IT之家 7 月 18 日消息，中國科學(xué)家最近自主研發(fā)成功世界上迄今最輕、最小的太陽光驅(qū)動微型飛行器 —— 靜電飛行器 (CoulombFly)，其由一種新型微型靜電電機作為發(fā)動機核心，可實現(xiàn)在純自然太陽光條件下的供能起飛和長時間持續(xù)飛行。
這一飛行器領(lǐng)域的重要研究突破，由北京航空航天大學(xué) (北航) 能源與動力工程學(xué)院智能推進(jìn)實驗室科研團(tuán)隊完成，相關(guān)成果論文以“太陽光供能下超輕質(zhì)微型飛行器的持續(xù)飛行”為題，于北京時間 7 月 17 日夜間在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。據(jù)了解，這是飛行器領(lǐng)域中國科學(xué)家自主研發(fā)成果首次在《自然》發(fā)表。
IT之家從北京航空航天大學(xué)官方公眾號獲悉，論文系統(tǒng)闡述了由北航研制的靜電飛行器“CoulombFly”（Coulomb 意為庫侖，是電荷單位）。該飛行器翼展 20cm，重 4.21g，由一種新型靜電電機作為發(fā)動機核心，實現(xiàn)了在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。該項研究成果由北航科研團(tuán)隊完全自主研發(fā)，未來將大幅增加微型飛行器的飛行時長，拓展其應(yīng)用范圍。
IT之家附公眾號文章主要內(nèi)容如下：
微型飛行器得益于小體積、輕質(zhì)量、高機動等特點，能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測和運輸?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間短的痛點問題，尤其當(dāng)重量小于 10 克時，其飛行時間一般不超過 10 分鐘。究其原因，目前微型飛行器一般采用傳統(tǒng)的電磁電機作為發(fā)動機的驅(qū)動部件，電磁電機在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大，能量轉(zhuǎn)化效率急劇下降，甚至降到 10% 以下。微型電磁電機效率下降后，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。
為了解決上述難題，北航科研團(tuán)隊從微型發(fā)動機的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅(qū)動方案，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，并成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發(fā)動機和超輕質(zhì)高壓電源組成，具備低功耗（0.568 瓦）和高升力（30.7 克每瓦）優(yōu)勢，首次實現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。
靜電發(fā)動機的核心是靜電電機，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)運動的新型微型電機，具備結(jié)構(gòu)簡單和無需繞組的優(yōu)勢，其高電壓（千伏級）、低電流（微安級）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。相比傳統(tǒng)電磁電機，靜電電機表現(xiàn)出了顛覆式的效率和功耗特性，在小質(zhì)量（5 克以內(nèi)）情況下，其能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)傳統(tǒng)電磁電機的 10 倍以上，產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機的 1/10 以內(nèi)，因此即便采用小尺寸太陽能電池，也可以為微型飛行器提供飛行所需功率。
靜電電機雖然效率高、功耗低，但仍需要千伏級高壓電流來驅(qū)動，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)隊還針對飛行應(yīng)用場景，研制了千伏級超輕質(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。
在微型靜電電機和超輕質(zhì)高壓電源的助力下，CoulombFly 的整機僅有巴掌大小（翼展 20 厘米），重量比一張 A4 紙還輕（4.21 克），尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕太陽能飛行器的 1/10 和 1/600。更進(jìn)一步，團(tuán)隊還提出一款翼展 8 毫米，質(zhì)量 9 毫克的超微型靜電飛行器，飛行功耗不到 1 毫瓦，展示了靜電電機在飛行器進(jìn)一步微型化中的巨大潛力。
在本成果之前，此領(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，但仍需采用人工光源（三倍太陽光）才能實現(xiàn)持續(xù)飛行，而本成果僅依靠自然光即可實現(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。
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