無(wú)人機(jī)無(wú)線傳能技術(shù)

張紅生，田曉威，劉忠誠(chéng)，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(guó)航天科工集團(tuán)有限公司空間工程部，北京 100048；4.中國(guó)人民解放軍95894部隊(duì)，北京102211）

1 引 言

無(wú)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(wú)線傳輸，受技術(shù)條件的限制，該構(gòu)想在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)并沒有成為現(xiàn)實(shí)。然而這并沒有阻止人們對(duì)無(wú)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(wú)線充電技術(shù)逐漸出現(xiàn)。2008年，世界無(wú)線充電聯(lián)盟成立，無(wú)線傳能技術(shù)發(fā)展到一個(gè)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(jí)電子產(chǎn)品和中等功率電動(dòng)汽車等無(wú)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(wú)線傳能標(biāo)準(zhǔn)，主要有無(wú)線電聯(lián)盟WPC的Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)、電力事業(yè)聯(lián)盟PMA和無(wú)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(wú)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(wú)線充電技術(shù)。iNPOFi標(biāo)準(zhǔn)適用于脈沖式低頻電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳能的技術(shù)領(lǐng)域。相對(duì)而言，無(wú)線傳能技術(shù)在無(wú)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(duì)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程能量補(bǔ)給技術(shù)的期許和探索。

2 無(wú)線傳能技術(shù)概況

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

表中描述的無(wú)線傳能技術(shù)各有利弊，當(dāng)前可實(shí)際應(yīng)用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的無(wú)線傳能技術(shù)較少。在世界范圍內(nèi)很多國(guó)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(duì)來(lái)說(shuō)，對(duì)電磁共振、微波、激光的研究較多，且是比較公認(rèn)的無(wú)線傳能方式，在未來(lái)小型無(wú)人機(jī)或中大型無(wú)人機(jī)的無(wú)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(wú)線傳能技術(shù)[7]在無(wú)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(wú)線傳能技術(shù)的示意圖

3 無(wú)人機(jī)無(wú)線傳能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 美國(guó)

無(wú)人機(jī)的誕生時(shí)間并不是很長(zhǎng)，然而，隨著人類需求的增加，無(wú)論是消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)還是軍用級(jí)無(wú)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(shí)到問題的嚴(yán)重性時(shí)，美國(guó)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(chǔ)備[8]。

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

2009年，美國(guó)激光動(dòng)力公司采用激光為PELICAN四旋翼直升機(jī)無(wú)線供能，使直升機(jī)在空持續(xù)飛行12.5h。同年，美國(guó)防務(wù)研究協(xié)會(huì)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(wú)人機(jī)，該型號(hào)無(wú)人機(jī)可在飛行過程中充電，但潛在風(fēng)險(xiǎn)是可能引起高壓導(dǎo)線短路。

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

美國(guó)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(guó)2006年投入服役的潛行者stalker無(wú)人機(jī)上[9]。2012年，該型號(hào)無(wú)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)48h，比最初僅采用電池供電時(shí)的飛行時(shí)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(wú)故障飛行24h。該型號(hào)無(wú)人機(jī)是美特種部隊(duì)用于執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視和偵察任務(wù)的小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)，此次激光無(wú)線傳能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)多架無(wú)人機(jī)共同無(wú)線傳能。2011年，該公司曾為提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，用燃料電池供能，續(xù)航時(shí)間可達(dá)8h。

2013年，美國(guó)采用綽號(hào)為隱形塔的無(wú)線激光充電系統(tǒng)完成了為一架四旋翼垂直起降無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)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(wú)人機(jī)無(wú)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(chǎng)。無(wú)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(wú)人機(jī)Dronztr的設(shè)計(jì)者提出采用無(wú)線感應(yīng)充電技術(shù)為無(wú)人機(jī)進(jìn)行充電，同時(shí)借助無(wú)人機(jī)的自動(dòng)跟隨功能對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無(wú)線充電，以解決電動(dòng)汽車的充電樁安裝問題。

2017年4月，美國(guó)西雅圖機(jī)器人無(wú)線充電公司W(wǎng)iBotic完成高達(dá)250萬(wàn)美元的融資，致力于機(jī)器人領(lǐng)域和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的無(wú)線充電平臺(tái)研發(fā)。無(wú)人機(jī)的飛行、著陸、充電全程無(wú)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(wú)線充電板可在2h內(nèi)完成對(duì)無(wú)人機(jī)的充電，在不久的將來(lái)，該公司的充電板可搭載在諸如汽車的移動(dòng)平臺(tái)上，為小型化無(wú)人機(jī)充電。同年，為解決水下無(wú)人機(jī)不能長(zhǎng)航時(shí)漂浮，需要返回基地充電的困難，美國(guó)某公司開發(fā)了水下無(wú)線充電裝置，為水下無(wú)人機(jī)充電。

