航空顛覆性技術初探

樊會濤，段鵬飛，袁成

1.中國航空工業集團有限公司，北京 100027

2.航空工業未來機載武器技術協同創新中心，北京 100029

3.北京航空航天大學 人工智能研究院，北京 100191

顛覆性技術憑借對社會形態的重塑、對生產力的極大促進、對戰斗力的巨大提升，一直是影響文明進程、塑造世界秩序、改變生活方式的重要因素。當今世界已進入21 世紀20 年代，新一輪工業革命、產業革命、軍事革命交織發展，正迎來百年未有之大變局［1］。

航空裝備擁有高空高速、機動靈活等獨特優勢，向來是影響戰爭勝負和促進經濟發展的重要抓手，技術密集型產業的屬性也使其天然成為承載顛覆性技術的平臺載體。大國戰略競爭背景下，我國如能領先對手率先識別、研究、掌握一批航空顛覆性技術，將是我國實現航空強國和大國復興的歷史機遇，也將成為未來經濟發展的加速器和空中作戰效能的倍增器。

1 顛覆性技術的理解認識

1.1 顛覆性技術的概念內涵

學術界一般認為，美國哈佛大學教授克萊頓·克里斯坦森在1995 年的《哈佛商業評論》中最早提出了“顛覆性技術”的概念（如圖1 所示），即“一種另辟蹊徑、對已有傳統或主流技術產生顛覆性效果的技術”［2-4］。顛覆性技術的提出最早面向商業領域，但隨著其認可度越來越高，概念也逐漸擴展到國防軍事和經濟民生等領域。

圖1 哈佛大學教授克萊頓·克里斯坦森及其著作Fig.1 Harvard University professor Clayton M.Christensen and his paper

民用顛覆性技術是對某民用領域產生顛覆性效果的技術，能以革命性方式對該領域產生“歸零效應”，重構體系和秩序，由此改變人們的生活和工作方式。民用顛覆性技術強調市場獲勝效果，通過帶來性能更好、功能更新、價格更低的產品，幫助企業“顛覆”原有市場格局，獲得商業成功。

美國知名國防智庫新美國安全中心的《改變游戲規則：顛覆性技術與美國國防戰略》報告將軍用顛覆性技術定義為：“以快速打破對手之間軍力平衡的方式解決問題的技術或技術群”［3］。軍用顛覆性技術強調能力制勝效果，通過升級現有武器裝備性能，或催生一批新型作戰裝備，促進軍力快速“顛覆”原有力量格局，獲得軍事成功。

1.2 顛覆性技術3 個顯著特征

顛覆性技術至少具有3 個顯著特征：

一是替代性。某項技術是否是顛覆性技術，需觀察其應用后的效果，即是否對原有技術實現強勢替代。顛覆性技術不僅能替代傳統技術路徑，如燃油車正被新能源車快速替代；還可引領出全新技術領域，替代原有社會形態和作戰樣式，典型案例有個人電腦、空空導彈和隱身戰機等。另外顛覆是相對的概念，曾經替代了過去某項技術的顛覆性技術，未來也可被新的技術替代［5］。

二是破壞性。顛覆性技術的應用，小到對某一領域的發展、大到對世界格局的走向都會產生破壞性影響，創新型組織或國家迅速崛起，因循守舊的組織或國家將被歷史淘汰。如比亞迪和特斯拉已牢牢占據電動車頭部位勢，而日本老牌汽車巨頭三菱公司則剛剛宣布退出中國市場。又如引領了第一次工業革命的英國由于沒有主導第二次工業革命，國力迅速被美國超越。

三是不確定性。顛覆性技術不會憑空出現，從出現到成熟需要一個長期的培育過程，考慮到一是基礎研究、發明創造本身難度巨大；二是對傳統技術的改良優化和創新應用，一般保密程度較高；最后顛覆性技術的應用還與國家戰略、軍事戰略、體制機制等非科技因素密切相關［6］。以上因素導致顛覆性技術一般具有后驗屬性，事前預測和確定存在一定難度。

顛覆性技術歸根到底是以效果定義的一類技術統稱，一般認為顛覆性技術：①能提供前所未有的能力，產生顛覆性效果；②與其他技術組合、協同，產生顛覆性效果；③改變原有產品和技術樣式，產生新的競爭優勢；④生成新的業務模式和增長點；⑤為用戶提供指數級提升的價值增長；⑥具備主導產品或技術的潛能；⑦ 用戶會為其改變原有行為模式。

1.3 顛覆性技術的識別和獲取

1.3.1 顛覆性技術的識別

顛覆性技術的不確定性往往使其“可遇不可求”，但如果能以超前的思維、深刻的洞察力、嚴謹的科學態度，跟蹤、判斷、識別潛在顛覆性技術，將有效防止一個組織乃至國家被競爭對手“技術突襲”，這也使顛覆性技術識別成為熱點研究領域。

目前顛覆性技術的識別主要有定性和定量分析法。定性分析主要包括德爾菲法、情景分析、歷史案例、掃描與情報分析等，通過研究歷史演變規律、利用專家經驗智慧，主觀預測顛覆性技術；定量分析主要基于文獻和專利的梳理，客觀統計研究熱點，并通過建立預測模型，預判潛在顛覆性技術［7-8］。

1.3.2 顛覆性技術的獲取

顛覆性技術的獲取一般來說有以下3 類途徑。一是基于科學原理的重大突破。該類技術在顛覆性技術中重要性最高，影響程度深，但由于涉及理論和原理的創新突破，數量相對較少，如引領前三次工業革命的蒸汽機、內燃機和計算機。二是技術的顛覆性應用。該類技術在已有技術基礎上開展創新應用，雖技術難度相對較小，但數量較多、影響范圍大，如基于互聯網技術的即時通信和線上支付等。三是以顛覆性思路解決問題。強調打破傳統慣性思維，以令人意想不到的另辟蹊徑的方式進行創新，例如美國洛·馬公司臭鼬工廠研發的隱身戰機、馬斯克主導研發的可回收火箭、大疆公司的民用無人機等，均屬于該類技術的典型代表。

