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近日，Nature雜志以Article形式在線發(fā)表了北京航空航天大學能源與動力工程學院漆明凈科研小組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(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，拓展其應用范圍。

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期刊上線截圖

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，在國民經(jīng)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（圖1a）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（視頻1）。

圖1 靜電飛行器CoulombFly

視頻 1 靜電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（如圖2a-c），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（視頻2）。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（圖2d），在小質(zhì)量（5克以內(nèi)）情況下，其能量轉(zhuǎn)化效率可達傳統(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。

圖2 靜電電機的結(jié)構(gòu)設計和效率特性

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。因此團隊還針對飛行應用場景，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。

圖3 千伏級超輕質(zhì)高壓電源的構(gòu)型與性能

在微型靜電電機和超輕質(zhì)高壓電源的助力下，CoulombFly的整機僅有巴掌大?。ㄒ碚?0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。更進一步，團隊還提出一款翼展8毫米，質(zhì)量9毫克的超微型靜電飛行器（圖4b），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。

圖4 a) 現(xiàn)有太陽能飛行器參數(shù)對比，b）超微型靜電飛行器構(gòu)型

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(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)展進程中具有里程碑意義。

研究團隊

（請上下滑動查看）

通訊作者 漆明凈：北京航空航天大學能源與動力工程學院教授，博導；北京航空航天大學教務部副部長；美國加州大學Berkeley分校博士后。長期從事微型機器人的推進與控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communication、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊發(fā)表論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項。主持國家自然科學基金面上項目、青年項目以及某工程創(chuàng)新特區(qū)項目，入選留學基金委“未來科學家”計劃，獲得2024年某部委顛覆式突破獎。擔任Nature正刊審稿人，教育部第五輪學科評估專家。

通訊作者 閆曉軍：入選國家級領軍人才計劃。北京航空航天大學能源與動力工程學院院長，教授，博導；教育部先進航空發(fā)動機協(xié)同創(chuàng)新中心副主任；美國加州大學Berkeley分校訪問學者。長期從事飛行器動力相關基礎研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、International Journal of Plasticity等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，EI論文60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利35項。研究成果應用于19型航天飛行器和10型航空發(fā)動機。獲2003年全國百篇優(yōu)秀博士論文、2006年教育部新世紀優(yōu)秀人才、2014年教育部科技進步二等獎、2012年湖南省國防科技進步一等獎、2016年“航空強國中國心”教育基金突出貢獻獎特等獎等。

第一作者 申威：2015年本科就讀于北京航空航天大學能源與動力工程學院，2019年于北航能動學院攻讀碩士學位，并于2021年通過碩博連讀攻讀博士學位，博士生導師為漆明凈教授。從本科畢設到博士，一直進行靜電電機和微型飛行器方面的研究。

第一作者 彭謹哲：2017年本科就讀于北京航空航天大學能源與動力工程學院，2021年于北航能動學院攻讀碩士學位，并于2022年通過碩博連讀攻讀博士學位，博士生導師為漆明凈教授。從本科畢設到博士，一直進行高壓變換器和柔性電路方面的研究。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature

發(fā)布時間 2024年7月17日

文章標題 Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle

（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4）

研究團隊 | 作者

北京航空航天大學 | 來源

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