中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 張楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟長(zhǎng)

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2015世界軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展特點(diǎn)回顧

中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 張楠楠 徐 曼 彭 芳 安孟長(zhǎng)

2015年，在世界各國(guó)對(duì)國(guó)防工業(yè)基礎(chǔ)和國(guó)家工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)的大力支持下，世界軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品在多個(gè)領(lǐng)域取得了較為顯著的進(jìn)展，其中，智能制造、可重復(fù)使用運(yùn)載器、3D打印、量子科技、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、石墨烯材料、復(fù)合材料、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池、核能技術(shù)、深海探測(cè)裝備等方面的發(fā)展引人矚目。這些技術(shù)的突破或?qū)⒆兏锕I(yè)生產(chǎn)模式及人類生活方式。

1　智能制造研究炙手可熱，新概念和新技術(shù)取得重要進(jìn)展

隨著德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的提出和發(fā)展，全世界掀起了研究和發(fā)展智能制造的熱潮。智能制造利用現(xiàn)代傳感、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造過程和制造裝備的智能化，是制造業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)，現(xiàn)已成為21世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向和新工業(yè)革命的重要標(biāo)志，在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛認(rèn)同。2015年，世界各國(guó)均非常重視智能制造技術(shù)發(fā)展，在智能工廠、智能裝備、基礎(chǔ)技術(shù)研究等方面取得了諸多重要進(jìn)展，顯著提升了制造業(yè)的智能化水平。

首先，各國(guó)積極推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用，美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)均將智能制造作為重振制造業(yè)發(fā)展的重要手段。美國(guó)能源部宣布牽頭組建智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，投入多達(dá)7000萬美元，針對(duì)先進(jìn)傳感器、控制器、平臺(tái)和制造建模技術(shù)，支持能夠減少其部署成本達(dá)50%的研究與開發(fā)工作。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）正在開發(fā)一種智能制造無線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)將模擬各種工業(yè)設(shè)置條件，并支持在線的性能測(cè)試與試驗(yàn)開發(fā)，評(píng)估NIST的無線網(wǎng)絡(luò)模型與仿真的實(shí)用性。歐盟宣布了“單一數(shù)字市場(chǎng)”戰(zhàn)略的優(yōu)先行動(dòng)領(lǐng)域，將發(fā)展智能工業(yè)作為其中之一，標(biāo)志著歐盟將智能工業(yè)納入發(fā)展戰(zhàn)略。德國(guó)2015年發(fā)布了“工業(yè)4.0”自主通信標(biāo)準(zhǔn)，以及傳感器和控制設(shè)備等“專用設(shè)備”。日本緊追德國(guó)，關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2015年6月發(fā)布了《2015年版制造白皮書》，其中指出，日本制造業(yè)要積極發(fā)揮信息技術(shù)的作用，建議轉(zhuǎn)型為利用大數(shù)據(jù)的“下一代”制造業(yè)。此外，日本三菱電機(jī)公司等約30家日本企業(yè)組建了聯(lián)盟，共同探討工廠互聯(lián)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并爭(zhēng)取使其成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

在智能制造技術(shù)發(fā)展方面，智能工廠、柔性工廠、機(jī)器人制造等技術(shù)發(fā)展較快。例如，德國(guó)Forcam公司開發(fā)的Forcam Force軟件將幫助制造商實(shí)現(xiàn)工廠透明化，并最終實(shí)現(xiàn)集成數(shù)字制造——智能工廠。通用電氣公司在印度建立了柔性制造工廠，可實(shí)現(xiàn)在同一工廠生產(chǎn)多種產(chǎn)品和零部件，利用相同的人和設(shè)備按照訂單要求迅速調(diào)整生產(chǎn)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）利用機(jī)器人制造系統(tǒng)建造復(fù)合材料產(chǎn)品。德國(guó)Manz公司全新研發(fā)的模塊化裝配平臺(tái)開啟了智能制造新模式。荷蘭空中復(fù)材公司和德國(guó)西門子公司聯(lián)合在荷蘭構(gòu)建了一間復(fù)合材料數(shù)字工廠——空中西門子數(shù)字工廠（實(shí)驗(yàn)室）。該工廠由復(fù)合材料制造業(yè)務(wù)環(huán)境、知識(shí)中樞和體驗(yàn)中心等三部分組成，將在統(tǒng)一環(huán)境中承擔(dān)設(shè)計(jì)、仿真、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)、反饋、測(cè)試，以及供應(yīng)鏈管理等任務(wù)，將為復(fù)合材料制造業(yè)的數(shù)字化和自動(dòng)化樹立典范。

