科学卫星引领颠覆性空间技术创新

近年来，颠覆性技术成为世界各国商业界、科技界和政府科技管理部门的高度重视的热点。该概念最早来自于1997年哈佛大学教授克莱顿·克里斯坦森(Clayton Christensen)的著作《创新者的窘境》。 在书中他将技术分为两类，一类是渐进性技术(Sustaining Technologies，或译为持续性技术)，另一类是颠覆性技术(Disruptive Technologies，或译为破坏性技术)。

颠覆性技术是指一种另辟蹊径、会对已有传统或主流技术产生颠覆性效果的技术，既可能是完全创新的新技术，也可能是基于现有技术的跨学科、跨领域的创新型应用。颠覆式创新有两大特征，一是不追求提高原有技术性能，二是进入新的技术曲线，通常更方便、更简单、更便宜。渐进性技术往往沿原有技术路径渐进式发展，期待不断提高原有技术的性能指标，因此会出现性能过度，随之导致技术过度复杂和造价昂贵。从产品角度来看，颠覆性技术往往是非主流的，刚出现的时候质量较差、位于边缘市场、面向边缘客户。

为了避免陷入被颠覆的境地，不少领域的科技管理者积极组织相关专家，希望通过文献分析法、技术定义法、问卷调查法、场景模拟法、技术路线图法等方法在早期识别出颠覆性技术，从而重点投入研发力量，以取得战略主动。但本文认为，颠覆性技术是不能被预测和识别的，上述方法只可能对渐进性技术有效，因为如果颠覆性技术能被预测或识别，它们也就不会产生“意外”的颠覆性效果了。

技术创新经常被误认为是纯粹的技术行为，误将技术进步看成技术创新的目的。现代技术创新理论(Technical Innovation Theory)[6]的提出者约瑟夫·熊彼特(Joseph A Schumpeter)认为，创新是“一种新的生产函数的建立”，把一种从来没有过的关于生产要素和生产条件的“新组合”引入生产体系[6]。因此，创新不是一个技术概念，创新不等于技术发明，创新也不等于技术进步，只有引入生产实际中的发明，并能对原有体系产生震荡效应才是创新。因此，需求牵引或拉动对技术创新具有特殊的意义和作用。需求的规模和结构的变化，直接影响技术创新的速度、规模、方向、内容和结构。颠覆性技术创新理论的提出者克里斯坦森也强调，技术本身无所谓颠覆性和渐进性，但是利用技术满足不同需求的方式，才具备颠覆性。

一.空间技术面临“创新者的窘境”

自1957年发射第一颗人造地球卫星以来，空间技术日新月异，深刻地改变着世界的面貌和人类的生活方式，但有很多空间技术面临着“创新者的窘境”，即造价昂贵、过度追求性能和质量指标、忽视客户需求，只能沿着原有技术曲线渐进发展，随时有被颠覆的危险。

首先，空间技术倾向于忽视市场和经济因素。孕育于二战后期、诞生于冷战初期，人类空间活动总是与国家战略竞争、维护国家安全、彰显大国地位、激发民族情感紧密联系，因此当时美苏等超级大国对空间项目不惜成本进行大规模投入。例如，在阿波罗计划实施的关键时期的1964～1966年，美国国家航空航天局(NASA)的经费占美国整个联邦预算的4%、非国防机动开支的19%。

虽然因涉及国家战略竞争，空间技术不能简单地用经济效益来衡量，但这并不代表着任何国家和政府可以不考虑投入产出比和经济效益、社会效益。投资天然追求回报，不论国家资本还是社会资本都是一样的。

传统空间技术研发承包商为争取更多国家订单，更强调空间技术的国家安全特性而回避市场评价，也逐渐忽略了低端市场、非主流市场对空间技术的需求。需要说明的是，本文认为空间技术的“低端”应理解为航天工程(抗辐射、温度、结构强度等)质量等级低、技术成熟度(TRL)低，而不仅是性能指标低。

由于空间技术研发相对封闭，市场竞争不充分，空间技术从概念提出，经过研发形成产品，再到客户应用的闭环较长，甚至不能完成链条的闭环。因此，通常纵向的国家客户经常抱怨：技术指标都达到了，但是并不是我们想要的，或者没有我们想要的能力。空间技术的发展不可避免的侧重于目标导向，就技术谈技术，只能在原有技术路径上不断提高性能指标，成为名副其实的渐进性技术等。

