美国首次将定向能纳入“关键和新兴技术清单”，中国顶尖人才储备全球第一

撰文：智谱研究实习研究员刘彦伯

一、前言

2022 年 2 月，美国国家科学技术委员会（以下简称“委员会”）将定向能技术新增到关键和新兴技术（Critical and Emerging Technologies，CETs）清单。清单指出，定向能技术包括3个关键分领域：激光、高功率微波和粒子束。委员会表示，出台此清单的目的是保障自身未来的技术领导力，应对技术安全威胁。此清单为随后的美国技术竞争力和国家安全战略相关政策制定，起到重要的参照作用。

1.1 定向能技术的起源

在定向能技术中，粒子束技术的起源与核物理领域的粒子加速器（accelerator）的发展密切相关。最初的回旋加速器（cyclotron）只能施加恒定磁场。可稳定加速的粒子能级因此受限（20 MeV 以下）。1945 年，前苏联的维克斯列尔（V. I. Veksler）和美国的麦克米伦（E. M. McMillan）各自独立发现了自动稳相原理（principleof phase stability）。由此，回旋加速器可以根据粒子能级变化，施加可变磁场，进而能够将高能粒子稳定在圆形轨道中。可加速粒子的能级提高到 GeV 级。

若想继续增加能级同时保持粒子稳定运动，就需要增加磁场强度、加速器尺寸和孔径大小。但一味增加这些参数并不现实。1952年柯隆（E. D. Courant）、李温斯顿（M. S. Livingston）和史耐德（H. S. Schneider）发现强聚焦原理（strong-focusing）：交替改变强磁场梯度的方向，能更稳定地控制粒子的运动轨迹。由此，粒子所在的真空室容积、磁铁尺寸可大幅缩小，回旋加速器的尺寸进一步得到控制。

以上 2 个原理为定向能技术的诞生打下基础。时任 Newman 核研究实验室主任的威尔逊（Robert R. Wilson）由此提出，可利用这一原理制造出重约数吨的小型可移动的加速器（scaled-downmobile accelerator），用于防御核武器。上世纪 50 年代，原子弹仍需轰炸机投送。这种加速器，可瞄准原子弹，持续向其轰击电子束或中子束，使得原子弹在到达前提前引爆。

贝特（Hans Bethe）认为，这种加速器的防御效果取决于原子弹的投送形式。在使用飞机投送的 1952 年，加速器只能在飞机接近时发射粒子束，提前引爆的核武器依旧会发挥剩余 10% 的杀伤力。但是，如果使用导弹投送原子弹，由于反导导弹命中高速目标较为困难，接近光速运动的粒子束具有极高优势。

随后，美国原子能委员会（Atomic Energy Commission）成立了一个名为“九头蛇”（hydra）的项目，目的是研发这种粒子束武器（particle-beam weapon）。项目进展过程中，研究者通过理论计算发现，带电质子束的能级无法达标，而且粒子束不够稳定。1958 年，美国国防部高级研究计划署开展了另一个粒子束武器的项目“跷跷板”（Seesaw）。然而，由于受到客观条件限制，粒子束武器仍未实现。

因此可以说，定向能的概念最初来自粒子加速器的军事应用。

1.2 定向能武器的基本含义

随着激光、新材料、微电子等高技术的发展，衍生出一类利用各种束能（高度集中的能量）产生强大杀伤性的聚能武器，即定向能武器。

定向能武器属于远程武器的一种，可以将激光、粒子、微波、等离子或声波，以束的形式，向预定目标发射，从而对目标进行拒止、瓦解、毁伤、摧毁和欺骗，以及战场信息探测（如激光瞄准、激光射频追踪）。

土耳其宣称于 2019 年 8 月利比亚的战斗中，首次使用了定向能武器 ALKA。美国五角大楼、国防高级研究计划署等政府部门与机构正在研究定向能武器与电磁炮（railgun），用于进行导弹防御，拦截弹道导弹、超高音速巡航导弹、超高音速滑行载具。

1.3 定向能武器的研究价值

定向能技术的应用前景广阔。当前，至少 31 个国家使用定向能武器，执行反无人机任务，如基地防御。在 21 世纪 20 年代初，世界范围内的定向能技术在各个军事领域发挥着重要的作用，包括对空防御，目标检测追踪，反情报搜集与侦察，以及电子战。在军用之外的制造业、医药行业中，定向能技术同样有着重要贡献。当下全球新冠肺炎疫情依旧严峻，应用于医用清洁设备和供养系统的紫外光可以阻止病毒的传播。

定向能技术中的激光分支，具有明显的军事战术优势：

• 使用方式隐蔽，电磁辐射不产生声音，波频处于可见光谱外可隐形。
• 电磁波不受重力，风力，地转偏向力的影响，弹道接近平直轨迹，可精确命中目标，仅仅受到空气衍射、散射、吸收的影响。
• 光速投送、射程长，适合太空战争。未来战场形势骤变，激光为防空系统提供极高的速度优势。
• 激光武器只需要足够的电力，解决了弹药补给等后勤难题。