2　完全可重復(fù)使用運(yùn)載器研制取得突破性進(jìn)展

美國(guó)東部時(shí)間2015年12月21日20時(shí)28分，美國(guó)太空探索技術(shù)（SpaceX）公司“獵鷹”9運(yùn)載火箭升空，成功為美國(guó)軌道通信公司發(fā)射了11顆小型通信衛(wèi)星。12 月22日，該“獵鷹”9運(yùn)載火箭一級(jí)箭體陸上回收成功，這在人類航天史上具有重大意義，為未來完全可重復(fù)使用運(yùn)載器的研制奠定了一定的基礎(chǔ)。完全可重復(fù)使用運(yùn)載器研究涉及面廣、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，在一次性運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)完全可重復(fù)使用有不同的技術(shù)路線，此次SpaceX公司的一次性運(yùn)載火箭子級(jí)回收是其中重要的技術(shù)路線之一。而“獵鷹”9火箭第一級(jí)地面回收的成功實(shí)現(xiàn)，在人類歷史上首次驗(yàn)證了軌道運(yùn)載火箭的可重復(fù)使用能力，而可重復(fù)使用火箭將使空間進(jìn)入成本降低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3　3D打印在材料、工藝、裝備、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)等方面全面發(fā)展

2015年，針對(duì)增材制造技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、歐盟等國(guó)家制定了發(fā)展路線圖，明確了近期的發(fā)展重點(diǎn)和目標(biāo)，并提出了標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的策略，對(duì)于實(shí)現(xiàn)增材制造技術(shù)的健康、有序發(fā)展具有重要作用?！懊绹?guó)制造”（原“美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”）實(shí)施了多批增材制造研究項(xiàng)目，通過與工業(yè)界、學(xué)術(shù)界聯(lián)合，不斷推進(jìn)先進(jìn)增材制造技術(shù)和工藝的創(chuàng)新。增材制造的數(shù)字化也成為增材制造重要的發(fā)展方向之一。而為了使增材制造等新興技術(shù)在航空、航天等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）計(jì)劃開發(fā)并驗(yàn)證快速鑒定技術(shù)，全面獲取、分析并控制制造過程中的變化以預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的性能，從而加深人們對(duì)材料和工藝的理解，推動(dòng)3D打印技術(shù)及其它創(chuàng)新性概念融入主流國(guó)防制造并發(fā)揮作用。此外，德國(guó)EOS公司與MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司簽署協(xié)議，合作開發(fā)用于增材制造金屬發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的質(zhì)量保證技術(shù)。這些新技術(shù)一旦開發(fā)成功，將極大地推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空、航天，以及其它軍用和民用領(lǐng)域的應(yīng)用。