2 歷史上顛覆性技術的重要影響

立足當下回望歷史，顛覆性技術一直是人類文明在歷史長河中否定之否定發展的重要注腳，其對生產生活方式、作戰運用方式的一輪又一輪地推倒和重建，不斷推動著人類進入更高等級的文明時代。

2.1 顛覆性技術對前三次工業革命的影響

第一次工業革命從18 世紀60 年代持續到19世紀中期，發軔于英國。詹姆斯·瓦特在1776年發明蒸汽機是第一次工業革命的標志性事件。相比于人的體力，蒸汽機力量更大、單位動力成本更低、工作效率更高。蒸汽機及其他工具機械的發明，伴隨著七年戰爭擊敗法國，使英國正式開啟了日不落帝國的序幕，如其1820 年的工業生產值占據了世界總產值的一半。同時，蒸汽機的出現也使世界進入了機械化時代，迅速建立了以機器為主體的工廠制度，促使西方列強從農業國演進成輕工業國，由封建社會進入了自由資本主義社會［9］。

第二次工業革命從19 世紀50 年代持續到20 世紀初，孕育于美國。愛迪生于1879 年制造了第1 只實用的白熾電燈泡，是第二次工業革命的標志性事件。美國工廠迅速完成了從蒸汽機到電動機的轉換，提煉出了為內燃機提供動力的汽油，開創了汽車和飛機時代，帶動了美國鋼鐵業的飛速發展。第二次工業革命使全球進入了機械化大生產的重工業時代，也使美國取代英國成為世界上頭號工業強國，同時也讓西方完成了自由資本主義社會向壟斷資本主義社會的過渡［10］。

第三次工業革命從20 世紀40～50 年代持續到90 年代，同樣起源于美國。半導體技術、計算機和互聯網的發展催生了這次革命。與前兩次工業革命以機械替代人的體力勞動不同，第三次工業革命是以電腦的算力替代了人的部分智力，使世界進入了知識經濟時代，社會生產力再次飛躍，并影響至今。

前三次工業革命的標志性成就如圖2 所示。值得注意的是，前三次工業革命都是由盎格魯·薩克遜民族主導發展的，這也使英美吃盡了顛覆性技術的發展紅利，完成了至今為止稱霸世界數百年的偉業。

圖2 前三次工業革命的標志性成就Fig.2 Signature achievements of the first three industrial revolutions

2.2 顛覆性技術和美軍的三次“抵消戰略”

“抵消戰略”是美國軍事戰略的重要組成部分，是其通過開發與運用非對稱手段，力求以技術優勢提升軍事實力，并抵消對手數量優勢的重要戰略舉措。

20 世紀50 年代，為抵抗蘇聯地面鋼鐵洪流對歐洲國家的巨大威脅，美國提出了“新面貌戰略”，即第一次“抵消戰略”，旨在充分利用美國在核力量上的絕對優勢，抵消蘇聯在常規兵力和地緣政治上的相對優勢［11］。在此期間，美軍重點發展了氫彈、小型核武器、轟炸機、洲際彈道導彈、加油機等，有效實現了對蘇聯的威懾。

之后蘇聯快速掌握了核武器及相關投送技術，有效破解了第一次“抵消戰略”。為此在第三次工業革命方興未艾的20 世紀70 年代，美軍開啟了第2 次“抵消戰略”，希望利用信息技術和微電子技術等方面的優勢，抵消蘇聯在裝備數量方面的優勢［12］。其間，美軍研發了多款顛覆原有作戰樣式的裝備，如機載預警與控制系統（AWACS）、全球衛星定位系統（GPS）、隱身戰機、精確制導武器等，并最終演化成“空地一體戰”理論。美軍第二次“抵消戰略”的成果，間接導致了蘇聯的解體。

在大國競爭時代，為遏制和抵消潛在大國對手的技術威脅，美國國防部于2014 年公布了“國防創新倡議”，標志著正式啟動了第三次“抵消戰略”（如圖3 所示），其戰略要旨經共和黨、民主黨多任政府延續至今。第三次“抵消戰略”重點發展可以“改變未來戰局”的顛覆性技術，企圖再次以科技創新敲開新軍事革命的大門，明確了人工智能、高超聲速、多域多目標協同作戰、網絡和信息戰以及量子計算等優先發展方向，研發途徑一是獲取商用技術以擴展技術選擇，二是推行原型化策略以加速技術成熟，三是實施采辦改革以加速技術物化，四是推廣開放系統和通用化以加速技術插入。最終力求實現人才制勝、技術制勝和創新制勝，以維持和擴大美國的軍事技術優勢，進一步維護其全球霸主地位。

圖3 第三次“抵消戰略”相關文件Fig.3 Documents related to “Third Offset Strategy”

2.3 顛覆性技術對航空領域的重要影響

顛覆性技術對航空領域的變革十分顯著，使航空裝備成為了工業革命的重要成果和“抵消戰略”的有效支撐。自1903 年萊特兄弟發明飛機以來，每隔一段時間都會出現一批典型的顛覆性技術，最終塑造出了當今空中作戰和民航運輸的基本形態。本文列舉了歷史上給航空發展帶來重要影響的5 個顛覆性技術。

2.3.1 機槍射擊協調器：空戰一邊倒，引發“福克式災難”

