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飞行器结构机构知识产权研究

中国运载火箭技术研究院研究发展中心 李永俊 张晓帆 姚纳新
中国航天系统科学与工程研究院 马全亮 王永芳
一、前言
作为当前的技术热点，新型航天飞行器具有技术新、研制难度大的特点，同时这些技术又属于航空航天交叉融合的学科，可直接继承的研制经验较少。与传统的航天器、航空器相比，新型航天飞行器既继承了两者的优点和特点，也存在研制难度加大的问题。
新型航天飞行器经过20多年的发展，吸引了一批航天、航空领域的科研院所和高校的积极参与和研究。由于其研究的复杂性，在研制开始阶段就需调动全国航天、航空领域的科研院所和高校中各专业的优势力量，以总体设计单位为核心，形成全国性大协作的研究模式。由此，作为研制基础与核心的技术贮备和知识产权成为了研究的焦点。
结构机构专业领域是新型航天飞行器的重要研究方向。自上世纪50年代以来，大量新材料、新结构、新技术得到开发和应用，产生了丰富的研究成果和知识产权，牵引并带动了相关产业的快速发展。为了更合理地利用已公开的成果，促进我国新型航天器结构机构专业的发展，同时推进知识产权布局、保护及成果转化，有必要开展相关策略研究。
在飞行器结构机构设计和攻关过程中，国内十多家相关单位开展了多方面研究与协作，形成了论文、专刊、技术报告、数据、硬件和软件等多种形式的研究成果。为了立足现有成果，跟踪国际先进技术，布局长远发展，防止研究成果流失，有必要开展相关策略研究，加快智力成果转化。
一、关键技术图谱制定
1．技术发展现状分析
为满足新型航天飞行器结构与机构技术研发的实际需求，研究人员通过确定非专利文献和专利文献的检索策略和关键词，收集国内外非专利文献和专利文献，进行文献统计分析等步骤，深入研究了飞行器结构与机构技术知识产权保护情况，总结了我国新型航天飞行器结构与机构的技术发展现状。
(1)结构技术发展现状
结构设计是一个庞大、综合的系统过程，涉及结构几何学、材料学、力学及制造工艺等多个学科，设计结构应满足轻质化、安全性及可维护性等要求。在过去多年的发展过程中，飞行器结构设计取得了很多成果，如航天飞机机身结构、推进剂贮箱、有效载荷舱、着陆装置等多项关键技术取得突破性进展。将轻质高强合金作为航天飞行器主体结构、主承力构件的技术日益完善，如Mg - Li合金，Al-Li合金等超轻合金有效降低了结构质量。
自20世纪60年代先进复合材料问世起，以美国为代表的先进技术国家一直致力于复合材料体系的技术研发和工程应用，已经积累了半个世纪的复合材料使用经验，建立了完善的复合材料设计、制造和验证方法。
目前，国外以T800级中模高强碳纤维为增强材料的第二代先进树脂基复合材料已经发展成熟，并成功应用于大型飞机的主承力结构。其中，F35飞机的复合材料用量达到36%，B787飞机的复合材料用量达50%以上。
相关的技术储备和设计研发经验已成功向航天器结构转移。如美国波音公司制造的某型技术验证机实现了机体结构的全复合材料化，并拥有完善的材料性能数据和先进的复合材料制造工艺技术。
从未来发展趋势看，飞行器复合材料结构必将得到更为广泛的应用，并且适于高温和复杂环境下使用的复合材料结构以及结构的耐久性和多次使用性也将成为研究的重点。
(2)机构技术发展现状
2003年，美国波音公司申请了一件关于可折叠的太阳能电池阵列的专利。该太阳能电池阵列采用六自由度机制，充分伸展时，通过方向旋转可使太阳能电池表面垂直接受光线。该项技术后来被波音公司的某项目所使用，允许快速折叠或转载，能收起太阳帆，点燃推进器改变轨道。
上世纪70年代，通用动力公司研究了一种集成夹紧箍空间飞行器支撑系统，主要针对航天飞机轨道器而设计，用于支撑多次使用运载器的货舱，另外也可以部署在空间飞行器的舱内，如上面级等。
(3)起落架技术发展现状
支柱式和摇臂式起落架在现代飞机上使用广泛。目前国内外对起落架的研究主要集中在民用客机上，而民用客机多数属于大型飞机，且重量都是在百吨级别。对于轻型飞机或者军用飞机，由于技术保密等原因，可查找的公开资料相对较少。另外，航天飞机的起落架也可以为航天飞行器起落架设计提供一定的参考。
(4)结构与机构强度分析技术发展现状
多学科、多尺度、多层级综合优化技术在强度分析中应用广泛；高效算法研究日新月异，基于云计算、大数据等技术的多场耦合分析、非线性分析及优化设计算法发展迅速；基于光纤／光栅的结构响应测试、载荷（损伤）识别及飞行器在线健康监测管理技术得到广泛应用。
2．关键技术图谱制定与修订
根据新型航天飞行器结构与机构技术特点，研究人员制定了关键技术图谱，如图1所示。飞行器结构与机构技术共分为结构设计与仿真技术、机构设计与仿真技术、起落架设计与仿真技术、结构与机构强度分析技术等四项关键技术，每项关键技术又包括若干项子技术。

