顛覆性航天技術的內涵、分類和顯示方法淺析

孫靜芬 袁建華 趙滟 蒲洪波 （中國航天系統科學與工程研究院）

顛覆性航天技術的內涵、分類和顯示方法淺析

孫靜芬 袁建華 趙滟 蒲洪波 （中國航天系統科學與工程研究院）

航天是多學科綜合集成的高科技領域，航天活動推動了諸如材料、導航、通信、醫學等眾多領域的科技進步。提高航天技術水平、增強航天活動效能，占領國家安全、經濟和科技競爭戰略制高點是世界航天大國孜孜以求的目標，其核心就是航天技術創新。

顛覆性技術作為創新驅動發展的生力軍得到越來越多的關注和重視。歷史上，每次科技革命、工業革命、能源革命時期，均為顛覆性技術出現的高峰期。顛覆性技術往往源于各項技術的融合，許多重大創新出現在學科交叉領域，未來科技發展將越來越依賴多種學科的綜合和交叉。世界主要國家將顛覆性技術發展作為大國博弈的戰略需要和提升國家科技創新能力的重要途徑，積極謀劃推動其發展。

德國航空航天中心（DLR）與歐洲航天局（ESA）聯合開展了一項有關顛覆性航天技術的內涵和分類等研究。本文吸納了該研究成果的部分觀點，并結合我國航天特點，對顛覆性航天技術的內涵、分類以及技術顯示度曲線這一分析工具，在顛覆性航天技術的現狀和發展預測顯示方面的應用等做了初步淺析，對航天領域顛覆性技術創新的獨特性進行了分析，并對顛覆性航天技術發展提出六個方面的建議。

1 顛覆性航天技術的內涵和分類

顛覆性技術的一般概念

顛覆性技術這一理論概念最早由美國哈佛商學院教授克萊頓·克里斯滕森提出，他在1995年出版的《顛覆性技術的機遇浪潮》一書中首次使用了顛覆性技術這一詞匯。所謂顛覆性技術，是指一種另辟蹊徑、會對已有傳統或主流技術產生顛覆性效果的技術，既可能是完全創新的新技術，也可能是基于現有技術的跨學科、跨領域的創新型應用。顛覆性創新通常發端于非主流的低端市場或新市場，基于新概念或技術的新應用，以新產品或新服務替代傳統產品或服務，并在相關領域產生革命性變革，帶來新的領域性增長。

顛覆性航天技術的內涵

航天技術很大程度上受到用戶對航天系統性能理解和期望的影響。顛覆性航天技術與其他領域顛覆性技術相比，主要存在以下三點差異：①開發時間。航天技術開發時間長，因此顛覆性航天技術的過渡時間也長。②飛行試驗歷史經驗。主導技術已經有較長時期的飛行試驗歷史經驗，一個新的航天技術備選方案必須體現出對主導技術的顯著改進才能證明為它所付出的風險和成本是值得的。③市場特征。航天是一個高度受政府影響的復雜市場，新技術的開發和使用常常與政治動機、國防工業政策和其他社會因素相關。顛覆性航天技術同時也更多受到市場因素（用戶）的影響，市場（用戶）的改變推動了技術的顛覆。

綜上，結合顛覆性技術的一般定義，顛覆性航天技術可以定義如下：顛覆性航天技術是能夠根本改變現有航天技術的狀態，以更好滿足用戶需求的技術，它是一種全新的技術或對現有技術的創新應用以及創新技術（性能屬性）的不同組合等。

從定義可以看出，顛覆性航天技術具有如下的內涵：

1）能夠根本改變現有航天技術的狀態，即是顛覆性的，而不是漸進性的創新；

2）它以更好地滿足用戶需求為目標，包括國家安全、軍事航天任務需求以及空間科學和空間應用等用戶需求；

3）既可以是一種全新的技術，也可以是對現有技術的創新應用，還可以是創新技術的不同組合。

關于顛覆性航天技術可以是性能屬性的不同組合。與傳統衛星相比，小衛星在技術性能上并無太大優勢，但它能用更低成本（雷達圖上得分越高越有優勢）和更低復雜性來實現功能組合，體現出它對某些特定用戶的價值。