一戰初期，飛機主要擔負偵察、地面火力目標指示等任務。1914 年，法國首次將機槍安裝在雙座飛機后座上，但射擊精度差，易擊中本機尾翼。另外還將機槍裝在戰斗機機翼兩側，但射擊效果仍很差。之后，荷蘭飛機設計師安東尼·福克發明了機槍射擊協調器（如圖4 所示），其可實現子彈僅從槳葉空隙間射出，而在槳葉轉到機槍槍口時停止擊發，使飛機可以非常方便地攻擊機頭方向的目標，最終大幅提高了射擊精度［13］。

圖4 機槍射擊協調器（圖片來源：http：∥airlinepilotguy.com/orford-ness/）Fig.4 Interrupter gear（source of picture：http：∥airlinepilotguy.com/orford-ness/）

1915 年，德國開始使用配裝射擊協調器的戰斗機，并迅速獲得了壓倒性的空戰優勢，造成航空史上著名的“福克式災難”。據統計，一戰中協約國被擊落戰斗機8 400 架，80%是被“福克式”系列戰機擊落，其中德國王牌飛行員“紅男爵”曼弗雷德·馮·里希特霍芬更是完成了空戰交換比80∶1 的壯舉。直至噴氣戰斗機的出現，機槍射擊協調器才完成了歷史使命。

2.3.2 噴氣發動機：替代活塞，飛行性能全面提升

在人類對航空技術上下求索的道路上，噴氣飛機是一座重要的里程碑，其使各國人民的距離快速拉近，地球成了名副其實的“地球村”，但同時也使現代戰爭更加殘酷和激烈，多少無辜平民因此喪生。

噴氣飛機的基礎是噴氣發動機，其利用牛頓第三定律，低速流入發動機的工質（空氣和燃油）燃燒后產生的高溫高壓氣體，以高速從尾噴管向后噴出，由此產生反作用力推動飛機向前飛行，一經推出便快速替代了活塞發動機，相比前者，噴氣發動機具備以下優勢。

一是高速性能好。在重量相同前提下，可提供遠大于活塞發動機的動力，顯著提高飛機速度。二是高空性能好。進入發動機的空氣流量遠高于活塞發動機，在空氣稀薄的高空仍能產生足夠的推力。三是乘坐舒適性好。與活塞發動機相比，噴氣發動機的噪聲和振動均相對較小，可有效改善空勤人員和乘客的乘坐環境。

1937 年4 月，英國工程師弗蘭克·惠特爾研制的世界首臺渦輪噴氣發動機完成試車。但當時英國并沒有預判到噴氣發動機的顛覆性影響，反而讓德國取得了技術領先地位。1939 年8 月，德國工程師亨克爾設計的世界第1 架噴氣動力飛機He-178 完成首飛，其配裝了如圖5 所示的HeS 3B 噴氣發動機。1944 年，德國Me-262 戰斗機出現在戰場，成為人類航空史上第一型投入實戰的噴氣戰斗機。

圖5 He-178噴氣飛機配裝的HeS 3B 發動機（圖片來源：https：∥airandspace.si.edu/collectionobjects/heinkel-von-ohain-hes-3b-turbojetengine-reproduction/nasm_A19810039000）Fig.5 HeS 3B engine of He-178 jet plane（source of picture：https：∥airandspace.si.edu/collectionobjects/heinkel-von-ohain-hes-3b-turbojetengine-reproduction/nasm_A19810039000）

隨著噴氣發動機的不斷升級和改進，噴氣飛機的性能也不斷提高。當今，噴氣飛機已成為軍民用航空的主流構型，并正向高超聲速和綠色環保等方向不斷發展。

2.3.3 精確制導武器：精確命中，打擊效率全面躍升

精確制導技術由美軍第2 次“抵消戰略”孕育而生，是利用導彈自身獲取或外部輸入的目標信息，探測、識別和跟蹤目標，導引和控制導彈命中的制導技術［14］。精確制導武器打擊距離遠，可大幅提高載機平臺的安全性；命中精度高，直接命中概率達50%以上；作戰效能高，可顯著減少彈藥投放數量和載機出動架次，已成為信息化局部戰爭中實現物理殺傷的主要手段。

越戰期間，美軍為摧毀北越清化大橋，曾歷時7 年，投放彈藥上萬噸，損失飛機上百架，耗資約10 億美元，仍沒能成功。1972 年5 月美軍出動8 架戰機，投放了26 枚剛剛研制成功的“寶石路”-I 型激光制導炸彈（如圖6 所示），全部直接命中清化大橋并將其徹底摧毀，由此使精確制導武器世人皆知［15］。隨后其地位持續上升，戰時使用占比不斷提高。海灣戰爭中，以美國為首的多國部隊用約8%～9%的精確制導武器擊毀了約75%～80%的目標。伊拉克戰爭中，精確制導武器用量已占全部使用武器的68%。21 世紀初以來，在美軍的“斬首”行動和無人機反恐作戰中，精確制導武器使用占比已達100%。

圖6 美軍寶石路-I 型激光制導炸彈（圖片來源：https：∥www.designation-systems.net/dusrm/app5/paveway-1）Fig.6 US Paveway-I laser guided bomb（source of picture：https：∥www.designation-systems.net/dusrm/app5/paveway-1）

2.3.4 隱身技術：隱蔽突襲，跨代壓制

20 世紀60～70 年代，由于先進防空導彈系統的出現，美軍戰機在越戰中損失慘重，以色列在第4 次中東戰爭期間同樣遭受了較大損失，因此美軍希望尋求一種能穿透敵防空系統并攻擊其核心節點的技術，這使隱身戰機最終浮出水面。

隱身技術，亦稱“低可觀測技術”，是通過控制和降低飛機的信號特征，使其難以被發現、識別、跟蹤和打擊的技術，包括雷達隱身、紅外隱身、射頻隱身、目視隱身等，其中雷達隱身是最重要的研究方向［16］。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）于1973 年開始投資高度保密的“海弗蘭”（HAVE BLUE）特征信號減弱項目，并最終演變成了圖7中的F-117A 隱身戰機。1982 年F-117A 進入美國空軍服役，海灣戰爭期間42 架F-117A 共出動1 296 架次，雖僅占多國部隊戰機總出動架次的約2%，所攻擊的目標卻占到攻擊目標總數的40%，命中概率高達80%～85%，隱身技術初露崢嶸。

