我國研發(fā)全球最小太陽能微型飛行器：4.21克，比知了還輕

澎湃新聞?dòng)浾?賀梨萍實(shí)習(xí)生施語非

2024-07-22 16:21

來源：澎湃新聞

我國科研團(tuán)隊(duì)成功研制出世界上最輕最小的純自然光供能微型飛行器。這款太陽光驅(qū)動(dòng)的超輕型微型飛行器CoulombFly重4.21克，比知了還要輕。

我國科學(xué)家研發(fā)的這款微型飛行器首次實(shí)現(xiàn)純自然光供能下起飛的持續(xù)飛行。相關(guān)成果于近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)表，并同時(shí)獲得《自然》和《科學(xué)》(Science)官網(wǎng)的首頁推薦。

陽光功能飛行測試。(00:26)

在本成果之前，微型飛行器領(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，但仍需采用三倍太陽光的人工光源才能實(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。

微型飛行器（MAVS）因其小體積、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、探測和運(yùn)輸?shù)忍胤N任務(wù)，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。然而此類飛行器普遍存在飛行時(shí)間短的痛點(diǎn)問題，尤其當(dāng)重量小于10克時(shí)，其飛行時(shí)間一般不超過10分鐘。

續(xù)航痛點(diǎn)最主要是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，如果采用供電方便的自然太陽光作為能量來源，受限于太陽能電池的面積，很難滿足飛行需求。

由北京航空航天大學(xué)漆明凈和閆曉軍領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)研制的新型微型飛行器，解決了這一難題。

北航團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超輕型微型飛行器主要由靜電驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)（靜電電機(jī)和螺旋槳）和超輕千伏動(dòng)力系統(tǒng)（HVPC和太陽能電池）組成。

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)。

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)子間的庫侖力（Coulomb force）來產(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)簡單和無需繞組的優(yōu)勢，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程中發(fā)熱少且無明顯紅外特征。在小質(zhì)量（5克以內(nèi)）情況下，靜電電機(jī)的能量轉(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以內(nèi)，相比傳統(tǒng)電磁電機(jī)表現(xiàn)出顛覆式的效率和功耗特性。

靜電電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和效率特性。

靜電電機(jī)仍需千伏級(jí)的高壓電流來驅(qū)動(dòng)，然而傳統(tǒng)高壓電源由于體積和重量過大，無法搭載在微型飛行器上。因此，團(tuán)隊(duì)還針對(duì)飛行應(yīng)用場景，研制了千伏級(jí)超輕質(zhì)高壓電源，主要包括太陽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，相比美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的同類技術(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。