文/紙不語

近期，美國PowerLight技術(shù)企業(yè)對外公布，其全新研發(fā)的無人機(jī)激光無線供電裝置已完成全部研發(fā)與測試工作。該裝置可在無人機(jī)飛行過程中通過激光束實(shí)現(xiàn)電能補(bǔ)充，此項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)隸屬于美軍旨在拓展無人機(jī)滯空時(shí)長的專項(xiàng)計(jì)劃。

從早期聚焦電池容量提升，到現(xiàn)階段探索空中動態(tài)補(bǔ)能模式，續(xù)航能力不足始終是限制無人機(jī)應(yīng)用場景拓展的核心瓶頸。當(dāng)前，消費(fèi)級無人機(jī)單次飛行時(shí)長普遍為20至40分鐘，工業(yè)級機(jī)型續(xù)航時(shí)長多在1至2小時(shí)，難以滿足電力巡檢、物流投送、生態(tài)監(jiān)測等場景的長時(shí)作業(yè)需求。

為攻克這一核心問題，該公司科研團(tuán)隊(duì)與企業(yè)持續(xù)開展技術(shù)研發(fā)，推動續(xù)航技術(shù)形成了從機(jī)身儲能革新、地面補(bǔ)給升級到空中無線續(xù)能的演進(jìn)路徑，多技術(shù)協(xié)同發(fā)展為低空經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)健推進(jìn)提供了動力支撐。

美國PowerLight技術(shù)公司完成一種新型無線電力系統(tǒng)的研發(fā)和測試。圖源：中國航空報(bào)

結(jié)構(gòu)儲能革新：碳纖維“變身”電池提升30%續(xù)航

回溯無人機(jī)續(xù)航技術(shù)發(fā)展初期，提升電池能量密度與減輕機(jī)身重量是兩大核心研發(fā)方向，但這兩條傳統(tǒng)技術(shù)路徑很快遭遇發(fā)展瓶頸。

當(dāng)前主流無人機(jī)普遍采用航空級碳纖維復(fù)合材料，該材料密度僅為鋼材的四分之一，強(qiáng)度可達(dá)鋼材的七倍，可有效降低機(jī)身自重。但配套的獨(dú)立電池系統(tǒng)成為制約性能提升的關(guān)鍵因素，以設(shè)計(jì)載重5公斤的物流無人機(jī)為例，配套電池重量占比達(dá)3公斤，同時(shí)需額外加裝0.5公斤配重維持飛行平衡，形成“續(xù)航提升與載重保障的矛盾關(guān)系”。部分企業(yè)為延長5公里飛行距離，需削減1公斤貨物裝載量，這種性能取舍成為行業(yè)普遍面臨的困境。

針對傳統(tǒng)技術(shù)的局限性，科研團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向“結(jié)構(gòu)儲能一體化”技術(shù)研發(fā)，通過使無人機(jī)機(jī)身構(gòu)件兼具儲能功能，從根源上破解續(xù)航與載重的矛盾。據(jù)《現(xiàn)代快報(bào)》報(bào)道，南京航空航天大學(xué)研發(fā)的新型碳纖維結(jié)構(gòu)超級電容器，成為該技術(shù)方向的重要突破，相關(guān)研究成果已刊發(fā)于行業(yè)期刊《Advanced Materials》。

新型碳纖維結(jié)構(gòu)超級電容器讓無人機(jī)“機(jī)身即電池”成為可能。圖源：現(xiàn)代快報(bào)

該團(tuán)隊(duì)核心創(chuàng)新點(diǎn)在于整合碳纖維電極與環(huán)氧樹脂基固體電解質(zhì)，讓無人機(jī)機(jī)翼、機(jī)身等承重部件兼具電能存儲功能。研發(fā)過程中，該團(tuán)隊(duì)優(yōu)化電解質(zhì)配比，初期曾因配料比例偏差、實(shí)驗(yàn)室濕度影響，導(dǎo)致樣品儲能容量下降30%。最終采用一步高溫混合水熱法制備關(guān)鍵材料，按特定比例調(diào)配電解質(zhì)，在穩(wěn)定溫濕度環(huán)境中完成器件制作。

