1、第五章 高技术研究5 - 1 概 述20 世纪 50 年代以来，世界范围内高技术研究及其产业化的崛起，对当代经济和社会生活的各个方面产生了巨大的影响，正在深刻地改变着社会的进程。技术是社会生产和改造自然的物质手段、智能手段和信息手段的总和。高技术是人类用当代最新科学成就有目的地改造世界和认识世界的物化形式。它以基础研究所揭示的自然界的新知识为背景，进行技术的创新；它以人的智力和才能为主导，形成不同于传统技术的知识和资金密集的新兴技术；它开拓全新的技术领域，而不是对原有技术的渐进式改造。高技术与现代的单项尖端技术或新兴技术不同，它总是与产品和产业相联系，是对产品和产业中技术的含量和水平的评价。表
2、 5-1 20 世纪 80 年代一些国家提出的重点开发的高技术领域国别 计划或政策简称 提出时间 重点开发的高技术领域印度 新技术政策声明 1983. 1 微电子和计算机、生物、核、空间、海洋。美国 战略防御倡议(星球大战计划 SDI)1983. 3 空间监视跟踪及通信，定向能及动能武器、系统分析及作战原理，生存能力与杀伤力及保障。中国 新技术革命对策 1983. 10 信息、生物、航天、新材料、机械电子、新能源、海洋。日本 科技振兴基本对策 1984. 11 信息和电子、物质科学及材料、生命科学和生物、空间、海洋、地球科学。韩国 国家长远发展构想 1985. 1 计算机、航空、机械电子、遗传
3、工程、新材料、通信、系统。西欧 尤利卡(Eureca)计划 1985. 4 信息、机器人、通信、生物、材料。今天，高技术已经成为一个国家综合国力的象征，成为各个国家发展战略中的一个重要的组成部分，世界许多国家都正在选择着本国的高技术开发领域( 见表 5-1)。一般而言，高技术主要是指以下的技术群体：1 ) 信息技术群体：微电子、计算机、光纤通信、卫星通信、激光技术和光电子技术等。2 ) 新能源技术群体：核能、太阳能、风能、生物能、海洋能和地热能技术第 五 章 高 技 术 研 究 101等。3 ) 新材料技术群体：信息材料、新能源材料、结构材料和功能材料技术等。4 ) 生物技术群体：微生物工程、
4、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和基因工程等。5 ) 空间技术群体：空间通信、遥感遥测、空间运输、空间工业和农业以及医学、空间军事技术等。6 ) 海洋技术群体：海洋采掘、海水淡化、海洋牧场和海洋矿物开采技术等。高技术与基础科学研究有着十分密切的关系。19 世纪末和 20 世纪初，由于 X 射线、铀的天然放射性和电子的发现，以及相对论和量子论的创立，导致了物理学和其他自然科学的革命性变革，在此基础上使物理学、化学、生物学、天文学和地学等基础科学从经典形态发展到现代形态。这一庞大的现代自然科学群为高技术的诞生和发展提供了基础理论背景和前题条件。高技术本质上是现代自然科学成果的技术表现。高技术研究的内容
5、十分广泛，本文仅就某些方面的内容作一简要的介绍，资料选自正式出版的书刊。5 - 2 我国高技 术研究发展计划概述1983 年 10 月，我国提出了关于新技术革命的对策。1986 年 3 月，著名科学家王大珩等人提出了对世界高技术进行战略跟踪的建议。经过众多专家的论证，我国提出了 “高技术研究发展计划”，又称“ 863 计划”，包括生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源技术和新材料技术等七个领域以及相应的 15 个主题项目。以下概括介绍部分主题的任务以及在 20 世纪末的目标。一 生物技术生 物 技 术 是 当 代 高 技 术 竞 争 的 一 个 极 为 重 要 的 领 域 ，
6、 它 利 用 先 进 的 生物 技 术 定 向 创 造 人 类 所 需 的 各 种 产 品 ， 包 括 医 药 和 动 植 物 新 品 种 以 及 在 科学 研 究 中 为 达 到 某 种 特 定 目 的 的 生 物 产 品 。 生 物 技 术 的 发 展 ， 为 人 类 所 面临 的 关 于 资 源 、 食 品 、 营 养 、 健 康 和 环 境 等 方 面 问 题 的 解 决 开 辟 了 新 的 途径 ， 从 而 会 对 人 类 未 来 社 会 的 经 济 发 展 起 巨 大 的 推 动 作 用 。( 1 ) 高产、优质、抗逆的动植物新品种利用基因工程、细胞工程并结合常规育种方法，定向创造
