于曉樂,張逸群,譚惠豐

(1.中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安710100；2.西安電子科技大學(xué)電子裝備結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室,西安710071；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所,哈爾濱150001)

1 引言

為了滿足多種航天任務(wù)的需求,越來越多的航天工程中將會應(yīng)用到大型空間結(jié)構(gòu)。例如,隨著通信衛(wèi)星待處理信息量的不斷增大以及衛(wèi)星移動用戶終端不斷輕質(zhì)化與便攜化的發(fā)展趨勢,必須增大衛(wèi)星天線口徑來提高其傳輸帶寬與信號增益,導(dǎo)致未來空間天線的展開口徑將向百米量級發(fā)展。同時,未來空間太陽能電站等系統(tǒng)面對運載尺寸的限制,也必須在發(fā)射前進行折疊、收攏,入軌后再展開,方能實現(xiàn)預(yù)定功能[1]。

充氣展開技術(shù)是空間結(jié)構(gòu)展開的一種重要手段[2]。空間充氣展開結(jié)構(gòu)由柔性薄膜材料制成,入軌之后通過充氣的方式使這一薄膜結(jié)構(gòu)展開,達到預(yù)先設(shè)定的形狀并實現(xiàn)其基本功能。除了重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點之外,充氣展開技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于其它展開方式的收納比[3],因此國內(nèi)外學(xué)者針對這項技術(shù)在星載天線[4-6]、載人空間站[7-10]、空間飛行器減速與著陸[11-14]、空間太陽能電站[15]、太陽帆[16]等領(lǐng)域中的應(yīng)用開展了深入研究。

專利是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要載體,很多專利信息從未或不再在其他出版物發(fā)表。通過對專利信息的深入分析,有助于研究者掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢和技術(shù)發(fā)展趨勢,并對產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的未來發(fā)展進行預(yù)判[17-19]。關(guān)富玲[20]等采用文獻分析等方法對空間充氣展開技術(shù)的創(chuàng)新趨勢和關(guān)鍵技術(shù)進行了分析,但國內(nèi)外尚無通過專利分析方法對這項技術(shù)的創(chuàng)新趨勢進行研究的報道。因此本文從專利信息出發(fā),對空間充氣展開技術(shù)的專利申請年度分布、地域分布、核心申請人和主要應(yīng)用方向進行分析,以期為我國研究機構(gòu)和政府的研發(fā)投入提供對策和建議。

2 數(shù)據(jù)來源

采用充氣(inflatable、inflation、inflated)等關(guān)鍵詞與航天、宇航、衛(wèi)星、星載、空間站、空間飛行器(aerospace、 spacecraft、 space-borne、satellite、space station、spaceflight)等關(guān)鍵詞進行了組合,并結(jié)合B64G、H01Q等重點分類號設(shè)計了檢索式,利用incoPat商業(yè)專利數(shù)據(jù)庫[21]和中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索及分析系統(tǒng)[22]完成了專利信息檢索。

截至2017年12月31日,在全球范圍內(nèi)檢索出542件相關(guān)專利,同族合并(該概念詳見文獻[23])后得到388項。由于專利自申請之日起18個月后自行公布,因此2016年和2017年的申請數(shù)量僅供參考。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 年度申請趨勢

依據(jù)申請年度對388項專利進行了分析,總結(jié)出空間充氣展開技術(shù)的誕生期、低谷期、復(fù)蘇期和發(fā)展期等4個階段,如圖1所示。

圖1 專利年度申請趨勢Fig.1 Annual distribution of patent application

1959～1968年為該技術(shù)的誕生期,36項專利中的35項源于美國政府機構(gòu)和企業(yè),其中包括空間充氣展開技術(shù)的首項專利—“Self Supporting Space Vehicle(US2996212)”[24]。在這十年間美國宇航局[25]、固特異宇航公司[26]、貝爾實驗室[27]等機構(gòu)攻克了被動式充氣展開通信衛(wèi)星所需的材料、保型、熱控等關(guān)鍵技術(shù),并以專利的形式對這些技術(shù)進行了保護。這一時期美國還針對載人空間站[28]、空間飛行器減速[29]等技術(shù)申請了基礎(chǔ)專利。