由于航天活动面临巨大风险，航天器及其仪器设备在轨基本不可维修，空间技术天然追求可靠、安全与成功，对失败的容忍度很低，而不能容忍失败是无法创新的。因此，航天器天然倾向于采用成熟技术，一些新奇的、质量等级还不高的技术很难被采用，甚至没有机会去试验，而在它们之中，很可能就孕育着未来的颠覆性技术。

以高速发展的电子信息技术为例，航天器上的处理器性能远低于市场上的商用产品，甚至落后一代到几代。同时，空间技术产品常常出现“过设计”的情况，空间技术也因此变得更加复杂、更加昂贵。再有，由于质量等级和成熟度的限制，商用技术、通用技术以及其他领域的技术，应用到空间领域将遇到非常大的障碍，同时需要相当长的时间。

近年来，以美国为代表的航天强国，开始大力扶持和发展商业航天，这除了资金投入结构调整和经费投入总量的要求之外，在市场经济下需求的强大牵引也是技术创新的源泉。例如，在传统老牌航天企业成本居高不下且不断增长的情况下，SpaceX经过多次试验失败，目前已经以极低价格成功实现了一级火箭的可回收技术，彻底颠覆了运载火箭的业态，其创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)也成为全球追捧的技术创新英雄。显然，可回收火箭技术不是从技术本身出发规划出来的，而是市场与客户对降低价格的强烈需求牵引出来，是名副其实的颠覆性技术。

当前，对航天领域的颠覆性技术存在很多错误认识，往往将颠覆性技术混同于新兴技术、前沿技术、高技术，甚至核心技术、关键技术、共性技术等，直观地认为技术性能上更高、更精、更准、更宽、更强、更可靠……的技术就是颠覆性技术。而实际上，颠覆性技术一定是能够更好地满足用户需求的技术，这不仅包括国家安全、军事航天任务的需求，也包括空间科学探测与科学实验的需求。

二.科学卫星牵引空间技术创新

应用卫星致力于服务地球上的经济社会发展和人们的生产生活，因此通常“向下”观测地球。随着应用卫星成系列、成批次地部署和在轨运行，以及数十年以来的改型升级与更新换代，相关的空间技术已日臻成熟，在技术发展上主要关注功能的延展、性能的提高、业务服务的稳定与可靠。因此，与之相关的很多空间技术已经成为渐进性技术。

科学卫星是在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间探测研究的物理、天文、化学及生命等自然现象及其规律的航天器(卫星)。科学卫星对空间技术的需求是新奇而独特的。科学卫星和深空探测器往往“向上”面向浩瀚的宇宙，通过探测黑洞、暗物质、暗能量、引力波，深化对宇宙演化、生命起源、物质结构等基本科学规律的认知；通过探索月球、火星、小行星、彗星甚至飞向太阳系边缘等，不断拓展人类在宇宙中的存在和活动范围；还通过宇宙空间的特殊环境开展科学实验，验证基本物理规律。例如，2016年发射的我国量子科学实验卫星“墨子”号，就是利用超大尺度开展天地之间的量子力学完备性检验。

自从2016年2月激光干涉引力波天文台(LIGO)实验组宣布在地面直接观测到了引力波之后，在空间探测低频段引力波成为国际科学界关注的新热点。以欧洲空间局(ESA)主导的空间引力波探测计划-激光干涉空间天线(LISA)计划为例，为了实现对低频引力波的探测，位于等边三角形定点上的3个航天器将在宇宙空间开展几百万公里的激光弱光锁相干涉。这一目标对稳频锁相的大功率激光器、激光干涉系统、无拖曵技术控制的高精度光学平台、超低重力水平的惯性传感器都提出了极高的要求，要求控制各种出引力波外的非保守力以分辨出引力波引起的皮米(10-12m)量级的极微小变化，该测量精度是当前人类测量能力的极限。上述这些需求是应用卫星不可能提出的，由此形成的对现有技术的巨大挑战，必将激发技术人员不断转变思路，实现创新。而技术创新的过程，将对现有空间激光干涉技术、惯性传感技术、无拖曳控制技术以及超精密加工与制造技术产生颠覆效应。

