無人機的續航時間影響其任務執行時間，當前無人機動力係統技術成為(wei) 了提高續航能力的瓶頸。激光在給機上和飛行中電池充電方麵具有理論可能性，可使飛行時間無限長，無需著陸重新加油。為(wei) 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(yu) 無人機相關(guan) 的應用中最有可能充當殺傷(shang) 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(ge) 創新項目，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，通過使用串聯的“飛行”和“飛行並充電”循環，理論上可使飛行時間無限長，無需著陸重新加油。美國陸軍(jun) 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，並希望到2020年獲得監管部門的批準開始應用。

被美國國防部預研局選為(wei) “無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目無人駕駛係統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，該公司因製造遠程長航時太陽能無人機而得名，這一優(you) 勢構成了美國國防部預研局選擇其為(wei) 合作夥(huo) 伴的理由。

“沉默獵鷹”無人機是一種便攜式小型無人機係統（sUAS），設計為(wei) 執行長航時遠距離任務，使用太陽能電池板給電池充電，用於(yu) 長期情報、監視與(yu) 偵(zhen) 察（ISR）任務，攜帶先進的傳(chuan) 感器，以獲取、存儲(chu) 和傳(chuan) 輸為(wei) 國防和安全ISR應用所需的數據。該飛行器由輕質碳複合材料製成，采用太陽能電力推進係統，飛行時間可達14h。能源來自於(yu) 內(nei) 置在機翼上的薄膜光伏電池板和用於(yu) 存儲(chu) 的鋰聚合物電池。機長7ft，翼展14ft。重量為(wei) 35lb，可攜帶3kg有效載荷，如監視用的攝像機，可以手持發射也可通過火箭發射，既適用於(yu) 軍(jun) 事用途，也適用於(yu) 民用用途。最高速度為(wei) 112km/h（60kn.），操作飛行高度從(cong) 100～20000ft，射程為(wei) 25km，用於(yu) 軍(jun) 事監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(ti) 係結構/接口係統，可以很容易地與(yu) 遙測、處理、分析、數據采集、開發和傳(chuan) 播等方麵的先進技術相集成。此外，與(yu) 其他小型無人機相比，主要優(you) 勢在於(yu) 有一個(ge) 特殊的“獵鷹視覺”（FalconVision）係統，該係統由一個(ge) 具有夜視能力的高分辨率雙成像儀(yi) 、一個(ge) 激光指示器、一個(ge) 機載高清（HD）視頻處理器組成，能傳(chuan) 回穩定的高分辨率圖像，並識別和跟蹤目標，執行地理定位和地理跟蹤。它還有一個(ge) 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於(yu) 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(chuan) 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嚐試在“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(cong) 山腰向它發射激光。

“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”計劃於(yu) 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(yu) 無人機之間的距離約為(wei) 10km，但未來可能會(hui) 擴大。根據“沉默獵鷹”無人機技術公司發布的圖樣，激光傳(chuan) 輸的光能將被一個(ge) 添加到垂尾上的光伏接收陣列拾取，這樣的配置可以使地麵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，並將任務延長到大約5h，但理論上隻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麵臨(lin) 著一些障礙。首先，激光雖然可以從(cong) 高空或地麵站射向無人機，但研究小組承認向空中發射激光光束存在安全問題，因此這次測試期間激光將從(cong) 一座山上的停機坪射向無人機，但這樣也存在引發森林火災的可能。其次，激光傳(chuan) 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(hui) 降低。美國國防部預研局估計該項目最遠能為(wei) 無人機充電6.8mi（11km），但實際情況下，最大充電裏程會(hui) 有所不同。

布朗拒絕透露使用激光可以傳(chuan) 輸多少能量，但他相信激光充電的用途終將擴展，有望為(wei) 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(men) 就可以為(wei) 在商業(ye) 和軍(jun) 事領域運行的更遠程無人機打開大門。無人機可以飛行數周完成一項合同或任務，直到任務完成後才著陸。目前，“沉默獵鷹”的太陽能電力推進係統允許它在高空停留5h，且取決(jue) 於(yu) 飛行條件。

約翰·布朗表示：“我們(men) 非常幸運能與(yu) 美國國防部預研局合作，首次展示新型和創新的無人機技術。“無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目將為(wei) 未來的能量束發射能力的應用奠定基礎，並進一步展示嵌入‘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。”

圖2 “沉默獵鷹”太陽能無人機

圖3 激光束發射原理圖

圖4 “沉默獵鷹”的尾部將被改裝，以吸收由激光傳(chuan) 輸的光能

“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(men) 相信，該項目將證明，通過高能激光束對美國國防部係統進行遠程電力補給，可以延長在有爭(zheng) 議和遠程環境下的任務運行時間，可在不久的將來交付給作戰人員。”

“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(zhuan) 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。“無處不在的能量補充-能量束投射演示”項目的總成本是220萬(wan) 美元。該項目預計將為(wei) 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(chuan) 輸效率約為(wei) 25%。

