楊尚飛，林龍信

(海軍裝備研究院，北京 100161)

激光射束驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景

楊尚飛，林龍信

(海軍裝備研究院，北京 100161)

激光射束驅(qū)動(dòng)是一種利用“無線能量傳輸”原理，將高能激光射束轉(zhuǎn)換為電能，從而為空中飛行器提供電力供應(yīng)，使其無需自帶燃料即可實(shí)現(xiàn)長航時(shí)持續(xù)飛行的先進(jìn)技術(shù)。目前，該項(xiàng)技術(shù)已完成戶外飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了其良好的工作性能。本文對(duì)激光射束驅(qū)動(dòng)的基本原理以及涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并提出激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可能應(yīng)用方向，為激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

激光射束驅(qū)動(dòng);無線能量傳輸;激光電池;應(yīng)用前景

1 引 言

2012年7月，美國洛克希德·馬丁公司和激光驅(qū)動(dòng)公司(LaserMotive，Inc.，一家專門從事激光射束驅(qū)動(dòng)商業(yè)化應(yīng)用的研發(fā)公司)在一個(gè)風(fēng)洞內(nèi)驗(yàn)證了一種創(chuàng)新的激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能力——成功地將原本只有2 h續(xù)航時(shí)間的“闊步者”(Stalker)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間提升到48 h［1］。2012年8月，該項(xiàng)目又成功完成首次戶外飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在沙漠環(huán)境下的工作性能，取得了大量技術(shù)成果［2］。這表明，激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究已向?qū)嵱没瘧?yīng)用邁出了關(guān)鍵一步，進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。

2 激光射束驅(qū)動(dòng)的基本原理

激光射束驅(qū)動(dòng)是一種利用“無線能量傳輸”原理，在遠(yuǎn)處將高能激光射束轉(zhuǎn)換為電能，從而為空中飛行器提供電力供應(yīng)，使其無需自帶燃料即可實(shí)現(xiàn)長航時(shí)持續(xù)飛行的先進(jìn)技術(shù)［3－9］。

2.1 無線能量傳輸

無線能量傳輸也稱為無線功率傳輸，是借助電磁場或電磁波將能量從能量源傳輸?shù)诫娯?fù)載的一個(gè)過程，它與傳統(tǒng)能量傳輸?shù)母緟^(qū)別在于該過程是通過無線傳輸來實(shí)現(xiàn)的。目前，無線能量傳輸技術(shù)主要包括如下幾種類型:

(1)輻射技術(shù):通過某種獨(dú)特的接收器接收空氣中尚未散失的輻射能量，并將其轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存給附近的電池中;

(2)磁場共振技術(shù):當(dāng)兩個(gè)物體在同一頻率實(shí)現(xiàn)共振時(shí)，將實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸;

(3)電感耦合技術(shù):通過相對(duì)很直接的接觸來進(jìn)行能量傳輸，尤如把機(jī)器放在一個(gè)墊子上就能進(jìn)行充電;

(4)從環(huán)境中“收獲”能源:將自然界出現(xiàn)的熱能、光能和振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成所需的能量。

在為空中飛行器進(jìn)行無線能量傳輸?shù)谋尘跋?，比較實(shí)用的傳輸方式是利用輻射技術(shù)，而其中又主要包括微波和激光兩種形式。基于微波和激光的射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有基本相同的工作原理，工作過程如下:

(1)將各種來源的電能(初級(jí)能源)轉(zhuǎn)換成能在自由空間傳播的微波或激光射束;

(2)將微波或激光射束定向發(fā)射到空中飛行器的接收裝置上;

(3)空中飛行器的接收裝置將接收到的微波或激光射束能量轉(zhuǎn)換成電能;

(4)轉(zhuǎn)換得到的電能通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空中飛行器飛行，同時(shí)為機(jī)上的蓄電池充電。

盡管微波射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究比激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更早，但研究表明，微波射束用作動(dòng)力飛行時(shí)，存在發(fā)散角大、發(fā)射/接收裝置笨重、易對(duì)通信造成干擾等問題;而相比之下，激光射束具有方向性強(qiáng)、能量密度高等特點(diǎn)，用較小的發(fā)射功率即可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的能量傳輸，所需發(fā)射/接收設(shè)備的體積重量相對(duì)較小，且不存在干擾通信的風(fēng)險(xiǎn)，因此，激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)更具優(yōu)勢，日益受到科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

利用激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)，只需在空中飛行器的航線沿途地面上每隔一定距離設(shè)置一個(gè)激光發(fā)射站，便可以通過接力的方式為安裝有激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空中飛行器提供動(dòng)力，空中飛行器即可實(shí)現(xiàn)不著陸、無需空中加油的持續(xù)飛行。

