機械與運載工程領域顛覆性技術戰略研究

楊艷明 ，趙云 ，邵珠峰 ，李道春 ，高增桂 ，張子龍 ，沈悅 ，王林軍

（1. 清華大學公共管理學院，北京 100084；2. 清華大學機械工程學院，北京 100084；3. 北京航空航天大學，北京 100083；4. 上海大學，上海 200444）

一、前言

歷史上的每一次科技革命、工業革命和能源革命，都伴隨著顛覆性技術的出現。如第一次世界大戰期間出現無線電技術、飛機技術，第二次世界大戰期間出現雷達技術、數字計算機技術、導彈技術和核技術，冷戰時期出現集成電路技術、人造衛星技術、激光技術，冷戰后的互聯網技術、全球定位系統以及隱身技術等。這些顛覆性技術伴隨著性能與功能的不斷改進和完善，最終取代了原有技術，開辟了新的市場。從歷史演變來看，只有具備敏銳的洞察意識，掌握并發展顛覆性技術，才能保持一個國家的世界領先地位。美國、俄羅斯等國均成立了專門機構，加緊顛覆性技術的相關研究，我國也應開展顛覆性技術研究，捕獲新興前沿技術機遇。

機械與運載工程領域的顛覆性技術戰略研究，涉及技術領域廣泛，涵蓋機械、微機電系統（MEMS）、增材制造、機器人、航空、航天、海洋運輸裝備、汽車、軌道交通、綜合交通等十多個子領域，所涉及的產業幾乎全部為技術密集型、高關聯性的大規模產業，無一例外地成為各國戰略布局的重點。

以創新和高科技為特色的各類技術的廣泛發展，警醒每一個國家都需要抓住機械與運載工程領域快速發展機遇期，及時、準確識別顛覆性技術，占領世界技術發展的制高點。

二、當前機械與運載工程領域顛覆性技術的發展情況

中國工程院機械與運載工程學部按專業劃分為機械工程、船舶與海洋工程、航空宇航科學技術、兵器科學與技術、動力與電氣設備工程與技術、交通運輸工程。這一領域學科眾多，工程技術發展迅速。在前期文獻研究的基礎上，結合專家訪談方法，提出了應當引起關注的機械工程、航空航天、海洋運載裝備及軌道交通領域的顛覆性技術。

（一）機械工程領域的發展情況

1. 智能制造技術

智能制造是我國制造業由大變強的核心技術和主線。我國已經涌現出一些企業積極制定并實施本企業發展智能制造的規劃計劃，智能制造技術將在我國制造業獲得大力發展和廣泛應用。

2. MEMS的潛在顛覆式應用

未來將有四種趨勢改變MEMS的市場格局：新興器件，如微鏡和環境組合傳感器；新應用，如壓力傳感器應用于位置（高度）感測；顛覆性技術，包括封裝、新材料（如壓電薄膜和300 mm/12寸晶圓，1寸≈3.333 cm）；新的設計，包括納機電系統（NEMS）和光學集成技術。

（二）航空航天運載領域的發展情況

自主無人系統包括無人機、無人地面車輛、無人水面艇和無人潛航器共4種類型[1]。這類系統在得到授權后具備在特定邊界內獨立行動的能力，具有自主性，通過制定規則和策略進行自我選擇，并具有自主學習能力，能夠改進策略甚至在不可預見的情況下進行最優選擇，從而達成既定目標任務。自主無人系統體現了無人系統的智能化水平，涉及到眾多學科和門類的高新技術。

我國在自主無人系統方面展現出顯著的實力，但是在無人機、無人地面車輛、無人水面艇、無人潛航器等各類無人系統關鍵技術方面的發展互相獨立，在軍用和民用無人系統中的自主控制、測控通信、互操作、高精度導航等共性技術攻關及應用尚未形成合力。在國際范圍內屬于跟跑狀態。

空中自主無人系統的技術拐點主要包括：無人系統機器學習、有人/無人快速切換機器人、微型撲旋翼飛行器、智能集群技術、臨近空間超高速無人機、環境感知等。預計到2020年前后能夠實現無人系統機器學習以及有人/無人快速切換機器人技術并開始應用，對于微型撲旋翼飛行器、臨近空間超高速無人機技術將在2025年前后取得較大突破，2030年后將在空中自主無人系統技術領域取得重大突破，并于2035年前后取得廣泛應用。