圖7 美國空軍F-117A 隱身戰機（圖片來源：https：∥www.turbosquid.com/3d-models/3d-f117anighthawk-stealth-fighter-aircraft-model-1987074）Fig.7 US Air Force F-117A stealth fighter（source of picture：https：∥www.turbosquid.com/3dmodels/3d-f117a-nighthawk-stealth-fighteraircraft-model-1987074）

從此之后隱身技術成為軍事強國主戰飛機的標配。隱身戰機可實現“先敵發現、先敵發射、先敵脫離、先敵命中”［17］，戰術優勢明顯，可跨代碾壓非隱身戰機。2006 年美軍“北方利刃”軍演中，隱身戰機F-22A 與F-15C、F/A-18E/F 模擬空戰的交換比達到了驚人的144∶0［18-19］。

2.3.5 無人機技術：開創全新空中作戰模式

無人機是利用無線電遙控設備和搭載的程序控制飛行的不載人飛行器。相比有人機，無人機具有結構相對簡單、體積小、成本低、續航力強、使用限制小、無人員傷亡危險等特點，可以替代有人機執行枯燥、骯臟、危險的任務。

無人機的發展至今已有數十年的歷史。1960 年，DARPA 便開始投資無人機，但當時無人機的使用在美軍中存在廣泛爭議。DARPA 憑借其對顛覆性技術的超前眼光和持之以恒的興趣，持續支持無人機結構、動力、導航、傳感器、通信和自主性等技術研發，成功轉化了多型經過實戰考驗的無人機型號。

軍事上，無人機任務執行能力已實現三級跨越。最初是承擔作戰支援任務，如情監偵、誘餌、通信中繼、靶機、后勤運輸等。1982 年以色列在貝卡谷地成功運用多型無人機，開展引誘、偵察、干擾等任務，一舉摧毀了敘利亞防空陣地，使無人機一戰成名；其次是在反恐等局部戰爭中實施低強度任務。2001 年11 月美軍MQ-1 無人機擊斃了塔利班高官；目前無人機正朝著在高強度戰爭中承擔主戰任務的方向發展。從2011 年至今的敘利亞戰爭、2020 年春季的土敘沖突，無人機成為戰場的重要角色。2020 年9 月的第2 次納卡戰爭，無人機對戰爭結局起到了決定性作用。2022 年初至今的俄烏沖突，某種程度上成為了無人機的大比拼，極大影響了戰爭走向。

3 航空科技發展趨勢

航空科技發展與世界整體發展趨勢息息相關，大國對抗使軍用航空主要聚焦高端戰爭，追求更高殺傷能力和更高生存能力是其亙古不變的目標。“雙碳”目標要求民航向綠色低碳方向發展，民用航空將更環保、更安全、更經濟。

航空科技發展的總趨勢是“高能化”與“智能化”復合發展，高能為“體”，智能為“魂”。高能化是對能量、物質的更多掌控，決定了航空裝備能達到的物理邊界，對飛行高度、航程、速度、機動性等性能指標有直接影響。智能化是對信息域與認知域掌控，決定了航空裝備運用的能力，可以實現更高的效率、更準的決策。

3.1 航空科技高能化發展

航空“高能化”主要包括高“動”能、高“供”能、高“聚”能、高效“用”能等4 方面。

高“動”能主要對應航空平臺的技術革新方向，如圖8 所示，高速飛行、超機動性、遠程作戰以及長時間滯空都是其發展的核心訴求，速度從亞聲速、超聲速到高超聲速，高度從低空、中空到高空、臨近空間，留空時間從數小時、幾十小時至數天等。高“動”能在軍民用航空領域都可發揮重要作用，如對臨近空間的進一步開發和低聲爆超聲速民機的應用等［20］。

圖8 航空平臺高能化發展Fig.8 High energy development of aviation platforms

高“供”能主要對應航空動力的技術革新方向，大推重比、高燃油效率、高功率提取及新能源體系正成為航空動力系統的主要發展趨勢，包括進排氣的主動流動控制、高壓比壓氣系統、新概念動力系統等相關技術都是目前航空動力研究的熱點方向。此外，電動飛機和氫動力技術也將成為低碳化的前沿領域，為未來民航業創造更大的環保和經濟潛力。

高“聚”能主要對應航空武器的技術革新方向，包括機載激光武器和高功率微波武器等。航空武器的設計將更加注重瞬態殺傷能力和效果可控性，根據不同的作戰場景，以最小化敵人反應時間和提高打擊精度為攻擊原則，提高作戰效率。

高效“用”能主要對應航空機電的技術革新方向，其中多電/全電技術、全機能量優化、變革性能量傳輸與存儲等將在航空電力電氣系統中發揮關鍵作用，從而大幅提高飛行器在軍民用領域的性能水平。

3.2 航空科技智能化發展

如圖9 所示，機器智能化已成為社會發展大趨勢。航空“智能化”的核心在于使飛行器具備自主感知、自主決策、自主執行、自主進化能力。

圖9 機器智能化已成為社會發展大趨勢Fig.9 Machine intelligence has become a major trend in social development

自主感知使飛行器通過各類傳感器和數據融合完成復雜環境和目標的分類、識別，生成能用于決策的信息；自主決策可充分發揮人工智能在信息處理速度和處理量方面的優勢，綜合利用感知信息和決策算法，在各種復雜場景中快速作出利益最大化的決策，實現“機主人輔”甚至“完全自主”；自主執行能使人類從下達操作指令轉變到下達任務指令，機器自主進行任務規劃，并在執行過程中實時調整，最終替代人在任務執行中的作用；基于“自主遺傳進化”算法，自主進化可使智能飛行器具有生命體特征，認知決策水平可通過不斷學習而實時進化，自主提升能力，以應對全新環境。

