無人機(jī)無線傳能技術(shù)

張紅生，田曉威，劉忠誠，邢艷麗，2，李 彥，張 姮

（1.海鷹航空通用裝備有限責(zé)任公司，北京 100074；2.解放軍裝備學(xué)院航天裝備系，北京 101416；3.中國航天科工集團(tuán)有限公司空間工程部，北京 100048；4.中國人民解放軍95894部隊，北京102211）

1 引 言

無線傳能技術(shù)采用非接觸的方式實(shí)現(xiàn)電能傳輸[1]，該技術(shù)并不是一項(xiàng)新興技術(shù)，可以追溯到1890年，塞爾維亞科學(xué)家尼古拉·特斯拉的最初構(gòu)想是利用地球和電離層間構(gòu)建8Hz低頻共振實(shí)現(xiàn)電能無線傳輸，受技術(shù)條件的限制，該構(gòu)想在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)并沒有成為現(xiàn)實(shí)。然而這并沒有阻止人們對無線傳能技術(shù)追求的愿望。

隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)、電磁共振、微波、超聲波、激光、飛秒激光等離子通道等不同形式的無線充電技術(shù)逐漸出現(xiàn)。2008年，世界無線充電聯(lián)盟成立，無線傳能技術(shù)發(fā)展到一個新的階段。近幾年，隨著手機(jī)、智能穿戴設(shè)備等小功率消費(fèi)級電子產(chǎn)品和中等功率電動汽車等無線充電技術(shù)的迅速發(fā)展，為了全球范圍內(nèi)進(jìn)行技術(shù)推廣和產(chǎn)品通用化發(fā)展需要，人們制定了一系列的無線傳能標(biāo)準(zhǔn)，主要有無線電聯(lián)盟WPC的Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)、電力事業(yè)聯(lián)盟PMA和無線充電聯(lián)盟A4WP發(fā)起的Air Fuel Alliance充電標(biāo)準(zhǔn)和大連硅展科技有限公司發(fā)起的iNPOFi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Qi標(biāo)準(zhǔn)是基于法拉第電磁感應(yīng)定理、適用于100～205kHz的無線充電技術(shù)，Air Fuel Alliance標(biāo)準(zhǔn)包含了電磁感應(yīng)和電磁共振兩種技術(shù)，適用于277～357kHz無線充電技術(shù)。iNPOFi標(biāo)準(zhǔn)適用于脈沖式低頻電場實(shí)現(xiàn)無線傳能的技術(shù)領(lǐng)域。相對而言，無線傳能技術(shù)在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展緩慢，滯后很多，但這并不影響人們對無人機(jī)遠(yuǎn)程能量補(bǔ)給技術(shù)的期許和探索。

2 無線傳能技術(shù)概況

當(dāng)前，主流的無線傳能技術(shù)從傳輸方式可以分為三個大類：電磁感應(yīng)、電磁輻射、電磁共振。無線電波、激光[2-5]、微波[6]以及超聲波均屬于電磁輻射式無線傳能技術(shù)，電磁感應(yīng)和無線電波的傳輸距離相對較近，微波和激光的能量傳輸距離較遠(yuǎn)。不同無線傳能技術(shù)的性能特點(diǎn)描述如表1所示。不同無線傳能技術(shù)的系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

表1 不同無線傳能技術(shù)的性能特點(diǎn)

表中描述的無線傳能技術(shù)各有利弊，當(dāng)前可實(shí)際應(yīng)用于無人機(jī)領(lǐng)域的無線傳能技術(shù)較少。在世界范圍內(nèi)很多國家或地區(qū)一直處于不斷的探索過程中，各種技術(shù)均不夠成熟。相對來說，對電磁共振、微波、激光的研究較多，且是比較公認(rèn)的無線傳能方式，在未來小型無人機(jī)或中大型無人機(jī)的無線供電領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣闊。飛秒激光等離子通道無線傳能技術(shù)[7]在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用正處于概念性和可行性的探索、研究階段。