激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1，一般包含初級(jí)能源、發(fā)射器和接收器三部分［10］。

激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首先需要有一個(gè)激光發(fā)射器，它通常由蓄電池或發(fā)電機(jī)等初級(jí)能源提供電力供應(yīng)。發(fā)射器包括激光器、光束調(diào)制光學(xué)設(shè)備、光束定向器、控制器、跟蹤及安全控制器、電源以及激光冷卻系統(tǒng)等組成部件。激光器產(chǎn)生激光(單波長)后，激光光束通過光束調(diào)制光學(xué)設(shè)備進(jìn)行調(diào)制，以確定光束到達(dá)目的地的大小。之后，在跟蹤及安全控制器的控制下，通過光束定向器將激光射束定向到空中飛行器的接收器位置。接收器一般由光電池陣列、功率控制器、電池、電子器件、電機(jī)等部件組成，其中光電池陣列將激光射束重新轉(zhuǎn)換為電能，通過適當(dāng)?shù)墓β士刂?，?duì)機(jī)載電池、電子器件以及電機(jī)進(jìn)行供電，維持空中飛行器的電力供應(yīng)。

圖1 激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成框圖

從上述工作過程來看，激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與太陽能系統(tǒng)非常類似，即照射在太陽能電池上的陽光產(chǎn)生電能，但激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用更高強(qiáng)度的激光射束來瞄準(zhǔn)特殊定制的光電池，并將激光射束能量轉(zhuǎn)換為電能。與太陽能系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別在于，激光射束的強(qiáng)度比太陽光更強(qiáng)，它能夠?qū)す獍l(fā)射站視距內(nèi)的任何地方進(jìn)行供電，而且能夠全天候運(yùn)行。因此，激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比太陽能系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

3 激光射束驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)

盡管早在1913年，法國人羅蘭·加洛斯就提出了從地面為空中飛行器提供動(dòng)力的設(shè)想。但直至進(jìn)入21世紀(jì)，這一設(shè)想才隨著科技的進(jìn)步、尤其是激光技術(shù)和無線能量傳輸技術(shù)的發(fā)展逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

下面，通過分析激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)對(duì)激光射束驅(qū)動(dòng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行剖析。

3.1 激光射束產(chǎn)生及傳輸技術(shù)

激光射束通過激光器產(chǎn)生。激光器是激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，其體積、重量、發(fā)射功率和效率在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的使用效能。目前，在高能激光器中，自由電子激光器、氟化氫激光器、氟化氘激光器、氧碘激光器以及固態(tài)激光器和光纖激光器等均得到了深入研究和廣泛應(yīng)用［11］。但最有可能在激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用的激光技術(shù)是近紅外激光二極管陣列［10－12］(如圖2所示)。激光二極管陣列結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高(電轉(zhuǎn)換為光輸出的效率大于50%)，成本相對(duì)較低，現(xiàn)場使用時(shí)足夠堅(jiān)固和可靠(壽命大于20000h)。當(dāng)追求更小的激光器光學(xué)裝置時(shí)，可使用二極管泵浦光纖激光器等激光器，它們能夠提供發(fā)散度更小的光束，但成本昂貴。

圖2 雙2.25kW激光二極管發(fā)射器

激光射束產(chǎn)生過程的一個(gè)重要問題是能量轉(zhuǎn)換效率有待提高。在當(dāng)前技術(shù)條件下，激光器將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率只有約50%，到達(dá)空中飛行器后也只有約50%的激光能量能再度轉(zhuǎn)換為電能。因此，在整個(gè)過程中，激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率僅有25%左右。相比之下，目前研發(fā)中的燃料電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)50%以上。

此外，激光射束傳輸過程易受氣象條件影響。比如，大氣中的灰塵、煙霧和水滴等各種顆粒會(huì)導(dǎo)致激光散射，大氣分子會(huì)吸收部分激光能量，大氣紊流會(huì)導(dǎo)致激光擴(kuò)散，激光加熱大氣會(huì)產(chǎn)生“熱暈”現(xiàn)象從而導(dǎo)致激光射束發(fā)散角增大等。這些因素會(huì)嚴(yán)重影響激光射束的傳輸效率，使實(shí)際到達(dá)空中飛行器接收裝置上的能量顯著減少。

3.2 激光電池技術(shù)