智能化大幅提高了飛行器在不同環境中的感知、決策、執行、學習能力，無論是戰場態勢感知、無人機集群、智能博弈對抗、認知電子戰等軍事領域，還是智能交通管制、乘客體驗改善、自動化貨運等民用領域，智能化將為未來航空打開更大的想象空間［21-23］。

4 航空顛覆性技術預判

材料制造是航空發展的基礎，能源動力對飛行器有決定性影響，信息電子將全方位變革傳統航空形態，跨學科跨領域交叉融合是航空的重要特征。本文預判了上述4 個領域的9 項航空顛覆性技術及潛在影響（如圖10 所示）。

圖10 航空顛覆性技術最可能出現的領域Fig.10 Most likely areas of disruptive technology in aviation

4.1 材料制造

航空領域素有“一代材料一代裝備”的說法，可見材料的屬性對飛機的性能來說至關重要。另外，航空工業本質上是高端裝備制造業，制造技術對于實現穩定的大規模批產舉足輕重。隨著技術的發展，航空工業正邁入材料、制造一體化的時代，也使材料制造領域成為涌現顛覆性技術的重要來源。

4.1.1 超材料

超材料（Metamaterial）是一種通過人為設計內部結構實現超常物理性能的人造材料，其基本結構單元尺度小于它作用的波長，從而可控制光波、無線電波和機械波傳播，典型超材料包括“左手材料”、光子晶體及聲子晶體等。

“左手材料”是一種可調控電磁波的電磁超材料，其介電常數和磁導率皆為負值，具有負折射、逆多普勒效應、逆切侖科夫輻射和亞波長衍射等特性；光子晶體是一種可控制光子流動的光學超材料，用于光纖、微帶天線及濾波器等，具有低損耗、大帶寬、高增益等性能；聲子晶體是一種可調控彈性波傳播的機械/聲學超材料，其帶隙可抑制彈性波在一定頻率范圍內不能傳播，可實現減震和降噪。

超材料技術實現了功能到結構的逆向設計，對航空領域可能產生潛在顛覆性影響：①構造能實現完美隱身的超材料“隱身斗篷”和超材料吸波體，控制入射波傳播方向或通過吸波方式降低目標信號特征，大幅提高戰機的隱身性能；②制造小型相控陣天線和超分辨率成像系統，應用在戰機、導彈等領域可有效強化探測跟蹤能力，在未來信息化空戰中進一步加快OODA（觀察、定位、決策、行動）循環；③將平面傳輸天線與超材料耦合設計，可提高天線輻射效率并縮小尺寸，推動航空裝備關鍵微波射頻組件的小型化、集成化發展［24］。

4.1.2 智能結構

智能結構（SmartStructure）將傳感器、驅動器和控制元件集成到基體材料中，實現自診斷、自適應和自修復等功能，是未來先進飛行器的發展方向之一，主要研究方向為智能蒙皮和自適應變體結構等。

智能蒙皮將幾千個尺寸僅有米粒大小具有感知、處理和通信能力的微型計算系統植入材料內部，協同感知周邊環境，從而調控過熱和超應變區域，或調節內部電磁參量，降低電磁散射信號實現隱身功能。智能蒙皮將功能組件與結構相集成，具備雷達探測、能量存儲等功能，在減輕重量、節省空間、提高飛機隱身性能等方面具有很大潛力。

自適應變體結構通過感知飛行器飛行環境和姿態變化，經處理機運算決策后閉環控制飛行器結構局部或整體連續光滑變形，使飛行器保持最優性能和氣動效率，實時適應多種飛行環境和任務需求（如圖11 所示）。

圖11 美國空軍研究實驗室自適應變體機翼（圖片來源：https：∥www.twz.com/15413/the-futureof-stealth-is-in-morphing-wing-technologywill-the-b-21-feature-it）Fig.11 Morphing wing of US Air Force Research Laboratory（source of picture：https：∥www.twz.com/15413/the-future-of-stealth-is-inmorphing-wing-technology-will-the-b-21-feature-it）

智能結構對航空領域可能產生潛在顛覆性影響：①機翼自適應結構變形可進一步減阻降噪，提高飛行經濟性；②采用智能結構的高超聲速飛行器可感知高溫區域并進行外形自適應和材料自修復，有效解決“熱障”問題，降低熱防護設計難度；③采用智能可見光隱身材料、智能雷達隱身材料和智能紅外隱身材料可進一步提高隱身性能，提升飛行器突防能力［25］。

4.2 能源動力

從歷史角度看，動力裝置的發明創造是引發歷次工業革命的重要因素。發動機和燃料可看作飛機的心臟和血液，該領域的顛覆性發展將深刻變革未來航空形態。

4.2.1 可持續航空燃料

全球民航業正為實現2050 年航空零碳排放目標而開展積極行動，可持續航空燃料（SAF）的應用被認為是最具潛力的技術。SAF 是指可再生、使用過程中對環境影響較小的航空燃料，具有碳排放少、降低對石油等不可再生能源的依賴，促進經濟發展等優點，主要分為生物質燃料、合成燃料、電能和氫燃料4 種。限于生產成本高、生產規模小、存儲運輸困難等問題，目前可持續航空燃料尚未得到廣泛應用。

英國在2022 年4 月發布的《零排放目標》報告中，預計氫動力飛機最早可在2030 年前投入運營（城際級別），并在2050 年前逐步實現支線、窄體和寬體氫動力飛機投入運營（如圖12 所示）。