自主無人技術成熟度和技術拐點預測，如表1所示。

（三）海洋運載裝備領域的發展情況

綠色船舶技術：國際海事組織（IMO）制定的新船能效設計指數（EEDI）規則自2013年1月正式生效后，為進入國際市場，建造及配套單位就必須對不符合EEDI要求的船型進行改造[2]。世界各大船舶研究機構、先進造船企業以及相關研究機構通過研發新型能源推進船舶（液化天然氣燃料船、風帆柴油機混合動力船、燃料電池推進船等）、新概念綠色船型（高效節能船型）、環保無污染涂料、無壓載水船舶、低排放高效動力裝置、輕質材料等新技術，打造新型綠色船舶。

表1 自主無人技術成熟度和技術拐點預測

（四）軌道交通技術領域的發展情況

全面系統加強主動安全保障、運輸組織協同優化、互聯互通、全過程服務等方面的體系化創新，已成為世界軌道交通科技發展的大趨勢，也是我國軌道交通的“短板”。

我國尚未實現各種交通方式的協同運輸，亟待加強區域軌道交通各模式間互聯互通和應急處置聯動。軌道交通能源供給系統技術和裝備的標準化、譜系化和智能化，以及新能源和新型能源利用模式的創新應用成為軌道交通能源相關技術發展的主流和創新焦點。

三、未來機械與運載工程領域顛覆性技術預測展望

（一）機械工程領域展望

經前期文獻整理和調研，發現本領域已經形成一項典型的顛覆性技術——MEMS，在高端數控機床、先進成形裝備、關鍵機械基礎件、3D打印、機器人等技術領域存在疑似顛覆性技術。

其中，MEMS以微納尺度理論為支撐，通過微納制造及工藝，融入微機械、微電子、微光學、微能源、微流動等各種技術，具有微感知、微處理、微控制、微傳輸、微對抗等功能，并通過功能模塊的集成，實現單一或多類用途的綜合性前沿技術[3]。MEMS是近年興起的高新技術，具有多學科交叉特征，應用領域廣泛，持續不斷發展對我國保持技術領先優勢意義重大。

（二）航空航天運載領域展望

1. 航空航天領域已有和疑似顛覆性技術

航空航天運載工程顛覆性技術影響重大，開展航空航天運載工程顛覆性技術的識別和發展研究，搶占新科技變革、產業變革和軍事變革的戰略主動權，對我國具有特別重要的意義。

根據近期航空航天領域技術發展狀況、基礎學科技術突破情況等，按照能源動力技術、航空器技術、航天器技術三個技術分類篩選出已有和疑似顛覆性技術。能源動力技術領域包括：垂直起降發動機、超燃沖壓發動機、太陽能飛機、全電飛機；航空器技術領域包括：超音速客機、無人智能化、航空母機、超長航時無人機、仿生智能集群技術；航天器技術領域包括：可重復使用火箭、大型火箭、星際高速飛行器。

2. 超燃沖壓發動機技術

高超音速飛行器“是人類在發明飛機、突破音障、進入太空之后又一項具有跨時代意義的里程碑，是未來航空航天領域的另一發展方向”[4]。高超聲速飛行器在進行超過5 Ma飛行時，需要應用超燃沖壓發動機來完成工作。超燃沖壓發動機技術作為高超聲速飛行器技術的核心關鍵技術，將推動吸氣式噴氣發動機的進一步突破。超燃沖壓發動機適宜在大氣層或跨大氣層進行長時間超聲速或高超聲速的續航飛行，具備結構簡單、造價低、易維護、性能好等特點。

3. 仿生智能集群技術

仿生智能集群技術基于仿生微型飛行器和智能集群技術。研制仿生飛行器，將會突破目前大型航空飛行器設計過程中固化的設計理念和技術限制，微小型飛行器將具備極佳的隱蔽性和在狹小空間的飛行能力，這類微型飛行器的研究取得了微小的進展，在突破厘米級/毫米級的過程中，面臨著包括設計、能源、導航、微制造等多方面的技術瓶頸，但具有極大的發展潛力。

