據(jù)北京航空航天大學(xué)微信公眾號(hào)18日消息，北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的新型靜電電機(jī)，成功研制出僅重4.21克的太陽(yáng)能動(dòng)力微型無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)純自然光供能下的持續(xù)飛行。相關(guān)成果7月18日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

　　北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院漆明凈、閆曉軍等在飛行器領(lǐng)域的最新研究論文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。論文系統(tǒng)闡述了由北航研制的靜電飛行器“CoulombFly”(Coulomb意為庫(kù)侖，是電荷單位)。該飛行器翼展20cm，重4.21g，由一種新型靜電電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心，實(shí)現(xiàn)了在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。該項(xiàng)研究成果由北航科研團(tuán)隊(duì)完全自主研發(fā)，未來(lái)將大幅增加微型飛行器的飛行時(shí)長(zhǎng)，拓展其應(yīng)用范圍。

　　北航科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的太陽(yáng)能動(dòng)力微型無(wú)人機(jī) 新華社發(fā)

　　微型飛行器得益于小體積、輕質(zhì)量、高機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測(cè)和運(yùn)輸?shù)忍胤N任務(wù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。然而此類(lèi)飛行器普遍存在飛行時(shí)間短的痛點(diǎn)問(wèn)題，尤其當(dāng)重量小于10克時(shí)，其飛行時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。究其原因，目前微型飛行器一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件，電磁電機(jī)在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大，能量轉(zhuǎn)化效率急劇下降，甚至降到10%以下。微型電磁電機(jī)效率下降后，如果采用供電方便的自然太陽(yáng)光作為能量來(lái)源，受限于太陽(yáng)能電池的面積，很難滿(mǎn)足飛行需求。

　　為了解決上述難題，北航科研團(tuán)隊(duì)從微型發(fā)動(dòng)機(jī)的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅(qū)動(dòng)方案，研制在微小尺寸下轉(zhuǎn)速低、發(fā)熱小、效率高的微型靜電電機(jī)，并成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發(fā)動(dòng)機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源組成，具備低功耗(0.568瓦)和高升力(30.7克每瓦)優(yōu)勢(shì)，首次實(shí)現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。

　　靜電發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是靜電電機(jī)，它是一種依靠靜子和轉(zhuǎn)子間的庫(kù)侖力(Coulomb force)來(lái)產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型微型電機(jī)，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)需繞組的優(yōu)勢(shì)，其高電壓(千伏級(jí))、低電流(微安級(jí))的工作特性也使其在工作過(guò)程中發(fā)熱少且無(wú)明顯紅外特征。相比傳統(tǒng)電磁電機(jī)，靜電電機(jī)表現(xiàn)出了顛覆式的效率和功耗特性，在小質(zhì)量(5克以?xún)?nèi))情況下，其能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍以上，產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機(jī)的1/10以?xún)?nèi)，因此即便采用小尺寸太陽(yáng)能電池，也可以為微型飛行器提供飛行所需功率。

　　靜電電機(jī)雖然效率高、功耗低，但仍需要千伏級(jí)高壓電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，然而傳統(tǒng)高壓電源由于體積和重量過(guò)大，無(wú)法搭載在微型飛行器上。因此團(tuán)隊(duì)還針對(duì)飛行應(yīng)用場(chǎng)景，研制了千伏級(jí)超輕質(zhì)高壓電源，主要包括太陽(yáng)能電池和升壓電路兩部分，其中升壓電路可以在1.21克的重量下，將太陽(yáng)能(或鋰電池)輸入的低壓直流電，轉(zhuǎn)換為4 - 9千伏的高壓直流電，相比美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)的同類(lèi)技術(shù)升壓比提高了92%，這讓高壓電流在微小尺度下不再那么難以獲取。

　　在微型靜電電機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源的助力下，CoulombFly的整機(jī)僅有巴掌大小(翼展20厘米)，重量比一張A4紙還輕(4.21克)，尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕太陽(yáng)能飛行器的1/10和1/600。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)還提出一款翼展8毫米，質(zhì)量9毫克的超微型靜電飛行器，飛行功耗不到1毫瓦，展示了靜電電機(jī)在飛行器進(jìn)一步微型化中的巨大潛力。

　　在本成果之前，此領(lǐng)域的最高水平成果是哈佛大學(xué)2019年在Nature發(fā)表的Robobee飛行器，但仍需采用人工光源(三倍太陽(yáng)光)才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，而本成果僅依靠自然光即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，可極大拓展此類(lèi)飛行器的使用范圍，在微型飛行器的發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑意義。

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