圖12 英國《零排放目標》綠色航空路線圖（圖片來源：https：∥www.ati.org.uk/wp-content/uploads/2022/04/ATITech-Strategy-2022-Destination-Zero.pdf）Fig.12 Destination Zero：the Technology Journey to 2050（source of picture：https：∥www.ati.org.uk/wp-content/uploads/2022/04/ATI-Tech-Strategy-2022-Destination-Zero.pdf）

可持續航空燃料技術對助力碳達峰碳中和目標、增強能源安全具有不可替代的作用，對航空領域可能產生如下顛覆性影響：可實現航空動力系統的重大變革。未來民用航空動力系統通過使用可持續燃料作為渦輪發動機燃料，或直接使用燃料電池為飛機提供動力，將大幅降低航空業碳排放。

4.2.2 自適應變循環發動機

自適應變循環發動機（Adaptive Variable Cycle Engine）是通過調節發動機涵道比和總壓比等熱力循環參數，在高推力和高燃油效率模式間自動轉換的下一代軍用渦扇發動機（如圖13 所示）。美國空軍要求自適應變循環發動機與F-35戰斗機配裝的F135 發動機相比，耗油率降低25%，推力增大10%，航程增加30%，熱管理能力提高100%。

圖13 自適應變循環發動機結構示意圖（圖片來源：https：∥www.safie.hq.af.mil/OpEnergy/Future-Initiatives/）Fig.13 Schematic diagram of adaptive variable cycle engine structure（source of picture：https：∥www.safie.hq.af.mil/OpEnergy/Future-Initiatives/）

美國空軍先后實施“自適應通用發動機技術”計劃（ADVENT，2007—2015）、“自適應發動機技術發展”計劃（AETD，2012—2017）和“自適應發動機轉化計劃”（AETP，2016 年起），通過技術預研逐步推動自適應發動機技術發展成熟。2022 年8 月，美國空軍正式啟動“下一代戰斗機自適應推進系統技術”（NGAP）計劃，預計2032 年7 月完成設計開發、臺架試驗、原型試驗和武器系統集成等設計工作，最終配裝美軍六代機［26］。

自適應變循環發動機經濟性能佳、工作范圍寬，對航空領域可能產生的顛覆性影響：①可滿足多種性能需求，使未來飛行器呈現多任務和多用途發展趨勢；②可在多種飛行器上共享發動機技術，應用基準發動機衍生出系列發動機，擴大發動機適用范圍并降低研發成本。

4.2.3 旋轉爆震發動機

旋轉爆震發動機（RDE）以爆震形式增壓燃燒。爆震波在傳播過程中實現了激波和燃燒波的耦合，燃燒速度快，波后壓力、密度顯著提高。如圖14 所示，RDE 具有結構簡單、比沖和效率高、工作域寬等優點。美國空軍研究實驗室認為，RDE 相比現役渦輪發動機熱效率理論上可提高15%。除自身單獨作為動力裝置外，RDE 還可與渦輪發動機、沖壓發動機和火箭發動機組合，提升原動力裝置性能。

圖14 RDE 結構示意圖（圖片來源：https：∥aviationweek.com/defense-space/aircraft-propulsion/pratt-whitney-wins-air-force-rotatingdetonation-engine-work）Fig.14 RDE structure diagram（source of picture：https：∥aviationweek.com/defense-space/aircraft-propulsion/pratt-whitney-wins-airforce-rotating-detonation-engine-work）

目前，美國、俄羅斯、法國、波蘭、日本等國都正對RDE 開展試驗研究，解決燃料噴注與摻混、爆震波傳播控制、進排氣系統設計等問題。美國為推動RDE 武器化發展做了大量工作：DARPA于2020 年初授予雷神公司RDE 動力巡航導彈概念研究合同，并于2022 年8 月啟動“開局”項目，為戰機提供吸氣式RDE 動力導彈，實現時敏目標的防區外打擊［27］；2023 年9 月，NASA 表示將加速RDE 的研發工作，目前已對兩臺發動機進行了試驗，產生了超過17.9 kN 的推力。

美軍認為，RDE 已成為未來航空動力領域最具潛力的變革者之一，在軍民用領域應用前景廣闊，對未來航空領域可能產生如下顛覆性影響：①在前期作為機載武器、無人機、靶機、誘餌機的動力系統，推動無人飛行器向小型化、遠航程方向發展；②在后期可單獨或作為組合動力系統應用在中大型軍民用飛機上，提高推重比、降低油耗、提高經濟可承受性。

4.3 信息電子

信息電子技術發端于第三次工業革命，近年隨著人工智能技術研究進入第三波浪潮，量子信息、5G、大數據等技術取得突破，使該領域迅速成為炙手可熱的研究方向，也成為重要的航空賦能技術來源地。

4.3.1 腦機交互技術

腦機交互，也稱腦機接口（BCI），指不依賴大腦外周神經與關聯肌肉動作的正常輸出通道，通過采集和分析人腦生物電信號，經解算、調制和解調，實現“直接”控制對象設備或物體［28］。

DARPA 從1970 年開始研究BCI 技術，特別是2014 年成立生物技術辦公室以來，以每年近億美元的投入加速推動其軍事應用。近年來，隨著神經科學和計算機技術的快速發展，BCI 技術也取得長足進步。從最初的基于電極陣列讀取腦電信號，發展到高精度單神經元級別檢測；從最初只能控制簡單設備，如移動光標，發展到可控制復雜機器人臂進行抓取等動作。

BCI 技術在航空領域存在巨大應用價值，世界各國都在積極研究。2013 年美國明尼蘇達大學實現人類首次用腦電波控制四軸遙控飛機；2014 年5 月德國“腦飛行”計劃實現飛行員用大腦精準操控飛行（如圖15 所示）；2015 年DARPA實現了讓癱瘓女士用意念控制F-35 模擬器。

