近日，北京航空航天大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种全新的超轻型微型飞行器CoulombFly。这种飞行器能够依靠太阳能实现持续飞行。该工作以“Sunlight-powered sustained flight of an ultralight micro aerial vehicle”为题，发表在《自然》杂志上。
微型飞行器（MAVs）在通信、环境监测和救援等领域有广泛的应用需求。然而，目前的MAVs普遍存在续航时间短的问题，尤其是重量在10克以下的超轻型MAVs，其飞行时间通常不超过10分钟。尽管太阳能被认为是提升MAVs续航能力的理想能源，但由于载重能力有限和传统推进系统的低效能，之前的研究未能实现完全依靠自然阳光进行持续飞行的目标。
研究创新点
为了克服上述挑战，研究团队设计了一种电驱动推进系统和超轻型千伏特级电源系统，并开发了一种新型太阳能微型飞行器CoulombFly。该飞行器在自然阳光条件下实现了持续飞行，总重量仅为4.21克，是目前已知最轻的太阳能飞行器。
CoulombFly主要由电驱动推进系统（包括电动机和螺旋桨）和超轻型千伏特电源系统（包括高压电源转换器和太阳能电池）组成。太阳能电池在自然阳光下产生低电压，通过高压电源转换器转化为高达9千伏的电压，驱动电动机旋转，从而产生升力。
据报道，其采用的静电发动机，是一种利用静子和转子之间的库仑力（Coulomb force）来实现连续旋转的新型微型电机。它具有结构简单、无需绕组的优势，并且在高电压（千伏级）、低电流（微安级）条件下工作时，发热量小且无明显红外特征。与传统电磁电机相比，静电电机展现了颠覆性的效率和功耗特性。在质量不超过5克的情况下，其能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需的功耗仅为电磁电机的1/10。因此，即使使用小尺寸的太阳能电池，静电电机也能为微型飞行器提供足够的飞行动力。
图1：飞行器示意图。
在北京的飞行测试中，研究团队在阳光充足的条件下移除遮光板，飞行器在1秒内成功起飞并实现持续飞行。实验表明，电动机在飞行状态下的功耗仅为0.137瓦，总系统功耗为0.568瓦，效率显著高于传统微型飞行器。
技术挑战与未来展望
研究团队指出，目前的原型机存在一些局限，如单自由度、无机载控制系统和主动控制面，需通过垂直导轨保持横向位置。在未来的研究中，可以通过增加阻尼膜或平衡杆实现被动稳定悬停，或采用多旋翼设计抵消螺旋桨的反扭矩。此外，为应对光照强度突变和高湿度环境，可以考虑结合可充电电池与太阳能电池，实现24小时飞行操作，从而增强飞行器的环境适应性。
该研究的成功为微型飞行器的长续航能力带来了新的希望，并为其在远程和长时间空中侦察等应用中开辟了新的可能性。研究团队表示，将继续优化电动机和螺旋桨设计，提升高压电源转换器与太阳能电池的匹配效率，为未来的自动化操作提供更多可能。
这一里程碑式的突破，标志着微型飞行器领域的一次重要进展，展现了电动驱动推进系统在超小型飞行器中的巨大潜力。研究团队的创新设计和实验成果，为未来开发更高效、更持久的微型飞行器奠定了坚实基础。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07609-4
