张红生，田晓威，刘忠诚，邢艳丽，2，李 彦，张 姮

（1.海鹰航空通用装备有限责任公司，北京 100074；2.解放军装备学院航天装备系，北京 101416；3.中国航天科工集团有限公司空间工程部，北京 100048；4.中国人民解放军95894部队，北京102211）

1 引 言

无线传能技术采用非接触的方式实现电能传输[1]，该技术并不是一项新兴技术，可以追溯到1890年，塞尔维亚科学家尼古拉·特斯拉的最初构想是利用地球和电离层间构建8Hz低频共振实现电能无线传输，受技术条件的限制，该构想在相当长的一段时间内并没有成为现实。然而这并没有阻止人们对无线传能技术追求的愿望。

随着技术的发展，电磁感应、电磁共振、微波、超声波、激光、飞秒激光等离子通道等不同形式的无线充电技术逐渐出现。2008年，世界无线充电联盟成立，无线传能技术发展到一个新的阶段。近几年，随着手机、智能穿戴设备等小功率消费级电子产品和中等功率电动汽车等无线充电技术的迅速发展，为了全球范围内进行技术推广和产品通用化发展需要，人们制定了一系列的无线传能标准，主要有无线电联盟WPC的Qi无线充电标准、电力事业联盟PMA和无线充电联盟A4WP发起的Air Fuel Alliance充电标准和大连硅展科技有限公司发起的iNPOFi技术标准。Qi标准是基于法拉第电磁感应定理、适用于100～205kHz的无线充电技术，Air Fuel Alliance标准包含了电磁感应和电磁共振两种技术，适用于277～357kHz无线充电技术。iNPOFi标准适用于脉冲式低频电场实现无线传能的技术领域。相对而言，无线传能技术在无人机领域的应用发展缓慢，滞后很多，但这并不影响人们对无人机远程能量补给技术的期许和探索。

2 无线传能技术概况

当前，主流的无线传能技术从传输方式可以分为三个大类：电磁感应、电磁辐射、电磁共振。无线电波、激光[2-5]、微波[6]以及超声波均属于电磁辐射式无线传能技术，电磁感应和无线电波的传输距离相对较近，微波和激光的能量传输距离较远。不同无线传能技术的性能特点描述如表1所示。不同无线传能技术的系统原理示意图如图1所示。

表1 不同无线传能技术的性能特点

表中描述的无线传能技术各有利弊，当前可实际应用于无人机领域的无线传能技术较少。在世界范围内很多国家或地区一直处于不断的探索过程中，各种技术均不够成熟。相对来说，对电磁共振、微波、激光的研究较多，且是比较公认的无线传能方式，在未来小型无人机或中大型无人机的无线供电领域应用前景十分广阔。飞秒激光等离子通道无线传能技术[7]在无人机领域的应用正处于概念性和可行性的探索、研究阶段。

图1 不同无线传能技术的示意图

3 无人机无线传能技术的应用

3.1 美国

无人机的诞生时间并不是很长，然而，随着人类需求的增加，无论是消费级无人机还是军用级无人机，都面临着续航能力不足的问题。在大家还没有意识到问题的严重性时，美国已经开展大量的尝试和探索，在该领域进行了大量的技术储备[8]。

2003年，美国NASA地面激光器用输出波长为940nm、功率500W的强激光照射相距15m的无人机表面Ga：In：P2三结光电池，为无人机飞行提供6W电能。

2009年，美国激光动力公司采用激光为PELICAN四旋翼直升机无线供能，使直升机在空持续飞行12.5h。同年，美国防务研究协会DRA在城市电力线警戒PLUS项目中研发出可通过高压线缆电磁感应为机载电池充电的DevilRay小型无人机，该型号无人机可在飞行过程中充电，但潜在风险是可能引起高压导线短路。

2010年，美国激光动力公司采用激光充电系统为1km外的鹈鹕号无人机供电，用波长810nm、输出功率3600W的激光照射1km外无人机表面的16个砷化镓光伏电池，激光传输功率为1kW，光伏电池温度63℃，使无人机的续航时间由未用激光充电时的5min提高至用激光无线供电时的12h26min。