结合飞行器结构与机构专业相关技术知识产权现状和技术发展趋势，在已知技术图谱的基础上，研究人员又进一步完善了飞行器结构与机构专业关键技术图谱。
初步专利检索的结果表明：在结构设计与仿真技术领域，航天飞行器全复合材料结构设计技术领域方面的专利数量较少，而有关飞机全复合材料结构设计方面的专利较多。考虑到该领域的技术也对飞行器的结构设计具有参考价值，所以就技术图谱做了专门修订，即在结构与仿真技术之下，增加了“飞机全复合材料结构设计技术”这一子技术研究方向。
三、知识产权检索及专利分析
1．知识产权检索情况
针对新型航天飞行器结构与机构专业的相关技术领域，研究人员首先根据技术图谱确定主题词，之后就各个子专业分别确定了关注重点、检索词、关注实物形式、关注型号、关注公司等内容。其中提出中英文检索词189对，重点关注的国内外公司数十个。
检索使用的专利文献数据库有中国知识产权局、美国专利局和欧洲专利局；非专利文献数据库有中国文献库（中国知网、万方数据库、国家科技图书文献、中国航天文献库、国防信息文献库以及GOOGLE学术搜索）、国外文献库（NASA报告、AIAA）等。研究人员根据所检索的新型航天飞行器结构与机构专业相关文献，建立了新型航天飞行器结构与机构专业专利及非专利资源库，时间跨度为1980～2014年，检索获得国内外专利文献3922件，并筛选出48件进行了重点分析。各专业专利数量见表1。

2．宏观专利分析
根据检索得到的新型航天飞行器结构与机构专业专利及非专利资源库，研究人员使用专利分析工具对国内外新型航天飞行器结构与机构技术专利申请总体状况开展了宏观专利分析，包括总体状况分析、申请区域分析、申请人分析、技术分析。此处仅给出专利申请总体状况，如图2。

从图中可以看出，上世纪60年代末至2000年，新型航天飞行器结构与机构技术专利申请量保持平稳增长，但年申请量仍维持在30件以下；自2000年之后，技术专利申请量呈现增长态势，尤其是从2006年开始，开始呈现出快速增长的态势，至2009年和2012年分别呈现两个申请高峰，其中在2012年达到申请顶峰138件左右。
新型航天飞行器结构与机构技术专利申请量呈现出上述特点的主要原因为：美国在新型航天飞行器研究方面开展较早，投入也较大，一直走在世界各国的前面。从20世纪70年代到80年代，美国成功研制了第一代新型航天飞行器——航天飞机。进入20世纪90年代，美国第二代新型航天飞行器技术计划逐步展开，美国航空航天局分别与美国空军、波音公司、洛克希德公司等先后研制了DC-XA、X-33、X-34等试验性空间飞机。进入21世纪之后，美国开始研制第三代新型航天飞行器并给国际航空航天界带来了一轮新的冲击，因此世界各航天强国也纷纷加大投入、积极开展新型航天飞行器的研究。
3．微观专利分析
通过研究美、俄、欧洲等航天强国或组织在新型航天飞行器结构与机构专业相关技术领域的动态和发展趋势，结合专利布局情况和竞争态势，研究人员对飞行器结构与机构专业技术未来发展的重点方向进行了预测。
使用专利分析工具对4项关键技术开展了微观专利分析，内容包括总体状况分析、申请区域分析、申请人分析（申请人分布、申请人技术特点）、技术发展脉络分析、重点专利分析（值得借鉴的专利技术、需要规避的专利技术）。图3中给出了结构设计与仿真技术专利申请区域的分布情况。