7、出高产、优质、抗逆的动植物新品种，以大幅度提高粮食、鱼、奶的产量，并形成农业生物技术的新兴产业。( 2 ) 新型药物、疫苗和基因治疗用以基因工程为主体的生物技术，针对病毒性肝炎、恶性肿瘤、心血管第 一 部 分 物 理 学 和 高 技 术 前 沿102病等恶性疾病，研制各种基因工程疫苗、多肽药物和导向药物等生物技术产品；开发生物反应工程和产品分离纯化工程，并有效地转化为生产力；同时，寻找新的治疗方法和途径。( 3 ) 蛋白质工程通过研究和发展遗传工程技术，定向改造有较大应用价值的蛋白质，为医药、食品、化工和农业生产的发展开辟新的途径。二 信息技术当代信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储和
8、显示等技术，包括微电子技术、光电子技术、计算机技术和软件、通信技术、辐射成象技术和高清晰度电视技术等。这些技术的发展和应用所形成的支柱产业，主要有微电子、光电子、计算机和通信等。当代信息技术的发展，大大提高了人类思维劳动的效率，从根本上改变了人类从事生产、工作和经营活动的方式。( 1 ) 智能计算机系统在 863 计划中这一主题的目标是研制一个基于完全新型计算机系统的具有良好的人机环境的智能系统，这种新型的计算机系统不仅应具有很强的学习和知识重组及处理能力，而且要具有各种科学知识和经验知识，它还应具有重新获取、理解、翻译及合成自然语言的能力，以及存储、识别、理解和搜索图形及图象的能力。另外，它
9、也应是一个具有多重功能和强大能力的计算机系统，有能力发现规律和规则，查找算法以及在没有人类干预的情况下自动解决问题。我们期望这种计算机系统具有模拟人的行为的功能。与此同时，还将完成一批综合性的智能应用系统及各种高智能设备。( 2 ) 光电子器件和微电子 /光电子系统集成技术发展用于传感、计算和通信等方面的新型光电子器件和系统集成技术，例如为 以上超大容量高速、相干通信系统的建设提供配套的光电子器5Gb/s件、集成模块和单元技术等；探索制造大规模集成电路的新途径，例如量子阱超晶格及其他新型光电子器件、微电子/光电子系统集成技术，为发展新型信息获取处理系统、计算机和通信设备打下技术基础。( 3 )
10、 信息获取与处理技术为发展新的智能化、工业自动化系统的需要，必须发展多种信息获取与处理技术，特别是新型信息获取和实时图象处理技术，以促进信息技术在资源勘察、气象预报、海洋探测、农村以及工业产品质量控制等领域的应用。例如，合成孔径雷达成象技术、红外探测技术、自适应光学望远镜、高速实时信号处理技术、对地观测新型信息获取技术研究等。第 五 章 高 技 术 研 究 103三 自动化技术自动化技术是研究如何综合利用传感技术、计算机技术、信息技术和机械技术，以提高各种作业自动化水平，改善作业条件，实现高效率、快节奏和高质量的生产，特别是代表当代自动化技术发展前沿的计算机综合自动化制造系统(CIMS)和智能
11、机器人技术。( 1 ) 计算机综合自动化制造系统针对多品种、小批量、高质量、对市场反应灵活和产品更新换代等新一代自动化生产的需要，通过 CIMS 实验工程和单元技术网点，探索并建立我国的 CIMS 发展战略、体系结构、总体设计以及单元技术。( 2 ) 智能机器人研制能感知环境、自主决策和灵活动作的智能机器人，主要包括智能机器人体系机构、智能机器人机构、机器人智能控制、人工智能技术应用、机器人视觉及高性能传感器、人机智能交互技术等。四 能源技术能源是人类赖以生存、社会不断进步、经济持续发展的重要物质基础，能源的每一次突破，都会引起社会和生产的变革。但是，随着社会的发展，能源的消耗急剧上升，能源供
12、需失衡的矛盾十分尖锐。因此，制定合理的能源政策，寻找提供新能源的途径，已成为世界各国急待解决的问题。( 1 ) 燃煤磁流体发电技术燃煤磁流体发电技术是一种高效率、低污染的燃煤技术。开发这一技术，以求大幅度提高热能转换效率，提高煤炭资源利用率，可更好地利用我国储量丰富的中等煤和高硫煤，减少燃煤带来的煤炭运输和环境污染等问题。例如，可以建立一座十兆瓦级燃煤磁流体蒸气联合循环试验电站，为实现其实用化作好准备。( 2 ) 先进核反应堆技术研究快中子增殖堆、高温气冷堆以及裂变聚变混合堆等 3 种堆型，以开发出能大幅度提高核燃料利用率、安全性和经济性好的堆型，并在此基础上建立工程性实验堆。五 新材料技术材
