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    國外相關機構的航天未來發展技術預見工作

    時間:2015-12-12 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:4439字
    標題

      技術預見是各國航天普遍采用的一種戰略管理工具。技術預見以滿足航天未來發展為目標,確定優先發展的若干關鍵技術,對推動航天科技乃至整個社會的科技發展都具有重要的戰略意義。技術預見使得"把錢花到刀刃上",也是航天產業發展的新動力。國外航天未來發展的技術預見方法,較多采用了德爾菲法、技術路線圖法、專家咨詢法、頭腦風暴法、關鍵技術選擇法等,也采用了諸如情景分析法、文獻計量法、專利分析法、實地考察法等,是對多種方法的綜合集成有效運用。

      本文梳理了國外相關機構(美國航空航天局、蘭德公司、歐空局、歐洲宇航與防務工業協會航天分會、加拿大航天局、高校等)開展的航天未來發展技術預見工作,以期為我國航天以及我國工程科技各領域未來發展技術預見的組織實施提供參考。

      一、美國航天未來發展技術預見的實施

      1.NASA航天未來發展技術預見

      (1)NASA制定技術路線圖,確定未來高優先級發展的技術

      2011年2月NASA委托國家研究委員會(NRC)開展14個技術領域路線圖的優先級評價,采用德爾菲法、專家會議法、質量功能展開方法,篩選出未來5年應重點關注的最高優先級的16項技術。NASA技術路線圖開發工作的總流程包括7大步驟(見圖1):1)搜集NASA4個任務委員會(MD)和所屬各個中心的輸入信息,作為技術領域選擇的依據。2)組織機構設計,成立技術領域組。3)統一各個技術領域組的研究方法。4)根據以往的技術路線圖和步驟1收集到的輸入信息,形成技術領域路線圖的起點。5)制定各技術領域路線圖草案。6)開展技術路線圖草案的內外部評審。內部評審主要由NASA的總師辦公室組織實施,外部評審主要委托NRC進行。7)技術路線圖修改、集成和優先級排序。

      

      現以第8個技術領域(TA08科學儀器、天文臺和傳感器系統)為例,說明制定具體的技術路線圖的4個步驟。1)實施科學任務委員會(SMD)的需求評估,制定SMD每個研究領域完成未來航天任務所需的技術列表。2)將識別的技術需求進行整合分類,形成技術領域的分解結構(TABS),TA08分解為3個子類,4個層次。3)形成對TABS各元素未來20年的技術發展路線圖。圖2顯示了TA08的TABS中8.2觀測技術的技術路線圖。最上邊是計劃的航天任務及可能發射日期,下邊對應于8.2的各個元素,水平藍實線代表技術受到資助的時期,三角形代表主要里程碑,通過垂直紅實線連接起來指向特定任務的三角形表示在該時點必須達到TRL6級,以確保從研究階段轉向實施階段,菱形代表決策點。4)對TA08與其他技術領域和政府機構的需求之間的相互關系進行研究。結果顯示具有雙向的技術流動關系。

      (2)NASA 采用"架構驅動的技術開發評估方法"確定面向未來載人航天任務的關鍵技術。

      NASA成立了載人航天架構團隊(HAT),主要確定未來月球和火星探測所需的技術和能力。HAT采用了"架構驅動的技術開發評估方法",獲得了開展未來低地軌道以遠載人空間探索任務的關鍵技術清單。HAT對每個任務要素(航天器、運載、宇航服等)進行概念設計,形成技術列表,并提交給HAT中的總體團隊、各系統單元團隊和探索目的地團隊,要求各團隊對每項技術進行評審。如果3個團隊就某項技術達成一致意見,認為必不可少,就加入到關鍵技術清單中。對每項技術建立起技術與系統單元、任務和目的地的映射關系。

      "D"表示必不可少,需求牽引;"X"表示是有益的,技術推動。應用該方法,HAT識別出了60項由任務需求牽引出來的關鍵技術,以及另5項提升經濟可承受性的共性技術。

      2.喬治亞理工學院航天系統設計實驗室開發的"戰略計劃和優先項程序"及計算器喬治亞理工學院航天系統設計實驗室開發的"戰略計劃和優先項程序"(SP2)及計算器,是一種幫助制定未來技術組合戰略計劃的方法和工具。該方法是基于專家的決策分析工具,已運用在美國航天多個機構的技術優先項工作中。

