激光充电技术延长太阳能无人机任务执行时间

李悦霖/成都飞机设计研究所

无人机的续航时间影响其任务执行时间，当前无人机动力系统技术成为了提高续航能力的瓶颈。激光在给机上和飞行中电池充电方面具有理论可能性，可使飞行时间无限长，无需着陆重新加油。为此，美国国防部预研局（DARPA）选中“沉默猎鹰”无人机进行功率波束演示。

激光束应用广泛，在与无人机相关的应用中最有可能充当杀伤武器，但在由美国国防部预研局支持的一项新研究中，激光被用作无人机的稳定电源。美国国防部预研局计划在“无处不在的能量补充-能量束投射演示”（Super PBD）项目下演示这一能力，该项目将使用激光能量来扩展“沉默猎鹰”太阳能电动无人机的任务时间。

DARPA 选中“沉默猎鹰”无人机

“无处不在的能量补充-能量束投射演示”是一个创新项目，在测试中将验证使用激光光源给机上和飞行中电池充电的可行性，通过使用串联的“飞行”和“飞行并充电”循环，理论上可使飞行时间无限长，无需着陆重新加油。美国陆军计划2019年初启动试验，测试激光束向无人机提供动力的能力，并希望到2020年获得监管部门的批准开始应用。

被美国国防部预研局选为“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目无人驾驶系统的飞行器是沉默猎鹰无人机技术公司（Silent Falcon）的“沉默猎鹰”无人机，该公司因制造远程长航时太阳能无人机而得名，这一优势构成了美国国防部预研局选择其为合作伙伴的理由。

“沉默猎鹰”无人机是一种便携式小型无人机系统（sUAS），设计为执行长航时远距离任务，使用太阳能电池板给电池充电，用于长期情报、监视与侦察（ISR）任务，携带先进的传感器，以获取、存储和传输为国防和安全ISR应用所需的数据。该飞行器由轻质碳复合材料制成，采用太阳能电力推进系统，飞行时间可达14h。能源来自于内置在机翼上的薄膜光伏电池板和用于存储的锂聚合物电池。机长7ft，翼展14ft。重量为35lb，可携带3kg有效载荷，如监视用的摄像机，可以手持发射也可通过火箭发射，既适用于军事用途，也适用于民用用途。最高速度为112km/h（60kn.），操作飞行高度从100～20000ft，射程为25km，用于军事监视任务的飞行高度通常在1600～5000ft之间。

图1 利用电池和太阳能，“沉默猎鹰”无人机可在空中停留6h。美国国防部预研局希望通过激光补充电池来大大延长其任务时间

“沉默猎鹰”具有灵活的开放式体系结构/接口系统，可以很容易地与遥测、处理、分析、数据采集、开发和传播等方面的先进技术相集成。此外，与其他小型无人机相比，主要优势在于有一个特殊的“猎鹰视觉”（FalconVision）系统，该系统由一个具有夜视能力的高分辨率双成像仪、一个激光指示器、一个机载高清（HD）视频处理器组成，能传回稳定的高分辨率图像，并识别和跟踪目标，执行地理定位和地理跟踪。它还有一个开放式接口的有效载荷舱，可容纳各种有效载荷，这些载荷也很快且易于更换。

项目计划

美国国防部预研局利用激光驱动无人机的工作原理是：通过将激光投射到覆盖“沉默猎鹰”机尾的太阳能电池板上来传输能量。飞机的机翼上有太阳能电池板，特别是背翼，机身上还有电池。电池提供了最初的电源，但当电池耗尽时，无人机操作员将激光束对准太阳能电池板，定期发射激光能使飞机充电，使其无限期地停留在高空。

美国国防部预研局将尝试在“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目下，让“沉默的猎鹰”飞起来，从山腰向它发射激光。

“沉默猎鹰”无人机技术公司董事长约翰•布朗（John W.Brown）2018年8月2日表示，“无处不在的能量补充-能量束投射演示”计划于2019年1月开始测试，目标是通过激光给10km外的无人机充电。虽然本次测试中激光与无人机之间的距离约为10km，但未来可能会扩大。根据“沉默猎鹰”无人机技术公司发布的图样，激光传输的光能将被一个添加到垂尾上的光伏接收阵列拾取，这样的配置可以使地面激光器得到充分使用，而安装在机翼上的阵列无法提供这样的效率。通过太阳能电池板，可以在飞行中充电，并将任务延长到大约5h，但理论上只要接收到激光的电荷，无人机可以无限期飞行。

