基于专利分析的空间充气展开技术创新趋势研究

于晓乐,张逸群,谭惠丰

(1.中国空间技术研究院西安分院,西安710100；2.西安电子科技大学电子装备结构教育部重点实验室,西安710071；3.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001)

1 引言

为了满足多种航天任务的需求,越来越多的航天工程中将会应用到大型空间结构。例如,随着通信卫星待处理信息量的不断增大以及卫星移动用户终端不断轻质化与便携化的发展趋势,必须增大卫星天线口径来提高其传输带宽与信号增益,导致未来空间天线的展开口径将向百米量级发展。同时,未来空间太阳能电站等系统面对运载尺寸的限制,也必须在发射前进行折叠、收拢,入轨后再展开,方能实现预定功能[1]。

充气展开技术是空间结构展开的一种重要手段[2]。空间充气展开结构由柔性薄膜材料制成,入轨之后通过充气的方式使这一薄膜结构展开,达到预先设定的形状并实现其基本功能。除了重量轻、结构简单、成本低等优点之外,充气展开技术能够实现优于其它展开方式的收纳比[3],因此国内外学者针对这项技术在星载天线[4-6]、载人空间站[7-10]、空间飞行器减速与着陆[11-14]、空间太阳能电站[15]、太阳帆[16]等领域中的应用开展了深入研究。

专利是科学发现的重要载体,很多专利信息从未或不再在其他出版物发表。通过对专利信息的深入分析,有助于研究者掌握产业发展态势和技术发展趋势,并对产业和技术的未来发展进行预判[17-19]。关富玲[20]等采用文献分析等方法对空间充气展开技术的创新趋势和关键技术进行了分析,但国内外尚无通过专利分析方法对这项技术的创新趋势进行研究的报道。因此本文从专利信息出发,对空间充气展开技术的专利申请年度分布、地域分布、核心申请人和主要应用方向进行分析,以期为我国研究机构和政府的研发投入提供对策和建议。

2 数据来源

采用充气(inflatable、inflation、inflated)等关键词与航天、宇航、卫星、星载、空间站、空间飞行器(aerospace、 spacecraft、 space-borne、satellite、space station、spaceflight)等关键词进行了组合,并结合B64G、H01Q等重点分类号设计了检索式,利用incoPat商业专利数据库[21]和中国国家知识产权局专利检索及分析系统[22]完成了专利信息检索。

截至2017年12月31日,在全球范围内检索出542件相关专利,同族合并(该概念详见文献[23])后得到388项。由于专利自申请之日起18个月后自行公布,因此2016年和2017年的申请数量仅供参考。

3 数据分析

3.1 年度申请趋势

依据申请年度对388项专利进行了分析,总结出空间充气展开技术的诞生期、低谷期、复苏期和发展期等4个阶段,如图1所示。

图1 专利年度申请趋势Fig.1 Annual distribution of patent application

1959～1968年为该技术的诞生期,36项专利中的35项源于美国政府机构和企业,其中包括空间充气展开技术的首项专利—“Self Supporting Space Vehicle(US2996212)”[24]。在这十年间美国宇航局[25]、固特异宇航公司[26]、贝尔实验室[27]等机构攻克了被动式充气展开通信卫星所需的材料、保型、热控等关键技术,并以专利的形式对这些技术进行了保护。这一时期美国还针对载人空间站[28]、空间飞行器减速[29]等技术申请了基础专利。

随着主动通信卫星体制的兴起,充气展开技术的专利申请迎来了低谷期,1969～1984年的16年间仅有11项专利申请,且这11项专利主题较为分散。除了美国、德国的持续探索之外,法国企业也开始申请专利[30]。

1985～2000年间的专利申请整体呈现出了复苏趋势,各国累计申请71项专利。其特点包括：①美国、欧洲围绕空间充气展开天线申请了大量专利[31-32]；②美国宇航局基于运输居住舱项目(TransHab)针对充气式载人空间站请了基础性专利[33]；③专利布局的分支拓展到了空间飞行器防护等领域[34]；④日本等国申请人的加入拓展了专利申请人的群体[35]。

