Лазер способен передавать энергию для летящих беспилотных аппаратов, что даёт им возможность неограниченное время находиться в воздухе. Тихие, свободно-заправляемые лазеро-электрические БЛА являются объектом данной технологии и могут быть быстро сконструированы.

Использование беспилотных летательных аппаратов (БЛА) рассматриваются в качестве пути для повышения мощи ударной группировки, однако их дальность полета и продолжительность выполнения операции ограничена запасом электроэнергии на борту (как в форме аккумулятора, так и топлива). Посадка БЛА для дозаправки не только требует удаленного посадочного места, но также и квалифицированной рабочей силы. Кроме того, она сопряжена с риском, даже более значительным, чем для пилотируемых систем, когда БЛА может разбиться при приземлении.

Заправляемые топливом, БЛА большой дальности полета способны находиться в воздухе только 80 часов (для БПЛА Boeing Condor). Питаемые от аккумулятора, БЛА имеют преимущества, включающие бесшумность и дешевизну технического обслуживания, но они более ограничены по дальности полета, даже с лучшими экспериментальными батареями. Беспилотники на солнечных батареях могут задерживаться в воздухе на 82,5 часов. «Вечные» БЛА на солнечных батареях и ЛА легче воздуха являются громоздкими, хрупкими и дорогими, и, таким образом, обладают малой грузоподъемностью и операционной применимостью.

Технология и концепция системы

Питание БПЛА от лазера осуществляется, как схематично показано на рисунке 1. Лазер передаёт преобразованную энергию от первичного источника (аккумулятор, генератор или линий электропередач) в монохроматический (одна длина волны) луч.

Рисунок 1. Схема лазерной зарядки БПЛА.

Для большинства тактических применения предпочтительна лазерная технология, построенная на матрицах («стопках») лазерных диодов ближнего инфракрасного диапазона (Рисунок 2). Матрица из лазерных диодов является эффективной (>50% мощности постоянного тока направляется по лучу), компактной, относительно недорогой, и на сегодня является очень надежной (>20000 часов работы) в использовании. Стоит отметить, что программа SHEDS (Диодные источники сверх высокой эффективности) Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ имеет своей целью разработать диодные матрицы с эффективностью >80%, тогда как эффективность >70% уже была продемонстрирована. Для некоторых маломощных применений или использования на дальние дистанции, другие лазеры, особенно волоконные лазеры с диодной накачкой, обеспечивают яркий (низкая дивергенция) луч, который позволяет быть передающей оптике более мелкого размера при высокой стоимости лазера и низкой эффективности.

Рисунок 2. Образец матрицы лазерных диодов ближнего инфракрасного диапазона 1000 Вт (1,3 л.с.). Менее, чем 7,6 см.

Направитель луча или зеркало, управляющее лучом, фиксируют его на приёмнике БПЛА, который находится под контролем системы связи и слежения. Беспилотный аппарат является комплексным объектом, таким образом, оптическое наблюдение производится спереди, но может дополнительно обеспечиваться на радиочастотах или GPS для точного перемещения среди туч или иных помех. В приемнике, фотогальванические элементы, подобранные под длину волны и интенсивность пучка («лазерные элементы», аналог «солнечных элементов»), вновь переводят лазерную энергия в электрическую. Другие типы приемников, вероятно, также могут быть созданы, например турбореактивные лазеры, которые используют лазерную энергию взамен сгорания воздуха и производства давления, но фотогальванические приемники являются наилучшими из произведенных. Так как лазерный луч может прерваться среди помех, включающих тучи, большинство технологий требует бортовой аккумулятор или резервный источник питания; резервная батарея может также поддерживать работоспособность за пределами досягаемости лазера, и снабжать энергией аппарат во время пиковой нагрузки, создаваемой им самим, либо его полезным грузом.

Подсистема безопасности гарантирует, что луч беспрепятственно и точно попадет в приемник перед тем, как начнет передаваться высокая энергия, и выключит электричество, если что-нибудь попадет на лазерную тропу.

Пока не показано на рисунке 1, в большинстве систем лазерная межсистемная связь может без труда поддерживать параллельные оптические каналы связи с широкой полосой пропускания в одном или обоих направлениях, совместно используя наземную оптическую апертуру и системы связи/слежения.

