高 楠，趙蘊華

（中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038）

作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，通用航空產(chǎn)業(yè)的投入產(chǎn)出比為1∶10，技術(shù)轉(zhuǎn)移比為1∶16，就業(yè)帶動為1∶12[1]，涉及領(lǐng)域涵蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)等的作業(yè)飛行，以及海洋探測、科學(xué)探測、教育訓(xùn)練、文化體育等相關(guān)飛行活動，在我國有極大的發(fā)展前景，而航空發(fā)動機技術(shù)作為通用航空產(chǎn)業(yè)中的動力推進技術(shù)，直接影響著飛機的各項性能是航空飛行器的核心技術(shù)之一，也被稱為航空器的“心臟”。由于航空發(fā)動機的研發(fā)經(jīng)費投入大、研發(fā)周期長、研發(fā)技術(shù)難度高、經(jīng)營風(fēng)險高[2]，因此，是否具備獨立研發(fā)高性能航空發(fā)動機的能力，也成為衡量一個國家動力研發(fā)、制造水平的重要標(biāo)志。各國對航空動力技術(shù)的研究給予了極大的重視，美國、英國、意大利、德國、中國等國家均實施了許多大型的先進發(fā)動機研究計劃，世界航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)出加速發(fā)展和競爭激烈的態(tài)勢。

作為世界航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)源地，美國一直在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。20世紀(jì)40年代初，美國開始研發(fā)燃氣渦輪發(fā)動機，以1956年成功研發(fā)出先進渦輪噴氣發(fā)動機（馬赫數(shù)＞2）為標(biāo)志，美國在航空發(fā)動機領(lǐng)域占據(jù)世界首位；20世紀(jì)60年代，美國提出“配套發(fā)展法”，著重解決航空發(fā)動機與飛機之間、航空發(fā)動機內(nèi)部組件之間的匹配問題；20世紀(jì)80年代以來，美國陸續(xù)推出了綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)研究計劃（IHPTET）[3]、超高效發(fā)動機技術(shù)計劃（UEET）、宇航推進與動力計劃（AP&P）、通用的經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機研究計劃（VAATE）、改進渦輪發(fā)動機計劃（ITEP）[4]、持續(xù)降低能耗排放和噪聲計劃（CLEEN）等一系列國家發(fā)展計劃，促使美國航空發(fā)動機技術(shù)領(lǐng)域進入發(fā)展黃金期，之后又在超聲速渦扇發(fā)動機和先進渦扇型發(fā)動機技術(shù)上取得先發(fā)優(yōu)勢，更進一步保證了其在該領(lǐng)域的霸主地位。

西歐國家為同美國競爭，以英國為首，協(xié)同德國與意大利一起實施了核心軍用發(fā)動機計劃（ACME）；英國與法國聯(lián)合實施了先進軍用發(fā)動機技術(shù)計劃（AMET）；德國還針對民用飛機制定了“3E”（環(huán)境、效率、積極性）發(fā)動機研究計劃。日本在生產(chǎn)第三代航空發(fā)動機的基礎(chǔ)上，積極參與世界一流水平的大型民用渦扇發(fā)動機的國際合作研制；此外，日本還與美國、英國展開合作，共同研發(fā)HYPR-90組合循環(huán)發(fā)動機，以實現(xiàn)跨入高超聲速航空推進技術(shù)前沿領(lǐng)域[5]的目標(biāo)。中國的“十一五”“十二五”和“十三五”都將通航產(chǎn)業(yè)納入發(fā)展規(guī)劃，國務(wù)院先后出臺了《關(guān)于促進民航業(yè)發(fā)展的若干意見》《中國制造2025》和《關(guān)于促進通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，工信部推出《民用航空工業(yè)中長期規(guī)劃（2013—2020）》。2015年，“航空發(fā)動機”和“燃氣機”首次被寫入政府報告；2016年，“兩機”重大專項及“飛發(fā)分離”政策相繼實施[6]，這些都表達了中國大力發(fā)展航空航天制造業(yè)，推動直升機、無人機和通用飛機產(chǎn)業(yè)化的決心。

