北约重视的八大新兴颠覆性技术系列（二） 量子、太空与高超声速技术

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2020年3月，北约科技组织（NATO Science & Technology Organization）发布《2020-2040科技发展趋势：探索科技前沿》（Science & Technology Trends 2020-2040：Exploring the Edge)，阐明了北约重视的八大新兴颠覆性技术（Emergent Disruptive Technologies, EDTs)，具体包括数据科学、人工智能、自主性、量子技术、太空技术、高超声速技术、生物科技与人类增强技术以及新型材料与制造技术，并指出未来20年的科技发展趋势将呈现出智能化、互联化、分布式化和数字化四大特点。本系列文章将其主要观点进行编译总结，并做简要评析。本文是该系列的第一期文章，主要聚焦数据科学、人工智能与自主技术对军事领域的影响。

图：北约科技组织《2020-2040科技发展趋势：探索科技前沿》报告

01

量子技术

（Quantum Technology)

关键词：Quantum - Superposition - PNT - Entanglement Photonics - Cryptography - Sensors - Radar - Imaging Novel Materials - Positioning, Navigation and Timing (PNT) Quantum simulation

图：量子技术发展的时间线

下一代量子技术在原子和亚原子尺度上利用量子物理和相关现象（特别是量子纠缠和叠加），将深刻影响密码学、计算、精确导航和定时、传感和成像、通信及材料等技术领域的进步。新一代量子技术有望在以下军事领域提供前所未有的赋能能力。

1.计算（Computing）。量子计算机有望提供跨数量级的更强大的计算能力，超越经典设计的计算机对于特定分析问题(例如优化和模拟)的理论极限。这种计算能力上的飞跃将使加密和解密代码的方法变得非常复杂，使当前的加密方法变得过时。先进和快速的建模与仿真（M&S）将使复杂的操作和组织决策成为可能，并开发材料和生物技术的新方法，以及下一代人工智能(例如用于目标和图像识别问题的量子神经网络)。

2.传感（Sensing）。量子传感器将比现有系统敏感许多倍，这将支持反隐形和隐蔽雷达的发展。磁、声和重力传感器大大提高了反潜作战（ASW）的能力，并支持发展到目前为止难以实现的低功率高灵敏度机载和间隔型传感器。具体应用包括全天候、日夜战术(战场等)感应(短距离、主动/被动、隐蔽、使用EO/IR/THz/RF频率)用于ISTAR，以及战略(远程海上、空域、空间)监视(主动、RF)。此外，量子传感器在抗干扰能力方面具有重要潜力。

图：量子技术的军事应用

3.量子效应（PNT）。支持非常敏感的精密仪器的发展。这种量子效应技术将能够在GPS拒止或困难的作战环境下进行作战(例如长时间的冰层下水下自主作战)。在可预见的未来，适合在更大的移动军事系统(例如船舶)上开发的机架安装单元将会出现。

4.通信和密码学（Communication & Cryptography）。不可破解密码学的发展和使用当前密码方法解密编码消息的能力将为当前的C4ISR系统带来重大挑战。

▲技术发展趋势

感知（Sensing）：量子感知的技术成熟度仍然很低。但是，一些使能技术正在迅速发展，有望在未来解决北约ISR的挑战。改进的传感器可以用来建立世界各地重力和磁异常的地理参考地图。在QT重力、磁和电子战传感器的短期目标投资可能会展示新的军事能力，用于隧道勘测、磁异常探测和电磁感应。在中期，更好的量子传感器将使这些能力能够部署在更具挑战性的军事环境（如太空）。从长远来看，使用缠结分布网络可能会使分布式传感器的精度比目前高数千倍。

定位、导航和定时(Positioning, Navigation and Timing ,PNT)：PNT有两种根本不同的方法，一种涉及外部信号的传输和接收，如GPS，另一种则依赖于独立的运动感知，如惯性系统提供的。由于未来的安全环境预计会有一个高度竞争的电磁环境(干扰和欺骗)，北约将需要为在GPS拒止环境中作战做好准备。对量子技术的投资将增强对这些新兴脆弱性的抵抗力。量子技术预计将支持极其精确的时间和极其精确的加速度测量和角位移测量，它使用一个不同的量子技术,提供极其精确的惯性导航和时机，这需要GPS和其他相互依赖意味着由于对策或内部结构变得不可用。开发冷原子QT将使全球导航卫星系统(GNSS)能够通过更小的量子时钟抵御全球导航卫星系统的攻击，而且重力和磁感都可以通过测量地图用于地理坐标测量。预计PNT将首先通过安装在机架上的单元(如台式计算机大小)部署，适合在更大的移动军事系统(如舰船)上使用。通过对中长期的持续投资，该系统有望在尺寸、重量、功率和成本方面有所降低，最终提供比当前GNSS性能更好的导航，并大大减少对外部参考的依赖。