藍色代表顛覆性航天技術，綠色代表傳統技術

以小衛星為例說明航天領域內低端的顛覆性創新

從雷達圖中可以看出，顛覆性航天技術可以是性能屬性的一個不同組合，它們能夠在發展成熟變為主導技術并改變市場之前先行打造一個小型市場，例如一個特定的科學任務。

顛覆性航天技術的分類

目前，關于對航天領域破壞性、間斷性或根本性技術創新的分類術語并不統一。歐洲航天部門采用“顛覆性技術”術語；英國開展了“地平線掃描”，發布了《科學技術“地平線掃描”》白皮書；美國流行“改變游戲規則的技術”這一術語，例如，美國智庫發布《游戲規則改變者：顛覆性技術與美國國防戰略》報告，美國國防科學委員會發布《支撐2030年優勢的技術與創新》報告，美國國防部開展“技術監視/水平掃描”（TW/HS）項目，監控全球潛在的顛覆性技術等；在材料和基礎物理等基礎領域更傾向于使用“突破性發現”。

航天領域顛覆性創新的金字塔結構

突破性發現的例子

顛覆性航天技術的例子

德國航空航天中心和歐洲航天局的專家于2012年給出了航天領域顛覆性創新的金字塔結構?？梢钥闯觯鋵⒑教祛I域顛覆性創新歸為三類，即突破性發現、顛覆性航天技術和改變游戲規則的創新。三類顛覆性創新分別主要出現在材料和基礎物理領域，系統、分系統和部組件層級，以及任務級、航天體系架構級和系統的系統級。

改變游戲規則的創新的例子

2 技術顯示度曲線在顛覆性航天技術的現狀和發展預測顯示上的應用

技術顯示度曲線由著名的技術研發與咨詢企業高德納公司（Gartner）提出，是一個呈鐘形的曲線，橫軸表示時間，縱軸代表技術價值的顯示度或技術期望。技術顯示度曲線由2條不同的曲線合成，其中一條呈鐘形的曲線反映了技術顯示度水平的變化過程，人們在開始階段往往會對一項新興技術的發展過于推崇和樂觀，使得該技術的顯示度水平達到頂峰，但由于新技術的應用通常難以達到人們的預期，又會使得技術的顯示度大幅下降到一個較低的水平；另一條S形曲線則反映了技術的成熟過程，開始階段技術的成熟速度較慢，隨著知識的積累和投資的增加，在達到一定的拐點后技術會加快成熟，最終隨著技術性能達到極限，該技術將實現完全成熟。

技術顯示度曲線可以分為5個階段：①技術萌芽期。新技術概念開始傳播并吸引媒體的關注，風險資本開始介入以期獲取先發優勢。②顯示度頂峰期。人們對新技術的期望達到頂峰，并廣泛見諸媒體，企業資本蜂擁進入。③幻想破滅期。過高的熱情導致新技術的應用難以達到預期，公眾的失望開始擴散，媒體呈現負面報道。④顯示度復蘇期。早期的進入者繼續開展技術研發并獲益，技術性能逐步提升。⑤生產力高原期。市場化應用獲得成功，技術價值得以實現。

技術顯示度曲線這一工具可以比較直觀地看出某領域各項技術所處的狀態，以及未來發展態勢（技術突破可能需要的時間）。該方法也可以應用到航天顛覆性技術的現狀分布和未來突破時間預測等方面的顯示。

技術顯示度曲線的合成過程

3 航天領域顛覆性技術創新的獨特性

航天顛覆性技術創新需要跨越研發投入的“死亡谷”

“阿波羅”時代之后，世界航天部門相對趨于保守，更多關注低風險的創新而非突破性、顛覆性創新，這主要源于航天活動的高風險、高成本和嚴酷的環境條件約束。許多新技術由于缺乏持續的研發投入，跨不過技術開發的“死亡谷”而夭折?！八劳龉取笔怯脕硇蜗蟮乇扔鹘橛诨A技術開發（技術推動，達到技術成熟度4/5級）和應用技術開發（技術拉動，超過技術成熟度6/7級）之間的投資缺口。要跨越“死亡谷”就必須在技術開發的早期階段，對該技術未來是否能通過顛覆性創新帶來能力的飛躍進行評估。最有可能成功并帶來顛覆性創新的航天技術被稱之為顛覆性航天技術。

