大学物理素材-前沿浏览-高的技术概述

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5-120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、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，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5Gb/s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)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第一部分物理学和高技术前沿104构理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1~10GHz，随着卫星通信业务的迅速发展，频段已扩展到20~30GHz，并已开发研究40~50GHz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35860km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(24h)，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