13、料是社会进步的物质基础和先导。新材料是指新发展和正在研制的具有优异性能或特定功能的材料，它们是发展信息、航天、能源、生物等高技术的重要物质基础，例如光电子信息材料、先进复合材料和特种功能材料等。同时，还要开展特种工艺测试和检验方面的研究，探索不同层次微观结构理第 一 部 分 物 理 学 和 高 技 术 前 沿104论指导下的材料设计，发展与工艺技术相结合的现代材料科学，指导新材料的发展。5 - 3 现代通信的新兴领域卫星通信、光纤通信和移动通信称为现代通信三大新兴领域。一 卫星通信卫星通信技术对人类社会起着十分重要的作用，是社会信息化的主要支柱之一。卫星通信具有覆盖面广、通信距离远、不受自然环
14、境制约、通信质量高、组网和扩容灵活、投资与通信距离无关等独特的优点，从而得到了迅速的发展和广泛的应用。面向 21 世纪，多功能长寿命的空间静止平台、高功率大容量的广播卫星以及低轨道全球数字移动卫星通信系统等都将一一实现，为人类提供一个良好的通信环境，迎接全球个人通信时代的到来。( 1 ) 概述1957 年 10 月，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。人造地球卫星是按一定轨道围绕地球运转的人造天体，而卫星通信就是利用人造地球卫星做中继站，对来自地球站的无线电信号进行转发，使两个或多个地球站之间能实现无线电通信。这种人造地球卫星，称为通信卫星。1945 年 10 月，英国科学家阿瑟克拉克首次提
15、出了利用静止卫星进行全球无线电通信的设想。1965 年 4 月，国际卫星通信组织发射“晨鸟”号(即INTELSAT - I , 简称 IS - I)静止卫星成功，使卫星通信进入了实用阶段并得到了迅速的发展。70 年代，国际海事卫星通信系统揭开了利用卫星实现移动通信的序幕。70 年代末甚小口径终端技术的出现，以及 90 年代综合业务数字网的发展，又为卫星通信开创了新的局面。现在，国际卫星通信(INTELSAT)系统已承担了国际通信业务的三分之二以上。随着通信卫星向着增加通信容量、加大转发器带宽、延长设计寿命和提高等效全向辐射功率的方向不断发展，INTELSAT 系统的地球站正在向着小型化、简单化
16、和低成本方向发展，将会拥有越来越多的用户。卫星通信开设的业务项目不断增加，除传统的电话、电报、传真等业务外，又涌现出会议电视、数据传输、用户电报、移动电话、高速传真、电子邮件、国际商用业务和国际网业务等上百种业务项目。目前，全世界发射的静止卫星已超过 200 颗，利用卫星的国家和地区已达 170 多个。卫星通信系统主要有以下几种：按卫星运行轨道的不同，可分为运动卫星通信系统和静止卫星通信系统；按通信覆盖范围的不同，可分为国际卫星第 五 章 高 技 术 研 究 105通信系统、国内卫星通信系统和区域卫星通信系统；按业务项目的不同，可分为固定卫星业务、移动卫星业务和广播卫星业务等等。卫星通信中，工
17、作频段的选择主要考虑以下几个因素：要避开其他宇宙通信和地面微波通信的干扰；电波传输损耗、吸收和外界噪声的影响要小；要有足够宽的通信频带；能充分利用已有的微波设备和技术。从传输损耗等因素考虑，实用的频段是 1 10 GHz，随着卫星通信业务的迅速发展，频段已扩展到 20 30 GHz，并已开发研究 40 50 GHz 频段。为了合理使用有限的无线电频率资源，国际电信联盟对于不同条件下不同类别的无线电通信所使用的频段作了具体的分配。( 2 ) 通信卫星把通信卫星发射到赤道上空 35 860 km 高的圆形轨道上并与地球自转同向运行，这时卫星绕地球一周的时间与地球自转一周的时间刚好相等(24 h)，
18、从地球上看卫星静止不动，故称为静止卫星或同步卫星。静止卫星、地球站和传输线路，就构成了静止卫星通信系统。起微波中继站作用的通信卫星，一般由有效载荷(通信转发器和天线) 和辅助系统( 保证卫星正常运行的设备，如姿态和轨道控制系统、遥测指令系统和能源系统等)两大部分组成。由于空间技术的发展，卫星可以更大更复杂，允许在卫星上进行信号处理，从而使卫星通信系统功能更强，使地球站更简化。静止卫星的发射比低轨道卫星要复杂，它既需要有先进的火箭技术，又需要有精确的遥测遥控技术。目前，发射静止卫星一般都使用三级火箭和远地点发动机。如图 5-1 所示，首先第一、二级火箭将卫星送到离地面一百多公里或数百公里的倾斜圆