航天推進和動力領域顛覆性技術的顯示度曲線（來自德國航空航天中心和歐洲航天局專家2012年的經驗，僅為示意）

航天技術因其固有特點，使鼓勵顛覆性創新的文化受到影響

隨著技術研發和創新的不斷開展，航天領域的技術能力持續提升。然而，創新活動雖然頻繁，對技術性能提升的力度卻不夠大，這主要是受到了“保成功”文化的影響。航天領域的研發和創新的擴散與其他領域不同。宇宙空間環境惡劣，新技術面臨的環境適應性挑戰大，例如，航天新技術需應對真空、微重力、高輻射、極端溫度環境、微流星體和軌道碎片等影響，發射后的修復和調整機會受限等，加上航天產品小批量、高成本的特點，需要滿足更加嚴格的質量和可靠性要求，在創新和“保成功”的平衡中往往傾向于后者，對顛覆性技術創新文化形成了一定的沖擊。

航天領域的市場結構與其他高科技領域差別很大，具有自身的獨特性

航天領域的市場動力學受到參與者及其相互關系的影響。技術開發中通常有兩類“客戶-賣方”關系，一是用戶需求驅動市場，二是政府需求（軍事或科學）驅動市場。兩類情況下的創新動力學不同。航天科學任務屬于買方市場，政府是相關航天技術的主要投資方，軍事航天任務與其相似，而商業航天更接近壟斷市場。大眾消費市場中，產品或技術通常由最終用戶來使用，而大部分的航天技術并非如此。以衛星通信為例，衛星運營服務提供商是航天技術的用戶，將其服務提供給最終用戶（個人、機構、公共用戶等），如果沒有外部因素推動的話，運營商一般沒有足夠的動機來承受新技術的測試和使用風險，這意味著與其他領域不同，航天領域的顛覆性技術更多地要依靠政府進行投入和培育。

航天技術市場上的關鍵參與者

顛覆性航天技術更多產生于技術推動主導的基礎技術開發領域

航天領域的基礎技術開發和特定任務技術開發應加以區分，基礎技術開發屬于技術推動，特定任務技術開發屬于需求牽引。技術推動下的投資會帶來技術突破，而需求牽引下的投資產生漸進的創新。技術推動下的投資更多涉及基礎研究和新材料應用，而需求牽引下的投資更多是對現有技術或設計的改進。航天領域要培育顛覆性技術，應更多關注技術推動方面的基礎與前沿研究并加大投入。然而，有2個主要因素阻礙了技術推動投入：一是在技術開發項目的選擇過程中成熟技術更受歡迎，由此導致了技術開發的僵局，形成了技術創新的障礙；二是采用新技術需要進行測試和飛行試驗驗證，飛行試驗驗證是應用新技術的一個最大藩籬。低風險承受力是航天領域的特點，在商業衛星通信和導航任務中，需要測試和飛行試驗驗證的創新技術常被排除在外?？茖W和對地觀測任務是更加容易創新的領域，這一領域的用戶通常是科學家，他們需要更先進的航天傳感器，因此在任務中使用成熟度不高的創新技術，提供了飛行試驗數據并應用到將來的商業衛星中。歐洲航天局過去曾采用的顛覆性航天技術已經在科學和對地觀測任務中達到了成熟水平。例如，“土壤濕度和海洋鹽度”衛星（SMOS）關鍵參與者項目中的干涉儀輻射線測定技術、“赫歇爾”（Hershel）項目中的金剛砂反射鏡技術和“蓋亞”（Gaia）項目中的金剛砂結構技術等。