除了欧洲空间局以预研多年并完成了探路者(pathfinder)在轨技术验证的LISA计划，我国科学家也提出了在空间探测引力波的科学卫星计划方案。

再以美国上世纪九十年代发射的哈勃空间望远镜(HST)为例，由其带动发展起来的超精密镜面光学加工、电荷耦合器件(CCD)成像、波前像差和热电制冷等技术，推动了空间望远镜技术的革命。在哈勃空间望远镜之后，康普顿(Compton)伽马射线天文台、钱德拉(Chandra)X射线望远镜、XMM牛顿天文望远镜、雨燕(Swift)天文卫星、斯必泽(Spizter)红外空间望远镜、赫歇尔(Herschel)红外空间天文台、普朗克(Planck)空间天文台、费米(Fermi)天文卫星等空间望远镜先后发射并投入使用，为人类带来了无可比拟的基础科学发现和重大科学成果，也为近三十年的空间望远镜技术创新提供了前所未有的机遇。

科学发现“只有第一，没有第二”，而且科学卫星不会像气象卫星、通信卫星等应用卫星那样成批次部署，因此每一颗科学卫星都不相同。要实现这些前所未有的、不重复的科学探测和实验，不仅要采用新技术，而且必须采用全新的思路和巧妙的方案，有时候还要将某些原先与空间不相关的技术应用到科学卫星的研发中，通过孵育(spin-in)形成新的空间技术。虽然这些技术往往在刚开始的时候达不到空间飞行的航天工程质量等级的要求，其技术成熟度也较低，但是这正是颠覆性技术的特点，不需要因此而拒绝它。在产生颠覆效应之后，“低端”的颠覆性技术就会沿着技术曲线渐进性发展，逐步提高到达到要求的质量和成熟度等级。

科学卫星牵引带动的空间技术，不仅在传统空间技术领域带来了颠覆式效应，而且也可以反过来，将空间技术转移转化(spin-off)到经济社会发展和人们日常生活的方方面面，能够产生巨大“溢出效应”。

仍以哈勃空间望远镜为例，其海量数天文据处理技术被私营公司改进后，应用到了人类基因组测序研究中取得了巨大成功；其镜面技术用来研制更加精细的集成电路芯片；磨制镜片的工具用来磨制更加锋利的冰刀，以帮助美国运动员在冬奥会上取得金牌；星图(star-mapping)算法用来跟踪定位地球上鲸鲨等濒危动物；高灵敏度的CCD技术还用来对病人胸部组织进行更加安全和疼痛更小的活检；哈勃空间望远镜的太空修复技术也开创了虚拟现实技术的大发展。

科学卫星更能容忍失败，这也是牵引颠覆性技术创新的重要条件。承担国防与军事任务的卫星，提供通信、导航、气象预报等服务的应用卫星，以及载人航天飞行等，都对空间技术的可靠性、安全性、可用性有着极其苛刻的要求，而深空探测和科学卫星则因其目标不具有直接用途，同时具有探索性和不确定性的特点，能够在相当程度上接受故障甚至失败。这就为新技术、技术引入科学卫星研发提供了便利，更保留了颠覆性技术创新的火苗。

科学卫星因致力于基础科学研究，相对比较“中性”，能够在很大程度上向社会和公众开放。一方面适宜对外开展国际合作，另一方面可以对内在更广范围内选择承研单位。科学卫星的开放特性有利于在市场上提供其他技术服务和产品的承包商，将各种商用技术、通用技术应用到科学卫星上，形成创新；同时也有利于将科学卫星培育的技术转移转化回到市场中，形成闭环。哈勃空间望远镜的技术承包商既包括加州理工学院喷射推进实验室(JPL)、戈达德太空飞行中心(GFSC)这些国家科研机构，也包括研究型大学诸如威斯康星大学、科罗拉多州立大学等，还有大量的私营公司和商业企业，例如博尔航空航天科技公司、柏京艾尔摩公司等。