19、形起始轨道；经过一段惯性飞行及调整姿态后，当卫星快到起始轨道与赤道平面的交点( 近地点) 时，点燃第三级火箭，把卫星推入倾斜椭圆转移轨道(见 基础物理学 习题 4-10)。它与赤道平面的另一交点必为远地点，远地点发动机点火，将卫星送入静止轨道。最后，利用卫星上的小推力喷嘴，进行位置误差修正，使卫星精确地进入静止轨道上的预定位置。由于静止通信卫星的全球波束宽度为 17.4 ，因此地球上最 图 5-1 卫星发射示意第 一 部 分 物 理 学 和 高 技 术 前 沿106远的通信距离为 18 101 km，覆盖面积占地球总表面积的 1/3 以上。只要地球赤道上空等间隔地安放三颗静止卫星，即可实现除两
20、极地区以外的全球通信。目前正在使用的国际卫星通信系统，三颗静止卫星分别位于大西洋、印度洋和太平洋上空。( 3 ) 地球站卫星通信系统的地球站，主要起微波收、发信站的作用。用户可以通过地球站接入卫星通信线路，经过卫星转发，实现远距离通信。当两个地球站通信时，如图 5-2 所示，发信站加上发信天线到卫星的空间路径称为上行线路；卫星到收信天线及收信地球站构成下行线路。单工通信时，地球站固定为发信站或收信站，双工通信时，地球站既能发信又能收信，天线公用。地球站一般由天线、跟踪伺服设备、发射与接收设备、终端设备、电源设备及监控设备组成。地球站的天线要求方向性强，还必须有跟踪卫星的能力。它既能将地球站发射
21、机输出的电磁波准确地射向卫星，又能把指定的通信卫星所发射的微波信号接收下来传给接收机的低噪声放大器。目前，标准地球站用的大多是一种两次反射型抛物面天线，其接收效率可达 75 % 80 %. ( 4 ) VSAT 卫星通信网甚小口径终端(Very Small Aperture Terminal , 简称 VSAT)卫星通信网是20 世纪 70 年代末出现，80 年代发展起来的一种灵活方便、多用途的卫星通信系统。它们是一类天线口径非常小( 2.4 m)的智能卫星地球站，一般与大型中心地球站及空间段的通信卫星组成一个 VSAT 网络，可以提供单向或双向数据通信、视频广播及语音通信等。VSAT 一般使
22、用 0.6 2.4 m 偏馈抛物面元线；室外单元完成射频信号的发送和接收，功率 1 5 W；室内单元由通讯卫星图 5-2 卫星通信线路模型第 五 章 高 技 术 研 究 107调制解调器和基带处理器组成，提供用户接口和卫星信道接口。特别是，微波单片集成电路技术在射频部件中的应用、数字信号处理和卫星多址技术的应用、无线小型化技术的应用以及许多公用数据通信协议的支持，提高了VSAT 网络的性能，降低了成本，为卫星通信产业开创了新的局面。( 5 ) 卫星通信技术的应用在当今的信息时代，卫星通信技术是信息化的重要支柱。卫星通信对远距离、大容量、高速度、多功能的信息传递和处理发挥了巨大的作用。同时，卫星
23、通信以其特有的灵活性，在移动卫星通信、军事卫星通信、卫星电视广播及全球导航定位中大显身手。卫星通信已成为现代军事通信的主要传输方式，它可以完成多种任务，例如话音与数据传输、收集照片与信号情报、收集态势信息、敌方火箭发射的预警以及提供气象数据等。然而，由于处在轨道中的卫星是公开暴露的，易受敌方窃收、干扰乃至摧毁，因此保密技术、抗干扰和抗核爆技术等是军事卫星通信中的关键技术。卫星电视广播系统是利用卫星作为空间电台，发送或转发电视信号，提供广大用户直接或间隔接受的系统。通常，它有卫星转播与卫星直播之分：前者指利用通信卫星转发电视信号，由地球站接收，再经地面线路送往电视中心，然后向用户播发；后者指利用
24、专门的大功率电视直播卫星直接向用户播发电视节目，用户可以直接用带有很小的天线的家庭设备进行接受，也可以通过集体接受后再转收。由于传统的原因，当前世界上采用的电视传输制式有 NTSC, PAL 和 SECAM 等三种，它们互不兼容，且不适于以调频方式传送信息的卫星广播。因此各国都在研究新的传输制式，目前已集中到 MAC制，又因伴音、数据调制方式的不同分为几种。传输制式的标准化必将推进卫星广播事业的发展。卫星广播的各种新业务，诸如高清晰度电视、图文电视、传真广播、调频多路声广播和数据广播等，大多已得到实现。在未来的信息时代，用户应能从大量的数据资料中迅速而准确地选出所需要的信息，为此将向综合业务数
25、字广播的方向发展，电子报纸和电子书籍将通过它送到千家万户。卫星全球定位系统(Global Positioning System, 简称 GPS)是美国的高精度卫星导航系统，它能为用户提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息，实现全天候、全球实时导航定位。GPS 由空间卫星网、地面控制站网和用户设备三大部分组成。空间卫星网由配置在 6 个轨道平面上的 18 颗导航卫星和 3 颗备用卫星组成；地面控制站网的主要任务是跟踪和监视全部导航卫星，把接收到的数据汇集到主控站进行处理，准确地计算并预报卫星运行的精确轨道和时间，测定星历和原子钟的误差，并对卫星上的原子钟进行校正使它第 一 部 分 物 理 学
