2024-08-08 中国科学家突破超轻微型飞行器研究

说到飞行器，浮现在大家脑海中的可能是大型飞机，或是在旅途中为我们记录美好时光的无人机。小巧的外形搭配高清摄像头，无人机逐渐成为广大摄影爱好者的拍摄“神器”，出现在我们生活中的频率越来越高。目前最轻的飞行器仅有几克的重量，是无人机重量的几百分之一，续航能力可达几十分钟。

无人机拍摄场景。图片来源：图虫创意

微型飞行器：低空飞行的新秀

微型飞行器

（Micro Aerial Vehicles, MAVs）

是一种尺寸极小（不超过50厘米）、重量极轻（不超过100克）的飞行器，被用于在复杂环境中执行侦察、监测、通信等任务。

能量的供给在微型飞行器中至关重要，由于尺寸和重量的限制，微型飞行器对电池的要求极高。

锂电池能量密度高、重量轻，是目前微型飞行器中使用最为普遍的能源，适用于对长时间续航有需求和设计轻便的微型飞行器。

氢燃料通过与高压气体混合燃烧产生热能，驱动微型涡轮发动机给飞行器供能。氢气具有密度小和燃烧释放能量高的特性，能为微型飞行器提供更高的推力和更高的功率。例如，由美国麻省理工学院研制的微型涡轮发动机（仅有纽扣大小），就能以较轻质量达到极高转速。

太阳能电池是解决微bfrUUu型飞行器续航问题的方案之一，由于飞行器通常在室外工作，可以充分利用太阳能实现长时间续航。

此外，随着太阳能发电技术的发展，混合//www.czybx.com供能的方式也逐渐被应用到微型飞行器领域。

太阳能发电将多余的电能储存在锂电池中，为微型飞行器提供能源保障。尽管太阳能发电技术具有可持续性，但由于微型飞行器的尺寸限制和能源转化效率低的实际问题，飞行器的续航时间很难提高。

新突破：超轻微型飞行器

2024年7月17日，中国科学家在《自然》

（Nature）

杂志上发表了一篇关于超轻微型飞行器

（CoulombFly）

的研究工作，

研究成果发表于《自然》（Nature）杂志。图片来源：《自然》（Nature）杂志

该超轻微型飞行器主要由静bfrUUu电驱动推进系统和超轻千伏电力系统组成，这是它可以实现持续飞行的关键。

强大的动力系统：静电驱动推进系统由一个静电电机和螺旋桨组成。静电电机利用由摩擦、接触或感应产生的静电（不流动电荷）作为能量源，进行电能和机械能转换。

a. 超轻微型飞行器；b.飞行测试系统中的飞行器；c.飞行器在阳光下的起飞和持续飞行过程。图片来源：参考文献[1]

超轻的供电系统：超轻千伏电力系统由高压功率转换器和太阳能电池组成。太阳能电池可以在自然光下产生低压直流电源，但是低压直流电源无法直接驱动电机。为此，

该超轻千伏电力系统的重量仅为1.13克，电压与质量比为7.09千伏/克，远远高于目前最轻的千伏高压发电机。

a.高压功率转化器和太阳能电池；b.高压功率转换器的电路设计图；c.高压功率转换器输出电压与频率关系图；d.功率转换效率曲线。图片来源：参考文献[1]

实验结果表明，重量仅有4.21克的微型飞行器，能耗低至0.568瓦。该飞行器在自然光条件下测试1小时，性能几乎无衰减，可以持续飞行。此外，该微型飞行器在8.5千伏电压下可白熊资讯网以具有5.8克的升力，减去自身重量，还可以额外负载1.59克重量，可携带轻型致动器、传感器和控制电子设备，未来可实现自主操作。

微型飞行器的应用领域

军事领域：

微型飞行器被视为未来战场的侦查工具和攻击工具，由于体积小，不易被发现，可以更好的执行敌情侦查与监视任务。此外，微型飞行器还可以用于监测化学或生物武器的潜在威胁，为战术决策提供支持。在通信设备受损或无法直接进行通信的情况下，微型飞行器还可以作为临时的通信中继站，确保指挥系统的正常运转。

无人机穿梭在森林中作业。图片来源：图虫创意

民用领域：

微型飞行器可用于气象监测、环境监测、海洋监测以及自然灾害监测等场景，为环境保护和灾害预警提供重要数据。在山林地带、地震灾区等复杂环境中，微型飞行器可以搜寻迷失人员或伤员，为搜救行动提供指引。

微型飞行器具有高机动性和强灵活性，未来还有望应用于地形测绘和空中摄影等场景。

无人机测绘农作物生长数据场景。图片来源：图虫创意

结语

随着技术的进步和应用场景的拓展，微型飞行器的发展前景将越来越广阔。我们有理由相信，在不远的将来，微型飞行器会以更加智能、灵活、高效的应用方式，为我们创造更加安全、便捷、美好的生活环境。

参考文献

[1]Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guroult, M. www.czybx.comet al. An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic[J]. Nature, 2024.

[2]Jafferis, N.T., Helbling, E.F., Karpelson, M. et al. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature, 2019.

[3]李占科,宋笔锋,宋海龙.微型飞行器的研究现状及其关键技术[J].飞行力学, 2003.

[4]岳基隆,张庆杰,朱华勇.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J].电光与控制, 2010.

来源丨科普中国

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