航空航天工業(ye) 在開發超長航時飛機方麵有著悠久的曆史，但很少使用激光進行充電，現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，縮比複合材料公司（Scaled Composite）的“旅行者”（Voyager）飛機和波音公司的“禿鷹”（Condor）無人偵(zhen) 察機，最近高高空、太陽能飛機已經流行起來，包括空客的“西風”（Zephyr）太陽能無人機和航空環境公司推出的太陽能動力高空長航時無人機。

業(ye) 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(wei) 電動無人飛機加油/充電。功率波束技術是一種新興(xing) 的破壞性技術，有望解決(jue) 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展特點：1）係統實現中，以下兩(liang) 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係統的可行性；3）研究和工業(ye) 基地渴望發展並將這一領域的能力轉變為(wei) 行動能力。

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。該係統的工作原理為(wei) ：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，或進入一排厚厚的雲(yun) 層，會(hui) 發生什麽(me) ？《新科學家》雜誌的大衛•哈布林（David Hambling）將無人駕駛飛機描述為(wei) “極度耗電，意味著他們(men) 的飛行時間限製在半小時或更短。”對於(yu) 無人駕駛飛機來說，持久性是一個(ge) 問題，需設法解決(jue) 耗電問題。另外，“未來主義(yi) ”網站在“激光係統驅動無人機投入戰場之前需克服的幾個(ge) 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》雜誌的Erin Winick說：“這一過程會(hui) 產(chan) 生大量的熱，有熔化無人機的風險。”據稱陸軍(jun) 的研究團隊正在努力確保多餘(yu) 的熱量可以消散而不會(hui) 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嚐試，用激光來為(wei) “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(zhen) 察機，使用激光動力公司（LaserMotive）的激光係統無線傳(chuan) 輸能量給無人機。連續飛行48h後，無人機的電池比測試開始時儲(chu) 存了更多的電能，但激光充電係統仍有賴於(yu) 在現場使用。

耐久性是無人機的關(guan) 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飛行了25天，在亞(ya) 利桑那州上空使用太陽能電池完成了一次偵(zhen) 察，這一成績是迄今為(wei) 止所有飛機創造的最長飛行紀錄。按照原定設計，它可以在太陽能的支持下在平流層翱翔數月時間。

圖6 功率和充電距離關(guan) 係及應用範圍

還有幾個(ge) 項目使用激光為(wei) 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了一種由激光驅動的小型機器人昆蟲。機器人因為(wei) 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，華盛頓大學於(yu) 2018年2月20日發布報告稱成功從(cong) 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(chuan) 遞給放置在房間對麵的智能手機”，這項技術使用一個(ge) 薄的電池來接收電荷。

還有幾個(ge) 項目使用激光為(wei) 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了一種由激光驅動的小型機器人昆蟲。機器人因為(wei) 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，華盛頓大學於(yu) 2018年2月20日發布報告稱成功從(cong) 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(chuan) 遞給放置在房間對麵的智能手機”，這項技術使用一個(ge) 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

對於(yu) 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，範圍從(cong) 擴展的搜索和救援任務、對災區的大規模調查到軍(jun) 事行動和互聯網接入傳(chuan) 播行動。雖然整個(ge) 行業(ye) 一直在聚焦無人機激光充電技術將如何改善現有的無人機行業(ye) ，但在天空中無限期運行無人機的可行性為(wei) 我們(men) 從(cong) 未想到過的問題提供了全新的解決(jue) 方案。

例如，為(wei) 了幫助加利福尼亞(ya) 航空國民警衛隊撲滅加州卡爾山火，美國空軍(jun) 不得不每兩(liang) 天出動一次“收割者”無人機，如果采用無人機激光充電技術，就可提供持續的不受約束的援助。在那些極其缺乏基礎設施的農(nong) 村或偏遠地區，當地政府完全可以租賃這樣的無人機，提供手機和互聯網接入，以促進更高效的地麵重建。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了。”

美國海軍(jun) 和其他領域也在研究激光和微波的能量發射。美國海軍(jun) 研究實驗室已經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(chuan) 輸的概念已有近兩(liang) 個(ge) 世紀的曆史，但在發展技術的同時，它仍然令人興(xing) 奮。光伏技術和受激輻射固態放大技術的最新進展為(wei) 我們(men) 重新審視這一概念提供了機會(hui) 。在需要連續傳(chuan) 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(chuan) 統導線存在危險、昂貴、不合適或無法實現等缺點。這項技術也有可能應用於(yu) 高亮度軌道上的傳(chuan) 輸衛星。衛星可以將太陽能轉換成電能，並將其儲(chu) 存在機載電池中。當需要時，衛星可以將儲(chu) 存的能量傳(chuan) 輸到其他軌道，包括極低地球軌道和低地球軌道。此外，它還有潛力用於(yu) 數據中繼。■

圖11 耐久性是無人機的關(guan) 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飛行了25天。