量子遥感(Quantum Remote Sensing)：量子遥感的发展有望提供更准确的目标识别、秘密检测和监视能力，从而可能使隐形技术过时。目前已知的量子增强遥感方法有两种：一种是利用量子干涉术，另一种是利用量子照度。这两种方法都依赖于使用纠缠光子，并保留一半的纠缠光子对，同时将另一半(以已知的方向)发送出去与环境进行交互。这些传感器将使测量更加精确和灵敏，使用更低的功率，用于探测和跟踪小型隐形目标。发展将依赖于几个量子工程的能力，例如控制单个纠缠光子对的产生，隔离保留每一对中的一个的能力，以及检测返回的光子以与惰子进行比较的能力。

磁力和重力感应(Magnetic and Gravity Sensing)：海上巡逻机使用MAD(磁力异常探测)传感器对磁场进行精确测量，用于潜艇的定位。由于尺寸重量功率的限制，目前的传感器不适合在小型无人机上使用，但新兴的量子技术可能会提供一个解决方案。量子技术还可以使重力感应的特殊应用成为可能，用于从空中平台进行地下结构探测(隧道、掩体)等特殊监视应用。

量子计算(Quantum Computing)：量子计算研究主要受到商业利益的驱动。虽然特殊用途的量子计算设备可能会在未来一段时间内问世，但要开发出通用量子计算机，可能还有很长的路要走。根据专家估计，这样的量子计算机可能会在未来15到50年才能出现。从中期来看，新的量子优化算法的发展和国防问题的建模与仿真可能应用于特殊和有限的大数据与高级分析问题。

量子通信(Quantum Communications)：量子通信能力(用于超安全信道)是目前一个重要的研究领域。短期使用量子技术可以检测通信通道上的窃听者。量子密钥分发(QKD)和量子后量子加密选项的进一步发展将为联盟提供优越的加密能力。在中期投资应该集中于量子光通信的反窃听能力和作为防御干扰，使联盟了解漏洞和机会。从长远来看，应该开发一个全球范围的量子纠缠分布系统，以支持安全通信和其他高级量子应用程序。

材料(Materials)：精确模拟量子多体系统的量子模拟为预测材料行为提供了希望。这种能力将允许明确设计和创造具有特定物理性能的新材料，如超硬装甲、超导性、耐高温材料等。

图：量子技术未来军事应用畅想

02

太空技术

（Space Technology)

关键词：Space - Satellites - Micro-sat - Smallsat Picosat - Nanosat - Propulsion Launch vehicle - ITWAA - EO/IR Sensors - SAR Sensors - Geosynchronous - Geostationary - Polar - Sun-synchronous - LEO (low-earth )- MEO (medium-earth) - HEO (high-earth) - Molniya orbit Thruster Solar Sail - ISR - Imagery - National Technical Means - Missile Defence ASAT (Anti-Satellite Weapon) - Kinetic kill - AIS - Earth Observation

图：卫星俯瞰的地球夜景图

太空通常被认为高于海平面90 - 100公里(卡曼线）以上的空间。太空技术开发必须直面太空的独特作业环境，其中特点包括：行动自由、全球视野、速度、自由进入；接近真空；微重力条件；隔离以及极端环境(温度、振动、声音和压力)等。太空技术是北约国家开展军事行动的基础，能够为C4ISR系统提供空间，导航和防御支持，是北约现有综合能力的核心，也是北约建立技术优势的基础。在未来20年，这种对太空和太空衍生数据的使用只会增加，使C4ISR的作战能力进一步提升同时全面融入战场。结合高级大数据分析和人工智能技术，有可能显著提高所有级别的态势感知能力，支持近乎实时的作战效能评估，并增加目标锁定的成功率。

表1: 北约太空能力与使用

太空能力
Space Capability

北约使用及效果
NATO Use and Effects

位置，导航，时间(PNT)和速度

Position, Navigation, Time (PNT) & Velocity

精确打击
Precision Strike

力量导航
Force Navigation

支援人员恢复/战斗
Support to Personnel Recovery (PR)/Combat

搜救
Search and Rescue (CSAR)

