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近日，Nature杂志以Article形式在线发表了北京航空航天大学能源与动力工程学院漆明净科研小组在飞行器领域的最新研究论文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。
论文系统阐述了由北航研制的静电飞行器“CoulombFly”（Coulomb意为库仑，是电荷单位）。该飞行器翼展20cm，重4.21g，由一种新型静电电机作为发动机核心，实现了在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。该项研究成果由北航科研团队完全自主研发，未来将大幅增加微型飞行器的飞行时长，拓展其应用范围。
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微型飞行器得益于小体积、轻质量、高机动等特点，能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。
然而此类飞行器普遍存在飞行时间短的痛点问题，尤其当重量小于10克时，其飞行时间一般不超过10分钟。究其原因，目前微型飞行器一般采用传统的电磁电机作为发动机的驱动部件，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，甚至降到10%以下。微型电磁电机效率下降后，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。
为了解决上述难题，北航科研团队从微型发动机的原理方面寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞静电飞行器（“CoulombFly”）。该飞行器（图1a）主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）优势，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行（视频1）。
图1 静电飞行器CoulombFly
视频 1 静电飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行
静电发动机的核心是静电电机，它是一种依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动的新型微型电机（如图2a-c），具备结构简单和无需绕组的优势，其高电压（千伏级）、低电流（微安级）的工作特性也使其在工作过程中发热少且无明显红外特征（视频2）。相比传统电磁电机，静电电机表现出了颠覆式的效率和功耗特性（图2d），在小质量（5克以内）情况下，其能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10以内，因此即便采用小尺寸太阳能电池，也可以为微型飞行器提供飞行所需功率。
图2 静电电机的结构设计和效率特性
静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需要千伏级高压电流来驱动，然而传统高压电源由于体积和重量过大，无法搭载在微型飞行器上。因此团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源，主要包括太阳能电池和升压电路两部分，其中升压电路可以在1.21克的重量下，将太阳能（或锂电池）输入的低压直流电，转换为4 - 9千伏的高压直流电，相比美国斯坦福大学研发的同类技术升压比提高了92%，这让高压电流在微小尺度下不再那么难以获取。
图3 千伏级超轻质高压电源的构型与性能
在微型静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机仅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一张A4纸还轻（4.21克），尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。更进一步，团队还提出一款翼展8毫米，质量9毫克的超微型静电飞行器（图4b），飞行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机在飞行器进一步微型化中的巨大潜力。
图4 a) 现有太阳能飞行器参数对比，b）超微型静电飞行器构型
在本成果之前，此领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发表的Robobee飞行器，但仍需采用人工光源（三倍太阳光）才能实现持续飞行，而本成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。
研究团队 | 作者
北京航空航天大学 | 来源
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