該新型復(fù)合材料性能表現(xiàn)達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。其中，還原氧化石墨烯保障電子高效傳輸，釩氧化物提升電能存儲容量，僅通過碳纖維表面的功能涂層，即可實(shí)現(xiàn)儲能容量的數(shù)倍增長。這一材料具備三大核心特性：一是耐壓性，當(dāng)承受無人機(jī)機(jī)翼常規(guī)應(yīng)力時(shí)，儲能容量保持率達(dá)80%以上，且受壓狀態(tài)下內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性提升，電子傳輸效率同步提高；二是抗損性，經(jīng)刀片劃割、鉆頭鉆孔等損傷測試后，仍可正常工作且無短路故障，可保障無人機(jī)應(yīng)急迫降過程中的能量供應(yīng)；三是可拓展性，儲能器件支持串并聯(lián)組合，可根據(jù)需求靈活調(diào)整輸出電壓與儲能容量。

模擬測試數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)可使載重5公斤、續(xù)航20公里的無人機(jī)，在配套電池重量從3公斤降至2公斤的同時(shí)，將有效載重提升至7公斤，續(xù)航里程延長至30公里，可提升單架無人機(jī)作業(yè)效率。該團(tuán)隊(duì)表示，這一技術(shù)未來可拓展應(yīng)用于衛(wèi)星太陽能電池板支架、飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)壁等部件；若能實(shí)現(xiàn)零下三十多攝氏度低溫環(huán)境下80%以上的性能保持率，其應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。

地面補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)：磁吸充電機(jī)巢支撐無人機(jī)24小時(shí)作業(yè)

結(jié)構(gòu)儲能技術(shù)解決了無人機(jī)自身儲能的核心問題，但在長時(shí)、大范圍作業(yè)場景中，仍需外部補(bǔ)給保障持續(xù)運(yùn)行。人工頻繁更換電池不僅增加運(yùn)營成本，還降低作業(yè)效率，制約無人機(jī)自動化水平提升。

在此背景下，以無人機(jī)機(jī)巢為核心的地面自動化補(bǔ)給系統(tǒng)逐步發(fā)展，通過自主起降、自動充電等技術(shù)，構(gòu)建起自動化能量補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)，成為破解續(xù)航瓶頸的重要技術(shù)支撐。

目前主流的無人機(jī)機(jī)巢主要分為兩類：一類是由巡檢車輛改裝而成的移動式機(jī)巢，另一類是固定安裝在桿塔頂部的固定式機(jī)巢。其中移動式機(jī)巢技術(shù)相對成熟，已在全國多個(gè)地區(qū)試點(diǎn)運(yùn)行；固定式機(jī)巢則聚焦線路巡檢等特定場景，正在持續(xù)突破技術(shù)難關(guān)。

無人機(jī)按照設(shè)定航線執(zhí)行巡檢任務(wù)。圖源：長江日報(bào)

行業(yè)巡檢長期面臨依賴專業(yè)飛手、人工整理數(shù)據(jù)工作量大、突發(fā)情況響應(yīng)滯后等痛點(diǎn)，地面機(jī)巢又存在覆蓋范圍有限的問題。為此，固定式機(jī)巢形成“機(jī)巢上塔”的研發(fā)方向，依托輸電鐵塔沿線分布特性，實(shí)現(xiàn)全線無人機(jī)自主巡視。

該方向集成多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新：充電方案上，摒棄高精度、高成本的機(jī)械臂換電模式，采用磁吸接觸充電，通過帶彈簧的停機(jī)坪引導(dǎo)無人機(jī)滑入對接，30分鐘即可完成充電，大幅簡化流程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用CD碟片式停機(jī)坪，安裝于鐵塔內(nèi)部，使用時(shí)側(cè)開、閑置時(shí)收回，規(guī)避撞塔風(fēng)險(xiǎn)與重心不穩(wěn)問題；功能上集成數(shù)據(jù)基站，支持遠(yuǎn)程操控，無人機(jī)可自主完成巡視、返航充電、數(shù)據(jù)回傳與隱患告警。