2001年至今专利申请整体呈现了快速增长的态势。在这一阶段,美国宇航局因缺少资金支持取消了对TransHab计划的投资[36],但以毕格罗公司为代表的商业航天企业获得了美国政府的专利授权[37],开始积极进行技术开发和专利申请。从2005年开始,以哈尔滨工业大学[38]、西安电子科技大学[39]为代表的中国申请人,在十多年的时间内使中国的专利申请量总量跃居世界第二,也推动了全球专利数量的快速发展；随着空间碎片对飞行器安全的影响和全球能源问题的紧张,专利申请的方向进一步拓展到了空间碎片主动清除[40]、空间太阳能电站[41]等领域。

3.2 专利申请地域

各国专利局的申请量对比结果如图2所示。美国专利及商标局(UPSTO)和中国专利局的申请量位列第一和第二位,分别达到了186件和168件；日本特许厅、世界知识产权组织、欧洲专利局处于第二梯队,专利申请量在30～40件范围内；德国专利局、法国专利局处于第三梯队,专利申请量均为15件；其它国家专利局的申请量均少于10件。

根据图2中各主要专利局的申请数量,对其申请人国别进行了分析,结果见表1。美国作为航天领域的第一强国,除了对国内市场的重视之外,还将其专利家族布局在日本、欧洲和中国；法国虽然专利数量处于第三梯队,但空客公司(包括其前身欧洲宇航防务集团)的布局意识较为强烈,其专利在主要专利局均进行了申请；日本企业除了在本国布局之外,日本电报电话公司还以JP4141122专利为基础在美国和欧洲进行了布局；俄罗斯企业的专利布局限于本国,显示了其航天产业近年来的衰落态势；我国的专利申请量虽然高居世界第二,但在海外的申请量为零,未来的产品出口中存在风险；英国和瑞士本土的研究机构具有一定的研发能力。澳大利亚、加拿大、西班牙、巴西、希腊、以色列等国家的专利局虽有专利申请,但申请人均为外国籍,其本国的研究机构并未就充气展开技术申请专利。

图2 各国专利局的申请分布Fig.2 Application distribution within main patent offices

表1 专利申请国别分析Table 1 Nationality analysis of assignees in different patent offices

3.3 主要申请人

图3对主要申请人进行了排名分析。其中美国的研发机构数量最多,既包括了美国宇航局、美国空军等政府机构,还包括了洛克希德马丁公司、波音、哈里斯大型军工企业和毕格罗、ILC Dover等中小型企业；中国的哈尔滨工业大学位于榜单第一,上海卫星工程研究所、北京空间飞行器总体设计部、中国空间技术研究院都位于榜单前列；日本电报电话公司和三菱重工进入了榜单前列；欧洲则只有空客公司(含合并之前的欧洲宇航防务集团的专利申请)进入榜单前列。

图3 主要发明人的申请数量Fig.3 Quantity of application of main assignees

哈尔滨工业大学近年来异军突起,在空间充气展开领域申请了114项专利,名列全球第一,专利覆盖了天线、太阳翼等相关产品领域；美国宇航局累计申请了35项专利,大多属于核心专利,具有很高的参考价值；毕格罗公司在受让美国宇航局技术的基础上,充分进行了专利信息的挖掘和技术开发,围绕充气式载人空间站申请了22项专利；哈里斯公司的专利主要集中在天线领域,将充气展开技术用于天线的支撑结构而非反射体；日本电报电话公司的专利也集中在充气展开天线产品中。

3.4 专利的技术领域和创新趋势

对388项专利的应用方向进行归类和分析,以揭示其创新趋势。83%的专利(322项)分布在星载天线、载人空间站、通用结构、再入与降落技术、材料工艺与测试技术、碎片防护与清除等6个应用方向,其余的66项专利则针对太阳翼、太阳能电站、太空望远镜、太阳帆等方向。