歐洲“赫歇爾”空間望遠鏡

歐洲“蓋亞”空間望遠鏡

4 顛覆性航天技術發展的建議

頂層設計，完善機制，在航天技術創新體系中將顛覆性技術發展形成制度化

顛覆性航天技術是航天技術創新體系的生力軍，應在航天技術創新體系的頂層設計中，將顛覆性航天技術發展形成制度化。一是在組織機構和制度建設上，應培育形成顛覆性航天技術創新的常態化機制。美國國防高級研究計劃局（DARPA）是發展顛覆性技術的典型機構代表，培育和推動重大顛覆性技術并取得了成功；俄羅斯2012年成立國防高級研究基金會，捕獲包括顛覆性技術在內的新興前沿技術機遇等。二是在研發經費投入上，應加大對顛覆性技術發展的自主投入，并積極爭取政府更多的投入，推動一些科技重大專項和重大航天工程的立項實施。三是培育鼓勵顛覆性技術創新的文化環境。

以市場為導向，以需求為牽引，共同推動顛覆性航天技術發展

顛覆性技術需要在競爭的環境下、在較短的時間內脫穎而出，實現對傳統技術的取代和顛覆。因此，顛覆性航天技術的發展應以市場為導向，發揮市場在資源配置中的決定性作用，同時以滿足國家戰略需求和經濟社會發展需求為牽引，促進對顛覆性技術的發掘、培育和發展，完善創新成果轉化應用機制，營造有利于孵化顛覆性技術的生態環境，通過市場導向和需求牽引，共同推動顛覆性航天技術發展。

產學研結合，強化基礎前沿和交叉學科研究，助力創新驅動發展

顛覆性技術往往源于各項技術的融合，未來科技發展也將越來越依賴多種學科的綜合、滲透和交叉，跨學科研究、學科交叉研究將孕育出顛覆性技術新的生長點?；A與前沿領域是航天技術更新換代和新興產業發展的核心。通過產學研結合，建立創新戰略聯盟，強化基礎前沿和交叉學科研究，加速突破未來顛覆性技術（如量子、信息、認知科學、通信、電子、材料、能源動力、先進制造等領域），大幅增加技術儲備，助力創新驅動發展。

人才為本，激勵保障，加強顛覆性技術創新隊伍、激勵機制建設

人才是推動創新驅動發展的內核，是顛覆性技術創新的根基。通過選拔培養，將創新人才聚集到創新隊伍中，營造充滿活力的創新環境，打造梯隊合理、相對穩定、流動有序的創新隊伍，培養一批關鍵領域創新領軍人才和戰略科學家。建立科學合理的考評體系，運用先進的激勵理念，物質、精神和情感激勵有效結合，建立符合航天創新人員多層次需求的有競爭力的激勵機制。將保護顛覆性技術創新人員權益的相關措施固化到制度文件中。

方法輔助，流程科學，積極采用技術識別的方法工具和組織實施流程

對顛覆性技術的挖掘和識別可以借鑒技術識別的方法和工具。例如，國外采用了文獻計量法、專利分析法、德爾菲方法、專家會議法、情景分析法、頭腦風暴法等一些通用的技術識別方法。美國蘭德公司采用了“快速證據評估方法”（REA）為英國國防部選擇未來技術，美國國防部“技術監視/地平線掃描”項目當前仍較多采用了文獻計量、專利分析、專家研討、現場匯報以及參觀訪談等人工方式，正在建立未來自動化分析的系統架構。實施流程上，歐洲航天局開展技術預見的三階段方法值得借鑒。對其現狀和發展的顯示可以采用技術顯示度曲線方法等。

把握整體，雙輪驅動，實現顛覆性技術和漸進性技術的協調發展

顛覆性技術不會一夜之間徹底“顛覆”主流技術，必須把握航天未來發展整體需求，實現顛覆性技術和漸進性技術的協調發展。美、俄等國在航空動力領域，一方面取得渦槳、渦噴、渦扇等顛覆性技術進步，與此同時，長期、持續、漸進地開展技術革新工作，確立了在航空動力領域的國際領先地位。因此，必須堅持顛覆性技術創新和漸進性技術創新雙輪驅動，推動其協調發展。

Analysis of Concept， Classification and Display Methods of Subversive Aerospace Technology