不过，用激光给无人机充电的能力也面临着一些障碍。首先，激光虽然可以从高空或地面站射向无人机，但研究小组承认向空中发射激光光束存在安全问题，因此这次测试期间激光将从一座山上的停机坪射向无人机，但这样也存在引发森林火灾的可能。其次，激光传播越远，强度就越低，且当激光路径中存在烟、雾霾或雨等物质时，无人机接收能量的能力会降低。美国国防部预研局估计该项目最远能为无人机充电6.8mi（11km），但实际情况下，最大充电里程会有所不同。

布朗拒绝透露使用激光可以传输多少能量，但他相信激光充电的用途终将扩展，有望为搭载有人乘客的飞机提供动力。

如果美国国防部预研局和“沉默猎鹰”能够证明这一概念的有效性，它们就可以为在商业和军事领域运行的更远程无人机打开大门。无人机可以飞行数周完成一项合同或任务，直到任务完成后才着陆。目前，“沉默猎鹰”的太阳能电力推进系统允许它在高空停留5h，且取决于飞行条件。

约翰·布朗表示：“我们非常幸运能与美国国防部预研局合作，首次展示新型和创新的无人机技术。“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目将为未来的能量束发射能力的应用奠定基础，并进一步展示嵌入‘沉默猎鹰’的技术的多功能性，‘沉默猎鹰’是唯一的远程长航时太阳能无人机。”

图2 “沉默猎鹰”太阳能无人机

图3 激光束发射原理图

图4 “沉默猎鹰”的尾部将被改装，以吸收由激光传输的光能

“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目的美国国防部预研局负责人约瑟夫.阿巴特（Joseph A.Abate）博士说：“我们相信，该项目将证明，通过高能激光束对美国国防部系统进行远程电力补给，可以延长在有争议和远程环境下的任务运行时间，可在不久的将来交付给作战人员。”

“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目的其他供应商包括光学元件专家Optonicus公司，提供激光设备和无人机追踪/定位技术，以及SolAero技术公司和Ascent太阳能技术公司，提供太阳能电池板。“无处不在的能量补充-能量束投射演示”项目的总成本是220万美元。该项目预计将为未来的功率波束应用设定新的标准，同时展示集成在无人机中的技术的能力和通用性。PowerLight公司开展的类似试验表明，激光束的能量传输效率约为25%。

航空航天工业在开发超长航时飞机方面有着悠久的历史，但很少使用激光进行充电，现有的超长航时飞机包括柴油活塞动力的例子，如“香草”飞机公司（Vanilla Aircraft）的VA001无人机、极光飞行科学公司（Aurora Flight Scienc）的“猎户座”（Orion）无人机，缩比复合材料公司（Scaled Composite）的“旅行者”（Voyager）飞机和波音公司的“秃鹰”（Condor）无人侦察机，最近高高空、太阳能飞机已经流行起来，包括空客的“西风”（Zephyr）太阳能无人机和航空环境公司推出的太阳能动力高空长航时无人机。

业界讨论

美国国防部预研局选择了“沉默猎鹰”无人机技术进行能量波束演示，目标是在飞行中使用高强度激光束为电动无人飞机加油/充电。功率波束技术是一种新兴的破坏性技术，有望解决在最需要能量的地方获取能量的急需问题。功率波束技术目前发展特点：1）系统实现中，以下两项之间存在着重要的权衡：安全和功率密度、波长和孔径；2）组件技术的最新突破提高了系统的可行性；3）研究和工业基地渴望发展并将这一领域的能力转变为行动能力。

激光充电的飞行器固定翼上有太阳能电池板，微型飞机机身上有电池。该系统的工作原理为：无人驾驶飞机的操作员用激光束瞄准太阳能电池板。定期发射激光能使飞机充电，将光转换成电能，使其无限期地停留在高空。然而，激光充电飞机确实存在障碍，如果无人机偏离激光射程，或进入一排厚厚的云层，会发生什么？《新科学家》杂志的大卫•哈布林（David Hambling）将无人驾驶飞机描述为“极度耗电，意味着他们的飞行时间限制在半小时或更短。”对于无人驾驶飞机来说，持久性是一个问题，需设法解决耗电问题。另外，“未来主义”网站在“激光系统驱动无人机投入战场之前需克服的几个障碍”中提到，一大障碍便是激光束有烧毁无人机的风险。麻省理工学院《技术评论》杂志的Erin Winick说：“这一过程会产生大量的热，有熔化无人机的风险。”据称陆军的研究团队正在努力确保多余的热量可以消散而不会对无人机造成损害，这需要确保光束精准地击中预定位置。