3.4.1 星载天线

星载天线是空间充气展开技术专利申请最早且专利数量最多的应用方向,占到了专利总数的22%(85项)。早期专利主要围绕着被动式通信卫星技术,这种卫星实质上是一种空间反射面天线,可以认为“卫星即天线、天线即卫星”。美国宇航局、贝尔实验室和固特异宇航公司的专利集中在天线在轨形状保持、高可靠性、空间碎片防护等关键技术中。虽然这种技术很快被有源通信卫星淘汰,但从专利引证等信息来看,这些早期专利后来在太空望远镜、空间太阳能电站等领域得到了充分的继承和挖掘,为空间充气展开技术的进一步发展奠定了基础,因而具有重要的意义。

在经历了近20年的停滞之后,空间充气展开天线的专利中出现了4个分支：

第一技术分支：支撑环和反射体均为充气展开结构。最早由美国L′garde公司[42]和瑞士Contraves公司[31]申请专利,相关产品通过美国宇航局的IAE实验进行了在轨验证。这种技术方案的问题在于难以长期保持反射体的形状,从专利信息来看这一技术方案已经被放弃。

第二技术分支：以充气环作为网面天线的支撑结构。最早由美国Astro Aerospace公司[43]申请专利,哈里斯公司[44]、诺格公司[45]、西安电子科技大学[39]、大连理工大学[46]也在这方面开展了专利布局,以期进一步提高环形天线的收纳率并降低其重量。

第三技术分支：充气式柱面反射器,最早由雷神公司申请了专利[47]。随着天基雷达技术的发展,这一方向越来越受到重视,国内的哈尔滨工业大学[48]、上海卫星工程研究所[49]也相继申请了专利。

第四技术分支：肋板支撑充气式抛物面天线。哈尔滨工业大学申请了系列专利[38],未见其它申请人。

将专利文献和非专利文献相结合可见,由于充气展开技术存在型面精度低的缺陷,该技术在星载天线中的应用前景尚不明朗。

3.4.2 空间站

充气式空间站的专利数量占总数的18%(70项),是最有商业化和产业化前景的技术。美国宇航局早在1961年就申请了充气式空间站的专利[28],多年来累计申请了14项专利,集中于舱段设计、姿态保持等关键技术,是充气式空间站的奠基者。毕格罗公司依托从美国宇航局得到的技术和人力资源开始持续投入,聚焦于舷窗设计、气闸舱等关键技术,申请的16项专利具有很高的价值：如 US6962310 专利“Inflatable satellite bus”[50]在充气舱段的基础上增加了太阳帆和姿态控制系统,使之成为了卫星平台,构成了创世纪飞行器(Genesis)的基础；US20140319282专利“Space station configuration”[51]提出了净空间为180 m3且具备与空间站对接能力的太空舱,是毕格罗可拓展活动模块(Bigelow Expandable Activity Module,简称BEAM)舱的技术基础；US20150090842专利“Airlock with enlarged viewports”[52]提供了具有360°视角的舷窗,能够给乘坐者更好的视觉感受,是其未来涉足商业航天的“利器”。国内的哈尔滨工业大学、中国科学院沈阳自动化研究所、北京空间飞行器总体设计部等也针对性申请了专利。

3.4.3 通用结构

通用结构是指未提及具体应用方向或可用于多个应用方向的技术,主要涉及到管状、环状和桁架结构等,是充气展开结构的技术基础。值得关注的是,基于仿生技术的通用结构已经成为了专利申请的热点。例如中国科学院沈阳自动化研究所申请了“一种仿生充气可展开结构”发明专利[53],基于蝴蝶羽化发育展开的仿生方法来实现充气展开结构；中国林业科学研究院资源昆虫研究所申请的“基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构”发明专利[54],能够提高展开结构的收缩性和稳定性。由此可见,空间充气展开技术未来有可能与仿生技术、折纸技术等新技术、新理论融合,牵引空间充气展开产品的性能提升。

3.4.4 再入与降落技术

充气式再入与降落技术(Inflatable Reentry and Descending Technology,简称IRDT)可用于火星、金星等有大气天体的探测,多年来一直是深空探测领域的研究热点,共有38项专利申请。目前美国、俄罗斯、中国、法国和日本的专利涉及到结构设计与优化、落点控制、烧蚀材料等关键技术。