在3D打印技術(shù)方面，美國(guó)企業(yè)開發(fā)出一種全新的“連續(xù)液界面生產(chǎn)工藝”，不僅能讓3D打印速度提高25倍～100倍，還能制造出其它方法無法獲得的結(jié)構(gòu)。在3D打印材料方面，2015年，適用材料在傳統(tǒng)材料種類增多的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了高硬度金屬基材料等新型材料的3D打印。在打印結(jié)構(gòu)尺度方面，一方面，大型結(jié)構(gòu)件及大型3D打印設(shè)備不斷推陳出新；另一方面，微型結(jié)構(gòu)的3D打印研究如火如荼，均實(shí)現(xiàn)了較快的發(fā)展。在3D打印設(shè)備方面，美國(guó)Optomec公司采用模塊化設(shè)計(jì)方式，在數(shù)控機(jī)床中嵌入增材制造模塊，使之升級(jí)為增/減材復(fù)合機(jī)床，經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)了增、減材制造工藝的結(jié)合。普渡大學(xué)利用噴墨打印技術(shù)制造出了一種液體合金3D打印設(shè)備，能夠打印用于一切彈性材料和纖維上的柔性可伸展導(dǎo)體。哈佛大學(xué)研制出一種新型多材料打印頭，能混合并打印濃縮、有粘彈性的“墨水”材料，不僅能控制幾何形狀，還能在運(yùn)行中改變材料成分。麻省理工學(xué)院研制出一種被稱為“多種制造系統(tǒng)”的新型3D打印機(jī)，能一次使用10種不同材料，打印分辨率達(dá)40μm。此外，搭載在“龍”飛船上前往國(guó)際空間站的3D打印機(jī)已經(jīng)通過驗(yàn)證，并打印出了多種工具，歐空局也已向太空中發(fā)射了3D打印設(shè)備。在應(yīng)用方面，3D打印在軍用和民用領(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用，其在航天部件如立方體衛(wèi)星、推進(jìn)系統(tǒng)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、導(dǎo)彈部件等產(chǎn)品，航空部件如航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，以及醫(yī)藥、機(jī)器人、生物組織等方面的應(yīng)用進(jìn)一步深入，相關(guān)測(cè)試工作正在進(jìn)行，驗(yàn)證了3D打印在航天、航空等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

但是，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界對(duì)于3D打印的態(tài)度也發(fā)生了些許變化，開始審視3D打印技術(shù)及其應(yīng)用過程中存在的問題。這也標(biāo)志著3D打印技術(shù)進(jìn)入了較為理性的發(fā)展階段。

歐空局發(fā)射至國(guó)際空間站的3D打印機(jī)概念圖

4　量子科技研發(fā)熱度持續(xù)走高，我國(guó)占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位

量子是微觀世界里不可分割的基本個(gè)體，有著諸如未知量子態(tài)不可復(fù)制、量子非定域性等不同于宏觀物理世界的奇妙特性，掌握這些特性，有望實(shí)現(xiàn)信息處理能力革命性的突破。

2015年，世界各國(guó)爭(zhēng)相開展量子技術(shù)相關(guān)研究。美國(guó)麻省理工學(xué)院和貝爾格萊德大學(xué)合作開發(fā)出一種新技術(shù)，使用單個(gè)光子成功實(shí)現(xiàn)了與3000個(gè)原子的糾纏，創(chuàng)下了迄今為止粒子糾纏數(shù)量的新紀(jì)錄。加州大學(xué)洛杉磯分校發(fā)現(xiàn)了使光子發(fā)生多維度糾纏的新方法。紐約城市學(xué)院生成了一種半光半物質(zhì)的粒子，為研制同時(shí)具備光和物質(zhì)屬性的器件增加了可能性，促進(jìn)了量子計(jì)算實(shí)用平臺(tái)的開發(fā)。日本東北大學(xué)通過計(jì)算證明了“量子糾纏”形成時(shí)空的原理，為構(gòu)筑涵蓋一般相對(duì)論和量子力學(xué)的終極統(tǒng)一理論作出了貢獻(xiàn)。加拿大物理學(xué)家在利用純光打造量子計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)元件——邏輯門的研究工作中取得進(jìn)展，成功通過單光子對(duì)其它光束施加影響。英國(guó)和日本合作，首次成功將量子隱形傳態(tài)的核心電路集成為一塊微型光學(xué)芯片，將復(fù)雜的量子光學(xué)系統(tǒng)縮小了1萬倍，為制造超高速量子計(jì)算機(jī)、實(shí)現(xiàn)超安全量子通訊鋪平了道路。中國(guó)科學(xué)院研發(fā)出了“非摧毀性的測(cè)量技術(shù)”，首次實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度量子隱形傳態(tài)，同時(shí)傳送了單光子的自旋和軌道角動(dòng)量?jī)身?xiàng)信息，為量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。我國(guó)與英國(guó)合作，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了68Gbps（世界最快）的高速量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，為未來超高速量子密碼系統(tǒng)的量子隨機(jī)數(shù)需求提供了可行的解決方案。中科院與美國(guó)華盛頓大學(xué)合作，在國(guó)際上首次在類石墨烯單原子層半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)了非經(jīng)典單光子發(fā)射器，連接了量子光學(xué)和二維材料這兩個(gè)重要領(lǐng)域，打開了一條通往新型光量子器件的道路。

