2019年国外先进军用无人机研究进展

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来源：蓝海星智库

作者：袁成 宋刚

2019年，世界军用无人机技术精彩纷呈，无人僚机、无人蜂群、无人货运飞机、太阳能无人机、微小型无人机、两栖无人机等均出现了一些最新动向，有些项目立项启动、验证机首飞成功；而有些项目则被迫取消、验证机首飞延迟或出现飞行事故。另外，变形机翼、主动射流、自动驾驶、人工智能等技术也均取得相应进展，将对未来军用无人机产生重要影响。先进技术是军用无人机发展的源动力，只有打牢技术基础，才能以此为依托研制出先进的装备型号，进而孕育出强大的作战能力。

无人僚机

无人僚机已成为无人机领域的重点发展方向，可执行对空对地攻击、电子战、情报监视侦察、诱饵等多种任务，能以较低成本实现更强的空中作战能力，是无人机向主战方向发展的代表机型。相比2017年和2018年，2019年无人僚机发展呈现出三点变化，一是无人僚机平台发展进入新阶段，美国和澳大利亚开始进行飞行试验；二是除继续发展僚机平台，开始面向制空和情报监视侦察等任务进行僚机算法研究，快速推动无人僚机的服役进程；三是研制国数量快速增加，除美国外，澳大利亚、俄罗斯、英国、南非、印度等国也纷纷加入研制队伍。

1、美国XQ-58A和澳大利亚空中力量编队系统（ATS）进入飞行试验阶段

2019年3月5日，美国空军研究实验室（AFRL）XQ-58A高亚声速无人僚机成功进行了76 min的首飞。该机从合同授出到首飞仅耗时两年半，将按计划分2个阶段进行5次飞行试验，以评估系统功能、空气动力性能等。6月11日，XQ-58A完成71 min的第二次试飞，达到所有测试目标。而在10月9日，在成功完成90 min的第三次试飞后，该机着陆时意外损坏。事故原因是降落后地表风速较高且临时飞行测试回收系统故障，这也导致第四次试飞被迫推迟。美国空军表示最快将于2021财年决定是否启动型号研制项目，而一旦启动，仅需2~3年便可进入部队服役。

图1  正在开展飞行试验的XQ-58A

2019年初，波音澳大利亚公司推出了ATS无人僚机，其与澳大利亚军方联合研制，旨在与F-35战斗机、EA-18G电子战飞机以及E-7预警机等协同作战，遂行情报监视侦察和电子战等任务。该机由人工智能赋能，外形隐身，长11.7 m，航程超过3 704 km，生产成本200万美元，与XQ-58A的大批生产成本相当。11月18日，公司宣布ATS试验机成功首飞，飞行时速达到300 km，对安全通信等能力进行了试验。ATS的后续试验将实施更复杂的机动，并增加编队飞机数量和执行任务的复杂度。

图2  ATS忠诚僚机

2、美军启动空天博格人和空战演变（ACE）无人僚机算法项目

2019年3月，AFRL公布了空天博格人（Skyborg）项目。该项目主要面向空中格斗、情报监视侦察和态势感知等任务，希望利用人工智能实现无人僚机的自主飞行以及控制、管理部分战斗任务。按计划，Skyborg算法将首先植入模拟器，在地面与飞行员对抗，不断提升能力，之后将开展为两年的飞行试验。2019年夏天，项目已进行首次飞行试验，试验平台为空军自主设计和制造的小型固定翼喷气机，未来将采用大型飞机作为试验平台。美国空军考虑将Skyborg算法整合至QF-16、XQ-58A或BQM靶机，打造成一架真正的无人僚机原型机，并在2023年进行早期军事效用评估。

2019年6月，美国防预先研究计划局（DARPA）发布ACE项目跨布局通告。该项目旨在研究人-机协同空战，即测量、校准、提升和预测人类对自主空战系统信任的方法，并将在最激烈的空中格斗条件下开展试验。研究人员将首先教授ACE算法空中格斗规则，如基础机动、一对一作战、多机空战等。之后将在尽可能贴近实战的模拟环境中验证人-机编队的作战能力。DARPA为在授出项目合同前夯实技术基础，吸引人工智能程序员，设立了阿尔法空战试验竞赛，发展近距格斗智能算法。2019年10月，DARPA选定了参加竞赛的8支团队。需注意的是，ACE和Skyborg项目的工作人员正在开展密切的沟通交流，如果ACE项目的格斗算法获得突破，将被快速融入至Skyborg项目中，实现技术转化并为美军未来的制空型无人机打牢技术基础。