26、和 高 技 术 前 沿108们同步。GPS 既有卫星、飞机、舰船、导航等大用户，也有汽车、坦克和个人等小用户。GPS 根据卫星播发的导航信号到达用户接收机的时间，算出它们之间的传输距离而进行定位。具体办法是，用户根据卫星发射的星历表信息，选择四颗能提供最佳定位的卫星。测出其中两颗卫星信号到达用户的时间差，以计算出用户至两颗卫星的距离差，由此可作出以这两颗卫星的位置为焦点的双曲面，用户必定位于此双曲面的一叶上。通达四颗卫星可以得到三组这样的双曲面，它们的交点就是用户所在的位置。用同样的办法，用户测量从四颗卫星所接受的载波信号频率的多普勒频移，就可以求解出用户的运动速度。显然，多用几颗卫星，可以定
27、位得更精确。二 新型光纤通信( 1 ) 光纤通信概述光纤通信利用激光作为传递信息的载波，通信容量比用无线电波要大得多。光导纤维(简称光纤)是利用全反射现象制成的用来传光的透明玻璃或塑料纤维，其载面一般为圆形，直径在几微米到几十微米之间，分内外两层，内层的折射率大于外层的折射率。激光由一端射入光纤，在两层间的界面上经多次全反射后从另一端射出。通常把许多根光纤组成一根光缆，则通信容量就更大了。此外，光纤通信还有抗干扰性好、保密性强、重量轻、能节省金属材料等许多优点。光纤可以用来直接传输图象。把上万根光纤合成一束，并使两端的光纤按严格相同的次序排列，就可以直接把图象从一端输送到另一端。由于光纤细而柔
28、软，能弯曲成任何形状，因此可伸入机器或人体内部进行窥视，如医学上的胃镜等。除了以下将介绍的光纤孤立子通信外，人们也在发展和探讨其他有一定竞争力的光纤通信技术，例如色散位移光纤通信、非线性非孤子光纤通信以及折射率周期补偿的非线性光纤通信等。( 2 ) 光纤孤立子通信光纤通信是 20 世纪最重要的科技成就之一，而光纤孤立子通信将使光纤通信发生新的飞跃。早在 1834 年，英国造船工程师拉塞尔(J.S. Russell)曾观察到一种奇妙的水波，称为孤立波。1965 年，美国数学家克鲁斯科尔(M. Kruskal)和物理学家扎布斯基(N. Zabusky)用数值模拟方法，发现孤立波碰撞之后并不改变形状
29、，具有类似粒子碰撞的性质，因此将这种孤立波称为孤立子(Soliton) 。1973 年，长谷川(Hasegawa)等人首先从理论上证明，超短光脉冲在光纤中也可以形成孤立子，并在传输过程中保持脉冲形状或面积不变。1980 年，美国贝尔实验第 五 章 高 技 术 研 究 109室的莫勒瑙尔(Mollenauer)等人首次用 700 m 长的光纤实现了光学孤立子传输。1990 年，美国已使光学孤立子在光纤中循环传输上万公里，日本则实现了一百万公里的孤立子循环传输。而且，单程的上千公里的光纤孤立子通信实验也已演示成功。在光纤中光学孤立子的形成来源于光纤的色散效应和非线性效应。具体而言，当超短脉冲在光纤
30、中传输时，石英玻璃等光纤材料的色散效应使其散开，而非线性光学效应则使其收缩，两者互相抵销或平衡便形成光学孤立子，并以不变的形状和速度传输。光纤孤立子通信与普通光纤通信比较，有以下优点：1 ) 由于光纤的损耗和色散使光信号脉冲衰减并加宽，因此普通光纤通信系统需要每隔 3050 km 设一个中继站，进行接力式通信。中继站包括检测器、调制器和激光器等，这是复杂而昂贵的电子光学系统。光纤孤立子通信则不需要中继站，只需用光纤激光放大器或其他增益补偿方法对脉冲补充能量。2 ) 因为孤立子在光纤中传输时，非线性效应抵消了色散，光脉冲宽度不会明显加宽，可实现超远距离的通信。3 ) 由于孤立子光脉冲的脉宽很窄，
31、而且重复率高，在传输过程中又无畸变，因此光纤孤立子通信可以是传输速率超过 10 Gb/s的最佳选择。4 ) 在一根光纤中，可以同时传输频率接近的多路信息。5 ) 可以利用光开关进行光学信息的编码，代替电子学的编码技术。三 移动通信移动通信属于无线通信的范畴，它是指无线用户的设备安装在汽车、火车、飞机、船舶和卫星等移动体上时，可以在行进中进行移动体之间的信息交换，或进行移动体与市话用户、长途用户之间的通信以及人与人、人与固定点、人与移动体之间的通信。在成百上千万迅速增长的用户需求中，移动通信必须依托大容量、高速率的传输网以及智能化的快速交换，而这一部分则是有线的。因此，移动通信是当代有线通信和无
