全球國防科技和武器裝備研制生產(chǎn)的發(fā)展情況分析

2019年，圍繞國外先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的最新發(fā)展動向和研究熱點(diǎn)，跟蹤積累形成了大量情報(bào)研究成果。遴選出以下對國防科技發(fā)展和武器裝備研制生產(chǎn)具有重要影響的20條技術(shù)動向。

1.用于復(fù)雜武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型計(jì)算速度提高10萬倍

2019年2月，應(yīng)用動力學(xué)國際公司宣布受美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助開發(fā)出可實(shí)時優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)模型庫，并成功用于飛機(jī)、艦船、渦輪發(fā)動機(jī)等復(fù)雜武器系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的物理學(xué)特性表征，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)和空氣動力學(xué)特性等。采用經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器學(xué)習(xí)模型可對根據(jù)傳統(tǒng)方法和工具生成的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，且計(jì)算速度與傳統(tǒng)使用緊耦合的有限元—流體動力學(xué)模型相比，可提高10萬倍。所開發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型庫能夠在配備大型NVIDIA圖形處理器的Linux服務(wù)器上進(jìn)行運(yùn)算，且計(jì)算能力可配置。

2.美國海軍采用數(shù)字孿生技術(shù)驗(yàn)證“林肯”號航母

2019年10月，美國海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部宣布為“林肯”號航母建立首個名為“數(shù)字林肯”的數(shù)字孿生體。該孿生體采用基于模型的系統(tǒng)工程方法構(gòu)建，將開發(fā)流程從現(xiàn)行的“設(shè)計(jì)→構(gòu)建→測試”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳Ｐ头治觥鷺?gòu)建”。這種轉(zhuǎn)變響應(yīng)了國防部數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性與網(wǎng)絡(luò)安全。借助“數(shù)字林肯”孿生體，美軍已對5個計(jì)劃于2020年交付的信息作戰(zhàn)系統(tǒng)性能進(jìn)行了虛擬測試，并計(jì)劃將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于“艾森豪威爾”號航母。

3.俄羅斯航空工業(yè)穩(wěn)步推進(jìn)數(shù)字工廠建設(shè)

2019年，俄羅斯航空工業(yè)在政府計(jì)劃牽引和工業(yè)項(xiàng)目推動下，以數(shù)字化技術(shù)為重要抓手促進(jìn)航空制造業(yè)發(fā)展。10月，俄羅斯按照“數(shù)字化技術(shù)”國家計(jì)劃的部署，針對區(qū)塊鏈、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、量子等7項(xiàng)技術(shù)制定2019～2024年發(fā)展路線圖，為俄航空工業(yè)發(fā)展數(shù)字化技術(shù)提供頂層戰(zhàn)略指導(dǎo)。與此同時，大型航空企業(yè)開始研究引入各類數(shù)字化技術(shù)，推動研制生產(chǎn)和服務(wù)系統(tǒng)向數(shù)字化模式轉(zhuǎn)變。俄聯(lián)合發(fā)動機(jī)制造集團(tuán)旗下土星公司啟動智慧工廠計(jì)劃，全面推進(jìn)研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營等各環(huán)節(jié)數(shù)字化改造； 聯(lián)合飛機(jī)制造集團(tuán)啟動數(shù)字化轉(zhuǎn)型計(jì)劃，利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)流程。

4.利用電子束操縱單個原子，有望開啟“原子工程”新時代

2019年5月，麻省理工學(xué)院等多國研究團(tuán)隊(duì)利用掃描透射電鏡（STEM）中的相對論電子束，使其在磁透鏡的精確控制下，將原子擊離其位置，并控制原子的位置及成鍵方向，有望在微秒尺度上操縱原子，與采用探針操縱原子相比，速度提高了幾個數(shù)量級。研究人員通過在石墨烯片上使用磷原子取代部分碳原子， 首次實(shí)現(xiàn)電子手段操縱石墨烯上的不同摻雜原子。這一發(fā)現(xiàn)最終有望用于制造量子計(jì)算設(shè)備或傳感器，開啟一個“原子工程”的新時代。

5.通用電氣公司驗(yàn)證用于增材制造的量子安全區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)

