北航研制静电飞行器CoulombFly：自然光供能实现持续飞行
北航研制静电飞行器CoulombFly：自然光供能实现持续飞行
近日，北京航空航天大学（北航）能源与动力工程学院漆明净科研小组在飞行器领域取得重大突破。该团队研制的静电飞行器“CoulombFly”（翼展20cm，重4.21g）实现了在纯自然光供能下的起飞和持续飞行，这一成果于2024年7月17日在Nature杂志以Article形式发表。
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微型飞行器凭借其小体积、轻质量、高机动等特点，在国民经济领域拥有广泛应用前景。然而，传统微型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。
图1 静电飞行器CoulombFly
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。
研究团队
通讯作者漆明净：北京航空航天大学能源与动力工程学院教授，博导；北京航空航天大学教务部副部长；美国加州大学Berkeley分校博士后。长期从事微型机器人的推进与控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communication、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊发表论文60余篇，授权发明专利20余项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目以及某工程创新特区项目，入选留学基金委“未来科学家”计划，获得2024年某部委颠覆式突破奖。担任Nature正刊审稿人，教育部第五轮学科评估专家。
通讯作者闫晓军：入选国家级领军人才计划。北京航空航天大学能源与动力工程学院院长，教授，博导；教育部先进航空发动机协同创新中心副主任；美国加州大学Berkeley分校访问学者。长期从事飞行器动力相关基础研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、International Journal of Plasticity等期刊发表SCI论文80余篇，EI论文60余篇，授权国家发明专利35项。研究成果应用于19型航天飞行器和10型航空发动机。获2003年全国百篇优秀博士论文、2006年教育部新世纪优秀人才、2014年教育部科技进步二等奖、2012年湖南省国防科技进步一等奖、2016年“航空强国中国心”教育基金突出贡献奖特等奖等。
第一作者申威：2015年本科就读于北京航空航天大学能源与动力工程学院，2019年于北航能动学院攻读硕士学位，并于2021年通过硕博连读攻读博士学位，博士生导师为漆明净教授。从本科毕设到博士，一直进行静电电机和微型飞行器方面的研究。
第一作者彭谨哲：2017年本科就读于北京航空航天大学能源与动力工程学院，2021年于北航能动学院攻读硕士学位，并于2022年通过硕博连读攻读博士学位，博士生导师为漆明净教授。从本科毕设到博士，一直进行高压变换器和柔性电路方面的研究。
论文信息
发布期刊：Nature
发布时间：2024年7月17日
文章标题：Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle
研究团队：北京航空航天大学
来源：北京航空航天大学