32、线通信的最新技术成就的综合。现代移动通信不仅可以传输话音信息，还可以作为综合业务数字网的一个无线终端，用于传输数据、文字和图象等。当今时代的移动通信，已经构成了一个高技术密集的复杂系统，它包括：移动电台、基地台、控制终端、无线入网及交换、智能管理软件环境、计算机数据库以及集中控制、与综合业务数字网的连接和兼容等。民间陆地移动通信系统，包括公用无线电话系统、调度系统、无线寻呼系统、无绳电话系统和个人通信网系统等。卫星移动通信系统包括国际海事卫星通信系统、军事移动卫星通信系统和民用移动卫星通信系统。全球移动卫星通信系统通过小型化移动地球站进入个人通信网(PCN)系统和综合业务第 一 部 分 物 理
33、 学 和 高 技 术 前 沿110数字网(ISDN) ，就有可能形成未来个人移动卫星通信，成为 21 世纪通信高技术发展的重要趋势之一。5 - 4 新能源技术一 研究开发新能源的必要性能源是人类生存活动中不可缺少的、重要的资源。几千年来，人类为了求得生存和发展，不断地探求向大自然索取新的能源。能量的人年平均消耗量是一个国家工业发展程度和人们生活水平的标志。随着社会的发展和人们生活水平的不断提高，对能量的需求量也在急剧地增加。据估计，世界能量的总需求量，到 2050 年将达到 26.9 TW，相当于1975 年的 3.3 倍。同时，能源结构也在发生变化。1860 年，全世界能耗中木材占近 3/4
34、，煤、石油和天然气只占 1/4；1900 年，木材在能耗中的比重降到40 %以下，煤上升到 57.6 %，石油和天然气只占 3.2 %； 1950 年，煤在能源结构中的比重占 61.5 %，石油达到 27 %；1965 年，石油占 39.4 %，首次超过煤的比重 38.7 %；1970 年，石油达到 43 %，煤降到 35 %；此后，发生了以石油价格上涨为标志的能源危机，使煤所占的比重有所抬头。实际上，直到 20 世纪中叶，人类用的都是煤、石油和天然气等化石能源，它们和木材都属于天然能源。全世界已探明可以开采的煤炭、原油和天然气的储量，预计分别还可以开采 200、30 40 和 60 年。尽管
35、所探明的能源资源的储量还会有所增加，但总是有限的，它们的短缺已经成为人类必须正视的重大问题。由于化石燃料又是及其宝贵的化工原料，可以加工提炼诸如化学纤维、塑料、尼龙、橡胶和化肥等化工产品，因此仅仅为了利用其燃烧时放出的热量而付之一炬是很可惜的。以煤和石油这些化石燃料为主体的能源结构还给人类带来了另外一个严重的问题环境污染。化石燃料在燃烧过程中都要放出二氧化硫、一氧化碳、烟尘、三(或四)苯并芘、放射性飘尘、氮氧化物、二氧化碳等。在这些排放物中，一氧化碳和烟尘直接危害人畜；三(或四) 苯并芘是强致癌物质；放射性飘尘使生物受辐射损伤；二氧化硫和氮氧化物会产生酸雨，使植物死亡、建筑物遭侵蚀、饮用水变质
36、。尽管这些排放物危害了生态环境，但毕竟是局部的，而且有办法减少其释放量。然而，二氧化碳这种排放物却不同，只要燃烧就会产生二氧化碳，而且它会不断在大气中积聚，使大气层中二氧化碳浓度增加。我们知道，臭氧层的破坏会使地球上的人类受到很强的紫外第 五 章 高 技 术 研 究 111线辐照而有致皮肤癌的危险，而由于二氧化碳对短波长的辐射(紫外线) 是透明的，大气层中二氧化碳浓度的增加就会使这种危害更加严重。特别是，由于二氧化碳对太阳的长波辐射是不透明的，因此二氧化碳浓度的增加就像给地球加了一个保温层，使地球向宇宙散发的热量减少，从而使地球的气温上升，这就是危及全人类的“温室效应”。温室效应将使一些谷物产
37、区变得干热，雨量减少，农业减产；同时，还将使地球南北极冰山融化，海平面上升，导致洪水泛滥，使沿海城市有遭受水灾的可能。1989 年 5 月，82 国签署了赫尔辛基宣言；接着又在加拿大和荷兰相继举行了国际会议，呼吁到 2005年使二氧化碳排放量减少一半。人类要生存，要发展，就需要能源。然而，上述常规能源所造成的环境污染却又危及了人类的生存。要从根本上解决问题，唯一的办法是开发新能源，特别是可再生能源，例如太阳能、风能、波浪能、潮汐能、海洋温差发电、地热、裂变核能和聚变核能等等。二 太阳能太阳能是一种洁净而巨大的能源，遍及全球。据估算，太阳每天投向地球的能量为 ，十分巨大。但是，太阳能的利用还刚刚
