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世界最轻最小！我国科研团队研发出太阳能动力微型无人机

发布日期：2024-07-24

极速导读

续航能力关乎无人机的“生命力”，太阳能供能是实现无人机长时续航的重要路径之一。北京航空航天大学科研团队利用自主开发的新型静电电机，成功研制出仅重4.21克的太阳能动力微型无人机，实现纯自然光供能下的持续飞行。这一突破极大地拓展了微型飞行器的使用范围，对微型飞行器的发展进程具有里程碑意义。相关成果发表于《自然》（《Nature》）。

2024年7月17日，《Nature》杂志报道了北京航空航天大学能源与动力工程学院程漆明净、闫晓军课题组研发出太阳能动力微型无人机CoulombFly，相关成果发表于《Nature》杂志，并同时获Nature和Science首页推荐。

研究背景

重要性：微型飞行器因其小巧的身形、轻盈的体态和高超的机动性，在环境监测、目标跟踪、灾害救援等领域发挥着重要作用。在军事领域，它们也用于侦察、干扰和打击。

现状：由于体积和重量的限制，微型飞行器难以携带足够的能源支持长时间飞行。重量降至10克以下的飞行器，其飞行时间通常不超过10分钟，这限制了它们的应用范围。

问题根源：传统电磁电机在微型化后存在问题，如转速高、发热大，导致能量转化效率急剧下降，甚至降至10%以下。即使是采用太阳能作为能源，也受限于太阳能电池板的面积，无法满足飞行需求。

因此，寻找一种更高效、更轻便的驱动方式，成为微型飞行器领域亟待解决的难题。

北航科研团队的突破与创新

一张A4纸有多重？4.63克。而超轻无人机，全部重量仅有4.21克，它比一张A4纸还要轻。这个重量还包括了动力源、发动机和螺旋桨等所有零部件的重量。

而比一张A4纸都要轻的无人机，首先要破解的就是驱动电机的重量问题。造型像灯笼一样的圆柱体，是无人机的驱动电机，并没有传统电磁电机发动机的复杂线圈、齿轮等，取而代之的是长得像“面条”一样的高压电极板，电机运转驱动靠的便是身边常见的静电。

北京航空航天大学能源与动力工程学院博士彭谨哲：静电电机外形酷似灯笼，周边有一圈电极片，遵循“同性相斥，异性相吸”的原则，相邻的两个电极片，带有的电荷是完全相反的，所以在中间运动的电极片会被它右侧的电极片所排斥，被左侧的电极片吸引，最终形成一个升力，带动整个装置，也就是太阳能电池、电路、电机和螺旋桨本身，整个飞行器起飞。

静电电机的颠覆性设计

CoulombFly的核心在于其独特的静电电机设计。这种电机依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动，无需传统电机的绕组结构，从而大大简化了电机的结构并降低了制造成本。同时，静电电机的高电压（千伏级）、低电流（微安级）工作特性，使其在工作过程中发热少且无明显红外特征，有效提高了能量转化效率并降低了能耗。

相比传统电磁电机，静电电机在微小尺寸下表现出了颠覆式的效率和功耗特性。在小质量（5克以内）情况下，其能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10以内。这一优势使得静电电机在微型飞行器领域具有广泛的应用前景。

超轻质高压电源的创新

然而，静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需千伏级高压电流来驱动。传统高压电源由于体积和重量过大，无法搭载在微型飞行器上。为此，北航科研团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源。这一电源主要包括太阳能电池和升压电路两部分。其中，升压电路可以在极小的重量（1.21克）下，将太阳能（或锂电池）输入的低压直流电转换为4-9千伏的高压直流电。相比美国斯坦福大学研发的同类技术，该升压电路的升压比提高了92%，使得高压电流在微小尺度下变得易于获取。

整机设计的极致优化

在静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机设计达到了极致的优化，仅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一张A4纸还轻（4.21克），尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。这一设计不仅极大地提高了飞行器的便携性和灵活性，更为其在狭小空间内的应用提供了可能。研究团队还创新性地推出了一款极致微小的静电飞行器，其翼展仅达8毫米，质量轻至9毫克，且在飞行过程中消耗的功率不足1毫瓦。这一成果深刻彰显了静电电机技术在推动飞行器向更高微型化水平发展中所蕴含的巨大潜力。