Network Timing

综合战术预警和威胁评估

Integrated Tactical Warning and Threat Assessment

力量保护
Force Protection

溯源
Attribution

导弹预警
Missile Warning

环境监测

Environmental Monitoring

导弹规划
Mission Planning

武器选择
Munitions Selection

天气预报
Weather Forecasting

通信

Communications

指挥控制
Command and Control

无人机操作
Unmanned Aerial Vehicle Ops

超视距通信
Beyond-the-Horizon communications

情报、监视和侦查

Intelligence, Surveillance and Reconnaissance

任务执行覆盖
Coverage of Operation Execution (in the operations centre)

战斗损伤评估
Battle Damage Assessment (BDA) Intelligence

瞄准
Targeting

来源：原报告

然而，随着越来越多的联盟能力依赖于这些资产，来自反卫星或机器人寄生系统的风险将变得更加尖锐。日益拥挤的轨道、不断增加的小型卫星星座和太空碎片将影响天基系统的有效性和可靠性。综合来看，下列太空技术将对军事领域带来显著影响。

图：世界卫星发射趋势（2000-2025）

1. 小型卫星（Smallsats）。小型卫星拥有多样化的军事能力，可以执行曾经大型航天器才能执行的军事任务。目前，不同大小和自主程度的小型卫星已经用于ISR收集活动，具有短时间重新访问、快速启动和灵活定位等优势。增加小型卫星的使用，并采用新的低功率被动和主动传感器，将提高全球和太空的态势感知能力。未来，随着小卫星自主性不断增加以及星座的发展，C4ISR的能力将会得到进一步提升。

2. 微波光子学（Microwave Photonics）。微波光子学对雷达和电子战系统的空间功能和性能具有显著的影响。光子学集成可以帮助减小尺寸和重量，增加对电磁干扰的鲁棒性。集成光子技术已经被证明是适合于太空领域的军事应用。

3.PCL。地面基PCL雷达探测距离的增加，加上天基接收器的增加，将使得在敌对或中立区域的更大范围内进行实时的RAP(识别空中图像)。它将能够对大范围内的活动进行深入观察，并利用敌国或中立国的机会传送器对目标进行探测、精确跟踪和识别。这种方法还有可能实现对战术弹道导弹和高超音速导弹的更全面的探测和跟踪。

4.量子（Quantum）。量子技术的主要好处之一将在中期内通过改进传感应用实现，特别是探测水下或隐蔽物体的能力。通过各种技术改进成像，可以更快速、准确地识别威胁。量子密钥分发（QKD）可能在安全通信方面提供显著的改进，但在距离和网络大小方面仍面临诸多挑战。值得注意的是，快速识别入侵将对网络情报带来很大帮助。

5.太赫兹传感器（Terahertz Sensors）。太赫兹传感器将支持大气层外高分辨率传感。在这一地区的拦截和反制能力将阻止对手利用这种能力进行作战。

6.态势感知（Situational Awareness）。随着太空越来越成为一个作战领域，太空态势感知将变得更加关键。处理碎片、猎杀卫星、应对拥挤的轨道、处理太空商业化衍生的信息、监测太空天气以及应对太空中日益增多的人类活动，都需要提高太空态势感知能力。

此外，太空技术对于反卫星也有重要意义。来自反卫星武器或机器人寄生系统的风险将变得更加严重。日益拥挤的轨道、小型卫星大星座的增加使用以及日益增加的空间碎片对近地环境的污染将影响天基系统的有效性和可靠性。

▲技术发展趋势

1.微波光子学（Microwave Photonics）。目前处于TRL 5级的子系统和许多处于TRL 6级的部件正在趋于成熟，持续的研究将改善系统性能并支持进一步的小型化。

2.小型卫星（Small-sats）。各种小型卫星已经在所有领域的军事行动中使用。然而，这些系统在使用和任务能力方面受到限制。要完全满足军事需要，还需要加大科技攻关力度，提高关键技术的TRL级别。随着所需要的自主级别的增加，当前的TRL级别正在降低。因此，根据所观察到的技术，当前的TRL等级在3-9之间。还需要在低功率推进、自主和卫星控制方面进行更多的研究，以使下一代小型卫星集群或任务特定轨道调整成为可能。

3.自主性（Autonomy）。太空总是在拓展自主性的边界，需要继续进行研究，以扩大在轨系统的自主能力，具体包括扩展机载人工智能和处理能力，更好的能源存储，更高效的推进器和推进技术，以及增强的机器人技术。

4.无源相干定位雷达(Passive Coherent Location,PCL)。目前，这一技术的TRL等级可以估计在2 ~ 3之间。这些研究目前处于理论考虑和基本现象建模的阶段。选定的现场测试显示了被动雷达在发射和弹道滑行阶段跟踪导弹（in launch and ballistic phases）等快速目标的能力。据估计，这项技术将在未来五年内达到TRL 4-6级，并在未来20年内达到9级。

