澎湃新聞記者 賀梨萍 實習生 施語非
中國科研團隊成功研制出世界上最輕最小的純自然光供能微型飛行器。這款太陽光驅動的超輕型微型飛行器CoulombFly重4.21克，比知了還要輕。
中國科學家研發的這款微型飛行器首次實作純自然光供能下起飛的持續飛行。相關成果於近日在國際學術期刊【自然】（Nature）發表，並同時獲得【自然】和【科學】(Science)官網的首頁推薦。
陽光功能飛行測試。(00:26)
在本成果之前，微型飛行器領域的最高水平成果是哈佛大學2019年在Nature發表的Robobee飛行器，但仍需采用三倍太陽光的人工光源才能實作持續飛行，而本成果僅依靠自然光即可實作持續飛行，可極大拓展此類飛行器的使用範圍，在微型飛行器的發展行程中具有裏程碑意義。
微型飛行器（MAVS）因其小體積、輕質素、高機動等特點，能夠在狹小空間執行拍照、探測和運輸等特種任務，在國民經濟領域擁有廣泛套用前景。然而此類飛行器普遍存在飛行時間短的痛點問題，尤其當重量小於10克時，其飛行時間一般不超過10分鐘。
續航痛點最主要是目前微型飛行器一般采用傳統的電磁電機作為發動機的驅動部件，電磁電機在微型化後轉速高、發熱大，能量轉化效率急劇下降，如果采用供電方便的自然太陽光作為能量來源，受限於太陽能電池的面積，很難滿足飛行需求。
由北京航空航天大學漆明凈和閆曉軍領銜的科研團隊研制的新型微型飛行器，解決了這一難題。
北航團隊研發的超輕型微型飛行器主要由靜電驅動推進系統（靜電電機和螺旋槳）和超輕千伏動力系統（HVPC和太陽能電池）組成。
團隊從微型發動機的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅動方案，研制在微小尺寸下轉速低、發熱小、效率高的微型靜電電機。
靜電發動機的核心是靜電電機，它是一種依靠靜子和轉子間的庫侖力（Coulomb force）來產生連續旋轉運動的新型微型電機，具備結構簡單和無需繞組的優勢，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熱少且無明顯紅外特征。在小質素（5克以內）情況下，靜電電機的能量轉化效率可達傳統電磁電機的10倍以上，產生相同升力所需功耗僅為電磁電機的1/10以內，相比傳統電磁電機表現出顛覆式的效率和功耗特性。
靜電電機的結構設計和效率特性。
靜電電機仍需千伏級的高壓電流來驅動，然而傳統高壓電源由於體積和重量過大，無法搭載在微型飛行器上。因此，團隊還針對飛行套用場景，研制了千伏級超輕質高壓電源，主要包括太陽能電池和升壓電路兩部份，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，轉換為4-9千伏的高壓直流電，相比美國史丹福大學研發的同類技術升壓比提高了92%。這讓高壓電流在微小尺度下不再那麽難以獲取。
千伏級超輕質高壓電源的構型與效能。
在微型靜電電機和超輕質高壓電源的助力下，CoulombFly的整機僅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一張A4紙還輕，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。
現有太陽能飛行器參數對比和超微型靜電飛行器構型。
更進一步，團隊還提出一款翼展8毫米，質素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一步微型化中的巨大潛力。
來源：澎湃新聞
