高于自动控制（automatic control）的新技术；其核心是通过实时主动感知和自主分析判断，来做出非人工干预的决策和动态任务规划。用于军事的自主系统技术可推动无人化进程，提升作战能力与效率，可使作战模式产生剧变。自主控制技术在民用航空领域的应用，将带来安全性的大幅提升。

目前大规模使用的无人机及其系统，不管是军用还是民用，均不具备自主能力。以军用为例，作战任务以人在回路的方式实现，依赖于频繁的人机交互，实际上是由地面站操作员进行判断决策的。现时的无人机只能被称为“遥控驾驶飞行器”（RemotelyPiloted Aircraft，RPA），而真正的UAV/S（Unmanned Aerial Vehicle/System），则必须具有自主能力。当前，自主控制技术的总体成熟度约为3级，距工程实用还有距离。提高自主控制技术的成熟度，提升装备自主化程度，是最重要的发展方向之一。随着自主控制的发展与成熟，将开启飞行器、特别是无人系统发展的高级阶段和智能化时代。

一项引人注目的新技术——脑机交互（BCI，Brain-Computer Interaction）将带来全新控制方式，可能引发传统人机界面、航电系统任务与架构的重大变革。脑机交互是指不依赖人的大脑外周神经与关联肌肉动作构成的正常输出通道，而是通过采集和分析人脑生物电信号，经解算、调制和解调，实现“直接”控制对象设备或物体。颇有中国古时“读心术”的意味，“所思即所得，所想即所动”的哲学描述有望变成一族鲜活的技术群和实用的物理系统。

目前的技术途径主要有植入式和非植入式两种。在植入式方面，2015年，美国DARPA资助体内植入芯片/意念控制项目，使一名经简单培训的瘫痪女子，用其意念来控制F-35模拟器。2016年，荷兰乌特勒支大学的科研团队成功地使一位渐冻症（ALS）患者通过脑机交互技术，实现了以意念在计算机上打字，准确率达到95%。最新的成功案例是，在美国巴特尔纪念研究所和俄亥俄州立大学共同进行的NeuroLife 计划中，通过给一位瘫痪者大脑运动皮层上安装脑机接口，使用非侵入性义肢工具和机器学习技术，首次同时恢复了他的运动功能和触觉；这项研究成果，刊登在学术期刊《细胞》上。5月7日，马斯克在Joe Rogen的采访中，评价其创办的脑机接口公司Neuralink的一项研究的最新进展，认为一年内将一个极小极薄的专用芯片植入病患者大脑，修复其脑功能障碍，如恢复视力、治疗瘫痪和老年痴呆等都有可能，且出现排异反应的概率很低。

在非植入式方面，主要有脑电图EEG、脑磁图MEG、近红外光谱NIRS、功能磁共振成像fMRI等方式，一些商用脑机交互产品已经出现在市场上。例如，日本本田公司的意念控制机器人，美国神经科技公司开发的脑电波编译设备等。2013年，美国明尼苏达大学实现人类首次用脑电波控制四轴遥控飞机；2014年5月德国脑飞行计划（Brandflight）实现飞行员用大脑精准操控飞行；9月，西班牙、法、美科学家联合发布人际脑电波远程（8000km）传输首获成功。

人工智能技术（AI，Artificial Intelligence）集成了语言与图像理解、深度与增强学习（Deep Learning and Reinforcement Learning）等的最新成果，将对未来网络环境、复杂电磁环境下飞行器多源信息处理以及智能制造等新生产模式产生巨大影响，尤其是对于控制系统与装置的影响最为直接。

我国多所大学与研究机构在脑机接口和人口智能领域，开展了大量研究试验，均有建树。航空科技工作者的责任是，洞察技术发展，选择人工智能和脑机交互技术在航空领域应用的突破口，尤其是它们的融合应用。我有一种强烈的预感，这会给航空器的传统控制概念与系统产生革命性影响。如：基于人工智能与脑机互动的控制系统与飞行动力学相结合，将产生新的飞行控制方式；大脑对飞行器的直接控制，将减少或完全替代人的肢体操作，极大地改变传统的人机界面；借鉴人脑构造和运行，可以开发出全新的信息处理系统，并可对人的神经活动和思维能力产生干预和控制，从而赋予航空电子系统新的功能和形态，甚至催生全新的空中智能系统。

（4）新制造技术群

与材料新技术一样，制造技术对于航空器这样一种超高可靠性、安全性要求，同时零件数极大（数百万计）、装配关系复杂的机械类工业产品，具有决定性意义。当今，制造技术与材料技术交织融合、互动共生，并呈现累积效应，在确保高质量、推动高效率、实现低成本方面展示出巨大作用。其中，增材制造、智能制造和先进、低成本复合材料制造，是三个公认的热门。

增材制造（Additive Manufacturing）正在颠覆传统的减材制造（去除切削加工），为制造技术发展注入新的发展驱动力。这项技术采用材料累加方法制造实体零件；同时兼具快速原型制造（Rapid Prototyping）、三维打印（3D Printing）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）等含义与功能。增材制造可实现柔性、自适应快速高质量制造，特别适合航空领域小批量、变批量研制生产、及时维护等需求；将其与信息化与网络相结合，可望显著改变武器装备的研制方式。