美国洛克希德·马丁公司旗下的臭鼬工厂与Laser Motive公司联合研发的激光充电系统，应用于该国2006年投入服役的潜行者stalker无人机上[9]。2012年，该型号无人机在风洞飞行试验中接收激光供能，首次留空飞行时间长达48h，比最初仅采用电池供电时的飞行时间提高了23倍；同年，完成户外大风、高温条件下距离600m以外的激光供能飞行试验，连续无故障飞行24h。该型号无人机是美特种部队用于执行情报监视和侦察任务的小型电动无人机，此次激光无线传能系统可实现对多架无人机共同无线传能。2011年，该公司曾为提高无人机的续航时间，用燃料电池供能，续航时间可达8h。

2013年，美国采用绰号为隐形塔的无线激光充电系统完成了为一架四旋翼垂直起降无人机进行无线供能的试验。

2015年，Solace Power公司和波音公司合作研发小型无人机无线充电技术，利用谐振阻容技术，实现小区域电能转化为电场。无需接触，通过悬停即可实现充电，有效充电距离为25cm左右[10]。

2016年，概念无人机Dronztr的设计者提出采用无线感应充电技术为无人机进行充电，同时借助无人机的自动跟随功能对电动汽车进行无线充电，以解决电动汽车的充电桩安装问题。

2017年4月，美国西雅图机器人无线充电公司WiBotic完成高达250万美元的融资，致力于机器人领域和无人机领域的无线充电平台研发。无人机的飞行、着陆、充电全程无需人工参与，自主实现飞行或返航充电。该公司100W的电磁共振无线充电板可在2h内完成对无人机的充电，在不久的将来，该公司的充电板可搭载在诸如汽车的移动平台上，为小型化无人机充电。同年，为解决水下无人机不能长航时漂浮，需要返回基地充电的困难，美国某公司开发了水下无线充电装置，为水下无人机充电。

2018年1月，美国国防部计划研发采用激光无线充电技术驱动模拟自然的蝙蝠自主飞行无人机，专注提高不受人类干预、可自主改变方向、可自主避障、无线能量驱动和传输的无人机技术。

3.2 其他国家

随着全球无人机技术的推进和发展热情的高涨，其他国家无人机技术逐步向前推进，跟随潮流慢慢探索、拓展无人机续航能力的技术。

2016年，英国帝国理工大学Samer Aldhaher采用13.56MHz逆变器和整流装置，为距离无线能量发送装置12.7cm的小型四轴无人机供电。

2016年，俄罗斯能源火箭航天公司利用激光无线传能系统为1.5km外的移动电话充电1h，该激光无线充电技术将来可为无人机进行远程充电。

2017年，华为与中国移动合作研究的X Lab项目中提出四轴无人机可借助信号塔实现无线充电，同时增加无人机的GPS信号和无线充电双重功效。

2017年，德国柏林Sky Sense无人机公司研发出适用于多旋翼无人机长途飞行的无线充电平板技术，该型号充电平板技术将解决无人机的长途持久飞行问题。

2017年，加拿大安大略省无人机公司Sky X研发了X Station无线充电平台，为Sky One固定翼无人机进行无线供能充电，该型号无人机起飞、着陆采用垂直起降的方式。

4 无人机无线传能的关键技术

4.1 无人机无线传能系统的可能架构

结合国内外正在探索和研究的无线传能技术，本文构想未来可能出现的无人机无线传能架构主要有：地基无人机无线传能系统架构、空基无线传能系统架构、天基无线传能系统架构，如图2所示。

地基无人机无线传能技术比较有前景的形式有两种：一种是中小型旋翼或固定翼无人机借助悬停实现小功率无线充电技术，无线能量供给平台位于固定建筑物顶端或移动汽车顶端等，借助电磁辐射、电磁共振技术实现能量补给，传能距离相对有限；另一种形式是为中大型固定翼无人机借助追踪扫描实现大功率无线充电技术，激光无线能量发射平台布置在郊外，能够同时为一架或多架无人机进行无线能量传输。