图3  ACE项目概念图

3、各国竞相规划无人僚机发展

目前，英国皇家空军快速能力办公室和国防部国防科技实验室正联合实施轻量级经济可承受新型作战飞机（LANCA）项目，其类似于XQ-58A和ATS。LANCA无人机设想与台风、F-35、暴风等战斗机一起部署，为有人机提供更强的保护、生存和信息能力。4月，英国蓝熊系统研究有限公司、波音英国防务有限公司和黑暗黎明团队（由卡伦-伦茨公司、庞巴迪贝尔法斯特公司和诺格英国公司构成）三家胜出，进入项目第一阶段。英军表示，LANCA无人机将比鹰式教练机稍大，在2022年首飞后会开展一系列验证试验。

俄罗斯米格飞机公司正为米格-35战斗机设计一种高速无人僚机，该机可由米格-35控制，也能使用人工智能技术与有人机配合作战。2019年10月，南非科学与工业研究理事会（CSIR）表示有意研发无人僚机，以与南非空军JAS-39C/D战斗机共同执行空对空和空对地任务。南非政府一旦同意，CSIR将启动项目。印度斯坦航空公司（HAL）在2019年度印度航空展上推出了隐身无人僚机。该机机长6 m，续航能力80 min，航程800 km，拥有多种作战功能。

无人蜂群

无人蜂群由无人机蜂群、无人系统蜂群和弹药蜂群等组成，是先进军用航空技术发展的重点方向，具有规模大、成本低、可消耗、群内自主协同等特点，可与有人机配合，以数量优势压制敌方目标，以较低成本实现更强作战能力，是无人系统向主战化发展的另一重要抓手。2019年的无人蜂群延续了前几年强劲的发展态势，除美国继续高歌猛进，英国也在该领域崭露头角，启动研究项目，以紧跟先进军用航空技术的发展趋势。

1、无人机蜂群

DARPA研究无人机蜂群平台和空中发射回收技术的小精灵项目2月初对发射回收系统开展飞行了试验，并计划于4月在利尔喷气飞机上试验无人机航电系统以及在夏天开展无人机的第一次飞行试验，但上述两次试验目前未见报道。DARPA将于2020年1月进行无人机蜂群空中发射回收演示验证，计划在30 min内用C-130回收4架小精灵无人机。另外，DARPA研究无人机蜂群自主协同技术的拒止环境协同作战项目已于今年5月左右转化至海军航空系统司令部，将由军种开展后续研发工作。

2019年2月，英国国防部长宣布，准备研制能与F-35战斗机协同作战、可扰乱和压倒敌防空系统的无人机蜂群，并将最快于2022年后在皇家空军新组建一只无人机蜂群中队。3月底，英国国防部国防和安保加速器（DASA）机构在很多无人机使作战轻松项目中授予蓝熊系统研究有限公司一份250万英镑的合同，正式开展无人机蜂群技术研发。

2019年10月，欧盟理事会提出了压制防空无人机蜂群项目，以迷惑、瘫痪和摧毁敌防空系统，作战样式可能包括使雷达传感器失明、使用自杀战术压制敌防空火力或使用弹药、电子战载荷攻击等。在未来几个月内，欧盟将决定是否为启动项目拨款约200万美元。

2、无人系统蜂群

DARPA进攻蜂群使能战术（OFFSET）项目2019年进展颇丰。该项目旨在为城市巷战研发250个协同作战的无人蜂群系统（无人机+无人地面机器人），而且在项目中还设立了蜂群冲刺活动，以鼓励快速创新和为项目持续引入突破性技术。4月，DARPA向卡内基·梅隆大学等几家单位授予第三次蜂群冲刺活动合同，发展创新的蜂群战术，同时也在征集第四次蜂群冲刺活动的创意方案，并公布了在虚拟环境中发展合成技术和研究可支撑蜂群战术的人工智能技术两个冲刺主题。8月，OFFSET项目成功开展第二次外场试验，由主承包商，即诺格公司和雷神锡恩公司与第二轮蜂群冲刺承包商共同完成。试验在两个街区进行，由数十个无人机、无人地面机器人和人类组成的编队在30 min内定位和隔离了模拟的市政厅，保护了里面的目标，同时保持了对周边环境的态势感知。诺·格公司在试验中使用了快速集成蜂群生态系统（RISE），测试了其在模拟城市环境中的指挥、控制和协作能力。DARPA计划共进行六次外场试验，每隔大约6个月进行一次。