      SP2是一個從目標愿景到技術路線圖的過程。首先建立目標愿景,然后分解到項目/技術層次,通過情景分析進行優先級排序,借助SP2計算器,制定戰略路線圖,建立項目/技術組合。SP2是一個結構化的方法,包含9大步驟:1)確定計劃范圍;2)建立組織目標;3)將目標分解到適宜水平;4)不同場景下對目標進行優先級排序;5)建立性能與目標的映射關系;6)引出支持目標的項目;7)建立技術與性能的映射關系;8)將信息導入到決策支持工具中;9)建立戰略計劃。

      二、歐洲航天未來發展技術預見的實施

      1.歐洲宇航與防務工業協會航天分會采用技術路線圖方法制定航天研發技術優先項2012年,歐洲宇航與防務工業協會航天分會(ASD-Eurospace)發布了《研發技術優先項2012》,從全球航天未來發展的趨勢出發,結合歐洲航天計劃和政策的相關需求,研究了航天未來研發技術的重點,并制定了技術發展路線圖。這項研究分別于2004年、2008年和2012年發布了3次研究成果。該研究將航天技術分為衛星應用、科學任務和多目標多用途技術3大領域,每類技術領域下包含若干子領域,子領域下包含若干技術,并對每類技術從2012到2020年規劃了技術成熟的時間表。

      2.蘭德公司采用快速證據評估方法為英國防部選擇未來技術2013年,英國防部委托蘭德公司(歐洲分部)開展一項關于英國未來國防技術發展的研究,目的是識別可能塑造英國未來國防技術能力的技術研發投資領域。蘭德公司使用了"快速證據評估方法"(REA)。REA是一種廣泛應用于社科領域的研究方法,核心是以一種結構化的視角對相關的文獻資料進行細致、透明、有效和可重復的篩選分析。研究圍繞兩個問題展開:技術趨勢是什么,英國到2035年國防技術領域的使能因素是什么。
    REA程序包括了7個步驟:1)確定搜索源并識別搜索項。2)實施初始搜索并建立參考文獻數據庫。3)對標題和摘要去除冗余項。4)對所有篩選出來的文獻全文進行閱讀并建立數據抽取模板。5)手工搜索文獻。6)內部研討。7)最終報告編寫。

      蘭德使用REA程序識別出了英國未來16個關鍵國防技術領域:納米技術、雷達技術、賽博技術、新材料、無人系統、混合及替代能源技術、光電系統技術、仿真技術、3D打印、人機界面、發動機、電子監控、定向能武器、地理空間情報、精確打擊、動能武器等。

      3.歐洲科學基金會為歐空局開展航天技術預見項目2009年歐洲科學基金會(ESF)為歐空局實施一項技術預見研究項目"TECHBREAK",目標是預測2030~2050年驅動歐洲創新型航天任務的重大技術突破。2014年ESF發布了項目研究報告。通過項目定義、召開專題論壇、一對一專家訪談3個階段,為歐空局識別出未來可推動航天領域發展的非航天技術。

      (1)第一階段:項目定義階段,確定關鍵使能技術的8個主要領域、確定技術評價方法a)提出關鍵使能技術(KET)的概念。b)收集以往相關項目的研究成果并開展項目訪談。項目組收集了歐洲航天政策研究所"關鍵使能技術與開放創新"項目成果和歐空局先進概念團隊"技術創新的初步研究"項目成果。面向歐空局專家組織了關于突破性技術以及歐空局技術開發項目的訪談。c)通過以往對關鍵使能技術的分類,以及前期研究中識別的一些關鍵技術等研究成果,結合專家訪談,項目組確定了關鍵使能技術的8個主要領域:微納電子、光子、先進材料、生物技術、納米技術、機器人、仿生技術、能源與動力。d)確定技術評價方法和標準,主要考慮3個要素:被評估技術當前的技術成熟度、技術取得突破所需時間、技術領域的研究規模。項目組對不同技術的評估使用了一個簡化版的技術成熟度評價方法(表3)。技術取得突破所需的時間分三檔:短期(5年)、中期(5~10年)、長期(10年以上)。技術領域的大小分3類(表4)。