圖1 不同無線傳能技術(shù)的示意圖

3 無人機(jī)無線傳能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 美國

無人機(jī)的誕生時間并不是很長，然而，隨著人類需求的增加，無論是消費(fèi)級無人機(jī)還是軍用級無人機(jī)，都面臨著續(xù)航能力不足的問題。在大家還沒有意識到問題的嚴(yán)重性時，美國已經(jīng)開展大量的嘗試和探索，在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的技術(shù)儲備[8]。

2003年，美國NASA地面激光器用輸出波長為940nm、功率500W的強(qiáng)激光照射相距15m的無人機(jī)表面Ga：In：P2三結(jié)光電池，為無人機(jī)飛行提供6W電能。

2009年，美國激光動力公司采用激光為PELICAN四旋翼直升機(jī)無線供能，使直升機(jī)在空持續(xù)飛行12.5h。同年，美國防務(wù)研究協(xié)會DRA在城市電力線警戒PLUS項(xiàng)目中研發(fā)出可通過高壓線纜電磁感應(yīng)為機(jī)載電池充電的DevilRay小型無人機(jī)，該型號無人機(jī)可在飛行過程中充電，但潛在風(fēng)險是可能引起高壓導(dǎo)線短路。

2010年，美國激光動力公司采用激光充電系統(tǒng)為1km外的鵜鶘號無人機(jī)供電，用波長810nm、輸出功率3600W的激光照射1km外無人機(jī)表面的16個砷化鎵光伏電池，激光傳輸功率為1kW，光伏電池溫度63℃，使無人機(jī)的續(xù)航時間由未用激光充電時的5min提高至用激光無線供電時的12h26min。

美國洛克希德·馬丁公司旗下的臭鼬工廠與Laser Motive公司聯(lián)合研發(fā)的激光充電系統(tǒng)，應(yīng)用于該國2006年投入服役的潛行者stalker無人機(jī)上[9]。2012年，該型號無人機(jī)在風(fēng)洞飛行試驗(yàn)中接收激光供能，首次留空飛行時間長達(dá)48h，比最初僅采用電池供電時的飛行時間提高了23倍；同年，完成戶外大風(fēng)、高溫條件下距離600m以外的激光供能飛行試驗(yàn)，連續(xù)無故障飛行24h。該型號無人機(jī)是美特種部隊用于執(zhí)行情報監(jiān)視和偵察任務(wù)的小型電動無人機(jī)，此次激光無線傳能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對多架無人機(jī)共同無線傳能。2011年，該公司曾為提高無人機(jī)的續(xù)航時間，用燃料電池供能，續(xù)航時間可達(dá)8h。

2013年，美國采用綽號為隱形塔的無線激光充電系統(tǒng)完成了為一架四旋翼垂直起降無人機(jī)進(jìn)行無線供能的試驗(yàn)。

2015年，Solace Power公司和波音公司合作研發(fā)小型無人機(jī)無線充電技術(shù)，利用諧振阻容技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)域電能轉(zhuǎn)化為電場。無需接觸，通過懸停即可實(shí)現(xiàn)充電，有效充電距離為25cm左右[10]。

2016年，概念無人機(jī)Dronztr的設(shè)計者提出采用無線感應(yīng)充電技術(shù)為無人機(jī)進(jìn)行充電，同時借助無人機(jī)的自動跟隨功能對電動汽車進(jìn)行無線充電，以解決電動汽車的充電樁安裝問題。

2017年4月，美國西雅圖機(jī)器人無線充電公司W(wǎng)iBotic完成高達(dá)250萬美元的融資，致力于機(jī)器人領(lǐng)域和無人機(jī)領(lǐng)域的無線充電平臺研發(fā)。無人機(jī)的飛行、著陸、充電全程無需人工參與，自主實(shí)現(xiàn)飛行或返航充電。該公司100W的電磁共振無線充電板可在2h內(nèi)完成對無人機(jī)的充電，在不久的將來，該公司的充電板可搭載在諸如汽車的移動平臺上，為小型化無人機(jī)充電。同年，為解決水下無人機(jī)不能長航時漂浮，需要返回基地充電的困難，美國某公司開發(fā)了水下無線充電裝置，為水下無人機(jī)充電。