5　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展，助推行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)加速構(gòu)建

借助傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)，以及云計(jì)算等技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可顯著提高工業(yè)研發(fā)生產(chǎn)的效率與安全性，優(yōu)化生產(chǎn)模式，提高經(jīng)濟(jì)效益。2015年，世界物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展穩(wěn)步推進(jìn)。美國(guó)英特爾公司推出全新一代物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)及相關(guān)硬件和軟件產(chǎn)品，在優(yōu)化軟硬件性能的同時(shí)，降低了操作難度，使物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建更加便捷。美國(guó)微軟公司宣布Azure物聯(lián)網(wǎng)套件將支持以Windows 10為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)終端。美國(guó)亞馬遜公司推出物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)AWS IoT，用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研發(fā)、基礎(chǔ)架構(gòu)管理和數(shù)據(jù)分析。韓國(guó)三星公司推出了新品牌，以期統(tǒng)一其企業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品及服務(wù)。英國(guó)政府表示，為了開發(fā)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)療保健和社會(huì)性應(yīng)用，將投資4000萬英鎊用于示范項(xiàng)目、企業(yè)孵化器和研究中心等建設(shè)。日本政府成立“物聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)聯(lián)盟”，就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)測(cè)試及先進(jìn)示范項(xiàng)目制定計(jì)劃，將就網(wǎng)絡(luò)安全對(duì)策等展開討論。我國(guó)重慶郵電大學(xué)發(fā)布了全球首款433MHz/470MHz頻段工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心芯片——CY4520。百度公司發(fā)布了自己的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)——BaiduIoT，以期打破行業(yè)間的界限。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)將合作為可互操作的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究新型體系架構(gòu)。

6　虛擬現(xiàn)實(shí)、類腦技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等“人工智能”研發(fā)屢結(jié)碩果

2015年，以人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)、類腦技術(shù)等為重點(diǎn)的“人工智能”技術(shù)發(fā)展迅猛。10月，美國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和國(guó)家科學(xué)與技術(shù)政策辦公室合編出爐了2015版《美國(guó)國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略》，確定了九大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域，其中含大腦計(jì)劃和高性能計(jì)算。這一年，無人駕駛汽車成為現(xiàn)實(shí)，語音控制系統(tǒng)一改笨嘴拙舌的舊面貌，變得更加智能和便捷。蘋果公司新一代Siri語音控制系統(tǒng)只需要輕聲說一句“Hey，Siri”就能即刻“喚醒”自動(dòng)語音控制功能。谷歌公司的Google Now、亞馬遜公司的Alexa語音助手，以及微軟公司的Cortana等語音控制系統(tǒng)也同樣變“聰明”了。微軟公司推出了新款全息眼鏡——Hololens，佩戴者可通過手勢(shì)及語音對(duì)構(gòu)建的場(chǎng)景對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，NASA將把其應(yīng)用于太空探索和研究中。谷歌公司推出Cardboard V2版本虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。美國(guó)DARPA正在實(shí)施一個(gè)名為“與計(jì)算機(jī)交流”的新項(xiàng)目，計(jì)算機(jī)可以像人一樣交流。美國(guó)和日本合作開發(fā)出一種能模擬人腦進(jìn)行自然計(jì)算的硬件平臺(tái)，未來電腦將與人類一樣聰明。美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校利用存儲(chǔ)式處理器研制出一種模擬人腦運(yùn)作方式的新型電腦樣機(jī)。

