我国团队研发出仅依靠自然光即可持续飞行的微型飞行器

IT之家 7 月 18 日消息，中国科学家最近自主研发成功世界上迄今最轻、最小的太阳光驱动微型飞行器 —— 静电飞行器 (CoulombFly)，其由一种新型微型静电电机作为发动机核心，可实现在纯自然太阳光条件下的供能起飞和长时间持续飞行。

这一飞行器领域的重要研究突破，由北京航空航天大学 (北航) 能源与动力工程学院智能推进实验室科研团队完成，相关成果论文以“太阳光供能下超轻质微型飞行器的持续飞行”为题，于北京时间 7 月 17 日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。据了解，这是飞行器领域中国科学家自主研发成果首次在《自然》发表。

IT之家从北京航空航天大学官方公众号获悉，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。

IT之家附公众号文章主要内容如下：

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。

静电飞行器 CoulombFly

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，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。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，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。

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。

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，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。

现有太阳能飞行器参数对比和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。