图4  OFFSET项目的第二次外场试验

除了城市巷战，DARPA还打算为执行其他任务的小型地面部队提供蜂群能力。4月，DARPA和美陆军未来司令部表示，正在实施体系增强小型作战单元（SESU）项目，打算向200~300个士兵提供大量配有传感器、破坏性和非破坏性武器的无人系统蜂群。在未来的高端战争中，美军地面部队可使用这些装备击败中俄。目前，DARPA正在积极寻找承包商，并希望在2019财年结束时授出多份合同。

3、弹药蜂群

空射弹药蜂群在2019年出现在重大进展。AFRL年中取消了灰狼低成本蜂群巡航导弹项目，启动了使已有弹药具备协同打击能力的金帐汗国项目。项目目标是使小直径炸弹、联合空地防区外导弹、微型空射诱饵等弹药自主发射脱离、自主规划航迹、自主攻击目标，同时向其他弹药和飞行员提供信息反馈，以实现更理想的作战效果。为此，美国防部向科学应用与研究联合公司授出的1亿美元合同，项目预计2021年12月前完成。

无人货运飞机

向冲突激烈的战场前线或偏远地区的基地运送货物一直是危险和困难的任务，随着自主技术的快速发展，无人货运飞机便成为无人机领域的重点研究方向，并在最近几年取得诸多进展。2019年无人货运飞机的发展喜忧参半，虽然DARPA取消了可重构嵌入式航空系统（ARES）项目，但美军更多的项目开展了飞行试验。可以预见，无人货运飞机未来出现在作战部队已是大势所趋。

1、垂直起降无人货运飞机

DARPA ARES垂直起降无人货运飞机可通过运载不同类型、即插即用的任务模块，实现伤员运输、货物补给和情报监视侦察等多种功能。原型机采用倾转涵道风扇布局，机身宽12.5 m，最大起飞质量3 178 kg、最大巡航速度314 km/小时。5月，DARPA和海军陆战队表示，由于成本严重增长和进度延期，决定不再为该项目提供资金。该项目于2009年启动，已投入上千万美元，被取消可能的原因，一是存在技术难点，二是DAPRA的关注重点已经转向人工智能，三是其他无人货运飞机可以提供更强的运输能力。

根据在阿富汗的作战经验，美国陆军正谋划发展联合战术空中自主补给系统（JTAARS），并计划于2024财年前服役。JTAARS机身质量小于599 kg，能运载136~636 kg的物资，最小航程80 km，具备垂直起降能力，能搭载至小型车辆，为前线的排/中队级作战单元快速补充武器、弹药和其他物资。3月陆军与海军陆战队合作举办了行业信息交流会，陆军要求JTAARS具备全程自动飞行能力，并能自主探测和避障，自主优化飞行路线。

2、空投滑翔无人货运飞机

3月，美国物流滑翔机公司在DARPA和海军陆战队作战实验室（MCWL）的资助下，设计并试验了可在更远距离为快速机动的地面部队提供再补给的一次性无人运输滑翔机。MCWL尺寸较小的原型机命名为LG-1K，而DARPA较大的原型机命名为LG-2K。LG-2K长3.87 m，翼展7.07 m，设计滑翔比15:1，空重362.87 kg，最大有效载荷1 633 kg，货舱容积12.8 m3。海军陆战队MV-22B倾转旋翼机可装载4架，CH-53K重型直升机能装8架，而KC-130J加油/货运飞机能运载18架。公司认为，这种无人机可用来支持类似在阿富汗和叙利亚的地面部队，向在距前线基地数千米外巡逻的友军提供补给；另外，在强对抗环境中，美军地面部队，特别是那些在小型岛屿上作战的部队，由于距离敌方过近，将没有制空权。这时空中补给载机可沿着敌防御圈外围飞行并释放滑翔机，后者将自动飞向补给点。