2019年5月，美國通用電氣公司開發(fā)出用于增材制造的區(qū)塊鏈交易平臺。該平臺采用具有高度加密通信的數(shù)據(jù)集成工具，并通過量子通信通道和超快量子密鑰分發(fā)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的量子安全網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中， 與設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、組件及人員相關(guān)的每個身份都可自動進(jìn)行快速驗(yàn)證、認(rèn)證、記錄和管理， 具有最大程度的數(shù)據(jù)完整性和保障。在增材制造生產(chǎn)中，能夠?yàn)閺脑牧戏勰┑匠善妨悴考臄?shù)字傳輸提供安全保障，滿足國防行業(yè)需求。

6.飛秒投影雙光子光刻使納米3D打印速度提升千倍

2019年10月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在《科學(xué)》雜志發(fā)文稱，開發(fā)出名為“飛秒投影雙光子光刻”的可擴(kuò)展納米/亞微米增材制造技術(shù)，通過對超快激光同時進(jìn)行時、空聚焦，實(shí)現(xiàn)了基于投影的具有亞微米分辨率的任意復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的逐層并行打印。與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)串行逐點(diǎn)寫入的雙光子光刻技術(shù)相比，新技術(shù)在不降低分辨的情況下，將生產(chǎn)速率提高3~4個數(shù)量級，推動雙光子光刻技術(shù)在機(jī)械和光學(xué)超材料、微光學(xué)元件、柔性電子器件等微納米結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用。

7. Orbex制造出全球最大的增材制造整體成形金屬火箭發(fā)動機(jī)

2019年2月，英國Orbex公司宣布，采用SLM Solutions公司激光選區(qū)熔化（SLM） 設(shè)備，制造出小型火箭用發(fā)動機(jī)，所配火箭有效載荷150～200千克，飛行高度1250千米。Orbex公司稱該發(fā)動機(jī)采用鎳合金材料，為全球最大的增材制造整體成形金屬火箭發(fā)動機(jī)， 由于沒有焊縫和接頭，結(jié)構(gòu)重量減輕了30%， 可承受極端的溫度和壓力波動變化。與傳統(tǒng)的數(shù)控加工相比，制造時間縮短90%，成本節(jié)省50%以上。

8.美軍采用超高強(qiáng)鋼粉末激光選區(qū)熔化制成坦克發(fā)動機(jī)葉輪風(fēng)扇

2019年2月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室披露， 將最初由空軍開發(fā)的用于碉堡克星炸彈的AF96合金鋼改制成粉末形式，利用激光選區(qū)熔化工藝成功打印出艾布拉姆斯M1主戰(zhàn)坦克渦輪發(fā)動機(jī)的葉輪風(fēng)扇，并已交付使用。用于打印的AF96合金材料比商業(yè)上可獲得的材料強(qiáng)度高約50%，在地面車輛零件維修更換方面應(yīng)用前景廣闊。

9.下一代陶瓷裝甲功能梯度材料增材制造技術(shù)取得突破

2019年12月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)合作研制出具有多材料、在線混合能力的直寫成型系統(tǒng)，并將其與Lulz Bot Taz 6商用桌面3D打印機(jī)集成，采用成分為高固體負(fù)載陶瓷顆粒懸浮液的打印油墨，成功制備了具有層狀和梯度結(jié)構(gòu)的碳化硅和碳化硼復(fù)合材料。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)材料精確輸送，改善基于注射器的直寫成型系統(tǒng)的啟動/停止響應(yīng)，并具備獨(dú)特的在線混合能力，能夠形成梯度組分，為研究功能設(shè)計(jì)對復(fù)合陶瓷裝甲彈道性能的影響提供了重要途徑。

10. NASA大型帶內(nèi)筋薄殼承力件旋壓成形工藝實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用

2019年9月，NASA宣布“內(nèi)表縱向加強(qiáng)大型筒形件整體成形工藝”項(xiàng)目正式結(jié)束， 技術(shù)成熟度達(dá)到工程化應(yīng)用水平。該項(xiàng)目始于2011年，以“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運(yùn)載火箭低溫推進(jìn)劑貯箱為應(yīng)用目標(biāo)，突破了帶內(nèi)加強(qiáng)筋筒形件旋壓/滾壓組合成形工藝，并完成直徑3米筒形件結(jié)構(gòu)測試。相比機(jī)械加工配合焊接拼裝的多工序傳統(tǒng)工藝，新工藝實(shí)現(xiàn)成品減重5%～10%，制造周期縮短60%，材料浪費(fèi)從90%降低到5%，成本減少50%，可用于運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈殼體、飛機(jī)機(jī)身制造。