图2 空、天、地基无线传能技术

空基无线传能系统架构典型形式有两种：一种是类似“空中加油模式”，一架无人机主要用于提供能量，另一架无人机用于带载和执行任务，因系统的传输效率和体积质量等因素影响，这种模式系统架构还存在诸多技术困难；另一种是采用无人机“蜂群技术”，一架无人机作为其他无人机蜂群的供能平台，所有执行任务的小型无人机在无线供能平台的作用下，实现系统分布式布置，达到分工协作和功能重构，拓展系统在空能力和执行任务能力的效果[11]。

天基无线传能系统架构是借助外太空卫星平台实现清洁、廉价、永久太阳能的收集，然后借助激光、微波或等离子通道为临近空间高空无人机或中低空无人机进行无线传能，因等离子通道无线传能技术需要借助空气离子实现，从卫星平台到大气层外或临近空间无人机平台可采用激光或微波技术进行无线能量传输；大气层外或临近空间无人机平台可采用等离子通道将电能传输至地面电力设施。

4.2 关键技术

4.2.1 激光无线传能

目前，各国技术人员都在积极探索未来无人机的无线传能技术途径，激光在无人机领域的应用不仅仅局限于通信、致盲等功能，各国对激光无线传能技术的概念和使用模式并不陌生，都在努力推动激光无线传能技术走向应用。

激光无线传能技术可能需要对以下三个关键技术进行攻关和探索[12]：

（1）激光传能系统效能。包括发射端电-光转换效率、接收端光-电转换效率、远距离传输效率等方面。现有激光器中光纤激光器和薄片激光器最高效率为25%，半导体激光器效率为50%，尚在研发中的二极管泵浦碱金属蒸汽激光器效率可达40%，虽然半导体激光器效率高，但辐射率仅有1010W/（srm2），影响整体系统效能，二极管泵浦碱金属蒸汽激光器的辐射率高达6×1015W/（srm2），是最有前景的激光器技术[13]。接收端光伏电池转换效率较高的有单晶硅电池（效率24.8%）、单结砷化镓电池（效率27%）、多结砷化镓电池（效率50%）。多结砷化镓电池或以后更高功率电池有望提高激光传能系统的整体效率。

（2）激光传能系统小型化和轻量化。发射端和接收端因效率低，导致发热严重，冷却散热系统庞大；同时因接收端效率低，维持无人机飞行所需功率大，致使接受面积大；整体导致无人机无线传能和接收系统体积和质量较大，严重制约无线传能系统应用。

（3）激光跟踪及对准精度。无人机在空飞行过程中，能量的发射端和接收端需要克服大气密度变化、信标光偏移等因素对实时精确对准的影响，保障能量能够源源不断的高效传送至接收端。

4.2.2 飞秒激光等离子通道无线传能

飞秒激光等离子通道无线传能技术与现有微波、激光等传能机理完全不同，等离子通道类似虚拟导线（电阻率＜10-5Ω·m），通道内直接传输电能。当前该技术仍停留在构想或概念方面。飞秒激光具有非常高的瞬时功率，经过聚焦后光强非常高，同时没有热效应，无需庞大的冷却系统，技术优点明显。在不久的将来，能否在无人机领域得以应用和实现，还需要在材料、系统稳定性等方面进行大量技术攻关。

5 结束语

无线传能技术在改变人类生活方式的同时，也逐渐与无人机发展深度融合，提高无人机的续航能力，将无人机在未来的植被监测、抗震救灾、军事侦察等领域的潜能发挥到极致。虽然无线传能技术受制于当前的技术水平，无线传能系统的发射端、传输过程、接收端等过程中的技术机理、能量等级、传输效率、体积质量等方面或多或少仍存在一些技术瓶颈，限制无线传能技术的发展和应用，但这并不影响无线传能技术会在未来推动无人机走向新的时代。