隨著主動通信衛(wèi)星體制的興起,充氣展開技術(shù)的專利申請迎來了低谷期,1969～1984年的16年間僅有11項專利申請,且這11項專利主題較為分散。除了美國、德國的持續(xù)探索之外,法國企業(yè)也開始申請專利[30]。

1985～2000年間的專利申請整體呈現(xiàn)出了復(fù)蘇趨勢,各國累計申請71項專利。其特點包括：①美國、歐洲圍繞空間充氣展開天線申請了大量專利[31-32]；②美國宇航局基于運輸居住艙項目(TransHab)針對充氣式載人空間站請了基礎(chǔ)性專利[33]；③專利布局的分支拓展到了空間飛行器防護等領(lǐng)域[34]；④日本等國申請人的加入拓展了專利申請人的群體[35]。

2001年至今專利申請整體呈現(xiàn)了快速增長的態(tài)勢。在這一階段,美國宇航局因缺少資金支持取消了對TransHab計劃的投資[36],但以畢格羅公司為代表的商業(yè)航天企業(yè)獲得了美國政府的專利授權(quán)[37],開始積極進行技術(shù)開發(fā)和專利申請。從2005年開始,以哈爾濱工業(yè)大學(xué)[38]、西安電子科技大學(xué)[39]為代表的中國申請人,在十多年的時間內(nèi)使中國的專利申請量總量躍居世界第二,也推動了全球?qū)＠麛?shù)量的快速發(fā)展；隨著空間碎片對飛行器安全的影響和全球能源問題的緊張,專利申請的方向進一步拓展到了空間碎片主動清除[40]、空間太陽能電站[41]等領(lǐng)域。

3.2 專利申請地域

各國專利局的申請量對比結(jié)果如圖2所示。美國專利及商標局(UPSTO)和中國專利局的申請量位列第一和第二位,分別達到了186件和168件；日本特許廳、世界知識產(chǎn)權(quán)組織、歐洲專利局處于第二梯隊,專利申請量在30～40件范圍內(nèi)；德國專利局、法國專利局處于第三梯隊,專利申請量均為15件；其它國家專利局的申請量均少于10件。

根據(jù)圖2中各主要專利局的申請數(shù)量,對其申請人國別進行了分析,結(jié)果見表1。美國作為航天領(lǐng)域的第一強國,除了對國內(nèi)市場的重視之外,還將其專利家族布局在日本、歐洲和中國；法國雖然專利數(shù)量處于第三梯隊,但空客公司(包括其前身歐洲宇航防務(wù)集團)的布局意識較為強烈,其專利在主要專利局均進行了申請；日本企業(yè)除了在本國布局之外,日本電報電話公司還以JP4141122專利為基礎(chǔ)在美國和歐洲進行了布局；俄羅斯企業(yè)的專利布局限于本國,顯示了其航天產(chǎn)業(yè)近年來的衰落態(tài)勢；我國的專利申請量雖然高居世界第二,但在海外的申請量為零,未來的產(chǎn)品出口中存在風(fēng)險；英國和瑞士本土的研究機構(gòu)具有一定的研發(fā)能力。澳大利亞、加拿大、西班牙、巴西、希臘、以色列等國家的專利局雖有專利申請,但申請人均為外國籍,其本國的研究機構(gòu)并未就充氣展開技術(shù)申請專利。

圖2 各國專利局的申請分布Fig.2 Application distribution within main patent offices

表1 專利申請國別分析Table 1 Nationality analysis of assignees in different patent offices

3.3 主要申請人

圖3對主要申請人進行了排名分析。其中美國的研發(fā)機構(gòu)數(shù)量最多,既包括了美國宇航局、美國空軍等政府機構(gòu),還包括了洛克希德馬丁公司、波音、哈里斯大型軍工企業(yè)和畢格羅、ILC Dover等中小型企業(yè)；中國的哈爾濱工業(yè)大學(xué)位于榜單第一,上海衛(wèi)星工程研究所、北京空間飛行器總體設(shè)計部、中國空間技術(shù)研究院都位于榜單前列；日本電報電話公司和三菱重工進入了榜單前列；歐洲則只有空客公司(含合并之前的歐洲宇航防務(wù)集團的專利申請)進入榜單前列。

