张萍 沈海军

在浩瀚的科技天空中，微波动力飞机如同一颗璀璨的星辰，闪烁着无尽的可能与希望。从最初的设想到如今逐步走向现实，微波动力飞机的发展历程见证了人类智慧与创新的力量。本文将带您走进微波动力飞机的世界，了解其发展历程、原理、技术瓶颈及近年来我国科研团队在此领域的突破性成果。

一、微波动力飞机发展历史

微波动力飞机的概念，如同科幻电影中的情节，曾一度被视为遥不可及的梦想。然而，随着科技的进步，这一梦想正逐步成为现实。

1987年9月，加拿大渥太华郊外的机场迎来了一个历史性的时刻。第一架高空无人驾驶微波飞机在这里成功地飞行了20分钟。这次飞行不仅标志着微波动力技术的初步成功，更为后续的研究奠定了坚实的基础。加拿大的科学家们通过不懈的努力，成功地将微波能量传输技术应用于飞行领域，为微波动力飞机的未来发展开辟了道路。

在加拿大之后，美国也加入了微波动力飞机的研发行列。上世纪八十年代末，“阿波罗”号轻型飞机成为美国微波动力技术的代表作。这款飞机不仅采用了微波作为动力源，还具备了有人驾驶的能力，可以爬高到12000米。此外，它还备有自带燃料，以便在大气层外飞行。1991年，美国和加拿大科学家合作建立了一座技术先进的地面微波站，可以将微波发射到几万米高的空间，使超高空飞行器远距无线供电成为可能。当时有人甚至乐观地认为：利用这种地面微波站为飞行中的飞机远程供给能量，可以使其在距离地面2万米的高空中连续飞行3个月。这不仅提升了飞机的性能，更展示了微波动力技术在未来航空领域的广阔应用前景。

图1 无人机微波无线充电

在微波动力飞机的研发领域，日本同样取得了显著的成果。不久，日本人采用最新的半导体技术和相控阵天线自动定向技术，使得微波传送得更远、定向精度更高。这一技术突破不仅提升了微波动力飞机的性能，更为其在实际应用中的可靠性提供了有力保障。日本的微波供能飞机在性能上更加先进，为微波动力飞机的未来发展注入了新的活力。

图2 相控阵（天线）雷达

微波动力飞机的发展历程充满了挑战与机遇。从最初的设想，到加拿大的初步探索，再到美国和日本的持续创新，微波动力飞机正逐步从梦想走进现实。如今，随着科技的进步和人们对环保、高效能源的追求，微波动力飞机已经成为未来航空领域的重要发展方向之一。

二、微波动力飞机原理

微波动力飞机之所以能够实现飞行，离不开其独特的原理。这一原理主要基于微波能量的传输与转换，以及飞机对微波能量的接收与利用。

微波是一种波长从1毫米至1米、频率从300兆赫至300吉赫的电磁波。它具有能量高、传输距离远等特点，因此被广泛应用于通信、雷达等领域。

在微波动力飞机中，微波能量的传输主要依赖于地面的微波站。微波站将电力转换成微波，并通过碟形天线发射给空中的飞机。这一过程中，微波能量以无线的方式在空中传输，为飞机提供了源源不断的动力源。

图3 微波无线充电原理

当微波能量传输到空中后，飞机需要通过其天线接收这些微波能量。飞机上的天线通常采用共面波导馈电的圆极化微带贴片天线阵列，这种天线阵列能够有效地接收微波能量并将其转换成直流电。转换后的直流电再通过电机驱动螺旋桨或加热喷气发动机的压缩空气，从而产生飞机的动力。

微波动力飞机的原理中，无线（微波）充电技术是一个重要的环节。这一技术不仅实现了微波能量的无线传输，还使得飞机在飞行过程中能够持续接收并转换微波能量为电能。无线充电技术的关键在于其高效、稳定的能量传输能力。通过精确控制微波的发射功率和方向，可以确保飞机在飞行过程中能够稳定地接收微波能量，并将其转换为电能以供使用。

具体来说，无线充电技术是通过三个步骤实现微波能量的传输与转换：微波发射、微波接收和能量转换。这一过程中，无线充电技术不仅实现了能量的无线传输，还通过精确的控制和转换，确保了飞机飞行中能够稳定、高效地接收并利用微波能量。

三、我国微波动力飞机的突破

在微波动力飞机的研发领域，近年来我国西北工业大学（简称“西工大”）研究团队取得了令人瞩目的突破性成果。他们的研究不仅推动了微波动力飞机技术的发展，更为未来我国航空领域的创新提供了有力支持。

长期以来，西工大团队致力于研发微波能量驱动的高空超长航时无人飞行平台。这一平台采用微波能量作为动力源，旨在通过无线充电技术实现能量的持续传输与转换，从而实现了无人机的长时间滞空和远距离飞行。

为了验证微波传能飞行技术原理，该团队设计了缩比飞行验证系统。该系统包括无人机飞行平台、地面发射阵列和天地反向导引子系统等部分。其中，无人机飞行平台采用1:6.7的缩放比例，展长为4.5米，起飞重量为6千克。它搭载多个接收阵列以低高度穿越发射天线辐射形成的微波覆盖区，从而接收并转换微波能量为电能以供使用。

