純自然光供能即可持續飛行！我國團隊研發出太陽能動力微型無人機

據北京航空航天大學微信公眾號18日消息，北京航空航天大學科研團隊利用自主開發的新型靜電電機，成功研製出僅重4.21克的太陽能動力微型無人機，實現純自然光供能下的持續飛行。相關成果7月18日在國際學術期刊《自然》發表。

北京航空航天大學能源與動力工程學院漆明淨、閆曉軍等在飛行器領域的最新研究論文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。論文系統闡述了由北航研製的靜電飛行器“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動機核心，實現了在純自然光供能下的起飛和持續飛行。該項研究成果由北航科研團隊完全自主研發，未來將大幅增加微型飛行器的飛行時長，拓展其應用範圍。

北航科研團隊研發的太陽能動力微型無人機 新華社發

微型飛行器得益於小體積、輕質量、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應用前景。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。究其原因，目前微型飛行器一般採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，甚至降到10%以下。微型電磁電機效率下降後，如果採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。

為了解決上述難題，北航科研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，研製在微小尺寸下轉速低、發熱小、效率高的微型靜電電機，併成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發動機和超輕質高壓電源組成，具備低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）優勢，首次實現了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續飛行。

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徵。相比傳統電磁電機，靜電電機表現出了顛覆式的效率和功耗特性，在小質量（5克以內）情況下，其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，因此即便採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應用場景，研製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，轉換為4 - 9千伏的高壓直流電，相比美國斯坦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麼難以獲取。

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釐米），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。更進一步，團隊還提出一款翼展8毫米，質量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一步微型化中的巨大潛力。

在本成果之前，此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，但仍需採用人工光源（三倍太陽光）才能實現持續飛行，而本成果僅依靠自然光即可實現持續飛行，可極大拓展此類飛行器的使用範圍，在微型飛行器的發展進程中具有里程碑意義。