在目前的微型發展進程中，由于微型固定翼和旋翼面臨理論與技術瓶頸和效率的制約，設計和研發高效率的仿生飛行器具有必要性和代替性。協同集群技術的發展能夠克服單個微型飛行器能力不足的缺陷，將顛覆傳統單一飛行器的作戰模式，產生重大軍事變革。

4. 可重復使用航天運載技術

可重復使用航天運載技術基于可重復使用運載器。可重復使用運載器是指能夠在地球表面與太空之間重復往返的多用途飛行器，具有快速、安全、可靠、成本較低的巨大優勢。在航天運載器向著低成本、高可靠性方向發展的過程中，可重復航天運載器技術將改變目前航天運載器發射成本巨大的困境，為將來更進一步探索、開發外太空資源打下堅實的基礎；在人類向著太空不斷發展的過程中，率先占領技術制高點將在長時間內保持軍事技術等方面的優勢。

（三）海洋運載領域展望

目前在海洋開發裝備技術、海洋科考裝備技術、海洋防務裝備技術、海洋運輸裝備技術等領域還未出現明確的顛覆性技術，但可燃冰開采船舶創新技術、船舶動力-無軸輪緣推進系統技術、船舶綠色化的創新與發展技術、海洋數據資源技術等技術領域可能存在疑似顛覆性技術。

吳有生院士指出，世界海洋運載裝備呈現以“綠色船舶技術”為基礎，以“綜合集成”“智能化”“深遠海”為主要發展方向的新趨勢[5]。

1. 綠色海洋運載技術

海洋運載裝備的節能技術始終貫穿于其發展的過程中。目前，綠色船舶技術的發展方向主要包括：一是綠色船舶的總體技術，包括船舶設計優化、減輕船舶的重量、少/無壓載水船舶；二是綠色船舶動力技術，也是綠色船舶技術的發展重點，目前較為成熟或正在研發的有關技術包括低轉速長沖程設計技術、降低最大持續運轉功率點油耗技術、氣體燃料技術、風帆油機混合動力技術等；三是綠色船舶營運技術，包括船舶能效控制和岸電技術。

2. 綜合集成與智能化

隨著海洋運載工程任務需求的不斷增加，海洋運載裝備逐漸向功能綜合集成化、智能化方向發展。集成化包括：一是設備集成化；二是功能集成化。智能化包含船本身的智能化和船舶與岸上組成網絡的信息智能化。

3. 極地與深遠海運載裝備技術

隨著深海科學的不斷發展，深海潛器作業深度不斷增加，日本無人遙控潛航器目前已具備下潛到10 000 m以上的深海作業能力。新發展的深海潛器可更好地應用于海洋礦物與生物資源、海洋能源開發、海洋環境測量等多方面科學考察活動。美國、英國、俄羅斯等傳統海洋強國都提出了深海空間站的構想，其中美國準備發展深海空間站，英國計劃開發水下星球大戰系統，俄羅斯計劃開發新一代的深海空間站裝備體系[6]。

適應于深遠海支持和作業的海洋運載工程裝備將成為未來需求的重點。其他還包括可燃冰開采船舶創新技術、船舶動力-無軸輪緣推進系統技術、船舶綠色化的創新與發展技術等。突破性技術包括節能裝置、雙燃料主機、輕量化設計技術。此外，還應重視研發海洋數據資源技術。未來值得期待的海洋運載技術還有核動力和深海載人空間站。

（四）軌道交通領域展望

軌道交通技術的發展包括以下幾個方向。

（1）系統集成及共性技術：包括軌道交通系統綜合安全評估與協同安全保障技術、軌道交通系統全息感知與泛在融合智能化技術、軌道交通系統全局效能評估及綜合效能提升關鍵技術、軌道交通系統解耦與適配技術。

（2）載運工具方面技術：包括高速輪軌交通系統關鍵技術、磁浮交通系統關鍵技術、軌道交通貨運快速化關鍵技術、導向運輸系統模式多樣化技術、基于城軌網絡的城市物資快速轉移載運工具、導向運輸系統新模式及技術探索研究。

