我國科研團(tuán)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(qū)動的超輕型微型飛行器CoulombFly重4.21克，比知了還要輕。

我國科學(xué)家研發(fā)的這款微型飛行器首次實現(xiàn)純自然光供能下起飛的持續(xù)飛行。相關(guān)成果于近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）發(fā)表，并同時獲得《自然》和《科學(xué)》(Science)官網(wǎng)的首頁推薦。

在本成果之前，微型飛行器領(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，但仍需采用三倍太陽光的人工光源才能實現(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。

微型飛行器（MAVS）因其小體積、輕質(zhì)量、高機(jī)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。

續(xù)航痛點最主要是目前微型飛行器一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)作為發(fā)動機(jī)的驅(qū)動部件，電磁電機(jī)在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大，能量轉(zhuǎn)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，受限于太陽能電池的面積，很難滿足飛行需求。

由北京航空航天大學(xué)漆明凈和閆曉軍領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊研制的新型微型飛行器，解決了這一難題。

北航團(tuán)隊研發(fā)的超輕型微型飛行器主要由靜電驅(qū)動推進(jìn)系統(tǒng)（靜電電機(jī)和螺旋槳）和超輕千伏動力系統(tǒng)（HVPC和太陽能電池）組成。

團(tuán)隊從微型發(fā)動機(jī)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(jī)。

靜電發(fā)動機(jī)的核心是靜電電機(jī)，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(jī)，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。在小質(zhì)量（5克以內(nèi)）情況下，靜電電機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍以上，產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機(jī)的1/10以內(nèi)，相比傳統(tǒng)電磁電機(jī)表現(xiàn)出顛覆式的效率和功耗特性。

靜電電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和效率特性。

靜電電機(jī)仍需千伏級的高壓電流來驅(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。

千伏級超輕質(zhì)高壓電源的構(gòu)型與性能。

在微型靜電電機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源的助力下，CoulombFly的整機(jī)僅有巴掌大?。ㄒ碚?0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(xiàn)有太陽能飛行器參數(shù)對比和超微型靜電飛行器構(gòu)型。

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(jī)在飛行器進(jìn)一步微型化中的巨大潛力。