與燃料電池相對(duì)應(yīng)，激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的接收電池可稱為激光電池。激光電池是激光射束能量的接收者，用于將激光射束能量轉(zhuǎn)換為電能。與太陽能電池將寬頻譜的光源轉(zhuǎn)換為熱能不同，激光電池一般采用特殊定制的光伏管，其特征參數(shù)必須與激光的波長和光束強(qiáng)度相匹配。因此，激光電池技術(shù)研究的主要目標(biāo)是在太陽能電池的基礎(chǔ)上提高轉(zhuǎn)換效率并降低成本。圖3給出了其中一種搭載激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無人機(jī)及其激光電池［12］。

圖3 搭載激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無人機(jī)及激光電池

3.3 激光射束跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)

激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是依靠將激光射束聚焦到空中飛行器的接收器部位，從而實(shí)現(xiàn)激光能量無線傳輸?shù)哪康?。這就需要在必須的時(shí)間間隔內(nèi)保持激光射束照射在目標(biāo)點(diǎn)上。激光射束的跟蹤瞄準(zhǔn)效果直接影響了無線能量傳輸效果?？紤]到空中飛行器可能具有較高的機(jī)動(dòng)性，且可能需要對(duì)多個(gè)空中飛行器進(jìn)行能量傳輸，因此，激光射束跟瞄系統(tǒng)還需具備快速機(jī)動(dòng)性。

對(duì)于激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，光束定向器在指示和跟蹤系統(tǒng)的控制下，將激光射束引導(dǎo)到空中飛行器的接收位置。盡管空中飛行器是協(xié)作式目標(biāo)，其光學(xué)跟蹤相對(duì)于激光武器而言較為簡單，但讓發(fā)射端長期跟蹤并精確瞄準(zhǔn)接收端還是具有較大的技術(shù)難度。特別是，在通過云層或障礙物時(shí)，需輔以基于射頻或GPS的方法進(jìn)行捕獲與跟蹤。

由于激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)射的是高能激光，因此，還需完成一定的安全防護(hù)工作，防止激光射束損傷過往的有人駕駛飛機(jī)等。這就需要當(dāng)有人駕駛飛機(jī)進(jìn)入附近空域時(shí)自動(dòng)關(guān)閉激光器，讓空中飛行器依靠其蓄電池供電飛行。

3.4 空中飛行器平臺(tái)

激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用的空中飛行器可以是任意類型，包括傳統(tǒng)的固定翼飛行器、直升機(jī)平臺(tái)、飛艇等，只需其下側(cè)或側(cè)邊有安裝激光接收器的合理區(qū)域即可。對(duì)于小型無人機(jī)系統(tǒng)，只需對(duì)其現(xiàn)有的電池驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)稍加修改，便能適用于20HP(15kW)以下的電機(jī);在某些情況下，已有機(jī)身便能安裝激光接收器和較小的蓄電池。但對(duì)于現(xiàn)在采用燃料驅(qū)動(dòng)的較大型無人機(jī)，則需進(jìn)行較大的修改，或進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，但在適當(dāng)機(jī)身位置安裝幾百千瓦的電機(jī)并不存在明顯的障礙。

3.5 系統(tǒng)集成技術(shù)

激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)注重能量傳輸、操作安全性和工作可靠性等實(shí)際需求及其隱含的含義，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的尺寸、重量、功率和效率等需求進(jìn)行評(píng)估，以適應(yīng)實(shí)際的現(xiàn)場工作環(huán)境。在激光發(fā)射器、激光接收器、激光射束跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)以及空中飛行器平臺(tái)等各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)的安全性。特別是，當(dāng)要將千瓦級(jí)或更高功率的激光射束進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，需要極其可靠的安全系統(tǒng)。

目前，激光驅(qū)動(dòng)公司已經(jīng)建立了一套完整的便攜式激光射束能量傳輸系統(tǒng)，將幾百瓦能量傳送到1km范圍外的移動(dòng)飛行器中。當(dāng)距離更近時(shí)，則能夠傳輸超過一千瓦的能量。該系統(tǒng)已于2009年11月在美國愛德華空軍基地反復(fù)試驗(yàn)。資料顯示，該演示系統(tǒng)已達(dá)到5級(jí)技術(shù)成熟度(TRL5)，只需在封裝和集成上稍作改進(jìn)，便可利用現(xiàn)在的技術(shù)達(dá)到6級(jí)技術(shù)成熟度(TRL6)，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。

4 激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用前景

在當(dāng)前國際政治軍事格局下，無人機(jī)正顯示出越來越重要的軍事應(yīng)用需求。但無人機(jī)的機(jī)載能量存儲(chǔ)限制了它的航程和出動(dòng)時(shí)間。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式下，采用燃油驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)為了補(bǔ)充燃油，需要離開戰(zhàn)位著陸補(bǔ)給，要求具備較高的機(jī)動(dòng)性，進(jìn)一步增加了飛行作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在這種情況下，無人機(jī)能夠遂行的作戰(zhàn)任務(wù)非常有限。