      (2)第二階段:召開專題論壇,提出了5個主導驅動因素項目組織了5次專題論壇,關鍵使能技術各領域專家參與,提出了歐洲航天技術預見的5個主導驅動因素(降低質量的同時保持硬度、建造/實施能夠運行50年的航天器/航天任務、在太空部署直徑大于30米的望遠鏡、行星地理物理環境自主式探測、使人在太空停留超過2年的時間如火星任務)。這些主導驅動因素代表了需要提升技術以取得能力突破的領域。每個因素又細分為若干個問題域及解決方案。

      (3)第三階段:一對一專家訪談,得到對航天重要且較為熱門的技術領域項目組對歐洲頂尖的20位專家進行一對一訪談,在訪談中使用了主導驅動因素的概念。通過專家訪談,可建立起主導驅動因素細分的若干個問題域及解決方案與關鍵使能技術的細分領域間的映射關系。以納米技術為例說明(見表5)。

      根據對所有關鍵使能技術分析后紅色區域代表的熱門技術領域的匯總,可以得到對航天重要且目前較為熱門的技術領域。

      三、加拿大航天未來發展技術預見的實施

      加拿大航天局開展的"航天技術開發計劃",目標是指導和支持戰略航天使能技術的研究開發。加航天局認為實現目標最關鍵的要素是技術規劃,技術規劃最具挑戰性的一項工作就是確定技術開發的優先順序,較有效的方法是最終狀態法和技術路線圖法。

      1.最終狀態法

      最終狀態法通過7個步驟來識別技術需求:1)描述技術的初始狀態特征(現狀);2)識別任務架構的基線方案和備選方案;3)描述技術的最終狀態特征(期望的航天任務性能和功能需求);4)定義功能流程圖;5)對本質上相似的功能進行合并;6)將最終狀態的需求分配給各功能;7)導出技術需求。

      該方法具有突出的優勢:技術開發需求與最終狀態目標關聯,通過分析初始狀態,建立起由問題到解決方案的可追溯的路徑,使技術開發只在現有技術不能滿足需求或成本太高的領域中實施。

      2.技術路線圖方法

      (1) 步驟1:評估航天活動的未來需求從終端用戶需求、到航天任務、系統、分系統、再到部件需求的流動過程應當使用標準的系統工程方法,并保存在任務數據基礎數據庫(MDB)中。所有的航天任務方案和產品構想都要經過一個篩選過程,這個篩選過程是基于對5項標準(戰略一致性、用戶需求、經濟可承受性、加拿大的能力、時間)進行評價加以確定,每項標準的打分從1到5不等。

      (2)步驟2:制定技術路線圖航天系統需要下列功能:從環境中獲取數據(傳感器)、對環境施加工作(力或機械)、與其他系統溝通(通信)、處理信息以便進行決策(情報)、基于數據開展航天應用(數據利用)、具有支持各種功能實施的平臺(平臺或航天器)、將各種功能集成到一個系統中(系統工程),這7個技術領域可用圖5的技術樹進行展現,在每個技術領域下,又可以定義產品域和其子域。當所有由第1步挑選出來的技術或產品都在技術樹中進行了識別和分類后,應用系統工程方法可將航天任務層面的功能和性能要求沿著整個供應鏈分配至技術樹中的相關元素。通過功能、性能和時間等方面對航天產品進行分類和定義,成為技術路線圖制定的最后的起點。

      (3)步驟3:確定必須要進行開發的關鍵技術確定步驟2定義的關鍵技術中哪些是必須要進行開發的。開展本步驟共有7個標準,包括國家安全需求、用戶需求、競爭力提升、應用性、時間、經濟可承受性、替代性。每個標準的得分從1到3不等。通過打分加以評價選擇。

      結束語

      技術預見是航天未來發展技術戰略管理的重要內容,是航天技術發展規劃制定、技術研發和投資等重大事項的決策支持手段。研究借鑒國外航天未來發展技術預見實施方法和流程,結合我國實際,進一步推動技術預見工作,是創新驅動建設航天強國的戰略選擇。

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