圖15 德國“腦飛行”計劃開展試驗（圖片來源：https：∥www.golem.de/）Fig.15 German Brainflight Program trials（source of picture：https：∥www.golem.de/）

BCI 技術能創造出新型的飛行器控制方式，可能對未來航空領域產生如下顛覆性影響：①實現由大腦直接控制飛行器，減少或完全替代肢體操作，極大改變傳統人機界面；②借鑒人腦構造和運行，開發全新信息處理系統，賦予航電系統新的功能和形態；③與虛擬現實技術結合，應用于飛行模擬訓練中，能有效降低訓練成本并提高訓練的安全性［29］。

4.3.2 量子信息技術

量子信息（Quantum Information）是將量子理論與信息技術交叉融合，依賴量子特性進行相關操作（測量、控制等）的一類技術。目前量子信息技術的主要研究成果和應用集中在量子計算、量子通信、量子傳感、量子計算、量子成像等領域。

近些年，量子信息技術在理論和實驗上都取得長足進步。在理論上，掌握了量子錯誤修正碼等更先進的理論，極大提高了量子計算的容錯率；在實驗上，各國投入大量資源進行研發，2023 年10 月，中國科學技術大學與中國科學院、國家并行計算機工程技術研究中心合作，成功構建了255 個光子的量子計算原型機“九章三號”（如圖16 所示），刷新了光量子信息的技術水平和量子計算優越性的世界紀錄。目前全球主要國家和公司都在積極布局這一領域，競相研發量子計算機、量子傳感器和量子通信等設備。

圖16 “九章三號”量子計算原型機（圖片來源：https：∥whb-oss.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/zhuzhan/kjwz/20231011/543384.html）Fig.16 “Jiuzhang 3.0”quantum computing prototype（source of picture：https：∥whb-oss.oss-cnshanghai.aliyuncs.com/zhuzhan/kjwz/20231011/543384.html）

量子信息技術將全方位變革傳統航空電子以及航空武器裝備的形態，對未來航空領域可能產生如下顛覆性影響：①量子計算超常規算力不但可實現飛機研發優化，還可加速人工智能算法訓練與執行，提升體系指揮決策效能；②量子通信可提供體系化作戰高速保密通信保障；③量子傳感能極大增強遠距隱身探測和抗干擾能力；④基于量子陀螺的慣性導航能大幅提高航空武器裝備的自主導航精度；⑤量子計量可為航空計量體系建立提供重要支撐。

4.4 交叉融合

多學科交叉領域是涌現顛覆性技術的重要源泉，而跨學科、跨領域的集成創新同樣也是航空領域的特色，這使一批航空顛覆性技術體現出了交叉融合創新的特點。

4.4.1 高超聲速技術

高超聲速飛行器（Hypersonic Vehicle）是指在大氣層內持續飛行速度大于馬赫數5 的飛行器，主要包括高超聲速導彈、高超聲速飛機和空天飛行器3 大類。目前以高超聲速導彈作戰能力生成和高超聲速飛機驗證機研制作為主要發展方向。

在高超聲速導彈方面，俄羅斯表示在2022 年8 月正式列裝“鋯石”高超聲速導彈。另外在俄烏沖突中，俄羅斯首次實戰使用了“匕首”高超聲速導彈。截至2023 年8 月，“匕首”導彈已完成3 次打擊縱深目標任務［30］。2022 年4 月 和7 月，DARPA“高超聲速吸氣式武器概念”（HAWC）高超聲速樣彈接連試射成功。目前美國海軍和空軍均啟動了機載高超聲速巡航導彈型號研制，最早計劃2027 年實戰部署。

在高超聲速飛機方面，當前研究主要面向動力系統成熟與整機方案集成等方向。2022年1月，美國波音公司展出機頭扁平、機身較圓、雙發渦輪基組合循環（TBCC）發動機分開布置的新型“女武神”高超聲速飛機概念模型。2022 年7 月，英國多家單位聯合展示了采用鴨式布局、翼身高度融合的“五號方案”高超聲速驗證機縮比模型［31］（如圖17所示）。

圖17 英國高超聲速驗證機概念方案（圖片來源：https：∥space4peace.org/britain-to-buildexperimental-hypersonic-air-vehicle/）Fig.17 Concept scheme for UK hypersonic vehicle（source of picture：https：∥space4peace.org/britain-to-build-experimental-hypersonic-airvehicle/）

高超聲速技術對未來航空領域可能產生如下顛覆性影響：在民用領域，高超聲速客機將極大縮短旅途中花費的時間，顯著提高出行效率的同時，大幅改善乘客旅途中的舒適度；在軍用領域，高超聲速武器憑借其高速特性，可突破當前幾乎所有防空反導系統，實現對固定、時敏、高價值目標快速精確打擊；高超聲速飛機可執行多元化任務，懾打一體，靈活機動性更強，給未來空戰樣式帶來巨大變革。

4.4.2 機載定向能武器

機載定向能武器（Airborne Directed Energy Weapon）是一種利用定向能技術的武器系統，主要包括激光武器、微波（射頻）武器、粒子束武器等，其中機載激光和高功率微波武器是當前發展重點，現處于關鍵演示驗證階段［32-33］。

2019 年，美國空軍研究實驗室“自防御高能激光演示器”（SHIELD）項目的100 kW 級激光樣機在地面成功擊落了數枚空射導彈，驗證了技術可行性，圖18 為其配裝戰斗機的概念圖；2021 年上半年項目已接收機載吊艙系統，2022 年接收高能激光器，待光束控制系統轉塔交付后，將進行系統集成，計劃2025 年將激光器裝機并開展射擊演示驗證。美國機載激光武器有望在2029 年前后配裝下一代作戰飛機，也可能用于其他大型空中平臺。