从图中可以看出，专利申请主要分布在美国、俄罗斯、中国、法国、德国、英国、日本和韩国。美国在该技术领域的专利申请最多，占该领域专利申请总量的52%，超过了世界上其他国家专利申请的总和。这说明美国是该领域技术成果最多、专利申请最活跃的地区。其次是欧盟（主要是法国、德国和英国），约占专利申请总量的18.9%。上述国家中除韩国外，美国、俄罗斯、中国、欧洲和日本是世界主要的航空航天大国或组织，目前均在开展或计划开展航天飞行器的研制，是世界在该技术领域创新最活跃的国家或地区，尤其美国是该领域当之无愧的领导者。
4．非专利文献分析
研究人员还开展了非专利文献分析。文献检索包含的国家和地区有中国、美国、英国、台湾，检索时间跨度为1990～2014年，检索获得了非专利文献69件。经过筛选，研究人员对其中16份文献的技术特点进行了重点分析，同时分析了所属技术领域、技术成熟度、可借鉴程度等。
从所属技术领域来看，结构设计领域的文献占多数，其次是起落架设计领域，而机构、强度领域的文献较少。从技术成熟度（参见GJB7688-2012装备技术成熟度等级划分及定义）来看，最多的是7级技术成熟度（7项），其次是4级成熟度(4项)。这表明技术成熟度不高。从可借鉴程度来看，仅有2项借鉴程度比较高，其余为一般。这进一步表明需要以自主研制为主。
四、知识产权保护及转化
1．关键技术的知识产权保护策略
(1)知识产权信息利用策略
根据专利借鉴价值，研究人员建立值得借鉴的专利技术清单51项，其中可直接使用专利技术5项，其它为改进后使用。根据专利侵权风险级别，研究人员还总结出存在一般性专利侵权风险的专利技术清单3项，需要在应用中加以规避。
根据专利申请量和专利技术的可利用价值，研究人员总结出各专业需要长期跟踪的重点专利申请人14人次并明确了重点跟踪技术方向。例如，关于结构设计与仿真技术，对欧洲宇航防务集团（EADS，现空客集团）主要应从飞机复合材料结构技术方面进行重点跟踪；对波音公司主要应从飞行器结构系统方案设计技术和飞机复合材料结构技术领域进行跟踪；而对美国航空航天局则主要应从飞行器结构方案系统设计和复合材料结构设计方面进行跟踪。
(2)知识产权创造策略
结合现有专利技术，经过对各子专业具体技术进行分析，研究人员规划出各项关键技术的创新技术方向58项并给出了研发策略（改进研发、自主研发、合作研发）。其中，需要自主研发的技术38项，占65.5%，其余则为需要合作研发的项目，没有改进研发的项目。需要合作研发的项目主要集中在机构设计与仿真技术、起落架设计与仿真技术方向。
(3)知识产权保护策略
知识产权保护，狭义上是通过司法和行政执法来保护知识产权的行为；广义上是依照现行法律，对侵犯知识产权的行为进行制止和打击的所有活动总和，包括专利、技术秘密、著作权等保护方式。研究人员通过国内外专利状况分析和自主知识产权状况分析来规划拟申请知识产权保护的项目。如，制定各技术分支的知识产权保护策略表，包括国内外专利状况、自主知识产权状况、保护策略建议、拟申请知识产权保护状况等内容，其中拟申请专利22项，拟申请技术秘密18项。
(4)知识产权成果转化策略
成果转化是知识产权策略的重要内容。研究人员结合专业特点，制订了技术成果的转化策略，完成了关键单项技术成果转化可行性评估和转化策略研究，进而制定了知识产权转化策略表。总计有十余项创新技术可用于军转军，其中有4项技术还可同时用于军转民。
2．技术成果转化的前景分析
针对4项关键技术，研究人员对技术先进程度做了分析，认为这4项关键技术在国内均具有独创性和新颖性，拥有良好的市场前景。例如，主要应用于航天航空领域的结构和机构强度分析技术，可以针对航天器产品研制及生产经费较高、分析及加工周期较长的特点，提前预示航天器的模态，进而有效缩短研制周期，节省试验经费；同时该方法还具有较强的通用性，可推广应用于船舶、核工业领域的模态预示项目，市场前景良好，经济收益较大。
由于飞行器结构与机构专业的关键技术绝大多数用于军品，所以技术成果的转化也主要围绕军转军方向进行，如从预研阶段向型号研制阶段整体转化。但起落架技术、全复合材料结构设计方面的技术成果由于与普通客机或无人机等领域具有很大的相容性，因此具有较大的民用转化前景。
3．多协作单位项目研制模式下的知识产权管理
新型航天飞行器的研制模式决定了知识产权保护工作的艰巨性和复杂性。通过对国内外类似研制模式项目知识产权保护的研究分析，我们开展了适用于多协作单位研制模式的知识产权管理研究。
开展多单位合作／协作的关键是知识产权的管理。知识产权的权利归属、价值评估与利益分配则又首当其冲。通过对国内外多协作单位项目研制模式的研究，研究人员分析了多协作单位项目研制模式下的知识产权管理问题，主要包括合作成果的利益分配机制不健全、多单位合作／协作合同中知识产权条款不完备、合作项目对知识产权缺乏全过程管理等。提出了多协作单位项目研制模式下知识产权管理的对策，主要有建立合理的知识产权利益分配方式、规范多单位合作／协作项目的合同管理、实施知识产权全过程管理等。
为了避免发生知识产权归属类纠纷（专利申请权归属、专利权归属），作为多协作单位研制模式下牵头单位的总体设计单位需要开展多协作单位项目研制模式下知识产权管理的对策研究。经过研究，我们的研究人员提出了若干建议：全面了解本单位的自主知识产权；签定责、权、利明确的合作协议；加强对合同中有关知识产权约定的监督等。
五、结束语
文中介绍的国内外航天飞行器结构与机构专业的知识产权情况，可为开展我国新型航天飞行器结构与机构专业知识产权布局，促进创新成果转化，形成专利保护网，保证自主知识产权权益，促进预研技术成果转化提供有益参考。研究得到的成果已经在某项目研制及未来发展规划的制定中得到了应用。

-全文完-