2018年1月，美國國防部計劃研發(fā)采用激光無線充電技術(shù)驅(qū)動模擬自然的蝙蝠自主飛行無人機(jī)，專注提高不受人類干預(yù)、可自主改變方向、可自主避障、無線能量驅(qū)動和傳輸?shù)臒o人機(jī)技術(shù)。

3.2 其他國家

隨著全球無人機(jī)技術(shù)的推進(jìn)和發(fā)展熱情的高漲，其他國家無人機(jī)技術(shù)逐步向前推進(jìn)，跟隨潮流慢慢探索、拓展無人機(jī)續(xù)航能力的技術(shù)。

2016年，英國帝國理工大學(xué)Samer Aldhaher采用13.56MHz逆變器和整流裝置，為距離無線能量發(fā)送裝置12.7cm的小型四軸無人機(jī)供電。

2016年，俄羅斯能源火箭航天公司利用激光無線傳能系統(tǒng)為1.5km外的移動電話充電1h，該激光無線充電技術(shù)將來可為無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程充電。

2017年，華為與中國移動合作研究的X Lab項(xiàng)目中提出四軸無人機(jī)可借助信號塔實(shí)現(xiàn)無線充電，同時增加無人機(jī)的GPS信號和無線充電雙重功效。

2017年，德國柏林Sky Sense無人機(jī)公司研發(fā)出適用于多旋翼無人機(jī)長途飛行的無線充電平板技術(shù)，該型號充電平板技術(shù)將解決無人機(jī)的長途持久飛行問題。

2017年，加拿大安大略省無人機(jī)公司Sky X研發(fā)了X Station無線充電平臺，為Sky One固定翼無人機(jī)進(jìn)行無線供能充電，該型號無人機(jī)起飛、著陸采用垂直起降的方式。

4 無人機(jī)無線傳能的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無人機(jī)無線傳能系統(tǒng)的可能架構(gòu)

結(jié)合國內(nèi)外正在探索和研究的無線傳能技術(shù)，本文構(gòu)想未來可能出現(xiàn)的無人機(jī)無線傳能架構(gòu)主要有：地基無人機(jī)無線傳能系統(tǒng)架構(gòu)、空基無線傳能系統(tǒng)架構(gòu)、天基無線傳能系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

地基無人機(jī)無線傳能技術(shù)比較有前景的形式有兩種：一種是中小型旋翼或固定翼無人機(jī)借助懸停實(shí)現(xiàn)小功率無線充電技術(shù)，無線能量供給平臺位于固定建筑物頂端或移動汽車頂端等，借助電磁輻射、電磁共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)給，傳能距離相對有限；另一種形式是為中大型固定翼無人機(jī)借助追蹤掃描實(shí)現(xiàn)大功率無線充電技術(shù)，激光無線能量發(fā)射平臺布置在郊外，能夠同時為一架或多架無人機(jī)進(jìn)行無線能量傳輸。

圖2 空、天、地基無線傳能技術(shù)

空基無線傳能系統(tǒng)架構(gòu)典型形式有兩種：一種是類似“空中加油模式”，一架無人機(jī)主要用于提供能量，另一架無人機(jī)用于帶載和執(zhí)行任務(wù)，因系統(tǒng)的傳輸效率和體積質(zhì)量等因素影響，這種模式系統(tǒng)架構(gòu)還存在諸多技術(shù)困難；另一種是采用無人機(jī)“蜂群技術(shù)”，一架無人機(jī)作為其他無人機(jī)蜂群的供能平臺，所有執(zhí)行任務(wù)的小型無人機(jī)在無線供能平臺的作用下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式布置，達(dá)到分工協(xié)作和功能重構(gòu)，拓展系統(tǒng)在空能力和執(zhí)行任務(wù)能力的效果[11]。