2022年底，武漢易巡科技有限公司研發(fā)的“智巡魔方”機(jī)巢在南方電網(wǎng)超高壓柳州局500千伏沙柳線投入應(yīng)用，成為國內(nèi)首條實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主巡視的超高壓輸電線路。該機(jī)型已在福建、海南、河南、廣西等多地電網(wǎng)巡線場景落地。

地面補(bǔ)給技術(shù)已在多領(lǐng)域落地應(yīng)用。宇稱時(shí)空推出的無人機(jī)專用自動充電設(shè)備，是集精準(zhǔn)引導(dǎo)、高效電能傳輸、智能運(yùn)維管理于一體的系統(tǒng)。無人機(jī)通過視覺導(dǎo)航或RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主降落，系統(tǒng)搭載的定位補(bǔ)償技術(shù)可兼容厘米級降落偏差，保障與充電模塊的精準(zhǔn)對接。

依托磁共振耦合技術(shù)，該設(shè)備電能傳輸效率最高可達(dá)90%以上，與有線充電速度相當(dāng)，且無外露金屬觸點(diǎn)，可規(guī)避雨淋、沙塵、金屬氧化引發(fā)的短路及接觸不良問題。該設(shè)備防護(hù)等級達(dá)IP67級，可在農(nóng)田濕地、冰雪天氣、鹽霧腐蝕等復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，支撐無人機(jī)7×24小時(shí)不間斷作業(yè)。該技術(shù)應(yīng)用場景廣泛，電力巡檢領(lǐng)域沿線布設(shè)充電樁可大幅壓縮巡檢周期，智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)“短時(shí)充電、長時(shí)作業(yè)”循環(huán)，安防巡邏領(lǐng)域可保障無人機(jī)低電量自動返航充電、持續(xù)值守。

據(jù)Research Nester統(tǒng)計(jì)，2025年全球無人機(jī)充電設(shè)施市場規(guī)模突破5.25億美元，預(yù)計(jì)2035年將攀升至10.3億美元以上，2026至2035年期間年復(fù)合增長率保持在7%以上。中國占據(jù)全球民用無人機(jī)市場約70%的份額，作為核心制造樞紐，在充電基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的持續(xù)投入進(jìn)一步拓展了市場增長空間。

空中無線補(bǔ)能：激光供電測試實(shí)現(xiàn)千米外動態(tài)續(xù)能

地面機(jī)巢補(bǔ)給雖然提升了無人機(jī)作業(yè)連續(xù)性，但受部署范圍限制，難以適配偏遠(yuǎn)區(qū)域、長距離飛行等場景。空中無線傳能技術(shù)通過模擬有人機(jī)空中加油模式，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行狀態(tài)下動態(tài)補(bǔ)能，有望擺脫對傳統(tǒng)電池與地面充電設(shè)施的依賴，激光傳能、射頻傳能等多條技術(shù)路線正從實(shí)驗(yàn)室原型邁向?qū)崪y驗(yàn)證階段。

美國PowerLight企業(yè)研發(fā)的激光無線供電裝置取得重要突破，該技術(shù)依托“激光向無人機(jī)供電”項(xiàng)目推進(jìn)，核心是高功率激光發(fā)射設(shè)備與輕量化機(jī)載接收終端，可向數(shù)英里外無人機(jī)輸送千瓦級電能。

激光無線輸電技術(shù)為無人機(jī)輸電示意圖。圖源：中國國防報(bào)

經(jīng)過測試，該發(fā)射設(shè)備具備精準(zhǔn)追蹤目標(biāo)、機(jī)動部署等能力，供電有效高度覆蓋1500米空域，系統(tǒng)搭載多重防護(hù)機(jī)制，可與現(xiàn)役無人機(jī)操控系統(tǒng)兼容。其緊湊型機(jī)載接收器重約2.72千克，能將激光轉(zhuǎn)化為電能，還可回傳遙測數(shù)據(jù)。目前該企業(yè)正與Kraus Hamdani Aerospace公司合作，推進(jìn)系統(tǒng)與K1000 ULE長航時(shí)無人機(jī)的集成適配，籌備2026年初全系統(tǒng)集成飛行測試，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)受控環(huán)境下無限續(xù)航。