图4西工大团队的无人机飞行平台

在研发过程中，该团队取得了以下突破性成果：

其一，研发了高效微波能量接收与转换技术，采用圆极化微带贴片天线阵列接收微波能量，并将其转换成直流电。仿真结果表明，当天线单元在照射功率密度在600-800瓦/平方米波动时，射频-直流（RF-DC）能量转换效率超过50%，单元最大直流功率可达495瓦/平方米。当照射功率达到1千瓦/平方米时，直流密度可达600瓦/平方米。这一技术的突破不仅提升了微波能量的接收与转换效率，更为微波动力飞机的长时间飞行提供了有力保障。

其二，将接收整流天线设计参数融入飞行平台设计过程中，形成了一体化综合设计方法。他们设计了大展弦比、高升阻比一体化飞行平台方案，并基于粒子群算法（一种群体智能优化算法，旨在通过模拟鸟群或鱼群的社会行为，让粒子在解空间中根据个体历史最优和群体历史最优动态调整位置与速度，协作搜索问题的最优解。）开展了同时满足机体结构特性和天线电特性的多学科优化设计。这一方法的应用不仅提升了飞行平台的力电性能，更为微波动力飞机的实际应用提供了有力支持。

图5 整流天线与机体结构融合

    其三，为了实现微波能量的高效传输，西工大团队设计了分布式天线发射阵列。通过数值仿真验证了在低高度条件下实现了超过80%的波束收集效率。他们还将该方法推广到18千米巡航高度实际飞行场景，构建了大规模分布式微波发射阵列，并通过仿真分析了该高度下的微波合成照射功率密度，验证了设计方案的有效性。这一成果不仅提升了微波能量的传输效率，更为微波动力飞机在高空飞行时的能量供应提供了有力保障。

图6 分布式天线发射阵列

其四，为了实现对高空飞行平台的高精度定位，团队构建了分布式时差定位策略。这一策略使得微波传能驱动飞行系统能够在常规导航定位系统失效的情况下实现系统的闭环独立运行。这一技术的突破不仅提升了飞行平台的定位精度，更为微波动力飞机在实际应用中的稳定性和可靠性提供了有力支持。

图7 高空无人机高精度定位

最后，为了验证飞行过程中获得并转化地面微波能量的技术原理可行性，该团队还设计了地面支撑垂直照射和缩比机穿越传能初步试验。试验结果表明，在8米飞行高度、地面80瓦发射功率的情况下，整体传能效率达到1.25%。这一成果不仅验证了微波传能飞行技术的可行性，更为后续的研究提供了有力支持。

西北工业大学团队在微波动力飞机领域的突破性成果发表后，一度引起了外界的广泛关注。许多专家和学者对他们的研究成果给予了高度评价，认为这些成果不仅推动了微波动力飞机技术的发展，更为未来航空领域的创新提供了有力支持。

四、技术挑战和发展瓶颈

尽管微波动力飞机取得了诸多进展，但仍面临一系列技术挑战和发展瓶颈。

首先是微波能量传输效率与距离限制。

传输效率方面，微波能量在传输过程中会受到空气衰减、散射和反射等因素的影响，导致传输效率降低。接收整流天线的效率也是影响整体传输效率的关键因素，目前市面上的整流天线效率仍有待提升。微波的发射距离相对较短，且随着距离的增加，能量密度会迅速降低，难以满足远距离飞行的需求。为了提高传输距离，需要增大发射天线的尺寸和发射功率，但这将增加系统的复杂性和成本。

其次是飞机接收与转换技术的挑战。

无人机端接收天线的设计上，接收天线需要具备良好的方向性和增益，以便高效地接收微波能量。同时，接收天线还需要考虑空气动力学因素，以确保其对飞机飞行性能的影响最小化。能量转换效率上，微波能量转换为电能的效率受到多种因素的影响，如接收天线的性能、整流电路的设计等。目前，能量转换效率仍有待提高，难以满足长时间飞行的需求。

第三，系统安全与环保问题。

电磁辐射安全方面，微波动力飞机在飞行过程中会向周围空间辐射电磁波，可能对人员和设备的健康造成潜在威胁。需要严格控制电磁辐射的强度，以确保符合相关安全标准。环保问题方面，微波波束可能对误入的鸟类造成伤害，甚至可能瞬间致其死亡，这增加了技术的实施难度。需要采取措施减少微波对生态环境的影响，如设计“定向波束”以减少泄露等。

第四，经济性与可行性问题。

系统成本上，微波动力飞机的研发、生产和维护成本较高，包括发射天线、接收天线、整流电路等关键部件的成本。需要通过技术创新和规模化生产来降低成本，提高系统的经济性。技术可行性上，目前微波动力飞机仍处于研发阶段，尚未实现商业化应用。需要进一步验证技术的可行性，并解决实际应用中可能出现的问题。

最后是面临其他技术挑战。

譬如，微波动力飞机的设计与制造需要考虑到微波能量的接收与转换、飞机的空气动力学性能、结构强度等多个方面，需要通过多学科优化设计来提高飞机的整体性能。此外，恶劣天气条件（如暴雨、雷电等）也可能对微波能量传输和飞机飞行性能造成不利影响，需要研究如何减小天气因素对微波动力飞机性能的影响。

总之，微波动力飞机目前仍面临诸多技术挑战和发展瓶颈。但我们坚信，随着技术的不断突破和创新，微波动力飞机未来必将会翱翔在蓝天，成为人类航空领域的一颗璀璨明珠。

----《科学24小时》约稿