圖3 主要發(fā)明人的申請數(shù)量Fig.3 Quantity of application of main assignees

哈爾濱工業(yè)大學(xué)近年來異軍突起,在空間充氣展開領(lǐng)域申請了114項專利,名列全球第一,專利覆蓋了天線、太陽翼等相關(guān)產(chǎn)品領(lǐng)域；美國宇航局累計申請了35項專利,大多屬于核心專利,具有很高的參考價值；畢格羅公司在受讓美國宇航局技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分進行了專利信息的挖掘和技術(shù)開發(fā),圍繞充氣式載人空間站申請了22項專利；哈里斯公司的專利主要集中在天線領(lǐng)域,將充氣展開技術(shù)用于天線的支撐結(jié)構(gòu)而非反射體；日本電報電話公司的專利也集中在充氣展開天線產(chǎn)品中。

3.4 專利的技術(shù)領(lǐng)域和創(chuàng)新趨勢

對388項專利的應(yīng)用方向進行歸類和分析,以揭示其創(chuàng)新趨勢。83%的專利(322項)分布在星載天線、載人空間站、通用結(jié)構(gòu)、再入與降落技術(shù)、材料工藝與測試技術(shù)、碎片防護與清除等6個應(yīng)用方向,其余的66項專利則針對太陽翼、太陽能電站、太空望遠鏡、太陽帆等方向。

3.4.1 星載天線

星載天線是空間充氣展開技術(shù)專利申請最早且專利數(shù)量最多的應(yīng)用方向,占到了專利總數(shù)的22%(85項)。早期專利主要圍繞著被動式通信衛(wèi)星技術(shù),這種衛(wèi)星實質(zhì)上是一種空間反射面天線,可以認為“衛(wèi)星即天線、天線即衛(wèi)星”。美國宇航局、貝爾實驗室和固特異宇航公司的專利集中在天線在軌形狀保持、高可靠性、空間碎片防護等關(guān)鍵技術(shù)中。雖然這種技術(shù)很快被有源通信衛(wèi)星淘汰,但從專利引證等信息來看,這些早期專利后來在太空望遠鏡、空間太陽能電站等領(lǐng)域得到了充分的繼承和挖掘,為空間充氣展開技術(shù)的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ),因而具有重要的意義。

在經(jīng)歷了近20年的停滯之后,空間充氣展開天線的專利中出現(xiàn)了4個分支：

第一技術(shù)分支：支撐環(huán)和反射體均為充氣展開結(jié)構(gòu)。最早由美國L′garde公司[42]和瑞士Contraves公司[31]申請專利,相關(guān)產(chǎn)品通過美國宇航局的IAE實驗進行了在軌驗證。這種技術(shù)方案的問題在于難以長期保持反射體的形狀,從專利信息來看這一技術(shù)方案已經(jīng)被放棄。

第二技術(shù)分支：以充氣環(huán)作為網(wǎng)面天線的支撐結(jié)構(gòu)。最早由美國Astro Aerospace公司[43]申請專利,哈里斯公司[44]、諾格公司[45]、西安電子科技大學(xué)[39]、大連理工大學(xué)[46]也在這方面開展了專利布局,以期進一步提高環(huán)形天線的收納率并降低其重量。

第三技術(shù)分支：充氣式柱面反射器,最早由雷神公司申請了專利[47]。隨著天基雷達技術(shù)的發(fā)展,這一方向越來越受到重視,國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)[48]、上海衛(wèi)星工程研究所[49]也相繼申請了專利。

第四技術(shù)分支：肋板支撐充氣式拋物面天線。哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請了系列專利[38],未見其它申請人。