В действительности БПЛА может быть почти любого типа, включая традиционные крылатые самолеты, вентокрылые платформы, или аппараты легче воздуха, единицы нуждаются лишь в подходящей нижней или боковой поверхности для установки приемника. С современными лазерными элементами, доставляемая энергия ограничивается преимущественно охлаждением элементов, и способна легко достигнуть 6 кВт/м2 или примерно 1 л.с на квадратный фут. Мелкие системы могут использовать легкие модифицированные версии существующих проектов батарей БПЛА, с электродвигателем мощностью менее до 20 л.с. (15 кВт); в некоторых случаях, существующие воздушные конструкции, вероятно, будут модифицированы приёмниками лазерных лучей (и маленькими батарейками). Классы крупных БЛА, на моторном топливе, потребуют более значительной реконструкции или новых решений, но не существует очевидных помех в обеспечении нескольких сотен кВт для современных воздушных платформ.

Операционная концепция

Лазерная межсистемная связь дает возможность для проведения двух типов операций. Одним является непрерывное питание БПЛА, которым, вследствие этого, необходимо небольшой запас энергии на борту. И прерывистая подзарядка, когда аппарат возвращается к площади, внутри станции; в данном случае, он требует большого запаса энергии на борту. В обоих случаях лазерная межсистемная связь корректирует время пребывания на станции и снижает трудозатраты на обслуживание БПЛА во время операций.

Разработчики представляют три основных способа применения питаемых лазером БПЛА, которые возможны при данной технологии:

1. Стационарная наблюдательная платформа для длительного интеллектуального наблюдения и разведки (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance). Аппарат может быть 4-х винтовым, аэропланом или аэростатом.

2. Расширенные или многофункциональные операции. Электрические БПЛА запускаются и летят к цели, находящейся внутри области лазерного излучения, в которой беспилотник будет перемещаться некоторое время. В момент понижения предустановленного уровня электроэнергии, БПЛА направляется в область досягаемости лазера и заряжается в воздухе.

3. Непрерывный патруль. Задания, которые связаны с зоной «линия видения» (примерно 16 км и по высоте 1,6 км) от лазерной станции (которая может быть мобильной). Это позволяет беспилотному летательному аппарату патрулировать или, благодаря режиму радиомолчания, находится неопределяемым для цели.

Вариант 1: Стационарная наблюдательная платформа

Ситуативная осведомленность может быть улучшена за счёт развития наблюдательных платформ, и БПЛА являются прекрасными исполнителями, обеспечивающими высотную разведку. Время, потерянное на перезаправку, ограничивает зону действий и вводит тыловую нагрузку личного состава. Питание электрических БПЛА через луч позволяет аппарату функционировать непрерывно — 24/7.

Беспилотник может работать на любых высотах, от 1000 до 70000 футов, при постоянном лазерном питании. Военные базы нуждаются в микро-БЛА, таких как квадро-вентокрылые аппараты, для патрулирования, или более традиционных аэропланах для высотного наблюдения. Морские суда будут использовать беспилотники самолетного типа, и, может быть, аэростаты или простейшие аппараты легче воздуха для сверхдальнего наблюдения и связи. На рисунке 3 можно видеть схему, представляющую данные возможности.

Рисунок 3. Стационарные наблюдательные платформы.

Перманентно-стационарные высотные БПЛА будут применяться различными путями, подобно дешёвым высокоэффективным геостационарным спутникам, за исключением тех, которые находятся только в нескольких милях от земли. Такие вечные БПЛА будут способны непрерывно обеспечивать наблюдение и связь в регионе.

Вариант 2: Расширенные или многофункциональные операции

Питаемые от луча аппараты также могут работать за пределами лазерной станции, используя бортовые источники питания (т.е. батареи). БПЛА остаются неопределяемыми в воздушном пространстве, благодаря регулярному возвращению в область около лучевой станции для дозаправки. В качестве примера обратите внимание на рисунок 4. Во время расширенных или многофункциональных операций лучевая станция функционирует как «заправочная» точка для разведывательного БПЛА, который парит над ней до момента полной зарядки батарей, а затем возвращается к цели (которая может находиться на удалении 100 и более миль). Аппарат кружит над целью, отправляет заснятые изображения и данные датчиков, вплоть до момента, когда зарядки аккумуляторов хватит на обратную дорогу к станции.

Лучевая станция не будет иметь тоже местоположение, которое она имела при запуске БПЛА, а, фактически, может быть несколько станций, стратегически локализованных вдоль маршрута беспилотника, для быстрого расширения границ и/или смены целей.

Нет необходимости сохранять соотношение 1:1 между беспилотником и станцией. Одна точка дозаправки поддерживает множество БПЛА, которые вращаются около неё и затем отправляются на задание. Сеть лазерных станций может поддерживать большое количество беспилотных аппаратов с различными маршрутами полета.

Рисунок 4. Расширенные или многофункциональные операции.

Другим примером дозаправки для расширенных заданий являются относительно маленькие БПЛА, летающие в нескольких километрах от базы, то есть занимаются патрулированием периметра. Многие БПЛА могут вращаться между точкой зарядки около станции и отправляться в патруль.

