激光充電技術(shù)延長太陽能無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行時間

李悅霖/成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所

無人機(jī)的續(xù)航時間影響其任務(wù)執(zhí)行時間，當(dāng)前無人機(jī)動力系統(tǒng)技術(shù)成為了提高續(xù)航能力的瓶頸。激光在給機(jī)上和飛行中電池充電方面具有理論可能性，可使飛行時間無限長，無需著陸重新加油。為此，美國國防部預(yù)研局（DARPA）選中“沉默獵鷹”無人機(jī)進(jìn)行功率波束演示。

激光束應(yīng)用廣泛，在與無人機(jī)相關(guān)的應(yīng)用中最有可能充當(dāng)殺傷武器，但在由美國國防部預(yù)研局支持的一項(xiàng)新研究中，激光被用作無人機(jī)的穩(wěn)定電源。美國國防部預(yù)研局計(jì)劃在“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”（Super PBD）項(xiàng)目下演示這一能力，該項(xiàng)目將使用激光能量來擴(kuò)展“沉默獵鷹”太陽能電動無人機(jī)的任務(wù)時間。

DARPA 選中“沉默獵鷹”無人機(jī)

“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”是一個創(chuàng)新項(xiàng)目，在測試中將驗(yàn)證使用激光光源給機(jī)上和飛行中電池充電的可行性，通過使用串聯(lián)的“飛行”和“飛行并充電”循環(huán)，理論上可使飛行時間無限長，無需著陸重新加油。美國陸軍計(jì)劃2019年初啟動試驗(yàn)，測試激光束向無人機(jī)提供動力的能力，并希望到2020年獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)開始應(yīng)用。

被美國國防部預(yù)研局選為“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目無人駕駛系統(tǒng)的飛行器是沉默獵鷹無人機(jī)技術(shù)公司（Silent Falcon）的“沉默獵鷹”無人機(jī)，該公司因制造遠(yuǎn)程長航時太陽能無人機(jī)而得名，這一優(yōu)勢構(gòu)成了美國國防部預(yù)研局選擇其為合作伙伴的理由。

“沉默獵鷹”無人機(jī)是一種便攜式小型無人機(jī)系統(tǒng)（sUAS），設(shè)計(jì)為執(zhí)行長航時遠(yuǎn)距離任務(wù)，使用太陽能電池板給電池充電，用于長期情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）任務(wù)，攜帶先進(jìn)的傳感器，以獲取、存儲和傳輸為國防和安全I(xiàn)SR應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)。該飛行器由輕質(zhì)碳復(fù)合材料制成，采用太陽能電力推進(jìn)系統(tǒng)，飛行時間可達(dá)14h。能源來自于內(nèi)置在機(jī)翼上的薄膜光伏電池板和用于存儲的鋰聚合物電池。機(jī)長7ft，翼展14ft。重量為35lb，可攜帶3kg有效載荷，如監(jiān)視用的攝像機(jī)，可以手持發(fā)射也可通過火箭發(fā)射，既適用于軍事用途，也適用于民用用途。最高速度為112km/h（60kn.），操作飛行高度從100～20000ft，射程為25km，用于軍事監(jiān)視任務(wù)的飛行高度通常在1600～5000ft之間。

圖1 利用電池和太陽能，“沉默獵鷹”無人機(jī)可在空中停留6h。美國國防部預(yù)研局希望通過激光補(bǔ)充電池來大大延長其任務(wù)時間

“沉默獵鷹”具有靈活的開放式體系結(jié)構(gòu)/接口系統(tǒng)，可以很容易地與遙測、處理、分析、數(shù)據(jù)采集、開發(fā)和傳播等方面的先進(jìn)技術(shù)相集成。此外，與其他小型無人機(jī)相比，主要優(yōu)勢在于有一個特殊的“獵鷹視覺”（FalconVision）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個具有夜視能力的高分辨率雙成像儀、一個激光指示器、一個機(jī)載高清（HD）視頻處理器組成，能傳回穩(wěn)定的高分辨率圖像，并識別和跟蹤目標(biāo)，執(zhí)行地理定位和地理跟蹤。它還有一個開放式接口的有效載荷艙，可容納各種有效載荷，這些載荷也很快且易于更換。