天基無線傳能系統(tǒng)架構(gòu)是借助外太空衛(wèi)星平臺實(shí)現(xiàn)清潔、廉價、永久太陽能的收集，然后借助激光、微波或等離子通道為臨近空間高空無人機(jī)或中低空無人機(jī)進(jìn)行無線傳能，因等離子通道無線傳能技術(shù)需要借助空氣離子實(shí)現(xiàn)，從衛(wèi)星平臺到大氣層外或臨近空間無人機(jī)平臺可采用激光或微波技術(shù)進(jìn)行無線能量傳輸；大氣層外或臨近空間無人機(jī)平臺可采用等離子通道將電能傳輸至地面電力設(shè)施。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 激光無線傳能

目前，各國技術(shù)人員都在積極探索未來無人機(jī)的無線傳能技術(shù)途徑，激光在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用不僅僅局限于通信、致盲等功能，各國對激光無線傳能技術(shù)的概念和使用模式并不陌生，都在努力推動激光無線傳能技術(shù)走向應(yīng)用。

激光無線傳能技術(shù)可能需要對以下三個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和探索[12]：

（1）激光傳能系統(tǒng)效能。包括發(fā)射端電-光轉(zhuǎn)換效率、接收端光-電轉(zhuǎn)換效率、遠(yuǎn)距離傳輸效率等方面?，F(xiàn)有激光器中光纖激光器和薄片激光器最高效率為25%，半導(dǎo)體激光器效率為50%，尚在研發(fā)中的二極管泵浦堿金屬蒸汽激光器效率可達(dá)40%，雖然半導(dǎo)體激光器效率高，但輻射率僅有1010W/（srm2），影響整體系統(tǒng)效能，二極管泵浦堿金屬蒸汽激光器的輻射率高達(dá)6×1015W/（srm2），是最有前景的激光器技術(shù)[13]。接收端光伏電池轉(zhuǎn)換效率較高的有單晶硅電池（效率24.8%）、單結(jié)砷化鎵電池（效率27%）、多結(jié)砷化鎵電池（效率50%）。多結(jié)砷化鎵電池或以后更高功率電池有望提高激光傳能系統(tǒng)的整體效率。

（2）激光傳能系統(tǒng)小型化和輕量化。發(fā)射端和接收端因效率低，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，冷卻散熱系統(tǒng)龐大；同時因接收端效率低，維持無人機(jī)飛行所需功率大，致使接受面積大；整體導(dǎo)致無人機(jī)無線傳能和接收系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大，嚴(yán)重制約無線傳能系統(tǒng)應(yīng)用。

（3）激光跟蹤及對準(zhǔn)精度。無人機(jī)在空飛行過程中，能量的發(fā)射端和接收端需要克服大氣密度變化、信標(biāo)光偏移等因素對實(shí)時精確對準(zhǔn)的影響，保障能量能夠源源不斷的高效傳送至接收端。

4.2.2 飛秒激光等離子通道無線傳能

飛秒激光等離子通道無線傳能技術(shù)與現(xiàn)有微波、激光等傳能機(jī)理完全不同，等離子通道類似虛擬導(dǎo)線（電阻率＜10-5Ω·m），通道內(nèi)直接傳輸電能。當(dāng)前該技術(shù)仍停留在構(gòu)想或概念方面。飛秒激光具有非常高的瞬時功率，經(jīng)過聚焦后光強(qiáng)非常高，同時沒有熱效應(yīng)，無需龐大的冷卻系統(tǒng)，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯。在不久的將來，能否在無人機(jī)領(lǐng)域得以應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)，還需要在材料、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行大量技術(shù)攻關(guān)。

5 結(jié)束語

無線傳能技術(shù)在改變?nèi)祟惿罘绞降耐瑫r，也逐漸與無人機(jī)發(fā)展深度融合，提高無人機(jī)的續(xù)航能力，將無人機(jī)在未來的植被監(jiān)測、抗震救災(zāi)、軍事偵察等領(lǐng)域的潛能發(fā)揮到極致。雖然無線傳能技術(shù)受制于當(dāng)前的技術(shù)水平，無線傳能系統(tǒng)的發(fā)射端、傳輸過程、接收端等過程中的技術(shù)機(jī)理、能量等級、傳輸效率、體積質(zhì)量等方面或多或少仍存在一些技術(shù)瓶頸，限制無線傳能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，但這并不影響無線傳能技術(shù)會在未來推動無人機(jī)走向新的時代。