采用激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，無人機(jī)將具備一系列明顯的優(yōu)勢，主要包括:

(1)飛行過程中無需攜帶大量燃油，有助于減小飛機(jī)體積(無需設(shè)置占用大量機(jī)體空間的油箱)和重量(目前飛機(jī)燃油通常占起飛重量的40%甚至更多)，增加有效載荷。

(2)大量延長無人機(jī)的航程和續(xù)航時(shí)間，理論上將可以維持無限期飛行，不僅遠(yuǎn)超目前使用燃油的飛機(jī)，而且不會(huì)像太陽能飛機(jī)那樣受晝夜變化和陽光照射角度的影響。

(3)由于續(xù)航時(shí)間大幅延長，飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)期間返航著陸、加注燃油和再次起飛的次數(shù)顯著減少甚至完全取消，降低了對(duì)后勤保障的要求。

因此，激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)在擴(kuò)展無人機(jī)的能力方面具有很大的潛力。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)在無人機(jī)上至少存在三種可行的應(yīng)用。

4.1 以空中充電方式擴(kuò)展無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間

在電力驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)上搭載激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)射升空后，無人機(jī)飛往激光射程之外的目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)，當(dāng)無人機(jī)機(jī)載能源低于預(yù)設(shè)值時(shí)，無人機(jī)飛回受保護(hù)的激光發(fā)射站區(qū)域，在激光視距內(nèi)進(jìn)行空中充電。充電完成后返回任務(wù)區(qū)域，繼續(xù)履行使命。

4.2 對(duì)特定區(qū)域?qū)嵤┏掷m(xù)空中監(jiān)視

主要利用四旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)、飛艇等空中飛行器，搭載激光射束驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并在區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干地面激光發(fā)射站，通過合理配置，使得在整個(gè)區(qū)域內(nèi)均可為空中飛行器提供能量補(bǔ)給，保障其持續(xù)飛行，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的不間斷監(jiān)視與偵察。

4.3 以“子母機(jī)”形式延伸無人機(jī)的任務(wù)航程

利用1架大型“母機(jī)”作為空中機(jī)動(dòng)激光發(fā)射站，為多架承擔(dān)作戰(zhàn)/偵察任務(wù)的無人機(jī)(“子機(jī)”)補(bǔ)充能量，從而大幅延伸“子機(jī)”的任務(wù)航程。由于激光在高空中傳輸?shù)哪芰繐p耗很小，因此“母機(jī)”對(duì)“子機(jī)”的能量補(bǔ)充可在數(shù)十千米甚至更遠(yuǎn)距離上進(jìn)行，而不必像傳統(tǒng)的空中加油那樣需要一系列復(fù)雜繁瑣的接近、對(duì)接、脫離過程，降低了對(duì)操作人員的技術(shù)要求，提高了操作安全性。

5 結(jié)論

綜上所述，盡管激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前尚處于概念驗(yàn)證和飛行測試階段，距離實(shí)際推廣應(yīng)用還存在一定差距，但已顯示出廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，尤其是可使小型電動(dòng)無人機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢得到更充分的發(fā)揮。激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用后，有可能徹底改變空中飛行器動(dòng)力裝置的傳統(tǒng)模式，對(duì)未來高技術(shù)飛行器的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，甚至改變未來空中作戰(zhàn)的模式。激光射束驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究的下一步工作是系統(tǒng)開展安全性、完全自動(dòng)的跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、以及與真正的無人機(jī)集成等研究，以期盡快投入實(shí)際應(yīng)用。

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Key technology and application prospect of laser beam ing motivation

YANG Shang-fei，LIN Long-xin
(Naval Academy of Armament，Beijing 100161，China)

Laser beamingmotivation is an advanced technology which converts the high power laser beaming into electrical energy utilizing the principle of wireless power transmission，thus provides electricity supply for aerial vehicles，and realizes persistent flightwithout carrying any fuel.This technology has passed outdoor flight test，and good working performance is verified.The operating principle and key technologies of laser beaming motivation are analyzed.Moreover，the possible application directions of laser beamingmotivation technology are proposed，which provides reference for its practical application.

laser beamingmotivation;wireless power transmission;laser cell;application

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.001

1001-5078(2014)05-0477-05

楊尚飛(1982－)，男，工程師，主要從事裝備論證工作。E-mail:lunaryxp@126.com

2013-09-10