項(xiàng)目計(jì)劃

美國國防部預(yù)研局利用激光驅(qū)動無人機(jī)的工作原理是：通過將激光投射到覆蓋“沉默獵鷹”機(jī)尾的太陽能電池板上來傳輸能量。飛機(jī)的機(jī)翼上有太陽能電池板，特別是背翼，機(jī)身上還有電池。電池提供了最初的電源，但當(dāng)電池耗盡時，無人機(jī)操作員將激光束對準(zhǔn)太陽能電池板，定期發(fā)射激光能使飛機(jī)充電，使其無限期地停留在高空。

美國國防部預(yù)研局將嘗試在“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目下，讓“沉默的獵鷹”飛起來，從山腰向它發(fā)射激光。

“沉默獵鷹”無人機(jī)技術(shù)公司董事長約翰?布朗（John W.Brown）2018年8月2日表示，“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”計(jì)劃于2019年1月開始測試，目標(biāo)是通過激光給10km外的無人機(jī)充電。雖然本次測試中激光與無人機(jī)之間的距離約為10km，但未來可能會擴(kuò)大。根據(jù)“沉默獵鷹”無人機(jī)技術(shù)公司發(fā)布的圖樣，激光傳輸?shù)墓饽軐⒈灰粋€添加到垂尾上的光伏接收陣列拾取，這樣的配置可以使地面激光器得到充分使用，而安裝在機(jī)翼上的陣列無法提供這樣的效率。通過太陽能電池板，可以在飛行中充電，并將任務(wù)延長到大約5h，但理論上只要接收到激光的電荷，無人機(jī)可以無限期飛行。

不過，用激光給無人機(jī)充電的能力也面臨著一些障礙。首先，激光雖然可以從高空或地面站射向無人機(jī)，但研究小組承認(rèn)向空中發(fā)射激光光束存在安全問題，因此這次測試期間激光將從一座山上的停機(jī)坪射向無人機(jī)，但這樣也存在引發(fā)森林火災(zāi)的可能。其次，激光傳播越遠(yuǎn)，強(qiáng)度就越低，且當(dāng)激光路徑中存在煙、霧霾或雨等物質(zhì)時，無人機(jī)接收能量的能力會降低。美國國防部預(yù)研局估計(jì)該項(xiàng)目最遠(yuǎn)能為無人機(jī)充電6.8mi（11km），但實(shí)際情況下，最大充電里程會有所不同。

布朗拒絕透露使用激光可以傳輸多少能量，但他相信激光充電的用途終將擴(kuò)展，有望為搭載有人乘客的飛機(jī)提供動力。

如果美國國防部預(yù)研局和“沉默獵鷹”能夠證明這一概念的有效性，它們就可以為在商業(yè)和軍事領(lǐng)域運(yùn)行的更遠(yuǎn)程無人機(jī)打開大門。無人機(jī)可以飛行數(shù)周完成一項(xiàng)合同或任務(wù)，直到任務(wù)完成后才著陸。目前，“沉默獵鷹”的太陽能電力推進(jìn)系統(tǒng)允許它在高空停留5h，且取決于飛行條件。

約翰·布朗表示：“我們非常幸運(yùn)能與美國國防部預(yù)研局合作，首次展示新型和創(chuàng)新的無人機(jī)技術(shù)?！盁o處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目將為未來的能量束發(fā)射能力的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，并進(jìn)一步展示嵌入‘沉默獵鷹’的技術(shù)的多功能性，‘沉默獵鷹’是唯一的遠(yuǎn)程長航時太陽能無人機(jī)?！?/p>

圖2 “沉默獵鷹”太陽能無人機(jī)

圖3 激光束發(fā)射原理圖

圖4 “沉默獵鷹”的尾部將被改裝，以吸收由激光傳輸?shù)墓饽?/p>

“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目的美國國防部預(yù)研局負(fù)責(zé)人約瑟夫.阿巴特（Joseph A.Abate）博士說：“我們相信，該項(xiàng)目將證明，通過高能激光束對美國國防部系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程電力補(bǔ)給，可以延長在有爭議和遠(yuǎn)程環(huán)境下的任務(wù)運(yùn)行時間，可在不久的將來交付給作戰(zhàn)人員?！?/p>

“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目的其他供應(yīng)商包括光學(xué)元件專家Optonicus公司，提供激光設(shè)備和無人機(jī)追蹤/定位技術(shù)，以及SolAero技術(shù)公司和Ascent太陽能技術(shù)公司，提供太陽能電池板。“無處不在的能量補(bǔ)充-能量束投射演示”項(xiàng)目的總成本是220萬美元。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將為未來的功率波束應(yīng)用設(shè)定新的標(biāo)準(zhǔn)，同時展示集成在無人機(jī)中的技術(shù)的能力和通用性。PowerLight公司開展的類似試驗(yàn)表明，激光束的能量傳輸效率約為25%。