將專利文獻和非專利文獻相結(jié)合可見,由于充氣展開技術(shù)存在型面精度低的缺陷,該技術(shù)在星載天線中的應(yīng)用前景尚不明朗。

3.4.2 空間站

充氣式空間站的專利數(shù)量占總數(shù)的18%(70項),是最有商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)。美國宇航局早在1961年就申請了充氣式空間站的專利[28],多年來累計申請了14項專利,集中于艙段設(shè)計、姿態(tài)保持等關(guān)鍵技術(shù),是充氣式空間站的奠基者。畢格羅公司依托從美國宇航局得到的技術(shù)和人力資源開始持續(xù)投入,聚焦于舷窗設(shè)計、氣閘艙等關(guān)鍵技術(shù),申請的16項專利具有很高的價值：如 US6962310 專利“Inflatable satellite bus”[50]在充氣艙段的基礎(chǔ)上增加了太陽帆和姿態(tài)控制系統(tǒng),使之成為了衛(wèi)星平臺,構(gòu)成了創(chuàng)世紀飛行器(Genesis)的基礎(chǔ)；US20140319282專利“Space station configuration”[51]提出了凈空間為180 m3且具備與空間站對接能力的太空艙,是畢格羅可拓展活動模塊(Bigelow Expandable Activity Module,簡稱BEAM)艙的技術(shù)基礎(chǔ)；US20150090842專利“Airlock with enlarged viewports”[52]提供了具有360°視角的舷窗,能夠給乘坐者更好的視覺感受,是其未來涉足商業(yè)航天的“利器”。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、北京空間飛行器總體設(shè)計部等也針對性申請了專利。

3.4.3 通用結(jié)構(gòu)

通用結(jié)構(gòu)是指未提及具體應(yīng)用方向或可用于多個應(yīng)用方向的技術(shù),主要涉及到管狀、環(huán)狀和桁架結(jié)構(gòu)等,是充氣展開結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)。值得關(guān)注的是,基于仿生技術(shù)的通用結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為了專利申請的熱點。例如中國科學(xué)院沈陽自動化研究所申請了“一種仿生充氣可展開結(jié)構(gòu)”發(fā)明專利[53],基于蝴蝶羽化發(fā)育展開的仿生方法來實現(xiàn)充氣展開結(jié)構(gòu)；中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所申請的“基于枯葉蛺蝶鱗翅的可展仿生結(jié)構(gòu)”發(fā)明專利[54],能夠提高展開結(jié)構(gòu)的收縮性和穩(wěn)定性。由此可見,空間充氣展開技術(shù)未來有可能與仿生技術(shù)、折紙技術(shù)等新技術(shù)、新理論融合,牽引空間充氣展開產(chǎn)品的性能提升。

3.4.4 再入與降落技術(shù)

充氣式再入與降落技術(shù)(Inflatable Reentry and Descending Technology,簡稱IRDT)可用于火星、金星等有大氣天體的探測,多年來一直是深空探測領(lǐng)域的研究熱點,共有38項專利申請。目前美國、俄羅斯、中國、法國和日本的專利涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、落點控制、燒蝕材料等關(guān)鍵技術(shù)。

3.4.5 材料、工藝與測試技術(shù)

材料、工藝和測試技術(shù)屬于技術(shù)基礎(chǔ),對空間充氣展開技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要,共有47項相關(guān)專利。除了傳統(tǒng)的聚酰亞胺薄膜等材料之外,近年來涌現(xiàn)出的新材料包括：畢格羅公司在“Method of deploying a spacecraft shield in space”專利[55]中,提出將碳納米管用于空間飛行器的防護；通過外界的刺激可以恢復(fù)初始形狀的記憶材料(Shape Memory Material)多年來也是研究熱點,例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請的“帶有輔助展開裝置的形狀記憶樹脂基復(fù)合材料充氣支撐環(huán)及其充氣展開方法”專利[56],利用了形狀記憶復(fù)合材料在加熱和冷卻兩種工況下的不同特性,解決了充氣時難以完全展開和彎折處易粘連的技術(shù)難題。