空中無線傳能技術(shù)呈現(xiàn)多路線并行發(fā)展態(tài)勢。2025年1月，美國GuRu公司推出模塊化射頻無線電力傳輸系統(tǒng)，通過24GHz頻段傳輸電力，最遠(yuǎn)傳輸距離9米，最優(yōu)條件下可支持無人機(jī)連續(xù)懸停96小時(shí)，但存在戶外環(huán)境干擾導(dǎo)致性能衰減的短板。

國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)同樣成果顯著，九峰山實(shí)驗(yàn)室2025年3月發(fā)布自主研發(fā)的氮化鎵芯片與器件，完成全球首次8英寸硅基氮極性氮化鎵晶圓制備，產(chǎn)品功率密度較傳統(tǒng)材料提升2至3倍、成本降低30%以上，可支持無人機(jī)20米范圍內(nèi)動態(tài)無線補(bǔ)能，同期發(fā)布的100納米硅基氮化鎵商用PDK，為下游廠商提供設(shè)計(jì)支撐。

自適應(yīng)無線傳能技術(shù)是重要突破方向，西安電子科技大學(xué)與東南大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的相關(guān)技術(shù)，以雙頻超表面與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心，實(shí)現(xiàn)動態(tài)終端厘米級定位與跟蹤式隔空輸能。該技術(shù)構(gòu)建的自適應(yīng)無線傳能網(wǎng)絡(luò)，可同步完成目標(biāo)感知定位、波束調(diào)控與能量傳輸，超表面采用雙頻共口徑設(shè)計(jì)，利用二階諧波實(shí)現(xiàn)3厘米分辨率近場定位，電磁超表面可實(shí)時(shí)調(diào)整電磁波參數(shù)，支持無人機(jī)運(yùn)動狀態(tài)下穩(wěn)定非接觸充電，理論上可拓展至多目標(biāo)同步供電。

空中無線傳能技術(shù)已歷經(jīng)長期研發(fā)積累，2005年美國NASA首次實(shí)現(xiàn)激光傳能無人機(jī)持續(xù)飛行，后續(xù)日美機(jī)構(gòu)陸續(xù)開展光纖、激光傳能實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)北理工、山東航天電子等機(jī)構(gòu)的激光傳能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)可行性，最高激光-電能轉(zhuǎn)換效率達(dá)48%。未來隨著技術(shù)迭代，空中無線傳能有望實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同步供電，拓展至多機(jī)集群應(yīng)用，為物流配送、農(nóng)業(yè)植保等領(lǐng)域提供新型補(bǔ)給方案，推動無人機(jī)續(xù)航向無限續(xù)航方向發(fā)展。

[引用]

①　美國PowerLight技術(shù)公司宣布完成激光為無人機(jī)充電測試將開始實(shí)機(jī)飛行.中國航空報(bào).2025-12-30.

②　激光無線輸電技術(shù)——讓無人機(jī)告別“續(xù)航焦慮”.中國國防報(bào).2025-12-18.

③　無人機(jī)機(jī)身能當(dāng)電池用？南航00后科研成果登國際頂刊.現(xiàn)代快報(bào).2025-11-07.

④　告別“續(xù)航焦慮”！宇稱時(shí)空無人機(jī)自動充電樁，為低空經(jīng)濟(jì)插上無限翅膀.宇稱時(shí)空.2025-11-27.

⑤　為無人機(jī)配備“機(jī)巢”解決續(xù)航焦慮.長江日報(bào).2024-04-15.

⑥　“邊飛邊充電”，無人機(jī)咋實(shí)現(xiàn)？.人民日報(bào).2025-04-12.

⑦　新技術(shù)為隔空充電提供更多可能.科技日報(bào).2025-01-16.

⑧　九峰山實(shí)驗(yàn)室發(fā)布全新“黑科技”.湖北日報(bào).2025-03-26.

⑨　初創(chuàng)公司 GuRu 為無人機(jī)推出空中無線充電技術(shù)，9 米距離內(nèi)為懸停飛行器提供 96 小時(shí)續(xù)航.IT之家.2025-01-14.