图5  LG-2K无人货运费飞机

2019年11月，美国特种作战司令部授予耶茨电子空间公司一份技术能力演示验证合同，对该公司无声箭头GD-2000货运无人机进行飞行测试。GD-2000比GD-700能力得到进一步提升，自重约907 kg，有效载重达740 kg，成本不到美军联合精确空投系统的一半，但升阻比是其2倍，且着陆时的垂直冲击为零。2020年2~3月，特种作战司令部计划对该机进行中空空投试验，4~5月进行高空空投试验。

图6  GD-2000货运无人机

3、弹射起飞网拦降落无人货运飞机

Zipline货运无人机由Zipline公司和美国国防创新单元、海军医疗研究中心联合研发，采用小型固定翼布局，最高速度100 km/h，作战半径80 km，携带包含降落伞的医疗包。7月30日~9月5日，美国海军陆战队和澳大利亚军队在澳大利亚连续举行了4次演习，期间使用Zipline货运无人机进行超过400次空投试验。空投的物品包括药品、血液和水。

图7  Zipline货运无人机

太阳能无人机

太阳能无人机拥有数十年的发展历史，虽然鲜有进入型号研制和实际应用的案例，但却一直进行持续研发，说明人们对于超长航时飞行器的孜孜以求。2018年全球的太阳能无人机研究火热，多个原型机计划于2019年进行飞行试验，但在2019年不是坠毁就是推迟首飞，表明太阳能无人机仍处技术研发阶段，距实际应用仍有一段距离。

10月空客公司表示，其西风S高空太阳能无人机在虽已达到14天的飞行目标，但在爬升过程中却遇到晴空湍流，导致失控坠毁。该机翼展25 m，载重5 kg，起飞质量小于75 kg。7月，极光飞行科学公司表示，无限期推迟奥德赛高空太阳能无人机的首飞时间。该机翼展74 m，巡航高度超过20 km，设计留空时间3个月，本计划于2019年4月首飞。英国BAE公司和棱镜公司合作开发的PHASA-35太阳能无人机质量为150 kg，翼展35 m，有效载荷15 kg，留空时间1年，本计划在2019年首飞，但目前并无相关报道，可能将于2020年初首飞。

但太阳能无人机2019年也有好消息，9月，软银公司与航空环境公司的合资企业HAPS Mobile公司宣布，其设计用来当作高空通信平台鹰30太阳能无人机已在NASA阿姆斯特朗飞行研究中心首飞成功。该机翼展约79 m，配备10台电动发动机，飞行高度约19 812 m，可连续飞行数月。未来，公司计划进行更长飞行时间的试验。

图8  鹰30太阳能无人机

微小型无人机

随着无人机、自主等技术的进步，无人机开始向战场各领域普及，例如单兵配装用于短距侦察的微小型无人机得到快速发展，未来为每名士兵装备一架无人机将成为现实。得益于商用无人机技术的成熟，可利用商用平台快速实现服役，另外也可专门研制微小型无人机，以更加贴合一线士兵的作战需求。

4月，美国陆军表示正寻求一型商用四旋翼无人机，为小型战斗前哨部队、路线清理和战术撤退提供实时监视能力。无人机应小于4.5 kg，可放在小背包或突击包里，主要载荷为高清、全向观测光电/红外摄像机，另外通信范围至少达到5 km，留空时间大于45 min。

5月，美国防部国防创新单元宣布，将与陆军在短程侦察（SRR）项目中合作，将小型商用无人机应用于战场。SRR无人机主要依靠开源软件运行，可在3 km范围内连续飞行30 min，质量不超过1.362 kg，组装时间不超过2 min，并可装入士兵的标准背包。到目前为止吗，陆军已授出6份SRR项目合同，总价值1 100万美元。

6月，法国泰雷兹公司推出专用于战术监视和情报侦察的SpyRanger 550微型无人机。该机配备光电有效载荷，可在20 min内完成部署，航程50 km，续航时间5小时。

两栖无人机

两栖无人机或可上天入海，或能空地两用，可大幅扩展传统无人机的应用范围，可算做一种多域作战装备。因为涉及完全不同的多种作战环境，对无人机的技术水平要求较高，导致目前的技术成熟度相对较低，然而一旦应用，却可能成为一种变革性的作战装备。