3.4.5 材料、工艺与测试技术

材料、工艺和测试技术属于技术基础,对空间充气展开技术的发展至关重要,共有47项相关专利。除了传统的聚酰亚胺薄膜等材料之外,近年来涌现出的新材料包括：毕格罗公司在“Method of deploying a spacecraft shield in space”专利[55]中,提出将碳纳米管用于空间飞行器的防护；通过外界的刺激可以恢复初始形状的记忆材料(Shape Memory Material)多年来也是研究热点,例如哈尔滨工业大学申请的“带有辅助展开装置的形状记忆树脂基复合材料充气支撑环及其充气展开方法”专利[56],利用了形状记忆复合材料在加热和冷却两种工况下的不同特性,解决了充气时难以完全展开和弯折处易粘连的技术难题。

3.4.6 空间碎片防护与清除技术

随着空间碎片和废弃飞行器的不断增多,空间碎片防护与清除技术近年来逐渐成为了研究热点,共诞生相关专利26项。在碎片清除方面,哈尔滨工业大学提出了利用充气式抓捕手来抓捕空间大尺寸非合作目标的系列专利[57],与美国Aerospace Corporation公司提出的利用充气式手指抓住废弃卫星并使其变轨或再入焚烧的专利[58]具有相似特点；同济大学、上海宇航系统工程研究所则提出了飞网式捕获等技术方案[59-60]。在碎片防护方面,毕格罗公司提出了由多层三角形布构成的防护屏的技术[61],哈尔滨工业大学提出了在轨充气展开并刚化以抵御空间碎片的专利组合[62]。

3.4.7 其他

应用于空间太阳能电站技术的专利共有9项,大都将充气结构作为聚光体。值得关注的是Solaren公司[41]和美国能源部[63]申请的专利。从长远角度出发,我国作为一个能源短缺的国家,应加大对空间太阳能电站的支持力度。

应用于对空间飞行器进行推进的太阳帆中共有5项专利。由于日本已经于2004年将对角长度为20米的太阳帆成功应用于伊卡洛斯宇宙帆船(Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun,IKAROS),因此以充气杆作为太阳帆支撑结构在深空探测等领域的应用值得期待。

其它26项专利应用于空间飞行器热控、抗震、燃料储箱、级间分离装置、遮光罩等。

4 小结

经过对专利信息的分析可知,空间充气展开技术近年来的专利申请量呈现了快速增长的态势,预计未来仍有望保持这一趋势。

基于专利信息的分析,对我国政府和研究机构提出以下建议：

1)从产品成熟度来看,空间充气展开技术在空间站中的应用最为成熟,有望近期在商业航天领域得到推广；从中远期来看,充气展开技术较为适用于型面精度要求不高的超大型空间结构,因此其在空间太阳能电站、太阳帆、空间碎片清除等前沿领域的应用值得期待。由于星载天线的型面精度要求越来越高,虽然在这一方向的专利数量最多,但应用前景不明朗。因此,我国政府宜重点支持充气式空间站、空间太阳能电站、太阳帆、空间碎片清除等领域的技术研发,研究机构也应相应的加强在这些领域的研究深度并申请高价值专利。

2)我国虽然专利申请量已经居世界第二,但还未能实现量质并进,与美国专利的差距主要表现在核心专利少、权利要求数量少、专利维持年限短、海外布局数量为零等方面；同时,美国在空间充气展开领域已经从由政府机构主导发展到商业机构主导,以毕格罗公司为代表的商业航天企业已经在受让专利技术的基础上进行了改进研发、提升了产品的技术成熟度并进行了在轨验证,而我国民营机构在这项技术中的发明尚不活跃。因此,政府有必要引导建立产学研知识产权联盟,加速高校和科研院所的成果转化和企业对知识产权的运用。

致谢：特别感谢东方红卫星有限公司车晓玲博士,中国航天系统科学与工程研究院褚鹏蛟研究员、张会庭研究员对本文的帮助。