5.基于太空的量子技术(Spaced Based Quantum)。这一技术的TRL级别将随着上面概述的不同技术而变化，但是目前没有一个达到TRL5以上。重力仪（Gravitometers）达到TRL5。虽然大多数成像仪达到了TRL4，一些射频传感器也达到了TRL5。量子密钥分发（QKD）位于TRL7，并且已经在太空中进行了演示，但是在向更大的网络扩展的过程中遇到了巨大的挑战。在5到15年内，精确导航系统、QKD、成像仪和重力传感器将达到TRL9的水平。

6.太赫兹传感器（Terahertz Sensors）。10-20年后，最初为汽车/通信系统开发的组件将用于星载ISAR系统。这种可用性将允许雷达截面约0.1平方米的空间物体在50公里范围内以高于1厘米的分辨率成像。

7.弹性（Resilience）。弹性太空资产和网络需要得到维护。未来，应该探索快速低成本战术发射、改进空间态势感知(包括空间天气)、卫星硬化(新材料、冲击生存性和赛博)和主动/被动反卫星对抗的新方法。

图：太空技术未来发展应用畅想

03

高超声速技术

（Hypersonics Technology)

关键词：Hypersonic - Propulsion - Glide Vehicles - Directed Energy Weapons (DEW)

高超音速武器系统是指速度超过5马赫(约6125公里/小时)的武器系统。在这种情况下，空气的分离变得很重要，而上升的热负荷对飞行器构成了极大的威胁。高超音速飞行阶段发生在从太空返回大气层期间，或由火箭、超燃冲压发动机或联合循环推进/持续大气飞行期间。高超声速武器主要包括高超声速巡航导弹（Hypersonic Cruise Missiles, HCM）和高超声速助推滑翔飞行器(Hypersonic Glide Vehicles，HGV)。前者依靠超燃冲压发动机在大气层内实现高超声速飞行。而后者工作模式类似于弹道导弹，需要火箭助推到一定高度，然后无动力滑翔，但飞行高度更低，且具有较高的机动性。具体而言，高超声速助推滑翔飞行器是在一定初速下，依靠气动升力和离心力，克服自身重力，在大气层内做远距机动滑翔的飞行器。其显著特点是利用助推火箭达到高超声速或从近地轨道离轨再入大气层，在无动力条件下，仅依赖气动力进行滑翔飞行。高超声速巡航导弹与传统的亚声速或超声速制导装备相比，具有飞行速度快、作战射程远、突防能力强、攻击范围广、结构质量轻和打击效能好等诸多优点，主要可用于对时间敏感目标、移动目标、加固目标等实施远程精确打击。

图：三种类型发动机的工作原理示意

图：“猎鹰”计划HTV-2飞行弹道示意图

由于高超音速系统在速度和机动性方面的优势，使得对付单架高速突防或以蜂群形式组合飞行的高超音速系统的反制措施变得尤其具有挑战性。分析来看，高超声速武器对于军事领域的影响主要有以下几个方面：

1.打击（Strike）。高超音速系统将使得快速、极具挑战性的打击和精确的动能打击成为现实。通过群发或齐射方式，可以增加高价值目标的动能杀伤概率。特别是高超声速巡航导弹（HCMs）将提供穿透对手防空的重要能力，因为它们的速度快、机动性好，传统空中和弹道导弹防御系统的交战空间之间的作战高度高。这种能力对于对付高价值的时间敏感目标或在飞行期间快速重新瞄准也很有价值。

图：高超声速滑翔飞行器（HGV）的轨迹

2.防御措施（Defensive Countermeasures）。高超音速系统由于自身的特性(速度和机动性)，使得防御方变得极具挑战性。防御方的部队将需要有新的防御对策，来大规模和持续地与这些目标交战。考虑到高超声速武器的速度，这些防御手段很可能涉及电磁性质(定向能、高超音速轨道炮、干扰、天基导弹等)，虽然这些领域仍然面临重大的技术挑战。