6月，美国北卡罗莱纳州立大学与特里达因公司在海军空间与海上作战系统中心太平洋分部的资助下，联合推出了鹰鳐水空两栖无人机。该机长1.4 m，翼展1.5 m，采用电推进方式，可配装传感器、摄像机、声呐等载荷，不仅能在空中遂行监视侦察，也能执行水下动态、静态探测任务。目前，研究团队已对鹰鳐成功开展了空中-水下跨域机动能力验证。

图9  鹰鳐水空两栖无人机

11月，美国机器人研究公司推出了飞马陆空两栖无人机。该机重0.45 kg，有效载荷1.8 kg。在空中最大时速84 km，续航时间20 min；在地面最大行驶速度4.8km/h，可工作6 h。飞马能使用多种载荷，包括3D激光雷达、战术电台、光电/红外摄像机等，可执行三维地图生成、地下作业、远程干扰、通信中继、情报监视侦察等任务。

图10 飞马陆空两栖无人机

先进航空技术

2019年，变形机翼、主动射流、自动驾驶、人工智能等技术均取得相应进展，这些技术即可用于有人机，可也用于无人机，将对整个军用航空领域产生重要影响。

1、变形机翼技术

3月，NASA披露了任务自适应数字化复合材料航空结构技术（MADCAT）项目的最新研究进展。翼展4 m的MADCAT飞翼模型机体结构内部不是传统的离散式梁肋骨架，而是由大量的八面体体积元构建而成。体积元由超轻复合材料制成，并用螺栓连接在一起，形成类似于细胞的积木式结构。这种结构不仅可承受飞行中的气动载荷，还能在气动载荷下按照特殊的设计产生变形，包括改变机翼弯度和扭转角。通过对飞翼模型进行风洞试验，初步验证了这种结构的潜力。

图11  4 m翼展飞翼模型在NASA的14×22英尺风洞中进行试验

6月，欧盟颤振飞行包线扩展提高飞机经济性能（FLEXOP）项目的两种可主动控制柔性机翼进行了地面试验。该项目在标准机翼模型上进行改进，设计并制造了两种变形机翼，一种是由慕尼黑技术大学开发的颤振机翼，采用玻璃纤维增强复合材料和主动后缘襟翼控制技术，与标准机翼相比，可为飞机增加20%的有效载荷或减少7％的油耗；另一种是由德宇航气动弹性研究所和代尔夫特大学共同研发的气动弹性机翼，采用碳纤维增强复合材料和新型复合材料剪裁技术，使机翼能在载荷作用下弯曲和扭转变形至理想状态，与标准机翼相比，可降低结构质量20%。

12月，AFRL成功完成2.4 m变弯度柔性机翼（VCCW）的飞行试验，试验平台为商用遥控无人机。VCCW机翼利用柔性结构变形主动改变翼型弯度，偏转量可达6%。机翼蒙皮由一体成型的非可拉伸复合材料制成，用于维持变形过程中机翼表面的光滑连续。与传统机翼相比，这种平滑变弯度的机翼既能增升减阻，又能降低噪声。据评估，VCCW技术可将飞机油耗降低10%。

2、主动射流技术

主动射流技术通过机械作动器或通过在机翼、机身、进气道或者喷管处喷气或吸气来改变飞机流场，以取消飞机控制面，实现气动布局的优化，提高军用飞机效能。作动器是主动射流控制的支撑技术，但目前却是其发展瓶颈。8月12日，DARPA发布了带有效应器的革命性飞机控制（CRANE）项目跨部局公告。该项目打算在飞行中演示主动射流控制的作动器技术，并希望在一架X验证机上进行试验。

4月，由曼彻斯特大学与BAE系统公司合作开发的MAGMA无人机首次在飞行中利用超声速吹气进行操纵。该机使用了两种创新的主动射流控制技术。一是机翼循环控制：从发动机引气，气流通过特殊形状机翼后缘周围的狭窄槽以超声速喷出，以进行控制；二是射流推力矢量：通过在喷管内喷射气流使排气射流偏转，产生控制力来进行控制。