航空航天工業(yè)在開發(fā)超長航時飛機(jī)方面有著悠久的歷史，但很少使用激光進(jìn)行充電，現(xiàn)有的超長航時飛機(jī)包括柴油活塞動力的例子，如“香草”飛機(jī)公司（Vanilla Aircraft）的VA001無人機(jī)、極光飛行科學(xué)公司（Aurora Flight Scienc）的“獵戶座”（Orion）無人機(jī)，縮比復(fù)合材料公司（Scaled Composite）的“旅行者”（Voyager）飛機(jī)和波音公司的“禿鷹”（Condor）無人偵察機(jī)，最近高高空、太陽能飛機(jī)已經(jīng)流行起來，包括空客的“西風(fēng)”（Zephyr）太陽能無人機(jī)和航空環(huán)境公司推出的太陽能動力高空長航時無人機(jī)。

業(yè)界討論

美國國防部預(yù)研局選擇了“沉默獵鷹”無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行能量波束演示，目標(biāo)是在飛行中使用高強(qiáng)度激光束為電動無人飛機(jī)加油/充電。功率波束技術(shù)是一種新興的破壞性技術(shù)，有望解決在最需要能量的地方獲取能量的急需問題。功率波束技術(shù)目前發(fā)展特點(diǎn)：1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，以下兩項(xiàng)之間存在著重要的權(quán)衡：安全和功率密度、波長和孔徑；2）組件技術(shù)的最新突破提高了系統(tǒng)的可行性；3）研究和工業(yè)基地渴望發(fā)展并將這一領(lǐng)域的能力轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆幽芰Α?/p>

激光充電的飛行器固定翼上有太陽能電池板，微型飛機(jī)機(jī)身上有電池。該系統(tǒng)的工作原理為：無人駕駛飛機(jī)的操作員用激光束瞄準(zhǔn)太陽能電池板。定期發(fā)射激光能使飛機(jī)充電，將光轉(zhuǎn)換成電能，使其無限期地停留在高空。然而，激光充電飛機(jī)確實(shí)存在障礙，如果無人機(jī)偏離激光射程，或進(jìn)入一排厚厚的云層，會發(fā)生什么？《新科學(xué)家》雜志的大衛(wèi)?哈布林（David Hambling）將無人駕駛飛機(jī)描述為“極度耗電，意味著他們的飛行時間限制在半小時或更短?！睂τ跓o人駕駛飛機(jī)來說，持久性是一個問題，需設(shè)法解決耗電問題。另外，“未來主義”網(wǎng)站在“激光系統(tǒng)驅(qū)動無人機(jī)投入戰(zhàn)場之前需克服的幾個障礙”中提到，一大障礙便是激光束有燒毀無人機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。麻省理工學(xué)院《技術(shù)評論》雜志的Erin Winick說：“這一過程會產(chǎn)生大量的熱，有熔化無人機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)?！睋?jù)稱陸軍的研究團(tuán)隊(duì)正在努力確保多余的熱量可以消散而不會對無人機(jī)造成損害，這需要確保光束精準(zhǔn)地?fù)糁蓄A(yù)定位置。

圖5 無人機(jī)激光充電技術(shù)

更多應(yīng)用

早在2012年7月，洛克希德?馬丁公司就對激光充電這一領(lǐng)域做了嘗試，用激光來為“跟蹤者”無人機(jī)充電。洛克希德?馬丁公司在風(fēng)洞中飛行13.2lb重的無人偵察機(jī)，使用激光動力公司（LaserMotive）的激光系統(tǒng)無線傳輸能量給無人機(jī)。連續(xù)飛行48h后，無人機(jī)的電池比測試開始時儲存了更多的電能，但激光充電系統(tǒng)仍有賴于在現(xiàn)場使用。

耐久性是無人機(jī)的關(guān)鍵要求。2018年8月，空客公司的“西風(fēng)”（Zephyr）太陽能無人機(jī)在空中持續(xù)飛行了25天，在亞利桑那州上空使用太陽能電池完成了一次偵察，這一成績是迄今為止所有飛機(jī)創(chuàng)造的最長飛行紀(jì)錄。按照原定設(shè)計(jì)，它可以在太陽能的支持下在平流層翱翔數(shù)月時間。

