我国团队研发出仅依靠自然光即可持续飞行的微型飞行器

IT之家2024-07-18 15:44:29  92

IT之家7月18日消息,中国科学家最近自主研发成功世界上迄今最轻、最小的太阳光驱动微型飞行器——静电飞行器(CoulombFly),其由一种新型微型静电电机作为发动机核心,可实现在纯自然太阳光条件下的供能起飞和长时间持续飞行。

这一飞行器领域的重要研究突破,由北京航空航天大学(北航)能源与动力工程学院智能推进实验室科研团队完成,相关成果论文以“太阳光供能下超轻质微型飞行器的持续飞行”为题,于北京时间7月17日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。据了解,这是飞行器领域中国科学家自主研发成果首次在《自然》发表。

IT之家从北京航空航天大学官方公众号获悉,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。

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(Coulombforce)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1/101/600。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

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