7　石墨烯制備技術(shù)進(jìn)展顯著，產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用獲突破

2015年，世界石墨烯技術(shù)快速發(fā)展，美國(guó)、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家在石墨烯制備和應(yīng)用研究方面取得了顯著成效。規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，以及應(yīng)用研究成為研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

微軟公司推出的全息眼鏡——Hololens

在新型石墨烯材料研究方面，美、中、日科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種五邊石墨烯，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，其具有超高機(jī)械強(qiáng)度，能耐727℃左右的高溫。美國(guó)加州大學(xué)河濱分校采用新方法，讓石墨烯在擁有磁性的同時(shí)獲得了新的電學(xué)性能，能產(chǎn)生新的量子現(xiàn)象。美國(guó)康奈爾大學(xué)將10μm厚的石墨烯裁剪、折疊、扭轉(zhuǎn)、彎曲成多種造型，為納米級(jí)柔性器件的研發(fā)提供了新思路。加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)通過在石墨烯中摻雜鋰離子并將其冷卻到5.9K，證明了石墨烯具有超導(dǎo)性，并制造出了首個(gè)超導(dǎo)石墨烯樣品，有望迎來石墨烯電子學(xué)和納米量子器件的新時(shí)代。俄羅斯尼古拉耶夫無機(jī)化學(xué)研究所和生物物理研究所合作，成功將石墨烯碳納米管和納米金剛石粉結(jié)合，獲得了在微弱電流刺激下可發(fā)光的復(fù)合材料，既可用于制造新型顯示屏，也可用于醫(yī)療診斷。韓國(guó)材料學(xué)家通過將氧化石墨烯噴入高溫溶劑，制成了一種類似絨球的圓形石墨烯微粒，為制造電池和超級(jí)電容器上的電極材料提供了一種簡(jiǎn)單、通用的方法，或?qū)⑻岣咝铍娫O(shè)備的能源效率和功率密度。

在石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備方面，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次利用化學(xué)氣相沉積工藝制成了51mm×51mm的石墨烯片材，為實(shí)現(xiàn)石墨烯商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)奠定了重要的基礎(chǔ)。英國(guó)格拉斯哥大學(xué)發(fā)現(xiàn)了一種能大量生產(chǎn)石墨烯薄膜的新方法，據(jù)稱可使基板制造成本大幅降低到約為先前使用材料的1/100。英國(guó)牛津大學(xué)開發(fā)出了一種生產(chǎn)大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的技術(shù)，據(jù)稱是現(xiàn)有推進(jìn)石墨烯商業(yè)化應(yīng)用的最快方法。西班牙AIMEN技術(shù)中心通過短激光脈沖誘導(dǎo)石墨烯的化學(xué)晶格發(fā)生變化，開發(fā)出了石墨烯材料的超高速激光加工新技術(shù)，使得石墨烯的大規(guī)模加工生產(chǎn)成為可能。

在石墨烯應(yīng)用方面，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)與BGT材料有限公司合作，用壓縮石墨烯墨水打印出了射頻天線，可應(yīng)用在無線射頻識(shí)別標(biāo)簽和無線傳感器上。此外，石墨烯在超級(jí)電容、鋰離子電池、電子元器件、水過濾、傳感器等方面的應(yīng)用不斷取得新的進(jìn)展，正在逐步走向?qū)嵱谩?/p>

8　復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用備受重視，發(fā)展迅猛

2015年，世界各國(guó)大力推進(jìn)復(fù)合材料的研究和發(fā)展，特別重視復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。2015年1月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布成立先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，計(jì)劃投資超過2.5億美元，致力于開發(fā)低成本、高速、高效的先進(jìn)復(fù)合材料制造和循環(huán)再用工藝，確保美國(guó)在下一代復(fù)合材料領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。復(fù)合材料在航空領(lǐng)域已獲得了大量的應(yīng)用，在特定應(yīng)用部件中，復(fù)合材料能夠替代的金屬組件已所剩不多。特別是，復(fù)合材料在商用飛機(jī)上的應(yīng)用正在逐步增多。目前，空客A380、A350XWB和波音787均在開展復(fù)合材料部件生產(chǎn)。NASA正與5個(gè)機(jī)構(gòu)合作成立一個(gè)聯(lián)盟，開發(fā)未來航空復(fù)合材料，推進(jìn)復(fù)合材料研究和認(rèn)證，使得飛機(jī)既保持高強(qiáng)度又能輕質(zhì)。