图5 无人机激光充电技术

更多应用

早在2012年7月，洛克希德•马丁公司就对激光充电这一领域做了尝试，用激光来为“跟踪者”无人机充电。洛克希德•马丁公司在风洞中飞行13.2lb重的无人侦察机，使用激光动力公司（LaserMotive）的激光系统无线传输能量给无人机。连续飞行48h后，无人机的电池比测试开始时储存了更多的电能，但激光充电系统仍有赖于在现场使用。

耐久性是无人机的关键要求。2018年8月，空客公司的“西风”（Zephyr）太阳能无人机在空中持续飞行了25天，在亚利桑那州上空使用太阳能电池完成了一次侦察，这一成绩是迄今为止所有飞机创造的最长飞行纪录。按照原定设计，它可以在太阳能的支持下在平流层翱翔数月时间。

图6 功率和充电距离关系及应用范围

还有几个项目使用激光为昆虫大小的小型机器人和智能手机供电。2018年5月，华盛顿大学的研究人员开发了一种由激光驱动的小型机器人昆虫。机器人因为太小而不能使用螺旋桨或电子设备和电池驱动，研究人员设计的Robofly比牙签稍重，由激光束驱动，使用机载光电管将红外激光能量转换成足够的电能来操纵翅膀。另外，华盛顿大学于2018年2月20日发布报告称成功从房间的另一端对智能手机进行激光充电，“一束窄而看不见的光束将电荷传递给放置在房间对面的智能手机”，这项技术使用一个薄的电池来接收电荷。

还有几个项目使用激光为昆虫大小的小型机器人和智能手机供电。2018年5月，华盛顿大学的研究人员开发了一种由激光驱动的小型机器人昆虫。机器人因为太小而不能使用螺旋桨或电子设备和电池驱动，研究人员设计的Robofly比牙签稍重，由激光束驱动，使用机载光电管将红外激光能量转换成足够的电能来操纵翅膀。另外，华盛顿大学于2018年2月20日发布报告称成功从房间的另一端对智能手机进行激光充电，“一束窄而看不见的光束将电荷传递给放置在房间对面的智能手机”，这项技术使用一个薄的电池来接收电荷。

图8 激光束演示项目

图9 “沉默猎鹰”无人机

图10 “沉默猎鹰”无人机任务载荷

对于这次激光充电演示，有分析师预测“这项技术的潜在使用是无止境的，范围从扩展的搜索和救援任务、对灾区的大规模调查到军事行动和互联网接入传播行动。虽然整个行业一直在聚焦无人机激光充电技术将如何改善现有的无人机行业，但在天空中无限期运行无人机的可行性为我们从未想到过的问题提供了全新的解决方案。

例如，为了帮助加利福尼亚航空国民警卫队扑灭加州卡尔山火，美国空军不得不每两天出动一次“收割者”无人机，如果采用无人机激光充电技术，就可提供持续的不受约束的援助。在那些极其缺乏基础设施的农村或偏远地区，当地政府完全可以租赁这样的无人机，提供手机和互联网接入，以促进更高效的地面重建。这样，通过增加一架无需着陆或加油的无人机，一种全新的模块搭建方式出现了。”

美国海军和其他领域也在研究激光和微波的能量发射。美国海军研究实验室已经在近太空条件下测试了“太阳光到微波”转换器。

尽管无线电力传输的概念已有近两个世纪的历史，但在发展技术的同时，它仍然令人兴奋。光伏技术和受激辐射固态放大技术的最新进展为我们重新审视这一概念提供了机会。在需要连续传输或瞬时能量的情况下，高强度激光功率束技术的实施将扩展应用的能力，但传统导线存在危险、昂贵、不合适或无法实现等缺点。这项技术也有可能应用于高亮度轨道上的传输卫星。卫星可以将太阳能转换成电能，并将其储存在机载电池中。当需要时，卫星可以将储存的能量传输到其他轨道，包括极低地球轨道和低地球轨道。此外，它还有潜力用于数据中继。■

图11 耐久性是无人机的关键要求。2018年8月，空客公司的“西风” （Zephyr）太阳能无人机在空中持续飞行了25天。