本文采用德溫特創(chuàng)新索引數(shù)據(jù)庫（Derwent Innovation Index，DII）對中美兩國在航空發(fā)動機領(lǐng)域的專利申請分別進行檢索，檢索時間為2020年6月12日，共檢索到1974—2020年的美國專利6 957件，中國專利2 585件。采用TDA、EXCEL等統(tǒng)計分析工具，結(jié)合專利計量法、文獻調(diào)研法、對比分析法等，對專利申請數(shù)量、技術(shù)生命周期、技術(shù)熱點、技術(shù)關(guān)聯(lián)性、創(chuàng)新主體分別進行統(tǒng)計和作圖，以對中美在航空發(fā)動機領(lǐng)域的專利布局差異進行分析與比較。

1 時間布局比較研究

1.1 中美專利申請趨勢對比

從圖1可見，1974—2004年，全球航空發(fā)動機領(lǐng)域?qū)＠暾埑示徛仙厔?，每年專利申請量均?00件以下；2005—2006年，全球?qū)＠暾埩靠焖偕仙?，并?006年達到一個小的峰值（342件）；2007—2010年，全球?qū)＠暾埩棵磕昃S持在320件左右；2011年短暫跌破200件，之后迅速攀升，并于2015年達到第二次小高峰（907件）；2019年專利申請量則達到1 117件。值得注意的是，受限于專利審核制度，專利從申請到公開有18個月的滯后期，因此，圖中近兩年的專利申請量要低于實際情況，僅供參考，并用虛線表示。

美國航空發(fā)動機專利申請趨勢與全球申請趨勢高度一致，均在2011年、2016年經(jīng)歷了兩次短暫的專利數(shù)量回落，但整體仍呈波折上升趨勢，并于2006年、2015年迎來兩次專利申請量增長峰值，分別達到了294、691件。美國在20世紀(jì)60年代初至80年代中期，連續(xù)實施了十多項發(fā)動機研究計劃；1988—2003年美國投入50億美元，由軍方、政府及工業(yè)界三方聯(lián)合實施不針對特定發(fā)動機型號的綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)研究計劃，在取得顯著成果后，又在2006年投入37億美元，發(fā)展多用途、經(jīng)濟可承受的先進渦輪發(fā)動機研究計劃。

中國專利申請量沒有經(jīng)歷明顯的專利回落情況，整體呈穩(wěn)步上升趨勢，在2018年專利申請量達到峰值，共407件。中國從1950年左右開始發(fā)展航空發(fā)動機技術(shù)，這與美國相差無幾，但后續(xù)受限于一些歷史原因，在美國航空發(fā)動機技術(shù)在2006年迎來第一次增長高峰期的時候，中國仍處于緩慢發(fā)展階段。但值得注意的是，在2005年，中國成功自主研發(fā)出先進渦扇型發(fā)動機“太行”，結(jié)束了中國在該領(lǐng)域的空白，標(biāo)志著中國成為繼美國、英國、俄國、法國之后第5個具備自主研發(fā)航空發(fā)動機能力的國家[7]。此后，中國始終保持對航空航天發(fā)動機領(lǐng)域的大力支持，無論是“十二五”期間設(shè)立航空發(fā)動機重大專項，還是“中國制造2025”將航空裝備設(shè)為未來重要突破目標(biāo)，都顯示出了中國大力發(fā)展航空發(fā)動機技術(shù)的決心。

1.2 中美技術(shù)生命周期對比

從圖2可見，全球航空發(fā)動機領(lǐng)域技術(shù)生命周期可劃分為3個階段：（1）1974—2004年為萌芽階段，點間距離小，呈密集狀態(tài)，且每年的專利申請量和進入該領(lǐng)域的機構(gòu)數(shù)量均未超過100；（2）2005—2011年為波動發(fā)展階段，除了2005年的點與上一階段拉開明顯距離外，2006—2011年的點再次呈現(xiàn)密集狀態(tài)；（3）2012年至今處于蓬勃發(fā)展階段，點與點間拉開明顯的距離，即領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗c進入領(lǐng)域的機構(gòu)數(shù)量至少有一個指標(biāo)漲幅明顯。美國的技術(shù)生命周期劃分與全球的類似，主要分為3個階段：（1）1974—2004年為萌芽階段；（2）2005—2012年為波動發(fā)展階段；（3）2013年至今為蓬勃發(fā)展階段。