38、开始。例如，120.J用非晶硅作成的太阳能电池，它的能量转换效率只有 12%. 1990 年全世界非晶硅电池只有 30 万千瓦的功率。太阳能的利用可分为直接利用和间接利用两大类。直接利用又可分为将太阳能转变成热能(直接利用或再转变成机械能或电能 )以及直接转变成电能两种方式；间接利用是采用光化学方法制氢和利用光合作用加速并高效地生成生物质燃料。目前，前者的转换效率要比后者高得多。地球大气层外投射在与阳光相垂直的单位面积上的太阳辐射功率称为太阳常量，其年平均值为 . 由于在通过大气层及云层时部分I02135Wm/太阳辐射被吸收、反射和散射，因此地面上单位面积所接受到的太阳辐射的功率与 I0 相比
39、要小得多。即使是清澈无云的晴天，也要小 30 %左右；在多云的情况下，可衰减 90 %以上。太阳辐射的能量约 95 %包含在 0.3m 2.5 m 波长范围内，在短于 0.3 m 和大于 2.5 m 的波长范围内的能量分别只占全部能量的 1.2 % 和 4 %. 相比之下，太阳能集热器的吸热面所发出的热辐射，则主要集中在 2.5m 30 m 的波长范围内。因此，有可能采用对不同波段的辐射具有不同辐射性质的选择性材料来提高能量转换效率。太阳能热利用的核心装置是太阳集热器，原则上可分为平板型集热器和带聚光镜的集热器两大类。热能的储存可采用显热储存、相变热(潜热) 储存第 一 部 分 物 理 学 和
40、 高 技 术 前 沿112及化学反应热储存等三种方式。利用太阳能提供热水、热空气及蒸气，属于太阳能供热过程。利用聚光集热器获得高温热能，使水在蒸气发生器中变成高温高压蒸气，可实现太阳能热发电。此外，还有太阳热动力水泵站，并可利用太阳能取暖。1973 年出现的世界性的石油危机，迫使工业发达国家对近期和长期的能源政策作认真的思考，兴起了研究太阳能利用的热潮。目前，人类在太阳能利用的研究、生产和推广应用等方面已取得了显著的进展。综合了现代科技成就的太阳能热力发电站不仅已经建成并可靠地运行，而且证明了在经济上也是可行的。到 1991 年，美国太阳能热发电的总装机容量已超过 4105 kW. 仅以已安装
41、的低热损窗计算，美国就可以在其 25 年使用寿命期间节能 30 亿美元，进一步的发展可以大幅度地降低约占美国 20%总能耗的采暖和空调用能。在夏季收集太阳能供冬天使用的大型季节性贮热技术已经成熟。美国的一项研究首次成功地将太阳辐射强度聚集到了 ，从而得到了24m/kW106比地面上的太阳辐射强度高 6 万倍的超高聚集的太阳辐射强度值，它已接近太阳表面的辐射强度。此外，还有集 20 世纪太阳能研究中三项最突出的成果(选择性表面、真空管集热器和复合抛物面聚集器) 于一体的高效集热器，新型透明隔热材料、家用全能系统，空间飞行器的热动力系统等等。可以相信，太阳能利用的研究在 21 世纪将取得更惊人的成
42、就。三 核能到 1991 年底，全世界共有 422 套核动力机组在运行，总装机容量达到了 327 547 MW；核发电量占总发电量份额最高的是法国 (75%)，超过 30%的国家和地区已有 10 个。按 1989 年的统计，核电占世界总发电量的 16.8%，核能占世界能源总消耗的 5.08%. 现在，世界上的核电厂已使二氧化碳排放量减少了约 21012 kg，占总排放量的 10%. 总之，核能已成为解决人类未来能源问题的希望所在。根据我国国情，21 世纪的堆型应该是能够大幅度提高核燃料利用率的，安全性和经济性好的新一代堆型，例如快中子增殖堆、高温气冷堆和聚变裂变混合堆等。我国不少科学家认为，快
43、中子增殖堆是可最早实用的新堆型；高温气冷堆能提供高温工艺热，安全性好，尽管不能增殖核燃料也应积极研究；混合堆的技术难度与风险大，应对它的发展作适当的部署。我们知道，轻原子核带的正电少，它们相互靠近时的静电斥力较小，容易聚变。而且，轻原子核聚变时放出的能量也多，因此目前研究的都是氢同位素之间的聚变。在这些同位素中，氚氚聚变最容易，其次是氚氘聚变，第 五 章 高 技 术 研 究 113其他就更难了。氘从水中提取，较容易获得；但氚必须用锂来人工制造，且其半衰期只有 12.26 a(年)，因此通常只研究氚 氘聚变。由于地球上水和锂都十分丰富，因此如能实现人工控制的核聚变，则可不必顾虑能源资源枯竭的问题