（3）基礎設施方面技術：軌道交通線路工程施工與能力保持技術、基于空-天-車-地信息一體化的安全與運營保障技術、基礎設施供電系統。

（4）營運管理方面技術：軌道交通運營與管理信息大數據深度應用、“互聯網+”軌道交通精準服務模式、便捷高速客運、高效快捷貨運、多模式軌道交通運輸組織與協調、智能運維與應急處置。

（5）創新能力方面技術：軌道交通系統安全綜合測試驗證評估平臺、軌道交通系統綜合數據應用服務平臺、軌道交通系統綜合效能研究與評估平臺。

面對軌道交通強國持續創新的挑戰，我國亟需發展更高速、更經濟、更環保、更安全的下一代高速鐵路裝備技術，以更具競爭力的新技術和更加智能化的新產品，保持我國高鐵可持續發展的競爭優勢。 例如，高速列車具有智能和自適應能力的轉向架技術，包括高鐵“走出去”所需的變軌距技術、新材料的輕量化車體技術、大功率電子變壓器技術、永磁電機及其牽引控制技術、全電制動技術、同相供電技術、節能變壓器技術、裝備狀態監測技術、新材料與新工藝的應用、大容量的無線通信和更加準確的移動閉塞技術、智能化的運輸組織和動態調度技術等，都將是下一代高速鐵路發展的核心技術。另外，運能更大的重載技術、既有鐵路的技術改造與升級技術，也將是軌道交通技術發展的重點。

另一方面，軌道交通已從傳統的干線鐵路向多樣化發展，城市軌道交通發展迅猛，新技術不斷涌現。我國100%低地板新型城市有軌電車技術應用廣泛，圍繞供電系統的創能、傳能和儲能新技術，燃料電池、超級電容、無線傳能等新技術研究十分活躍。避免與地面交通干涉的跨坐或吊掛式單軌列車技術，軌道交通“最后一千米”的自動運行“轎廂”列車技術，低成本的虛擬軌道列車技術也已引起廣泛關注。隨著長沙機場線磁浮列車的開通運營，人們對磁浮列車寄予了無限期望，國家也已經在“‘十三五’先進軌道交通專項”中立項開展200 km/h的中速磁浮交通系統和最高設計為600 km/h的高速磁浮交通系統研究。

日本低溫超導磁浮列車實現603 km/h的載人試驗和東京到名古屋（最終到大阪）運行線的開工建設，證實了利用超導磁懸浮技術打造更高速度的軌道交通的可能性，而我國具有自主知識產權的高溫超導磁浮列車技術，以獨特的自懸浮、自導向和自穩定性能，成為1 000 km/h左右的地面超高速軌道交通的最佳模式。此外，采用真空管道的地面超高速軌道交通倍受關注，西南交通大學在2014年創建了世界首個真空管道高溫超導磁懸浮交通實驗系統，引起了國際學術界的廣泛關注，電氣與電子工程師協會（IEEE）旗艦刊物《Spectrum》稱之為“超級軌道”（super chute）。最近，隨著美國基于真空管道的超級鐵路（Hyperloop）概念的提出和工程化研究，近聲速的地面超高速軌道交通離應用越來越近。

四、機械與運載工程領域潛在顛覆性技術發展建議

經上文分析并結合專家意見，提出機械與運載工程領域具有潛在顛覆性的5項技術。在全面布局的同時，應該優先支持這5項技術的發展。

（一）仿生智能集群技術

仿生智能集群技術是基于仿生微型飛行器和智能集群技術的出現而發展的，微型化將是飛行器設計的重要方向，蘊藏著出現顛覆性技術的巨大潛力。

協同集群技術將通過能力互補和行動協調實現集群的自主控制和自主編隊飛行，將大力提升微型飛行器的作戰能力。作戰方式具有全新顛覆性，能夠極大地降低傳統武器的作戰效能問題。

發展智能集群技術，需要解決有限空間內多架無人機之間的沖突；以低成本、高度分散的形式滿足功能需求；動態自愈合網絡；分布式集群智慧；分布式探測；可靠性；去中心化自組網提升抗故障能力、自愈性和高效信息共享能力。