圖1 中美航空發(fā)動機領(lǐng)域?qū)＠暾埩恐鹉贲厔輰Ρ?/p>

中國的技術(shù)生命周期劃分稍有不同，分為3個階段：（1）1986—2012年處于早期發(fā)展階段，領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗c進入領(lǐng)域的機構(gòu)數(shù)量至少有一個指標(biāo)的數(shù)量處于增加狀態(tài)；（2）2013—2016年處于技術(shù)發(fā)展瓶頸期，該階段專利申請量維持在約180件/年，但進入領(lǐng)域的機構(gòu)數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)；（3）2017年至今重新進入技術(shù)發(fā)展期，可以看到進入領(lǐng)域的機構(gòu)數(shù)量出現(xiàn)回升，專利申請量漲幅明顯，之前的技術(shù)瓶頸被突破，或者出現(xiàn)了新的利好技術(shù)。

2 空間布局比較研究

將在不同國家申請的，內(nèi)容相同或相似，且具有相同的優(yōu)先權(quán)專利的一組專利稱為同族專利[8]。通過對比中美在同族專利國家的專利申請數(shù)量分布情況，可以看出兩國專利在空間布局上的差異；通過對比同族專利國家的專利活躍度，可以看出在近4年內(nèi)，中美在進行全球技術(shù)布局時更重視的國際市場（見表1）。

圖2 中美航空發(fā)動機領(lǐng)域技術(shù)生命周期對比

表1 中美前10名同族專利國家分布及活躍度排名

從同族專利總量看，中美兩國都優(yōu)先關(guān)注國內(nèi)市場的專利布局，在此基礎(chǔ)上兼顧國際市場的專利布局，其中，加拿大、日本、法國、英國是中美兩國共同關(guān)注的國際市場；此外，中國對印度、俄羅斯也進行了專利布局，而美國則對德國和巴西表現(xiàn)出了更多的關(guān)注。從專利活躍度看，中美在近4年除繼續(xù)緊抓國內(nèi)市場專利布局外，都在歐州專利局積極申請專利。值得注意的是，相比于國內(nèi)市場，美國更加重視中國市場，這無疑加劇了中國航空發(fā)動機技術(shù)市場競爭的激烈性。

結(jié)合兩個指標(biāo)看，中國在日本的同族專利數(shù)量排名第4位，但專利活躍度降為第7位，說明中國對日本市場的關(guān)注度下降；反之，中國在印度的同族專利數(shù)量排名第8位，但專利活躍度升為第5位，說明中國最近幾年對印度加大了專利布局力度。美國在中國和巴西的同族專利數(shù)量分別排名第6位和第10位，但專利活躍度分別上升為第1位和第5位，反映了美國在近幾年加大了對這兩個國際市場的關(guān)注度。

3 內(nèi)容布局比較研究

3.1 技術(shù)熱點分布對比

國際專利分類（International Patent Classification，IPC）是目前國際唯一通用的專利文獻分類和檢索工具，其通過部、大類、小類、大組、小組5種層級來對專利的技術(shù)主題進行由粗到細的劃分[9]。對比中美在不同IPC分類下的專利申請數(shù)量，可反映兩國不同的技術(shù)發(fā)展側(cè)重點和優(yōu)勢技術(shù)。