在復(fù)合材料研究與開發(fā)方面，荷蘭Elsevier公司推出了復(fù)合材料拉伸、剪切、彎曲，以及沖擊性能的互動(dòng)編譯平臺(tái)——Knovel樹脂基復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫，將幫助企業(yè)替代現(xiàn)有的材料或在工程研究和設(shè)計(jì)過程中選擇新的復(fù)合材料，提高效率，降低測(cè)試和維護(hù)的成本，并最終提高產(chǎn)品性能。日本東邦Tenax有限公司推出新等級(jí)的碳纖維產(chǎn)品Tenaxr XMS32，其性能達(dá)到了飛機(jī)和汽車應(yīng)用所需的高強(qiáng)度和高拉伸模量。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室和PROOF研究公司正致力于開發(fā)先進(jìn)的高溫聚合物基復(fù)合材料用于取代鈦合金，應(yīng)用于F-135和F-110航空發(fā)動(dòng)機(jī)，B-2、F-117和F-22飛機(jī)，導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)和第六代發(fā)動(dòng)機(jī)等方面。英國(guó)威格斯公司推出一種新型單向帶和層壓板復(fù)合材料——Victrex AE250復(fù)合材料，可用于制造飛機(jī)一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)的支架、夾子、卡箍、外殼等。美國(guó)精神航空公司為聯(lián)合多用途技術(shù)驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃完成了首個(gè)貝爾直升機(jī)機(jī)身的制造，即將進(jìn)行組裝，不僅縮短了制造周期，還降低了制造成本。

雖然復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用廣受重視，并取得了突破性進(jìn)展，但金屬與復(fù)合材料之爭(zhēng)并未結(jié)束。盡管近期認(rèn)證的飛機(jī)復(fù)合材料用量很高，但是重新設(shè)計(jì)的波音777 和777X仍將采用碳纖維復(fù)合材料機(jī)翼和鋁合金機(jī)身，全復(fù)合材料的新設(shè)計(jì)被退回。包括空客A320neo和波音737MAX等在內(nèi)的單通道飛機(jī)仍然大量采用鋁合金，并沒有在主承力結(jié)構(gòu)中大量使用先進(jìn)復(fù)合材料。日本首款國(guó)產(chǎn)噴氣式支線飛機(jī)MRJ的主翼由于復(fù)合材料強(qiáng)度不足，交付時(shí)間一拖再拖。此外，金屬供應(yīng)商積極開發(fā)鋁鋰合金等新型合金，以應(yīng)對(duì)與復(fù)合材料的競(jìng)爭(zhēng)。在這種競(jìng)爭(zhēng)中，復(fù)合材料和金屬材料相互促進(jìn)，其性能都將得以大幅提升。

9　深海探測(cè)、深海工程裝備領(lǐng)域研究穩(wěn)步推進(jìn)

2015年，世界各國(guó)對(duì)海洋資源開發(fā)利用方面的研發(fā)熱度持續(xù)不減，美國(guó)海洋能源管理局設(shè)立深?？茖W(xué)研究計(jì)劃，加大深?？疾旌涂蒲谢顒?dòng)投入。韓國(guó)海洋科技協(xié)會(huì)宣布投資興建水下機(jī)器人研究中心，專注于水下機(jī)器人的研究和應(yīng)用，進(jìn)一步提高韓國(guó)在海底電纜鋪設(shè)等方面的技術(shù)能力。我國(guó)同濟(jì)大學(xué)海底觀測(cè)基地暨國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一期建成投用，將著力于海洋資源開發(fā)、海洋權(quán)益維護(hù)等方面的重大科學(xué)問題研究及技術(shù)創(chuàng)新。

