纯自然光供能即可持续飞行！我国团队研发出太阳能动力微型无人机

据北京航空航天大学微信公众号18日消息，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。相关成果7月18日在国际学术期刊《自然》发表。

北京航空航天大学能源与动力工程学院漆明净、闫晓军等在飞行器领域的最新研究论文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。论文系统阐述了由北航研制的静电飞行器“CoulombFly”（Coulomb意为库仑，是电荷单位）。该飞行器翼展20cm，重4.21g，由一种新型静电电机作为发动机核心，实现了在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。该项研究成果由北航科研团队完全自主研发，未来将大幅增加微型飞行器的飞行时长，拓展其应用范围。

北航科研团队研发的太阳能动力微型无人机 新华社发

微型飞行器得益于小体积、轻质量、高机动等特点，能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。然而此类飞行器普遍存在飞行时间短的痛点问题，尤其当重量小于10克时，其飞行时间一般不超过10分钟。究其原因，目前微型飞行器一般采用传统的电磁电机作为发动机的驱动部件，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，甚至降到10%以下。微型电磁电机效率下降后，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。

为了解决上述难题，北航科研团队从微型发动机的原理方面寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞静电飞行器“CoulombFly”。该飞行器主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）优势，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。

静电发动机的核心是静电电机，它是一种依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动的新型微型电机，具备结构简单和无需绕组的优势，其高电压（千伏级）、低电流（微安级）的工作特性也使其在工作过程中发热少且无明显红外特征。相比传统电磁电机，静电电机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，因此即便采用小尺寸太阳能电池，也可以为微型飞行器提供飞行所需功率。

静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需要千伏级高压电流来驱动，然而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。因此团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源，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1.21克的重量下，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升压比提高了92%，这让高压电流在微小尺度下不再那么难以获取。

在微型静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机仅有巴掌大小（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。更进一步，团队还提出一款翼展8毫米，质量9毫克的超微型静电飞行器，飞行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机在飞行器进一步微型化中的巨大潜力。

在本成果之前，此领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发表的Robobee飞行器，但仍需采用人工光源（三倍太阳光）才能实现持续飞行，而本成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。