这项技术已在我国多项航空工程项目中得到应用。应用此技术研制出的大型关键钛合金、超高强度钢构件等，已通过多项装备的静强度、动强度、疲劳寿命、冲击、震动等全尺寸零件试验考核。随着技术的进一步成熟，将创造更高的生产质量与效率，开辟经济可承受性新途径。当前，急切的挑战是，加快高性能增材制造装备及多类材料的研发，推动产业化，促进设计技术的进步，促进整体结构、轻量化结构制造实现高效工程化。

智能制造（IM，Intelligent Manufacturing）是近年来兴起的一项融合组织、管理与模式的新技术；其含义是，在数字化、信息化、网络化、自动化等的技术基础上，融入人工智能技术，使制造过程中的人与机深度交互，信息系统和物理系统高度融合，而形成的一种高度自动化的先进制造技术集群及应用系统。美国2012年制定的重振制造业计划，德国2013年发布的工业4.0，我国确定的《中国制造2025》，都将智能制造列为重点方向。航空不仅是该项技术的实验床，也是率先集成应用的最主要领域。

先进、低成本复合材料制造技术正在改变传统的机体构建方式。从外观看，复材用量分别达50%和52%的B787和A350XWB两款大飞机，几乎所有构件（除起落架等少数部分）都是复材制造的。B787的筒形机身甚至可以整体成形，直接颠覆了传统的大飞机材料和制造体系，也使其制造难度又上了一个新台阶。在B777X大尺寸复材机翼制造中，实现了32米整体翼梁制造，催生了具有在线检测能力的机翼蒙皮壁板全自动铺放机床、长度达5.33米的大型3D打印复材工装和544吨重的热压罐等高端制造装备。但更加诱人，更能适应高效率、低成本要求的复材构件非热压罐制造工艺、高压与压缩树脂转移模塑成形（HP-RTM，C-RTM）技术，也正快速工程化，将对飞机主结构制造产生革命性影响。

（5）新飞行原理和新概念布局技术群

气动布局研究是飞行器发展的永恒主题；传统气动布局的气动效率提高接近上限，需研究气动效率更高的新概念布局。除前文中有关高超声速的若干布局样式，还有多种适用于其它速度域的新概念布局，也值得继续予以高度关注。

在仿生飞行学研究不断深入的基础上，借助材料与动力技术新成果，仿生飞行器将在21世纪获得突破性发展。现代航空经百多年开拓，所形成的固定翼与旋翼两类成熟的飞行器，其飞行原理与自然飞行生物全然不同；鸟类和昆虫的飞行借助翼的搧动、拍打、扭曲、变形和旋转来实现，是令人神往的低耗能/高升力的自由飞，而迄今人类的研究还很肤浅，既无系统的原理诠释，也无精准的数学模型，更谈不上仿生飞行器的工程实现。至少要解决高升力（利用非定常气流产生的）机理、节律运动（时间和空间对称）控制律、高效微型动力或持续动力获取方式等难题，并建立此类装置的较完备工程技术基础之后，仿生飞行器才会真正走上实用化道路。

目前，在此领域的微小型仿生飞行器方面，国内外均有一些进展，但大型化尚待时日；需进一步突破仿生机理，以及获得在结构、材料、能量等方面的技术支撑，方能逐步走向中、大型飞行器发展阶段。

（6）信息与量子应用新技术群

正在成熟化的云计算、大数据、区块链技术将支持航空产业的发展，应用新的信息技术，航空运输业将推出高安全性、按需响应的管理与服务系统，极大地提高运营效率与质量。

量子技术对于航空领域具有巨大的潜在应用前景。量子计算与量子通信自身尚需深化基础性科学问题研究，嵌入航空器系统实体，或解决航空器在自由空间高速动态信息传输，短期内尚不现实。当前能够认知的重点是量子导航/成像以及量子计量。已初步展现出不依赖GPS的导航，穿透干扰的高清成像的应用前景；而量子计量正在使以实物基准为基础的传统计量体系转变为以自然量为基准的全新体系，这是一个正迎面走来的颠覆性改变。

……

上述分析是很初步的，持续进行辨析十分必要。美国有关前沿/颠覆性技术分析预判的行动十分密集，值得我们关注借鉴。例如，2013年，美国麦肯锡研究院发布《2025年前可能改变生活、企业与全球经济的12项颠覆性技术》，包括：移动互联网、知识工作自动化、物联网、云技术、先进机器人、自动驾驶汽车、下一代基因组学、储能技术、先进材料和先进油气勘探开采及可再生能源等，并预测到2025年这些技术对全球经济的直接影响将达14~33万亿美元。

美国国防部在2014年提出第三个抵消战略（the Third Offset Strategy），强调要在技术上绝对领先于对手，重点发展能够“改变未来战局”的颠覆性技术群。新美国安全中心在《游戏规则改变者：颠覆性技术及其对美国国防战略的影响》研究报告中，将增材制造、自主系统、定向能及网电能力视为具有“改变游戏规则”潜力的颠覆性技术。

我国在2016年8月发布了《“十三五”国家科技创新规划》，对发展“颠覆性技术”做出部署，提出要在信息、制造、生物、新材料、新能源等领域，特别是交叉融合的方向加快部署一批具有重大影响、能够改变或部分改变科技、经济、社会、生态格局的颠覆性技术研究，力求使我国在新一轮产业变革中赢得竞争优势。

在航空科技发展工作中，应大力加强对新技术、特别是颠覆性技术的辨析与预判，进行迭代、滚动、周期性、专题性持续研究，将其作为一项常态化工作，在不断加深认知、获得共识的基础上，及时做出布局，并实施多种形式的获取、验证与应用活动。