深海探測(cè)及深海機(jī)器人等工程裝領(lǐng)域研發(fā)活動(dòng)穩(wěn)步進(jìn)行。

在深海探測(cè)方面，俄羅斯 “羅斯”號(hào)自主潛水器在大西洋中部完成水下6000m深海下潛實(shí)驗(yàn)，最高下潛深度6180m。日本將研發(fā)新型載人深潛器——“深海12000”，其將采用多種最新技術(shù)，有助于資源探測(cè)，計(jì)劃于21世紀(jì)20年代后半期完成研發(fā)，可下潛至世界最深海溝馬里亞納海溝。我國(guó)萬米級(jí)載人深潛器和著陸器——“彩虹魚”項(xiàng)目已完成4000m級(jí)海試，最大下潛深度4328m，其本體國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到95%，計(jì)劃于2016年進(jìn)行11000m馬里亞納海溝測(cè)試，有望培育千億元級(jí)規(guī)模的深海裝備產(chǎn)業(yè)集群。

在深海機(jī)器人等作業(yè)裝備方面，韓國(guó)海洋科學(xué)和技術(shù)研究所發(fā)布世界上最大、下潛最深的水下行走機(jī)器人——Crabster CR200，重635kg，下潛深度200m。中科院沈陽自動(dòng)化研究所成功研發(fā)我國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的6000m深海水下無人無纜深潛機(jī)器人——“潛龍一號(hào)”，測(cè)試最大潛深達(dá)到5213m，單次下潛水下工作時(shí)長(zhǎng)31h。與此同時(shí)，我國(guó)首臺(tái)自主研制的4500m級(jí)無人遙控潛水器作業(yè)系統(tǒng)——“海馬”號(hào)無人自主航行作業(yè)系統(tǒng)，以及我國(guó)最大深度海底深孔巖心鉆機(jī)“海?！蓖ㄟ^驗(yàn)收。

10　銅銦鎵硒太陽能電池應(yīng)用進(jìn)展顯著，鈣鈦礦等太陽能新技術(shù)研究取得突破

目前，新興太陽能電池技術(shù)通?？煞譃槿箢悾皇倾~銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘、硅薄膜等薄膜太陽能電池技術(shù)；二是低聚光LCPV和高聚光HCPV的聚光光伏（CPV）技術(shù)；三是第三代太陽能電池技術(shù)，包括有機(jī)光伏電池、染料敏化太陽能電池、銅鋅錫硫太陽能電池、量子點(diǎn)和鈣鈦礦太陽能電池等?？傮w來講，薄膜太陽能電池和聚光光伏技術(shù)在不久的將來即可進(jìn)入商業(yè)化階段，而第三代光伏技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)尚需時(shí)日。

2015年，世界銅銦鎵硒薄膜太陽能電池技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)，以及市場(chǎng)活動(dòng)活躍。日本Solar Frontier公司實(shí)現(xiàn)了銅銦硒（CIS）模塊全球銷售量超過3GW的里程碑。美國(guó)Stion公司的系列CIGS薄膜太陽能電池模塊被批準(zhǔn)進(jìn)入迪拜市場(chǎng)，成為迪拜市場(chǎng)首批合格的長(zhǎng)期訂貨光伏模塊。此外，其基于納米結(jié)構(gòu)的CIGS薄膜太陽能電池模塊完成了228kW商業(yè)屋頂太陽能電池項(xiàng)目。德國(guó)柏林亥姆霍茲中心生產(chǎn)出了高質(zhì)量超薄CIGS有源層，通過在背接觸和有源層之間加入納米顆粒陣列，提高了電池效率（達(dá)到11.1%）。美國(guó)Ascent Solar技術(shù)公司已經(jīng)開始向“沉默鷹”無人機(jī)技術(shù)公司提供安裝于“沉默鷹”無人機(jī)系統(tǒng)機(jī)翼上的輕型、柔性CIGS薄膜光伏模塊，以滿足第一個(gè)批量生產(chǎn)商業(yè)訂單需求。德國(guó)Manz公司利用批量生產(chǎn)的CIGS薄膜太陽能電池模塊創(chuàng)下了轉(zhuǎn)換效率16%的新紀(jì)錄。歐洲新研究項(xiàng)目Sharc25將采用CIGS共蒸發(fā)技術(shù)制備薄膜太陽能電池，以獲得25%的轉(zhuǎn)換效率。