由表2可以看出，中美兩國排名前10的IPC小類都集中在F02K（噴氣推進裝置）、F01D（非變?nèi)菔綑C器或發(fā)動機）和F02C（燃氣輪機裝置；噴氣推進裝置的空氣進氣道；空氣助燃的噴氣推進裝置燃料供給的控制）。進一步看，中國IPC小組數(shù)量最多的是F02C-007/00（燃氣輪機噴氣推進裝置的進氣管），美國的則是F02K-003/06（帶有前部涵道風(fēng)扇的發(fā)動機裝置）；在F01D類專利中，中美有4種IPC小組一致，此外，中國還對F01D-009/02（非變?nèi)菔綑C器或發(fā)動機定子噴嘴）、F01D-005/28（非變?nèi)菔綑C器或發(fā)動機葉片防腐）類技術(shù)進行了專利申請，美國則對F01D-009/04（非變?nèi)菔綑C器或發(fā)動機定子環(huán)形或扇形靜葉片）類技術(shù)進行了重點發(fā)展。在F02C類專利中，中美有2種IPC小組一致，此外，中國對F02C-007/06（燃氣輪機噴氣推進裝置進氣管的軸承）類技術(shù)投入關(guān)注，美國則對F02C-007/36（燃氣輪機裝置不同軸之間的動力傳輸）和F02C-003/04（輔以渦輪機驅(qū)動，且以燃燒產(chǎn)物作為工作流體的燃氣輪機裝置）類技術(shù)申請專利保護。

表2 中美IPC分布對比

由標(biāo)引人員根據(jù)專利技術(shù)的創(chuàng)新性，對每條專利進行手工代碼的人工標(biāo)定，是德溫特專利數(shù)據(jù)庫的特色之一，也是其最具價值的地方之一[10]。相比于IPC分類，德溫特手工代碼能更細致和準(zhǔn)確地揭示專利技術(shù)的外部特征和應(yīng)用領(lǐng)域，因此，將中美的德溫特手工代碼分布差異進行對比。

由表3可以看出，中美兩國排名前10的德溫特手工代碼有6種相同，多集中在Q52-A類，包括Q52-A03（燃氣/蒸汽輪機進氣與排氣裝置）、Q52-A02（燃氣/蒸汽輪機燃燒室、噴嘴、后燃箱、定子與轉(zhuǎn)子等零件）、Q52-A01C（渦輪發(fā)動機）；在Q52-A類代碼中，兩國均是Q52-A02類的專利數(shù)量最多，中國有666件此類專利，美國有2 243件。此外，中國對Q25-C02（飛機電力推進與轉(zhuǎn)向）、S02-J（扭矩、流體壓力等的測試裝置）、W06-B05（航空航天系統(tǒng)測試）、Q52-C02（引擎燃油供應(yīng)控制）類專利申請較多；美國則對Q25-C02B（使用外部燃燒引擎推進飛機或轉(zhuǎn)向）、Q56-G（非正向位移流體機械/泵/壓縮機泵配件）、X11-C01（燃氣輪機發(fā)電機）、W06-B01A1（飛機自動駕駛系統(tǒng)）類專利申請較多。

3.2 技術(shù)關(guān)聯(lián)性對比

對中美兩國航空發(fā)動機領(lǐng)域?qū)＠墨I分別進行IPC小類共現(xiàn)分析，以對比兩國在技術(shù)關(guān)聯(lián)性上的差異。選取排名前50位的IPC小類作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)建技術(shù)關(guān)聯(lián)矩陣，使用TDA對矩陣進行可視化分析，通過連續(xù)調(diào)節(jié)共現(xiàn)閾值來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，直至網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最為明晰，最終美國技術(shù)關(guān)聯(lián)矩陣的共現(xiàn)閾值為77次，中國為23次（見圖3）。圖3中，點的大小表示該類技術(shù)對應(yīng)的專利數(shù)量的多少，點間連線的粗細表示技術(shù)共現(xiàn)的頻次高低。

