無人機的續(xù)航時間影響其任務執(zhí)行時間，當前無人機動力系統(tǒng)技術成為了提高續(xù)航能力的瓶頸。激光在給機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，美國國防部預研局（DARPA）選中“沉默獵鷹”無人機進行功率波束演示。

激光束應用廣泛，在與無人機相關的應用中最有可能充當殺傷武器，但在由美國國防部預研局支持的一項新研究中，激光被用作無人機的穩(wěn)定電源。美國國防部預研局計劃在“無處不在的能量補充-能量束投射演示”（Super PBD）項目下演示這一能力，該項目將使用激光能量來擴展“沉默獵鷹”太陽能電動無人機的任務時間。

DARPA 選中“沉默獵鷹”無人機

“無處不在的能量補充-能量束投射演示”是一個創(chuàng)新項目，在測試中將驗證使用激光光源給機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。美國陸軍計劃2019年初啟動試驗，測試激光束向無人機提供動力的能力，并希望到2020年獲得監(jiān)管部門的批準開始應用。

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

“沉默獵鷹”無人機是一種便攜式小型無人機系統(tǒng)（sUAS），設計為執(zhí)行長航時遠距離任務，使用太陽能電池板給電池充電，用于長期情報、監(jiān)視與偵察（ISR）任務，攜帶先進的傳感器，以獲取、存儲和傳輸為國防和安全ISR應用所需的數(shù)據(jù)。該飛行器由輕質碳復合材料制成，采用太陽能電力推進系統(tǒng)，飛行時間可達14h。能源來自于內置在機翼上的薄膜光伏電池板和用于存儲的鋰聚合物電池。機長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，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”無人機可在空中停留6h。美國國防部預研局希望通過激光補充電池來大大延長其任務時間

“沉默獵鷹”具有靈活的開放式體系結構/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技術相集成。此外，與其他小型無人機相比，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，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。

項目計劃

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

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

“沉默獵鷹”無人機技術公司董事長約翰?布朗（John W.Brown）2018年8月2日表示，“無處不在的能量補充-能量束投射演示”計劃于2019年1月開始測試，目標是通過激光給10km外的無人機充電。雖然本次測試中激光與無人機之間的距離約為10km，但未來可能會擴大。根據(jù)“沉默獵鷹”無人機技術公司發(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，并將任務延長到大約5h，但理論上只要接收到激光的電荷，無人機可以無限期飛行。

不過，用激光給無人機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，但研究小組承認向空中發(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坪射向無人機，但這樣也存在引發(fā)森林火災的可能。其次，激光傳播越遠，強度就越低，且當激光路徑中存在煙、霧霾或雨等物質時，無人機接收能量的能力會降低。美國國防部預研局估計該項目最遠能為無人機充電6.8mi（11km），但實際情況下，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展，有望為搭載有人乘客的飛機提供動力。

如果美國國防部預研局和“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)和軍事領域運行的更遠程無人機打開大門。無人機可以飛行數(shù)周完成一項合同或任務，直到任務完成后才著陸。目前，“沉默獵鷹”的太陽能電力推進系統(tǒng)允許它在高空停留5h，且取決于飛行條件。

約翰·布朗表示：“我們非常幸運能與美國國防部預研局合作，首次展示新型和創(chuàng)新的無人機技術。“無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目將為未來的能量束發(fā)射能力的應用奠定基礎，并進一步展示嵌入‘沉默獵鷹’的技術的多功能性，‘沉默獵鷹’是唯一的遠程長航時太陽能無人機?！?/p>

圖2 “沉默獵鷹”太陽能無人機

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>

“無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目的美國國防部預研局負責人約瑟夫.阿巴特（Joseph A.Abate）博士說：“我們相信，該項目將證明，通過高能激光束對美國國防部系統(tǒng)進行遠程電力補給，可以延長在有爭議和遠程環(huán)境下的任務運行時間，可在不久的將來交付給作戰(zhàn)人員?！?/p>

“無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目的其他供應商包括光學元件專家Optonicus公司，提供激光設備和無人機追蹤/定位技術，以及SolAero技術公司和Ascent太陽能技術公司，提供太陽能電池板?！盁o處不在的能量補充-能量束投射演示”項目的總成本是220萬美元。該項目預計將為未來的功率波束應用設定新的標準，同時展示集成在無人機中的技術的能力和通用性。PowerLight公司開展的類似試驗表明，激光束的能量傳輸效率約為25%。