图12  MAGMA无人机

3、自动驾驶技术

2015年，DARPA启动驾驶舱内自动化系统（ALIAS）项目，发展可定制的嵌入式全时自动飞行系统，并通过人机接口与飞行员流畅互动。飞行员仅关注任务规划、军事战术等复杂问题，ALIAS系统完成起飞、巡航、避障、降落等飞行操作，还能纠正飞行员的失误、与人类共同确定飞行方案。2019年5月，DARPA表示，ALIAS系统正配装至空军第30批次F-16战斗机，并计划在2022年之前进行自动驾驶试验。值得注意的是，目前的ALIAS系统并未使用人工智能算法，而是故意使用了传统的“确定性”算法，以提高系统的可靠性和飞行员的信任度。

AFRL快速创新中心与DZYNE技术公司合作开展了机器人飞行员无人转换（ROBOpilot）项目，并于8月9日使用塞斯纳206小型飞机成功完成了2 h的首飞。ROBOpilot系统包含作动器、电子设备、照相机、动力系统和机械臂等，安装在飞行员座椅区域，能以同人类飞行员相同的方式驾驶飞机和分析仪表数据。但在8月23日，ROBOpilot测试平台在试验过程中严重损坏，下次飞行试验被迫推迟到2020年3月。

4、人工智能技术

人工智能技术与军用航空领域结合已是必然趋势，目前世界航空强国已在后勤保障、飞行员培训、海量数据处理与融合、电子战等领域初步应用了人工智能技术。

6月，雷锡恩公司宣布，将与美国防部V-22联合项目办公室（JPO）合作，试用全新的人工智能工具，帮助确定空军CV-22鱼鹰上所安装的多模雷达需要进行关键维修的时间。8月，AFRL举办了针对指挥控制的可操作化机器学习项目的工业日活动。该项目旨在开发为部队机动、战斗管理和作战行动提供支援的人工智能应用程序原型机。该项目预计投资2 490万美元，将从2020财年开始授出多份合同。美国空军感兴趣的重点领域包括航空医疗后送过程中的飞行监测；战斗管理者、规划者和飞行员之间的信息交换；动态瞄准过程中的应急规划；分配任务以平衡工作负荷等。

11月，土耳其电子战系统工程公司表示，该国自研的拜拉克塔尔TB2型武装无人机使用了先进的人工智能系统。该系统通过海量图像训练能分辨目标的性别，还可区分恐怖分子与平民，以便对恐怖分子实施定点清除。

11月，日本防卫省表示，打算在全新财年预算中编列825万美元，以使用人工智能技术提升海上巡逻机的监视能力。人工智能系统可辅助识别常规雷达发现的目标是敌方舰船还是其他威胁。防卫省计划最早在2024财年把该系统配备至海上自卫队的巡逻机。

没有先进技术，就没有先进的航空装备和卓越的空中作战能力。以正向设计为主的国外航空强国认为先进技术研究和型号研发同等重要，先进技术要不依托具体型号而独立发展，只有这样才能真正做到解放思想，百家争鸣。如美国AFRL拥有几万名科学家和工程师，在各个领域以我为主规划发展方向，研究先进技术。在成熟的技术转化机制保障下，美国空军的型号项目一般会基于现有的先进技术研制，既可避免型号下马风险，又可确保型号研制进度。

从上述国外先进军用航空技术的发展情况看，技术发展主要有三个方面的动因。一是基于实际作战需求。如美军根据反恐战争的经验，认为在为战区一线部队或偏远基地进行后勤补给方面存在能力差距。于是美军各研究机构和公司纷纷开展了无人货运飞机技术研发，涉及各个技术方向。无人机质量涵盖轻中重，起降方式包括垂直起降、空投滑翔、弹射起飞阻拦降落等，一旦有型号研制需求，可快速形成装备，具备作战能力。二是基于技术发展的必然结果。在自主、协同、组网、低成本制造等技术的牵引下，必然会出现无人僚机和无人蜂群的先进无人机技术，但是无人僚机和无人蜂群距离型号研制尚存距离，仍需理清有人装备与无人装备的任务分工，无人装备的自主性等级，甚至是如何进行试验鉴定等问题。但这并不妨碍美军最近几年投入大量经费进行研发。认准技术方向，从简到繁进行研究，才能真正筑牢技术基础。三是主动进行技术探索。主动射流、变形机翼一旦应用将对军用航空带来变革性影响，虽然当前的成熟度较低，距离实际应用较远，但却值得塌下心来开展技术探索，遴选技术途径，甚至要允许失败，只有这样才能让技术赢在起跑线。

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