在鈣鈦礦等新型太陽能電池方面，不僅新產(chǎn)品研發(fā)取得了進(jìn)展，在實(shí)際應(yīng)用方面也進(jìn)步顯著。鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從2006年的2%提高到2015年的超過20.1%，市場(chǎng)規(guī)模也有所擴(kuò)大。澳大利亞Dyesol公司的鈣鈦礦太陽能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到工廠的里程碑式跨越，經(jīng)1000h加速測(cè)試，光電轉(zhuǎn)換效率衰減不到10%。美國(guó)布朗大學(xué)開發(fā)出了制備鈣鈦礦太陽能電池的簡(jiǎn)化室溫工藝，制備的電池的光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)15.2%，在半透明100nm厚鈣鈦礦薄膜上制備的太陽能電池平均轉(zhuǎn)換效率為10.1%，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。瑞士洛桑理工學(xué)院開發(fā)出了可吸收X射線和可見光的太陽能面板鈣鈦礦材料，研究表明，這種材料可以吸收X射線和空間粒子能量以轉(zhuǎn)換成電能。除鈣鈦礦太陽能電池外，量子點(diǎn)電池、染料敏化太陽能電池等新型電池也獲得了較快的發(fā)展。

11　美國(guó)推出多款創(chuàng)新型核聚變裝置設(shè)計(jì)，俄羅斯新一代核能技術(shù)取得新進(jìn)展

2015年，美國(guó)在新型核聚變裝置設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展引人矚目，多款創(chuàng)新型核聚變裝置設(shè)計(jì)方案先后推出，有望縮短核聚變能應(yīng)用預(yù)期。2015年7月，美國(guó)波音公司獲得一項(xiàng)高效激光點(diǎn)火核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)專利，設(shè)計(jì)原理與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相似，推進(jìn)器的一端是一個(gè)半球形腔體，強(qiáng)大的自由電子激光束注入腔體后，聚焦在氘氚燃料上，引起核聚變反應(yīng)，釋放能量，核聚變產(chǎn)生的物質(zhì)通過噴射口噴出，產(chǎn)生推力。8月，麻省理工學(xué)院發(fā)布小型磁約束聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，計(jì)劃10年內(nèi)建成原型裝置并發(fā)電，電功率為270MW。雖然目前媒體所報(bào)道的核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)進(jìn)展十分快速、顯著，但是，尚未真正實(shí)現(xiàn)。

2015年，俄羅斯在鈉冷快堆及其燃料技術(shù)、VVER-TOI壓水堆等研究方面取得了突破。7月，俄羅斯國(guó)家原子能公司開發(fā)出一種“超純”鎳合金新材料，并利用這種新材料制造了首個(gè)VVER-TOI壓水堆“超強(qiáng)”壓力容器。9月，俄羅斯開始建造功率為150MW、全球最大的多功能快中子研究堆，其可將新材料和燃料的研究時(shí)間縮短至原來的1/2甚至1/3，用于支持新燃料、新材料開發(fā)，開展反應(yīng)堆物理和熱工水力研究，開展閉合燃料循環(huán)研究，發(fā)展同輻技術(shù)應(yīng)用等。4月～8月，俄羅斯先后有9個(gè)混合氮化物燃料組件裝入BN-600鈉冷快堆，進(jìn)行為期3年以上的輻照測(cè)試，為鈉冷快堆及其燃料的下一步開發(fā)打下了基礎(chǔ)，促進(jìn)了閉合燃料循環(huán)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)輕水反應(yīng)堆技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。