從整體看，中美兩國的技術(shù)關(guān)聯(lián)以同類技術(shù)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)居多，不同技術(shù)類別間的相互關(guān)聯(lián)較少；進一步看，中美兩國的專利申請中均以F02C類與F01D類的技術(shù)關(guān)聯(lián)最多（點間連線最粗）；拓展來看，圖3虛線框內(nèi)的核心關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)還包括F02K、F04D、B64D類技術(shù)，這些技術(shù)間的交互聯(lián)系很多。中美IPC小類技術(shù)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，重合的技術(shù)小類共有10種，此外，中國對航空發(fā)動技術(shù)的G05B（控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可用于監(jiān)視或測試）、B64F（航空飛行器的地面設(shè)施或航空母艦甲板設(shè)施）的應(yīng)用更為重視；美國則對H02K（電機）、B32B（層狀產(chǎn)品）、F16J（絕熱活塞或壓力容器）、B23K（焊接及局部加熱切割）、F16H（傳動裝置）的應(yīng)用更為重視。

表3 中美德溫特手工代碼分布對比

圖3 中美航空發(fā)動機領(lǐng)域IPC小類技術(shù)關(guān)聯(lián)對比

4 創(chuàng)新主體比較研究

按照專利申請量對中國和美國的專利權(quán)人進行統(tǒng)計（見表4），排名前15位的創(chuàng)新主體按照所屬國別，可分為本土創(chuàng)新主體和海外創(chuàng)新主體，兩種類型創(chuàng)新主體的專利申請量表現(xiàn)，可分別反映出兩國的本土機構(gòu)創(chuàng)新實力和海外競爭對手創(chuàng)新實力。

可以看到，中國排名前15位的創(chuàng)新主體中有8個本土創(chuàng)新機構(gòu)，7個海外創(chuàng)新機構(gòu)，分別來自美國（3家）、法國（3家）、英國（1家）；美國排名前15位的創(chuàng)新主體中有8個本土創(chuàng)新機構(gòu)部，7個海外創(chuàng)新機構(gòu)，分別來自法國（3家）、德國（2家）、英國（1家）、日本（1家），中國沒有機構(gòu)進入美國機構(gòu)專利申請量前15。中國本土創(chuàng)新機構(gòu)的專利申請量占排名前15位創(chuàng)新機構(gòu)專利申請總量的32%，海外創(chuàng)新機構(gòu)占比68%，其中，美國占比43%?？梢姡瑖鴥?nèi)的航空發(fā)動機市場競爭激烈，主體市場被海外競爭機構(gòu)占據(jù)，尤其是美國近幾年積極在中國航空發(fā)動機領(lǐng)域進行專利布局，無疑將對本土創(chuàng)新機構(gòu)造成沖擊。美國本土創(chuàng)新機構(gòu)的專利申請量占排名前15位創(chuàng)新機構(gòu)專利申請總量的70%，海外創(chuàng)新機構(gòu)占比30%，可見，美國航空發(fā)動機領(lǐng)域國內(nèi)市場仍被本土創(chuàng)新機構(gòu)牢牢把握，海外創(chuàng)新機構(gòu)在美國的專利布局中，僅英國和法國搶占到約10%的技術(shù)市場份額。

表4 中美創(chuàng)新主體分布對比

創(chuàng)新主體的優(yōu)勢技術(shù)各有不同，而能在中美兩國航空發(fā)動機市場都占據(jù)重要位置的機構(gòu)，多是全球規(guī)模較大的集團跨國公司或在本領(lǐng)域深耕多年的機構(gòu)，如聯(lián)合技術(shù)公司、通用電氣公司、羅爾斯·羅伊斯公司、普拉特·惠特尼、斯奈克瑪?shù)?。通用電氣公司是世界上最大的綜合性動力和設(shè)備制造商，能夠為民用、軍用、公務(wù)和通用等各類飛機提供發(fā)動機、部件和集成系統(tǒng)，其推出的具有代表性的發(fā)動機系列包括GE90、GE9X、GEnx、GP7200、CF6、CFM56、CF34、T700/CT7等[11]。羅爾斯·羅伊斯公司是世界第二大民用和國防航空發(fā)動機公司，旗下典型的渦扇發(fā)動機是RB211和Trent系列。普拉特·惠特尼主要產(chǎn)品系列包括JT3、JT8D、JT9D、PW2000、PW4000-94、PW4000-100、PW4000-112、PW4500、PW6000、PW8000等[12]。斯奈克瑪是法國重要的軍民用航空發(fā)動機和航天發(fā)動機制造商，也是唯一掌握了民用直升機、運輸機、教練機、飛機、戰(zhàn)斗機等全部完整的先進推進技術(shù)的公司，旗下典型產(chǎn)品是與通用電氣公司合作生產(chǎn)的CFM56發(fā)動機，其專利申請主要聚焦在噴氣推進裝置、燃氣輪機裝置和變?nèi)菔綑C器或發(fā)動機等方面[13]。