11.超快激光焊接陶瓷技術(shù)獲重大突破

2019年8月， 美國加州大學(xué)宣布受DARPA資助研發(fā)出陶瓷超快激光焊接新技術(shù)。該技術(shù)可在室溫條件下實(shí)施，所用激光功率低于50瓦，焊接時間短，能量消耗少，比目前常用的需在爐內(nèi)加熱部件的陶瓷焊接技術(shù)更加實(shí)用。通過將能量集中在目標(biāo)區(qū)域，避免了陶瓷部件中溫度梯度的產(chǎn)生，解決了陶瓷熔化溫度高以及承受極端溫度梯度而造成破裂的焊接難題。采用標(biāo)準(zhǔn)測試方法對陶瓷焊接組件進(jìn)行真空測試，結(jié)果表明，組件滿足軍用電子器件等封裝標(biāo)準(zhǔn)。

12.德國開發(fā)出新型船用鋼-鋁激光焊接工藝

2019年5月，德國漢諾威激光中心牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出鋼-鋁激光焊接工藝，可快速靈活地制備不同厚度混合接頭，從而替代昂貴且復(fù)雜的爆炸噴涂工藝，可用于船體上層結(jié)構(gòu)建造。該技術(shù)利用發(fā)射光譜與短相干干涉測量實(shí)現(xiàn)工藝控制，通過可調(diào)的激光束功率主動控制焊接深度，保證焊縫質(zhì)量。在靜態(tài)載荷下進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，激光焊接接頭的強(qiáng)度與爆炸噴涂工藝相當(dāng)，激光焊接鋁合金的屈服強(qiáng)度提高了52%。

13.美國Spirit公司開發(fā)新型復(fù)合材料成型技術(shù)制造下一代機(jī)身

2019年6月，美國Spirit航空系統(tǒng)公司在巴黎航展上推出下一代高容量單通道機(jī)身復(fù)合材料制造技術(shù)，以及利用該技術(shù)制造出的名為“先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)與革命性結(jié)構(gòu)”的機(jī)身壁板樣件， 尺寸為5.5米×3.7米。該樣件采用蒙皮桁梁一體化設(shè)計(jì)和熱壓罐固化預(yù)浸料工藝制造，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)身結(jié)構(gòu)桁梁和蒙皮性能不連續(xù)的問題，為滿足下一代單通道飛機(jī)機(jī)身生產(chǎn)降本、提速等要求奠定重要基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和制造工藝相比，采用新結(jié)構(gòu)和新工藝使制造成本降低30%。

14.歐盟資助研發(fā)金屬與復(fù)合材料連接新工藝

在歐盟“地平線2020”計(jì)劃支持下，弗勞恩霍夫研究所牽頭實(shí)施“ComMunion”項(xiàng)目， 開發(fā)金屬與復(fù)合材料連接新技術(shù)，用于制造主體由鋼材制成并采用纖維增強(qiáng)塑料進(jìn)行局部功能強(qiáng)化的復(fù)合零件，以滿足航空航天等領(lǐng)域?qū)p重、節(jié)能的需求。新型混合材料連接工藝采用激光毛化和激光輔助鋪帶組合工藝，屬于機(jī)械連接，局部精確加熱可減少變形和殘余應(yīng)力， 且無需額外的后處理或粘結(jié)劑，尤其適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

15.移動機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)大型航空航天零部件精密加工

2019年6月，西門子公司與德國弗勞思霍夫制造技術(shù)與先進(jìn)材料研究所開發(fā)出可在工件周圍自由移動進(jìn)行機(jī)械加工的機(jī)器人，以解決航空航天大型零件精密加工設(shè)備專用、加工工位轉(zhuǎn)移費(fèi)時費(fèi)力等問題。作為移動加工機(jī)器人基礎(chǔ)平臺的自動導(dǎo)引車重6噸，具有足夠的剛性來穩(wěn)定執(zhí)行精密加工，加工平臺的6軸機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)精密驅(qū)動和相對位移精密測量。該移動機(jī)器人加工的零部件質(zhì)量一致性高，同時運(yùn)行兩個機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)時間減少30％以上。