3.飞机（Aircraft)。高超音速飞行器可以在后隐身时代的作战环境中提供新一轮技术优势，因为这样的系统可以使特种部队或物资在几个小时内迅速部署到世界各地。

4.情报、监视和侦查（ISR)。推进高超音速飞行器可以用于高空快速ISR收集(例如作为SR-71的继承者)，作为卫星或HALE无人机收集的替代品。

目前，世界多个国家正在积极进行高超声速武器研发和部署，俄罗斯成为了这一领域的先驱。2018年3月1日，俄罗斯成功试验了“匕首”高超音速空射导弹，官方报告显示已进入服役阶段。“匕首”高超声速巡航导弹可搭载核战斗部或常规战斗部，飞行速度高达10马赫，最大射程2000千米，主要载具是米格-31战斗机。3月末，俄罗斯宣布已经测试了一种名为“锆石”的新型高超声速武器，这是一种舰载反舰和陆基攻击导弹系统。“锆石”高超声速反舰巡航导弹飞行速度达8马赫，主要装备于“亚森”级核潜艇、“哈斯基”级核潜艇和“彼得大帝”号核动力巡洋舰等。12月26日，俄罗斯成功试射了一枚“先锋”高超声速助推滑翔导弹。该导弹在飞行过程中，机翼如期进行了垂直和水平控制机动，在指定时间内摧毁了6000千米外的目标。俄罗斯总统普京表示：“俄罗斯至此拥有了一种新型战略武器。”

美国、日本等国也在加快研发进攻型高超声速武器。美军在“全球快速打击”构想框架内，正在全力研制多款非核高超声速武器系统，主要包括潜射型中程高超声速助推滑翔导弹、“驭波者”高超声速飞行器、X-43高超声速无人技术验证机、空射型高超声速常规打击武器等。日本防卫省则于2018财年首次启动高超声速助推滑翔弹研究项目，宣布开发速度为5马赫以上的高超声速巡航导弹。法国将高超声速导弹视为其核武库现代化的重要步骤，法国航空航天公司启动了相关高超声速技术研究项目。印度正在与俄罗斯合作共同研制型号为“布拉莫斯Ⅱ”的高超声速巡航导弹，飞行速度可达7马赫。除此之外，澳大利亚也提出了研发飞行速度超过10马赫的高超声速飞行器的概念构想。

图：美国雷神公司2019年公布的高超声速武器概念图

应当看到，未来20年里，由于面临重大的技术挑战和高能力成本等问题，高超音速飞行的研究和开发只有在研发能力高度发达、财力雄厚的国家才有实现的可能。这类武器可以用于对战略和作战高价值目标(如关键基地、主战舰等)实施非核(动能)斩首打击，从而大大缩短战略和作战决策时间，可能会对战略稳定性带来严重冲击。

▲技术发展趋势

1.平台（Platforms）。新型热弹性材料；新型推进模式；小型化和轻型化；建模与仿真；新载具设计；超燃冲压发动机推进；隐形材料和设计；自主行为(AI和集群);先进的飞行控制。具体如下：

材料（Materials）。HCM/HGV系统表面温度可达1000℃以上。开发机械强度高、耐热的新型材料是很有必要的。

推进（Propulsion）。推进系统将需要扩展和进一步完善，包括增加可靠性、效率和替代发射方式(如电磁弹射)等。

控制（Control）。高超声速下的飞行动力学由于不寻常的气流特性而变得十分复杂，需要改进建模和仿真(即计算流体动力学)。这反过来将有助于载具控制和制导方面的研究，这对提高准确性、失去控制和自主行为尤为重要。

2.防御性反制措施（Defensive Counter-Measures）。尽管高速度、机动性和作战高度使其具有挑战性，但研发对抗高超声速威胁的手段将是必要的。具体如下：

传感器和跟踪（Sensors & Tracking）。应对HCM和HGV等高超声速武器，将需要改进地面和太空传感器，用于探测、识别和跟踪以及改进的导航和控制，以确保成功拦截。此外，还需要改进综合数据融合和自主功能，以支持在短时间内进行决策。

硬杀伤（Hard Kill）。开发新的反高超声速导弹或适合于反高超声速角色的超高速弹射体将是一个重大的技术挑战。定向能武器(DEW)也可能提供硬杀伤能力，但高超音速飞行器的本质将使其成为一项挑战。

软杀伤（Soft Kill）。使用网络、电子战、定向能和诱饵作为对抗高超音速武器系统的手段。

图：太空技术未来发展应用畅想

主要参考文献

1. NATO Science & Technology Organization，Science & Technology Trends 2020-2040，Exploring the S&T Edge，March 2020,

https://www.nato.int/nato_static_fl2014/assets/pdf/2020/4/pdf/190422-ST_Tech_Trends_Report_2020-2040.pdf

2.CRS In Focus IF11105, “Defense Primer: Emerging Technologies,” by Kelley M. Sayler, https://crsreports.congress.gov/product/pdf/IF/IF11105

3.CRS Report R45811, Hypersonic Weapons: Background and Issues for Congress, by Kelley M. Sayler

感谢国防科技大学空天科学学院博士生顾瑞为本文编译及评论提供的专业建议，如有错漏欢迎批评指正。

军事高科技在线授权转载

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