       

本文将主要从定向能领域的科学研究与技术发展趋势等方面，较全面地呈现出该领域的技术及应用发展的全球现状，并展望该技术的未来前景。

本文研究数据范围是科技情报大数据挖掘与服务系统平台 AMiner 数据库相关的论文数据、学者数据，以及公开获取的第三方数据。所有统计数据收集截止到 2020 年。

二、定向能论文分析

基于科技情报大数据平台 AMiner，通过关键词检索式在标题和摘要中进行检索，发现自 2000 年以来关于定向能技术的科研论文发表量呈现稳步上升态势，共计 11569 篇（截至 2020 年）。

2.1 中美英定向能技术论文发表量居全球前三

在二十年的定向能相关论文之中，论文发表量前十国家依次是美国、中国、英国、德国、日本、印度、法国、加拿大、意大利和韩国，如图1 所示。其中，美国的相关论文发表量居于全球领先位置，中国、英国分别居于第二、三位。

数据来源：AMiner 知因系统。

图 1 2000-2022 年定向能学术论文发布量 TOP10 国家

2.2  中国定向能科研论文量近年来赶超美国

在全球范围内，美国和中国在定向能领域的相关论文发表量最令人瞩目，近 20 年来基本是该领域研究成果数量领先的国家。总体上，美国的相关科研产出量曾在 2000-2012 年期间居于全球首位，与中国短暂持平后被超越。中国的相关科研产出量自 2017 年以来持续居于全球之首，如图2 所示。

数据来源：AMiner 知因系统。（注：图中的每个色带表示一个国家，其宽度表示该国家在当年的热度，与当年的论文数量呈正相关；各国家在每一年份中按照其热度进行排序，热度越高的国家，其位置越排在上方。）

图2 国家间定向能科研论文成果发展态势

2.3  中美合作论文占总跨国合作论文数比超 40%

定向能领域国际合作论文共计 728 篇，占领域论文总数的 6.3%。其中，中美合作撰写论文共 325 篇，占合作撰写总数比例最高，为 44.6%。其次是中日合作撰写的论文共 56 篇，占合作总数比例为 7.7%，列居第二。具体信息如图3 。

来源：AMiner 知因系统。

图3  定向能技术论文国际合作分布

2.4  研究热点多聚焦于能源消耗技术

从 AMiner 数据库中查找出定向能相关科研论文，生成包含论文所在领域的分支术语、年份和相关论文数量的技术热点大数据发展趋势河流图（如图4 所示）发现，当前定向能学术论文研究热点 TOP 10 按热度递减依次包括：能源消耗、能源效率、可再生能源、高能、能量转移、直接能量转换、能谱、能量密度、定向天线、磁场。

来源：AMiner 知因系统。（注：图中的每个色带表示一个分支术语，其宽度表示该术语在当年的热度，与当年该分支的论文数量呈正相关；各分支在每一年份中按照其热度进行排序，热度越高的技术主题，其位置越排在上方。）

图4 定向能技术论文研究态势（2000-2020 年）

三、定向能高层次学者分析

基于 AMiner 系统学者库大数据，通过智能算法遴选出定向能领域 H 指数领先的学者 1118 位作为高层次学者进行人才特征分析。

3.1  定向能领域中国高层次学者数量优势明显

从全球范围看，中国从事定向能技术研究的高层次学者数量具有较大优势，共 206 人，占全球总量的 18.4%，处于明显领先位置；其次是美国与日本，分别为 135 和 18 人，居于第二、三位。具体信息如图5 所示。

数据来源：AMiner 知因系统。

图5  全球定向能高层次学者国别分布（TOP 10）

3.2  中科院、南航和东南大学等机构高层次人才储备跻身全球前十强

从学者所在机构分布看，高层次学者数量前十的全球机构主要为中国机构所占据，如图6 所示。这反映出中国机构在定向能领域拥有较多的高层次学者资源优势。在该领域学者最多的前 10 机构依次是：Pacific Northwest National Laboratory（美国太平洋西北国家实验室）、中国科学院、Oak Ridge Nationallaboratory（美国橡树岭国家实验室）、Argonne National Laboratory（美国阿贡国家实验室）、University of California（美国加利福尼亚大学）、南京航空航天大学、日本九州大学、东南大学、中国科技大学、Us Air Force Research Laboratory（美国空军研究实验室）。

数据来源：AMiner 知因系统。

图6 全球定向能领域顶尖人才机构分布（TOP 10）

交流合作联系方式：ke.wu@aminer.cn

点这里关注我👇记得标星~

热门视频推荐

更多精彩视频，欢迎关注学术头条视频号

# 往期推荐 #

剑桥酷炫新发明：卷起来，一块布就是一个显示屏！

winter

【学术头条】持续招募中，期待有志之士的加入

强势招募兼职作者！邀你书写前沿科技内容

2021-12-21