圖6 功率和充電距離關(guān)系及應(yīng)用范圍

還有幾個項(xiàng)目使用激光為昆蟲大小的小型機(jī)器人和智能手機(jī)供電。2018年5月，華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種由激光驅(qū)動的小型機(jī)器人昆蟲。機(jī)器人因?yàn)樘《荒苁褂寐菪龢螂娮釉O(shè)備和電池驅(qū)動，研究人員設(shè)計(jì)的Robofly比牙簽稍重，由激光束驅(qū)動，使用機(jī)載光電管將紅外激光能量轉(zhuǎn)換成足夠的電能來操縱翅膀。另外，華盛頓大學(xué)于2018年2月20日發(fā)布報(bào)告稱成功從房間的另一端對智能手機(jī)進(jìn)行激光充電，“一束窄而看不見的光束將電荷傳遞給放置在房間對面的智能手機(jī)”，這項(xiàng)技術(shù)使用一個薄的電池來接收電荷。

還有幾個項(xiàng)目使用激光為昆蟲大小的小型機(jī)器人和智能手機(jī)供電。2018年5月，華盛頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種由激光驅(qū)動的小型機(jī)器人昆蟲。機(jī)器人因?yàn)樘《荒苁褂寐菪龢螂娮釉O(shè)備和電池驅(qū)動，研究人員設(shè)計(jì)的Robofly比牙簽稍重，由激光束驅(qū)動，使用機(jī)載光電管將紅外激光能量轉(zhuǎn)換成足夠的電能來操縱翅膀。另外，華盛頓大學(xué)于2018年2月20日發(fā)布報(bào)告稱成功從房間的另一端對智能手機(jī)進(jìn)行激光充電，“一束窄而看不見的光束將電荷傳遞給放置在房間對面的智能手機(jī)”，這項(xiàng)技術(shù)使用一個薄的電池來接收電荷。

圖8 激光束演示項(xiàng)目

圖9 “沉默獵鷹”無人機(jī)

圖10 “沉默獵鷹”無人機(jī)任務(wù)載荷

對于這次激光充電演示，有分析師預(yù)測“這項(xiàng)技術(shù)的潛在使用是無止境的，范圍從擴(kuò)展的搜索和救援任務(wù)、對災(zāi)區(qū)的大規(guī)模調(diào)查到軍事行動和互聯(lián)網(wǎng)接入傳播行動。雖然整個行業(yè)一直在聚焦無人機(jī)激光充電技術(shù)將如何改善現(xiàn)有的無人機(jī)行業(yè)，但在天空中無限期運(yùn)行無人機(jī)的可行性為我們從未想到過的問題提供了全新的解決方案。

例如，為了幫助加利福尼亞航空國民警衛(wèi)隊(duì)撲滅加州卡爾山火，美國空軍不得不每兩天出動一次“收割者”無人機(jī)，如果采用無人機(jī)激光充電技術(shù)，就可提供持續(xù)的不受約束的援助。在那些極其缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)?shù)卣耆梢宰赓U這樣的無人機(jī)，提供手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)接入，以促進(jìn)更高效的地面重建。這樣，通過增加一架無需著陸或加油的無人機(jī)，一種全新的模塊搭建方式出現(xiàn)了?！?/p>

美國海軍和其他領(lǐng)域也在研究激光和微波的能量發(fā)射。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在近太空條件下測試了“太陽光到微波”轉(zhuǎn)換器。

盡管無線電力傳輸?shù)母拍钜延薪鼉蓚€世紀(jì)的歷史，但在發(fā)展技術(shù)的同時，它仍然令人興奮。光伏技術(shù)和受激輻射固態(tài)放大技術(shù)的最新進(jìn)展為我們重新審視這一概念提供了機(jī)會。在需要連續(xù)傳輸或瞬時能量的情況下，高強(qiáng)度激光功率束技術(shù)的實(shí)施將擴(kuò)展應(yīng)用的能力，但傳統(tǒng)導(dǎo)線存在危險(xiǎn)、昂貴、不合適或無法實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)也有可能應(yīng)用于高亮度軌道上的傳輸衛(wèi)星。衛(wèi)星可以將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，并將其儲存在機(jī)載電池中。當(dāng)需要時，衛(wèi)星可以將儲存的能量傳輸?shù)狡渌壍?，包括極低地球軌道和低地球軌道。此外，它還有潛力用于數(shù)據(jù)中繼?！?/p>

圖11 耐久性是無人機(jī)的關(guān)鍵要求。2018年8月，空客公司的“西風(fēng)” （Zephyr）太陽能無人機(jī)在空中持續(xù)飛行了25天。