我国(guo)科研团(tuan)队成功研制出世界(jie)上最(zui)轻最(zui)小的纯自(zi)然光供能微(wei)型飞(fei)行器。这款(kuan)太阳光驱动的超(chao)轻型微(wei)型飞(fei)行器CoulombFly重4.21克(ke)，比知了还要轻。
我国(guo)科学家研发(fa)的这款(kuan)微(wei)型飞(fei)行器首次实现纯自(zi)然光供能下起飞(fei)的持续飞(fei)行。相(xiang)关成果于(yu)近日在国(guo)际学术期刊《自(zi)然》（Nature）发(fa)表，并同时获得《自(zi)然》和(he)《科学》(Science)官网的首页推荐。
阳光功能飞(fei)行测试。(00:26)
在本成果之前(qian)，微(wei)型飞(fei)行器领域(yu)的最(zui)高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发(fa)表的Robobee飞(fei)行器，但仍需采用(yong)三(san)倍太阳光的人工光源才能实现持续飞(fei)行，而(er)本成果仅依靠(kao)自(zi)然光即可实现持续飞(fei)行，可极(ji)大拓展此类飞(fei)行器的使用(yong)范围，在微(wei)型飞(fei)行器的发(fa)展进程中具有里程碑意(yi)义。
微(wei)型飞(fei)行器（MAVS）因其小体(ti)积、轻质(zhi)量(liang)、高机(ji)动等(deng)特(te)点，能够在狭小空间执行拍照、探测和(he)运输等(deng)特(te)种任务，在国(guo)民经济领域(yu)拥有广泛应用(yong)前(qian)景。然而(er)此类飞(fei)行器普遍存在飞(fei)行时间短的痛点问题，尤其当重量(liang)小于(yu)10克(ke)时，其飞(fei)行时间一般不超(chao)过10分钟(zhong)。
续航痛点最(zui)主要是目前(qian)微(wei)型飞(fei)行器一般采用(yong)传统的电磁电机(ji)作为发(fa)动机(ji)的驱动部件，电磁电机(ji)在微(wei)型化(hua)后转速高、发(fa)热大，能量(liang)转化(hua)效率急剧下降，如果采用(yong)供电方便的自(zi)然太阳光作为能量(liang)来源，受限于(yu)太阳能电池的面积，很难满足飞(fei)行需求。
由北京航空航天大学漆明净和(he)闫晓军领衔(xian)的科研团(tuan)队研制的新型微(wei)型飞(fei)行器，解决了这一难题。
北航团(tuan)队研发(fa)的超(chao)轻型微(wei)型飞(fei)行器主要由静电驱动推进系统（静电电机(ji)和(he)螺旋桨）和(he)超(chao)轻千伏(fu)动力系统（HVPC和(he)太阳能电池）组成。
团(tuan)队从(cong)微(wei)型发(fa)动机(ji)的原理方面寻求突(tu)破，提出一种新的静电驱动方案，研制在微(wei)小尺寸(cun)下转速低、发(fa)热小、效率高的微(wei)型静电电机(ji)。
静电发(fa)动机(ji)的核心是静电电机(ji)，它是一种依靠(kao)静子和(he)转子间的库(ku)仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动的新型微(wei)型电机(ji)，具备结(jie)构简单和(he)无需绕(rao)组的优势，其高电压(ya)（千伏(fu)级）、低电流（微(wei)安级）的工作特(te)性也使其在工作过程中发(fa)热少且无明显(xian)红(hong)外特(te)征。在小质(zhi)量(liang)（5克(ke)以(yi)内）情况下，静电电机(ji)的能量(liang)转化(hua)效率可达(da)传统电磁电机(ji)的10倍以(yi)上，产生相(xiang)同升力所需功耗仅为电磁电机(ji)的1/10以(yi)内，相(xiang)比传统电磁电机(ji)表现出颠覆式的效率和(he)功耗特(te)性。
静电电机(ji)的结(jie)构设计和(he)效率特(te)性。
静电电机(ji)仍需千伏(fu)级的高压(ya)电流来驱动，然而(er)传统高压(ya)电源由于(yu)体(ti)积和(he)重量(liang)过大，无法搭载在微(wei)型飞(fei)行器上。因此，团(tuan)队还针对飞(fei)行应用(yong)场景，研制了千伏(fu)级超(chao)轻质(zhi)高压(ya)电源，主要包括太阳能电池和(he)升压(ya)电路两部分，其中升压(ya)电路可以(yi)在1.21克(ke)的重量(liang)下，将太阳能或(huo)锂电池输入的低压(ya)直流电，转换为4-9千伏(fu)的高压(ya)直流电，相(xiang)比美(mei)国(guo)斯坦福大学研发(fa)的同类技术升压(ya)比提高了92%。这让高压(ya)电流在微(wei)小尺度下不再(zai)那么难以(yi)获取。
千伏(fu)级超(chao)轻质(zhi)高压(ya)电源的构型与性能。
在微(wei)型静电电机(ji)和(he)超(chao)轻质(zhi)高压(ya)电源的助力下，CoulombFly的整机(ji)仅有巴掌大小（翼展20厘米），重量(liang)比一张(zhang)A4纸还轻，尺寸(cun)和(he)重量(liang)分别(bie)是此前(qian)世界(jie)最(zui)小、最(zui)轻太阳能飞(fei)行器的1/10和(he)1/600。
现有太阳能飞(fei)行器参数(shu)对比和(he)超(chao)微(wei)型静电飞(fei)行器构型。
更进一步，团(tuan)队还提出一款(kuan)翼展8毫米，质(zhi)量(liang)9毫克(ke)的超(chao)微(wei)型静电飞(fei)行器，飞(fei)行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机(ji)在飞(fei)行器进一步微(wei)型化(hua)中的巨大潜力。