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

業(yè)界討論

美國國防部預研局選擇了“沉默獵鷹”無人機技術進行能量波束演示，目標是在飛行中使用高強度激光束為電動無人飛機加油/充電。功率波束技術是一種新興的破壞性技術，有望解決在最需要能量的地方獲取能量的急需問題。功率波束技術目前發(fā)展特點：1）系統(tǒng)實現(xiàn)中，以下兩項之間存在著重要的權衡：安全和功率密度、波長和孔徑；2）組件技術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)展并將這一領域的能力轉變?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，微型飛機機身上有電池。該系統(tǒng)的工作原理為：無人駕駛飛機的操作員用激光束瞄準太陽能電池板。定期發(fā)射激光能使飛機充電，將光轉換成電能，使其無限期地停留在高空。然而，激光充電飛機確實存在障礙，如果無人機偏離激光射程，或進入一排厚厚的云層，會發(fā)生什么？《新科學家》雜志的大衛(wèi)?哈布林（David Hambling）將無人駕駛飛機描述為“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人駕駛飛機來說，持久性是一個問題，需設法解決耗電問題。另外，“未來主義”網(wǎng)站在“激光系統(tǒng)驅動無人機投入戰(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的風險。麻省理工學院《技術評論》雜志的Erin Winick說：“這一過程會產生大量的熱，有熔化無人機的風險。”據(jù)稱陸軍的研究團隊正在努力確保多余的熱量可以消散而不會對無人機造成損害，這需要確保光束精準地擊中預定位置。

圖5 無人機激光充電技術

更多應用

早在2012年7月，洛克希德?馬丁公司就對激光充電這一領域做了嘗試，用激光來為“跟蹤者”無人機充電。洛克希德?馬丁公司在風洞中飛行13.2lb重的無人偵察機，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。連續(xù)飛行48h后，無人機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。

耐久性是無人機的關鍵要求。2018年8月，空客公司的“西風”（Zephyr）太陽能無人機在空中持續(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創(chuàng)造的最長飛行紀錄。按照原定設計，它可以在太陽能的支持下在平流層翱翔數(shù)月時間。

圖6 功率和充電距離關系及應用范圍

還有幾個項目使用激光為昆蟲大小的小型機器人和智能手機供電。2018年5月，華盛頓大學的研究人員開發(fā)了一種由激光驅動的小型機器人昆蟲。機器人因為太小而不能使用螺旋槳或電子設備和電池驅動，研究人員設計的Robofly比牙簽稍重，由激光束驅動，使用機載光電管將紅外激光能量轉換成足夠的電能來操縱翅膀。另外，華盛頓大學于2018年2月20日發(fā)布報告稱成功從房間的另一端對智能手機進行激光充電，“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”，這項技術使用一個薄的電池來接收電荷。

還有幾個項目使用激光為昆蟲大小的小型機器人和智能手機供電。2018年5月，華盛頓大學的研究人員開發(fā)了一種由激光驅動的小型機器人昆蟲。機器人因為太小而不能使用螺旋槳或電子設備和電池驅動，研究人員設計的Robofly比牙簽稍重，由激光束驅動，使用機載光電管將紅外激光能量轉換成足夠的電能來操縱翅膀。另外，華盛頓大學于2018年2月20日發(fā)布報告稱成功從房間的另一端對智能手機進行激光充電，“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”，這項技術使用一個薄的電池來接收電荷。

圖8 激光束演示項目

圖9 “沉默獵鷹”無人機

圖10 “沉默獵鷹”無人機任務載荷

對于這次激光充電演示，有分析師預測“這項技術的潛在使用是無止境的，范圍從擴展的搜索和救援任務、對災區(qū)的大規(guī)模調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)一直在聚焦無人機激光充電技術將如何改善現(xiàn)有的無人機行業(yè)，但在天空中無限期運行無人機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，如果采用無人機激光充電技術，就可提供持續(xù)的不受約束的援助。在那些極其缺乏基礎設施的農村或偏遠地區(qū)，當?shù)卣耆梢宰赓U這樣的無人機，提供手機和互聯(lián)網(wǎng)接入，以促進更高效的地面重建。這樣，通過增加一架無需著陸或加油的無人機，一種全新的模塊搭建方式出現(xiàn)了?！?/p>

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

盡管無線電力傳輸?shù)母拍钜延薪鼉蓚€世紀的歷史，但在發(fā)展技術的同時，它仍然令人興奮。光伏技術和受激輻射固態(tài)放大技術的最新進展為我們重新審視這一概念提供了機會。在需要連續(xù)傳輸或瞬時能量的情況下，高強度激光功率束技術的實施將擴展應用的能力，但傳統(tǒng)導線存在危險、昂貴、不合適或無法實現(xiàn)等缺點。這項技術也有可能應用于高亮度軌道上的傳輸衛(wèi)星。衛(wèi)星可以將太陽能轉換成電能，并將其儲存在機載電池中。當需要時，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。■

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