科学卫星牵引空间技术创新，也是实现军民融合的理想方式。技术在得到广泛应用和不断转移转化的演化过程中，才能形成真正的创新。单纯地将空间技术转化到商用市场和民用领域的“军转民”是军民融合的初级阶段，而由科学卫星牵引带动空间技术是高度“军民一体化”的。例如，哈勃空间望远镜的主要承包商之一的洛克希德马丁公司，同时也在为美国军方制造KH-11锁眼侦察卫星，通常认为这种卫星的形状和主镜大小及相关技术都与哈勃空间望远镜极为相似。而反过来，美国国家侦察局曾于2011年将2架侦察望远镜和包括一个主反射镜及其他部件，赠予美国国家航空航天局(NASA)。NASA以这些侦查望远镜为基础，建造探索暗能量和暗物质、寻找系外宜居行星的科学卫星“宽视场红外巡天望远镜”(WFIRST)[17]。这体现了科学卫星在促进技术要素充分流动、广泛应用、转移转化、产生效果、形成创新这一过程中的关键作用。

三.我国科学卫星发展及带动空间技术创新情况

2011年以来，中科院部署空间科学先导专项，成系列地部署实施科学卫星任务。2015～2017年系列科学卫星成功发射，在轨运行取得的了重大科学发现。其中，暗物质粒子探测卫星“悟空”、量子科学实验卫星“墨子”等科学卫星在Nature和Science等国际顶级学术期刊上发表，获得了国际科学界高度评价和持续关注，极大提升了我国空间科学在国内外的影响力。

在取得重大科学成果的同时，除了专用有效载荷技术以外，科学卫星也带动了传统卫星平台空间技术的创新。例如，暗物质粒子探测卫星“悟空”设计实现了以有效载荷为中心的一体化的卫星平台，整星质量为1 850 kg，有效载荷质量高达1 400 kg，以高承载比、高效率、低成本的特点，颠覆了有效载荷“搭车”卫星平台的传统空间技术；量子科学实验卫星“墨子”号，为了满足天地之间进行量子科学实验的需求，带动了高精度捕获跟踪瞄准(Acquisition Tracking Pointing,ATP)技术，星地之间的光路对准精度达到了1.2 μrad。

但是，由于当前我国科学卫星才刚刚起步，不仅科学卫星的数量很少，规模较小，而且多为中小型卫星，国家对科学卫星的投入尚不到民用航天总投入的10%，缺少大型或旗舰型的空间科学卫星计划。因此科学卫星对空间技术的牵引作用还不够显著，辐射和溢出效应还未充分显现。从直观上，大型科学卫星计划的科学意义和对空间技术的颠覆和驱动，也将是巨大的。

颠覆性空间技术发展要靠需求牵引。经过六十多年的发展，我国航天事业取得了辉煌的成就，空间技术和空间应用得到了长足的发展[25]。站在新的历史起点上，我国空间技术跨越发展需要新的驱动力。科学卫星作为我国航天器系列中新的成员，其独特而新奇的需求，对于颠覆性空间技术创新具有强烈的牵引作用；科学卫星比较能容忍失败，为低端和非主流的颠覆性空间技术提供了孕育生长的土壤；科学卫星所具有的天然开放的特性，也有助于技术引进和转移转化，有利于激活和闭环技术创新的链条，形成孕育颠覆性技术的生动环境与土壤。

当前，我国科学卫星的数量、规模、水平和能力都与世界航天强国存在较大差距。科学卫星的数量、规模还很小，投入科学卫星的经费也在民用航天总经费中所占比例较低；同时，还缺少大型空间科学卫星。近年来，包括我国在内的多个国家都正在论证空间探测引力波的科学卫星计划，并已开展了核心关键技术攻关和试验。无论对欧洲、美国还是我国来说，空间引力波探测显然是旗舰型的大型空间科学卫星计划。可以预期，通过实施空间引力波探测，必将在强化我国基础研究的同时，牵引大量的颠覆性空间技术创新。

此次专刊聚焦空间引力波探测所需的核心关键技术刊登了11篇文章，是相关领域研究人员对该项技术研究和试验工作的进展总结，涉及惯性传感器技术、无拖曳控制技术(检验质量技术、亚微牛级推力测量系统)、激光干涉测量技术(激光指向调控方案、全玻璃光纤耦合器)、绝对距离测量及通信技术、卫星入轨误差分析以及极端质量比旋进系统高精度重校准引力波建模等，相信能为空间引力波测量领域的技术研究工作提供有益的借鉴和重要的参考。