Так как зарядка в воздухе выполняется на относительно малом расстоянии, предъявляются строгие требования к оптическим системам, для снижения вероятности столкновения во время грозы или других помех. Однако, как передатчик, так и приемник должны обрабатывать гораздо больше информации, чем просто среднюю энергию на задание.

Вариант 3: Непрерывный патруль

Беспилотные летательные аппараты могут непрерывно заряжаться на дальнем горизонтальном расстоянии, будучи локализованными в поле действия лучевой станции. Для наземного передатчика, БПЛА обычно должно оставаться под небольшим углом к горизонту (Рисунок 5). Лучевая станция может быть мобильной, которая позволит БПЛА работать в нескольких милях впереди от группировки войск, обеспечивая продвинутую разведку и другие функции для мобильной группы.

Даже на дальних расстояниях, также как и при работе в горах или иных сложных условиях, любой передатчик, либо транслирующее зеркало, могут быть установлены на воздушные платформы – самолет, аэростат или БПЛА.

Рисунок 5. Длительное интеллектуальное наблюдение и разведка.

Степень готовности технологии

Компания «LaserMotive», использующая внутренние фонды, построила и проверила полностью транспортабельную лучевую станцию, которая обеспечивает несколько сотен Вт для перемещения техники на дистанции свыше 1 км, и больше 1000 Вт на коротком расстоянии. Система была опробована быстрыми темпами в научно-исследовательском центре им. Драйдена (NASA Dryden Flight Research Center (Edwards AFB)) в ноябре 2009 года, победив в 2009 в соревнованиях NASA Centennial Challenge for Beamed Power.

С данной демонстрацией, зарядка от лазерного излучения достигла уровня технологической готовности (TRL) 5. Сравнительно несложное усовершенствование в комплекте и интеграции, используя существующие лазерные технологии LaserMotive, позволят достигнуть уровня 6.

К концу 2010 года в рамках своей собственной проектно-конструкторской работы LaserMotive планирует провести демонстрацию зарядки от луча лазера электрической модели маленького БПЛА; действительный масштаб и степень интеграции зависит от уровня финансирования программы.

Оценка

Проектирование лучевой энергетической системы для специфического применения в ближайшее время требует системного анализа и решений для понимания действительных требований и результатов, приписываемых данному пути снабжения энергией, его безопасности, надежности и т.д.. Этот путь также включает оценку размеров, веса, требований к мощности и эффективности связи при работе в полевых условиях.

Начальные исследования и концептуальные решения для одной или двух избранных единиц техники и задач может быть проведено LaserMotive в течение 3-6 месяцев, с минимальными затратами ($100K).

Разработка компонентов и подсистем

Первичным компонентом исследования и разработки являются фотогальванические элементы. Огромная масса разработок фотогальванических элементов имеет своей целью усовершенствование эффективности и/или понижение стоимости для солнечных элементов, которые должны преобразовывать свет в широком спектре от тепловых источников. Работы на оптимизацию «лазерных» элементов, пригодных для использования в лучевом источнике, крайне ограничены. По крайней мере, крайне необходим основной обзор технологии фотогальванических элементов. Идеально подходит для разработки «лазерных элементов» недавно проведенная программа DARPA SHEDS, которая успешно повысила эффективность полупроводникового диодного лазера высокой мощности.

Основной задачей для разработки подсистем является безопасность. При использовании в лучевой станции лазерных лучей высокой мощности крайне необходима надежная система безопасности. К этому относятся также операционные и управленческие вопросы, которые должны быть досконально проработаны как можно быстрее.

Разработка и демонстрация системы

Если лазерное энергообеспечение внесет вклад в ближайшие операции, либо будет совмещено с БПЛА следующего поколения, демонстрация одной или более лазерной межсистемной связи в реальной обстановке произойдет при любом удобном случае. Конечно, такая демонстрация может быть проведена специально для специфической краткосрочной миссии или исходя из предъявляемых требований. В отсутствии необходимости, однако, следующие свидетельства иллюстрируют заманчивость самой идеи, которая при использовании существующих технологий, возможно, будет воплощена в прототипе за 18-24 месяца:

1. Маленькие- или микро- БПЛА перезаряжаются вместе со множеством БПЛА, поддерживаемых одной или несколькими машинами обеспечения «станции», в то время как другие перезаряжаются или движутся.

2. Протяженное излучение при малом угле: >10кВт, горизонтальном расстоянии >5 км, высоте >1,5 км.

——

истояник:
http://lasermotive.com/wp-content/uploads/2010/04/Wireless-Power-for-UAVs-March2010.pdf