圖18 SHIELD 激光武器概念圖（圖片來源：https：∥www.overtdefense.com/2021/02/25/usafshield-aircraft-self-defence-laser-podprototype-beginning-assembly/）Fig.18 SHIELD laser weapon concept（source of picture：https：∥www.overtdefense.com/2021/02/25/usaf-shield-aircraft-self-defence-laserpod-prototype-beginning-assembly/）

2022 年，美國海軍和空軍研究實驗室的“高功率聯合電磁非動能打擊”項目（HiJENKS）進行了為期2 個月的高功率微波導彈試驗測試。Hi-JENKS 導彈戰時可破壞敵陸/海基C4I 系統、增強美軍電子戰和網絡作戰能力。美軍計劃在2029 年之后將高功率微波導彈配裝有人戰斗機和大型無人機。

機載定向能武器對未來航空領域可能產生如下顛覆性影響：①在進攻方面，傳統彈藥主要依靠戰斗部進行毀傷，而機載定向能武器使用高能激光、微波等攻擊，速度快、精度高、損傷可控且攻擊成本低；②在防御方面，機載定向能武器對無人機/巡航彈集群防御有顯著效果，可摧毀其導引頭或傳感器甚至彈體，使目標直接喪失作戰能力［34］。

5 航空顛覆性技術發展建議

中國航空工業經過幾十年發展，對比西方航空強國，已從望塵莫及、望其項背逐步發展到同臺競技階段，軍用領域全面進入“20”時代，民用國產大飛機實現商業運營，部分領域已實現領先發展。進入新時代，顛覆性技術的探索研究和產業化是實現航空強國的重要依托，同時也是一項極其復雜的系統工程，需要以戰略眼光謀劃布局，以戰略定力推動發展。

5.1 加強航空顛覆性技術掃描、識別與預測

加強原始創新是新時代實現航空領域高水平發展的必由之路，以顛覆性技術為牽引是新時代航空領域實現換道超車的重要抓手，需要主動開展航空顛覆性技術的掃描、識別與預測，牢牢把握未來航空發展脈搏。一是以戰略視角和技術視角為牽引，重視開展國內外顛覆性技術的掃描，有效發揮情報尖兵耳目的作用；二是充分發揮行業內專家的智慧，定期研判潛在顛覆性技術；三是廣泛與行業外專家學者進行深入協作，以凝聚技術結合點，尋求新的爆發點。

5.2 研究制定航空顛覆性技術發展戰略規劃

發展規劃和路線圖是開展航空顛覆性技術研究的頂層輸入和戰略指導，需要在高層牽引下，組建固定人員團隊進行編制。一是結合需求編制，充分對標政府、軍方的發展規劃，使航空顛覆性技術發展真正符合國家戰略所需；二是結合技術編制，確定潛在顛覆性技術發展策略，并根據技術難度確定研究階段；三是結合實際編制，充分考慮行業發展規劃以及各研究院所的業務現狀，通過體制機制創新調動研究人員積極性，切實發揮出規劃的牽引作用。發展戰略規劃既要保持戰略定力，切勿朝令夕改；也要定期更新，保持與時俱進。

5.3 持續推進基礎研究，培育顛覆性技術幼苗

基礎研究一直都是催生重大顛覆性技術的不竭源泉，一旦取得突破將為我航空事業發展帶來長期紅利。一是充分利用新型舉國體制優勢，發揮國家作為重大基礎性技術研究組織者的作用，特別是做好周期長、風險大、難度高、前景好的技術研究、組織和推動工作；二是加強政府、產業基金、社會資本等多渠道設立與基礎研究相關的課題，營造航空相關基礎研究學術氛圍；三是航空產業力量加強與國家實驗室、國家科研機構、高水平研究型大學等基礎研究單位合作，探索顛覆性技術的“發現-遴選-培育”新舉措。

5.4 以技術驗證平臺推動單項/多項技術綜合驗證

美國航空領域的X 系列技術驗證機舉世聞名，曾研究轉化了多項顛覆性技術，如電傳飛控、高超聲速等，是美國航空顛覆性技術研究的重要機制，目前正在研究分布式電推進、可持續航空燃料（如圖19 所示）、無人機蜂群等方向。面向航空自主創新，中國也需要A 系列技術驗證平臺，以有效開展單項/多項技術研究驗證。一是協調軍方、政府和工業部門，盡快設立系列化技術驗證平臺的經費渠道及管理機構；二是設計構建技術驗證平臺的需求發布、競標研制、成果轉化等機制；三是針對驗證平臺制定相適應的空中試驗驗證規范，優化流程，以實現顛覆性技術在其上的快速試驗驗證。

圖19 美國最新的X-66A 驗證機（圖片來源：https：∥wordlesstech.com/x-66a-nasas-newest-xplane/）Fig.19 US X-66A TTBW demonstrator（source of picture：https：∥wordlesstech.com/x-66anasas-newest-x-plane/）

5.5 打造航空顛覆性技術創新環境

顛覆性技術的落地開花往往需要顛覆性的土壤作為保障，DARPA 在美國的成功就充分說明了這一點。在國內，商業領域充分激烈的市場競爭可以保證不斷引入顛覆性技術，而在航空等重大領域的顛覆性技術創新，則需要設計合理的體制機制。一是優化科研評價機制，引導行業主體重視、支持符合航空顛覆性技術發展方向但短期內難以產生經濟效益的科研工作；二是鼓勵產業力量建立顛覆性技術研究機構，如專業實驗室、協同創新中心等，從事航空顛覆性技術的孕育和轉化；三是建立高效、靈活、寬容失敗的管理機制和營造敢于挑戰權威、鼓勵另辟蹊徑、開放協同寬松的創新文化。只有讓從事前瞻性、先導性、探索性、顛覆性技術的科研人員有所期、有所得，顛覆性技術才能取得突破，航空顛覆性技術才能寫上更多中國人的名字。