16.美國陸軍大力推進(jìn)冷噴涂技術(shù)研發(fā)應(yīng)用

冷噴涂技術(shù)因具有涂層厚度不受限制、可與基體形成固相連接、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，受到美陸軍高度重視。2019年，美國陸軍大力推動冷噴涂技術(shù)在裝備制造和維修中的研發(fā)應(yīng)用， 取得重要突破。為提高戰(zhàn)備能力，美國陸軍圍繞戰(zhàn)場金屬冷噴涂、聚合物基復(fù)合材料構(gòu)件冷噴涂等現(xiàn)代化重點(diǎn)需求資助近4000萬美元開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。8月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和地面車輛系統(tǒng)中心聯(lián)合開發(fā)冷噴涂工藝并成功用于M2“布雷德利”戰(zhàn)車炮塔炮座修復(fù)，大幅降低維修成本，提高了系統(tǒng)可用性。

17.美國發(fā)明“原子裝甲”涂層，強(qiáng)度為鋼材200倍

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出名為“原子裝甲”的超薄二維晶體涂層。該涂層由石墨烯和六方氮化硼等組成，厚度僅為單層原子厚，強(qiáng)度比鋼材高200倍，具有極低滲透性和極高化學(xué)穩(wěn)定性，能夠阻隔顆粒與氣體，且不與待保護(hù)表面發(fā)生反應(yīng)。優(yōu)異的透明性和導(dǎo)電性使該涂層可用于夜視鏡、集成電路、光電器件等環(huán)境敏感設(shè)備防護(hù)，有效延長使用壽命而不影響設(shè)備性能。未來將“原子裝甲”與油漆混合，還可以保護(hù)飛機(jī)、船舶上的零件免受腐蝕。

18.新工藝實(shí)現(xiàn)世界首個超大規(guī)模全碳納米管CMOS芯片制備

2019年8月，在DARPA“電子復(fù)興計(jì)劃”支持下，美國麻省理工學(xué)院采用多層垂直堆疊結(jié)構(gòu)和全新碳納米管工藝，制造出世界首個超大規(guī)模全碳納米管互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）微處理器芯片。MIT提出了選擇性機(jī)械剝離、金屬界面工程結(jié)合靜電摻雜等多項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，解決了芯片制造缺陷和質(zhì)量一致性問題。新工藝簡單可行，與主流硅基CMOS技術(shù)完全兼容，為實(shí)用化全碳納米管CMOS微處理器批產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

19.新型激光加工工藝大幅提升二維半導(dǎo)體材料光學(xué)效率

2019年4月，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出新型激光加工工藝，通過鈍化單層二硫化鉬（MoS2）材料的缺陷，使材料光致發(fā)光強(qiáng)度提高200倍。新型激光加工工藝?yán)眉す庹丈湎滤肿雍桶雽?dǎo)體材料的光催化反應(yīng)機(jī)理來鈍化硫空位，具有效率高、效果穩(wěn)定、工藝條件簡單和精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了二維半導(dǎo)體材料光學(xué)效率的大幅提升，為推動光學(xué)傳感器、納米激光器、光電探測器、柔性電子器件等新型光電器件發(fā)展開辟了新的途徑，有望促進(jìn)光電器件的小型化和高效化。

20.單芯片多傳感器MEMS器件制備工藝取得突破

2018年12月， 在美國國家科學(xué)基金會支持下，美國盈感公司僅采用單一互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平面工藝平臺就制備出單芯片多傳感器微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），大幅簡化了集成傳感器制備流程，解決了傳統(tǒng)組合型集成傳感器制造通常需要COMS和硅基MEMS兩個工藝平臺，工藝復(fù)雜、制造成本高、研制周期長、且器件整體尺寸較大的問題，為多個傳感器與信號處理器一體化制備提供了全新思路。