2018年1月，美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃研發(fā)采用激光無(wú)線充電技術(shù)驅(qū)動(dòng)模擬自然的蝙蝠自主飛行無(wú)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(wú)線能量驅(qū)動(dòng)和傳輸?shù)臒o(wú)人機(jī)技術(shù)。

3.2 其他國(guó)家

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

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

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

2017年，華為與中國(guó)移動(dòng)合作研究的X Lab項(xiàng)目中提出四軸無(wú)人機(jī)可借助信號(hào)塔實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，同時(shí)增加無(wú)人機(jī)的GPS信號(hào)和無(wú)線充電雙重功效。

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

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

4 無(wú)人機(jī)無(wú)線傳能的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無(wú)人機(jī)無(wú)線傳能系統(tǒng)的可能架構(gòu)

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

地基無(wú)人機(jī)無(wú)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(wú)人機(jī)借助懸停實(shí)現(xiàn)小功率無(wú)線充電技術(shù)，無(wú)線能量供給平臺(tái)位于固定建筑物頂端或移動(dòng)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(duì)有限；另一種形式是為中大型固定翼無(wú)人機(jī)借助追蹤掃描實(shí)現(xiàn)大功率無(wú)線充電技術(shù)，激光無(wú)線能量發(fā)射平臺(tái)布置在郊外，能夠同時(shí)為一架或多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線能量傳輸。

圖2 空、天、地基無(wú)線傳能技術(shù)

空基無(wú)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(wú)人機(jī)主要用于提供能量，另一架無(wú)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(wú)人機(jī)“蜂群技術(shù)”，一架無(wú)人機(jī)作為其他無(wú)人機(jī)蜂群的供能平臺(tái)，所有執(zhí)行任務(wù)的小型無(wú)人機(jī)在無(wú)線供能平臺(tái)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(wú)線傳能系統(tǒng)架構(gòu)是借助外太空衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)清潔、廉價(jià)、永久太陽(yáng)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(wú)人機(jī)或中低空無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線傳能，因等離子通道無(wú)線傳能技術(shù)需要借助空氣離子實(shí)現(xiàn)，從衛(wèi)星平臺(tái)到大氣層外或臨近空間無(wú)人機(jī)平臺(tái)可采用激光或微波技術(shù)進(jìn)行無(wú)線能量傳輸；大氣層外或臨近空間無(wú)人機(jī)平臺(tái)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(wú)線傳能

目前，各國(guó)技術(shù)人員都在積極探索未來(lái)無(wú)人機(jī)的無(wú)線傳能技術(shù)途徑，激光在無(wú)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(guó)對(duì)激光無(wú)線傳能技術(shù)的概念和使用模式并不陌生，都在努力推動(dòng)激光無(wú)線傳能技術(shù)走向應(yīng)用。

激光無(wú)線傳能技術(shù)可能需要對(duì)以下三個(gè)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(shí)因接收端效率低，維持無(wú)人機(jī)飛行所需功率大，致使接受面積大；整體導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)線傳能和接收系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大，嚴(yán)重制約無(wú)線傳能系統(tǒng)應(yīng)用。

（3）激光跟蹤及對(duì)準(zhǔn)精度。無(wú)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(duì)實(shí)時(shí)精確對(duì)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(wú)線傳能

飛秒激光等離子通道無(wú)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(shí)功率，經(jīng)過聚焦后光強(qiáng)非常高，同時(shí)沒有熱效應(yīng)，無(wú)需龐大的冷卻系統(tǒng)，技術(shù)優(yōu)點(diǎn)明顯。在不久的將來(lái)，能否在無(wú)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(yǔ)

無(wú)線傳能技術(shù)在改變?nèi)祟惿罘绞降耐瑫r(shí)，也逐漸與無(wú)人機(jī)發(fā)展深度融合，提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，將無(wú)人機(jī)在未來(lái)的植被監(jiān)測(cè)、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(wú)線傳能技術(shù)受制于當(dāng)前的技術(shù)水平，無(wú)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(jí)、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(wú)線傳能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，但這并不影響無(wú)線傳能技術(shù)會(huì)在未來(lái)推動(dòng)無(wú)人機(jī)走向新的時(shí)代。