3.4.6 空間碎片防護與清除技術(shù)

隨著空間碎片和廢棄飛行器的不斷增多,空間碎片防護與清除技術(shù)近年來逐漸成為了研究熱點,共誕生相關(guān)專利26項。在碎片清除方面,哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了利用充氣式抓捕手來抓捕空間大尺寸非合作目標的系列專利[57],與美國Aerospace Corporation公司提出的利用充氣式手指抓住廢棄衛(wèi)星并使其變軌或再入焚燒的專利[58]具有相似特點；同濟大學(xué)、上海宇航系統(tǒng)工程研究所則提出了飛網(wǎng)式捕獲等技術(shù)方案[59-60]。在碎片防護方面,畢格羅公司提出了由多層三角形布構(gòu)成的防護屏的技術(shù)[61],哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了在軌充氣展開并剛化以抵御空間碎片的專利組合[62]。

3.4.7 其他

應(yīng)用于空間太陽能電站技術(shù)的專利共有9項,大都將充氣結(jié)構(gòu)作為聚光體。值得關(guān)注的是Solaren公司[41]和美國能源部[63]申請的專利。從長遠角度出發(fā),我國作為一個能源短缺的國家,應(yīng)加大對空間太陽能電站的支持力度。

應(yīng)用于對空間飛行器進行推進的太陽帆中共有5項專利。由于日本已經(jīng)于2004年將對角長度為20米的太陽帆成功應(yīng)用于伊卡洛斯宇宙帆船(Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun,IKAROS),因此以充氣桿作為太陽帆支撐結(jié)構(gòu)在深空探測等領(lǐng)域的應(yīng)用值得期待。

其它26項專利應(yīng)用于空間飛行器熱控、抗震、燃料儲箱、級間分離裝置、遮光罩等。

4 小結(jié)

經(jīng)過對專利信息的分析可知,空間充氣展開技術(shù)近年來的專利申請量呈現(xiàn)了快速增長的態(tài)勢,預(yù)計未來仍有望保持這一趨勢。

基于專利信息的分析,對我國政府和研究機構(gòu)提出以下建議：

1)從產(chǎn)品成熟度來看,空間充氣展開技術(shù)在空間站中的應(yīng)用最為成熟,有望近期在商業(yè)航天領(lǐng)域得到推廣；從中遠期來看,充氣展開技術(shù)較為適用于型面精度要求不高的超大型空間結(jié)構(gòu),因此其在空間太陽能電站、太陽帆、空間碎片清除等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用值得期待。由于星載天線的型面精度要求越來越高,雖然在這一方向的專利數(shù)量最多,但應(yīng)用前景不明朗。因此,我國政府宜重點支持充氣式空間站、空間太陽能電站、太陽帆、空間碎片清除等領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā),研究機構(gòu)也應(yīng)相應(yīng)的加強在這些領(lǐng)域的研究深度并申請高價值專利。

2)我國雖然專利申請量已經(jīng)居世界第二,但還未能實現(xiàn)量質(zhì)并進,與美國專利的差距主要表現(xiàn)在核心專利少、權(quán)利要求數(shù)量少、專利維持年限短、海外布局數(shù)量為零等方面；同時,美國在空間充氣展開領(lǐng)域已經(jīng)從由政府機構(gòu)主導(dǎo)發(fā)展到商業(yè)機構(gòu)主導(dǎo),以畢格羅公司為代表的商業(yè)航天企業(yè)已經(jīng)在受讓專利技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了改進研發(fā)、提升了產(chǎn)品的技術(shù)成熟度并進行了在軌驗證,而我國民營機構(gòu)在這項技術(shù)中的發(fā)明尚不活躍。因此,政府有必要引導(dǎo)建立產(chǎn)學(xué)研知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟,加速高校和科研院所的成果轉(zhuǎn)化和企業(yè)對知識產(chǎn)權(quán)的運用。

致謝：特別感謝東方紅衛(wèi)星有限公司車曉玲博士,中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院褚鵬蛟研究員、張會庭研究員對本文的幫助。