無人機集群對抗是未來空戰的重要方式，我國應加大相關方面的研究，躋身于世界一流仿生智能集群無人機技術隊伍之列，搶占這一潛在顛覆戰爭形式的顛覆性技術戰略制高點。

（二）船舶新動力-無軸輪緣推進系統技術

無軸推進系統采用顛覆現有電力推進系統的結構設計，結合輪緣驅動技術，設計出無軸輪緣驅動推進器。無軸輪緣推進器集成了電機和推進器，進行一體化設計制造。無軸輪緣推進系統的推進效率優異，設計理論創新和適用性廣泛，克服了傳統推進系統的眾多缺點，極具顛覆性[7]。

（三）智能無人飛行器技術

智能無人飛行器技術涉及領域廣泛，在軍用和民用領域均具有非常廣闊的應用前景。它具有全面的環境感知與智能戰場態勢認知能力、基于大數據知識庫的自主決策能力以及高動態的自適應能力。

智能無人飛行器技術顛覆性的潛在著眼點有：無人飛行器飛控技術、從單一智能無人飛行器向多智能無人飛行器協作發展、智能化無人飛行器技術與傳感器、無人飛行器平臺的智能化。人工智能技術與無人飛行器進行深度融合，將對傳統領域產生顛覆性的影響。

（四）超回路列車技術

超回路列車技術可降低活動部件和空氣阻力所造成的摩擦。列車管道采用鋁合金制造，膠囊艙采用特殊設計。超回路列車管道回路中的橫向加速度低于地鐵，因此可有效防止乘客暈車。該技術創新性的設計理論，廣泛的適用性，使其將成為新一代地面交通的典范，顛覆傳統的地面交通運輸系統。

超導磁懸浮技術利用超導材料實現懸浮。特點是不需用電，通過超導塊材也能懸浮起來，不使用車輪，依靠電磁推進[8]。高溫超導磁懸浮理論及其應用包括兩個方面：軸對稱場中高溫超導體塊材的電磁特性及其在軸承和飛輪儲能上的應用；平移對稱場中高溫超導體塊材的電磁特性及其在軌道交通和發射系統中的應用。超聲速技術目前主要應用在飛行器上面，超聲速、高超聲速飛行器的飛行速度要高于5倍聲速，即5 Ma，或接近6 000 km/h。而超回路列車的研究勢必要涉及到超聲速時產生的“地面熱障”，所以將超聲速技術應用到軌道交通領域，并且控制好成本，將是一個科研轉商用的重點技術。

美國Hyperloop Transportation Technologies（HTT）公司、美國Hyperloop one公司和中國航天科工集團有限公司三家宣布要研發大于1 000 km/h的運輸系統。中國航天科工集團有限公司最先提出建立航天超聲速地面運輸系統，從通過1 000 km/h運輸能力建設區域性城際飛行列車交通網，通過2 000 km/h運輸能力建設國家超級城市群飛行列車交通網，到第三步通過4 000 km/h運輸能力建設“一帶一路”飛行列車交通網[9]。

（五）MEMS技術

MEMS技術類似微電子技術，將對人類社會產生革命性的影響，如可大批量生產運行成本低、可靠性高的微小衛星[10]。

MEMS的優點有很多，因為不需要依賴剛性的傳動裝置來有效地傳遞力矩，因此可以加入更多的緩沖裝置；因為動力呈現分部式設計，傳動鏈比較短，控制設計上也更加方便和簡單。醫用微型機械裝置，在過去技術難度接近于不可能的納米機器人，在MEMS的發展支撐下，會在不遠的將來真正出現。即使復雜的化學分子實現不了的藥理作用，通過程序控制的微型裝置也可能實現，這在醫療衛生領域將是一場顛覆式的革命。藥理學這門學科的重心也許將會從介紹藥物藥理作用發展到通過微型電子機械設計藥理作用過程，這種改變將徹底打破現有的醫學困境。MEMS技術還能把收集的周圍能量轉化為電能，最終取代電池。

MEMS技術發展具有微型化、低功耗、高精度、集成化及智慧化趨勢。MEMS技術的應用環境、領域的差異較大，具有較強專用性，不容易被技術先進國家壟斷，需要在同一技術平臺下的多元化創新，在不同的領域內分別做適用性創新。這種分領域專業化創新，通過多點式創新形成整體產品升級的模式，使我國可以利用產業規模龐大、產業分工鏈條長的先天優勢，形成新型的產業集群網絡，實現大企業引領、小企業專精的市場發展特色，為我國MEMS發展開辟道路。