44、。此外，核聚变还是安全、清洁的能源，聚变堆活化产生的放射性废物主要是固体，且没有半衰期很长的锕系元素，不会对后代产生威胁。所以，世界上许多科学家正在作出巨大的努力，希望早日实现人工控制的核聚变。为了使聚变核达到足够高的能量，最方便的途径是将大量核燃料在极短的时间内加热到 108 K 这样高的温度，这时氘核的速度可达 1 000 2 000 km/s. 目前发展了两种方法，第一种是在磁约束装置托卡马克(又称环流器)中，使等离子体保持在圆环中央不与内壁接触，然后用感应产生大电流、注入高能中性束以及离子回旋共振等方法，将等离子体加热到所需要的温度；另一种是用多路强激光同时照射直径 1 mm 的氘氚实
45、心或空心小丸，在十亿分之几秒的时间里激光被靶丸吸收而周围形成几千万开的冕区，使大部分外层靶材向外喷射，其反冲力形成的聚心冲击波将靶芯千百倍地压缩并产生上亿开的高温。聚变能的利用目前还处在基础研究阶段，仍有一段漫长的道路。为了较早利用聚变技术，人们正在研究建造聚变裂变混合堆。由于氘氚聚变时放出的中子数多，能量又高，若用它轰击 238U 或 232Th，就可以生成 239Pu 或233U 等优质核燃料。例如，可在聚变反应室外放置一层足够厚的由天然铀、238U 或 232Th 组成的转换区(称为混合堆的裂变包层)，聚变产生的中子既可以在转换区内产生 239Pu 或 233U 并释放出裂变能，也可以在
46、转换区内使锂变成氚以补充聚变堆芯中消耗的氚。由于只是利用聚变反应产生的中子，因而对聚变的要求可以比纯聚变堆的低一些。这种混合堆的最大优点是能够大量增殖核燃料。此外，世界上已开发的水力资源仅占总量的 16.5%，水力发电量约占世界总发电量的 23%，因此水力发电仍有广阔的发展前景。据估计，全世界风力资源是水力资源的 710 倍，现在已开发的风力发电只占风力资源的 8%，单机发电已经可以达到 20 kW，还有很大的潜力。特别是在牧场、高山、海岛及无电力供应的地方，风能是一种方便的能源。全世界的海洋潮汐能每年应可发电 2.21013 kWh，其中可经济开发的只有 21011 kWh，现在已开发的还不
47、到 6108 kWh. 尽管早在远古时代人类就已开始利用地热，但直到 1988 年利用地热所产生的热能和电能还不到世界总能耗的 0.2%. 总之，各种能源的利用是高技术研究的一个重要前景。第 一 部 分 物 理 学 和 高 技 术 前 沿1145 - 5 新材料技术新型材料的研究开发，往往是一个时代到来的重要标志之一。例如，原始社会称为陶瓷时代，奴隶社会称为青铜时代，封建社会称为铁器时代，而近代社会可称为钢铁塑料时代。当代新材料的研究与发展是建立在物理学、化学、生物学、材料科学等学科的突破性进展的基础之上的。同时，各新兴技术群体的发展也对新材料提出了新的要求并刺激其发展。一 超导材料1986
48、年开始，世界上掀起了一场高温超导热，超导体的临界温度提高到了 77 K 以上的液氮温区，从而开创了一个新技术领域。这个领域的研究和发展，使人类有可能在不久的将来实现液氮温区超导强电的应用，如发电机、电动机、磁悬浮列车、超导输电和超导强磁场等；同时，人类还将实现超导电子学的应用，如超导量子干涉仪、特斯拉计、用于微波接收的超导隧道结、超导谐振腔和超导天线等。超导计算机及快速逻辑元件也有着广阔的前景。二 纳米材料这是一种尺度在 0.1 nm 100 nm、介于微观与宏观之间的新材料，具有特殊的电学、光学、热学、力学和声学性质。纳米材料的理论基础是介观物理、界面物理与化学，其应用的领域十分广阔。例如，
49、用纳米材料压制成的金属块的硬度和韧性远远超过结晶形态或非晶形态的金属材料，用纳米材料制成的永磁体具有更高的磁场强度。目前，纳米材料的研究在世界上还刚开始，还没有形成统一的理论、方法及其学科的主攻方向。围绕纳米材料而发展起来的纳米技术，将有可能把现代技术推向分子及原子的层次，有广阔的前景。三 精密陶瓷材料精密陶瓷材料是一种金属氧化物的非晶材料。实际上，有的纳米材料和高温超导材料就是这种材料。这里我们所说的精密陶瓷材料，主要是指结构材料，它们一般具有耐腐蚀、耐高温、高硬度等特点，有的还有一定的韧性，目前已可以用来制造汽车发动机而不需要冷却系统。利用精密陶瓷材料还可以做高硬度的刀具，可以在部分领域里替代金属材料。作为功能材料它可用作宇宙飞船的隔热瓦、高压绝缘瓷、电子器件的衬底和封装材料，以及生命第 五 章 高 技 术 研 究 115科学中的人工器官材料等。四 化合物半导体与光导纤维材料为了提高计算机的运算速度以及使电子技术向更高频段的方向发展，急需解决高电子迁移率的材料，这就是化合物半导体。例如，砷化镓材料的电子迁移率是硅材料的 5 6 倍，可作计算机的高速开关及毫米波接收器件、红外敏感器及光电子元件。这对计算机、雷达、通