5 結(jié)論

為對中美兩國在航空發(fā)動機領(lǐng)域的專利布局差異進行分析，本文從時間布局、空間布局、內(nèi)容布局和創(chuàng)新主體4個方面進行比較研究，得出以下結(jié)論。

（1）從時間布局看，中美兩國均經(jīng)歷了較長時間的專利申請量緩慢增長階段，原因可能包括兩個：一是航空發(fā)動機研發(fā)難度較大，延長了研發(fā)周期，從而拉長了研發(fā)成果的產(chǎn)出時間；二是早期的研發(fā)成果多用于軍方及國防，有嚴(yán)格的保密限制，在一定期限內(nèi)不會以專利的形式公開。整體來看，中美兩國的技術(shù)生命周期都可劃分為3個階段，且現(xiàn)均處于蓬勃發(fā)展期；美國的專利申請量在全球范圍內(nèi)保持領(lǐng)先地位，尤其是自2011年后美國專利申請量漲幅明顯，中國專利申請量雖整體呈穩(wěn)步上升趨勢，但漲幅沒有美國大。

（2）從空間布局看，中美兩國都優(yōu)先關(guān)注國內(nèi)市場的專利布局，在此基礎(chǔ)上兼顧國際市場的專利布局，其中，加拿大、日本、法國、英國是中美兩國共同關(guān)注的國際市場；此外，中國對印度、俄羅斯也進行了專利布局，而美國則對德國和巴西表現(xiàn)出了更多的關(guān)注。在近幾年里，中國對日本市場的關(guān)注度有所下降，提升了對印度的專利布局力度；美國則對中國和巴西加大關(guān)注度。

（3）從內(nèi)容布局看，中美兩國排名前10的IPC小類都集中在F02K、F01D和F02C，排名前10的德溫特手工代碼有6種一致，多集中在Q52-A類，包括Q52-A03、Q52-A02和Q52-A01C。中美兩國技術(shù)關(guān)聯(lián)性較強的IPC小類包括F02C、F01D、F02K、F04D、B64D。

（4）從創(chuàng)新主體看，國內(nèi)的航空發(fā)動機市場競爭激烈，主體市場被海外競爭機構(gòu)占據(jù)，尤其是美國近幾年積極在中國航空發(fā)動機領(lǐng)域進行專利布局，無疑將對本土創(chuàng)新機構(gòu)造成沖擊；美國航空發(fā)動機領(lǐng)域國內(nèi)市場仍被本土創(chuàng)新機構(gòu)牢牢把握，在美國的專利布局中，海外創(chuàng)新機構(gòu)僅英國和法國搶占到約10%的技術(shù)市場份額。

目前，中國雖處于全球少數(shù)能夠自主研發(fā)航空發(fā)動機的國家行列，但在關(guān)鍵技術(shù)上與航空發(fā)動機強國美國還有差距，軍機領(lǐng)域先進型號多依賴國外進口，受制于人，商用航發(fā)整機領(lǐng)域基本處于空白階段，僅作為國際民機轉(zhuǎn)包業(yè)務(wù)的二級供應(yīng)商提供部分零部件。因此，中國發(fā)動機行業(yè)應(yīng)充分抓住歷史機遇，密切跟蹤掌握先進軍民用航空渦扇發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展趨勢，大力開展研究工作，并積極實施技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新對型號研制的推動與型號研制對技術(shù)需求的有機迭代，促進航空發(fā)動機技術(shù)的創(chuàng)新、跨越式發(fā)展。■