世界最輕最??！這款微型飛行器，僅靠自然光供能

出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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說到飛行器，大家腦海中浮現(xiàn)的可能是龐大的飛機或是在旅行中為我們拍攝美麗照片的無人機。無人機在我們生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，小巧的外形搭配高清攝像頭，逐漸成為廣大攝影愛好者的出片“神奇”。但是你知道嗎，目前最輕的飛行器重量僅有幾克，是無人機重量的幾百分之一，并且可以達到幾十分鐘的續(xù)航能力。

無人機

（圖片來源：veer圖庫）

微型飛行器，低空飛行的新秀

微型飛行器（Micro Aerial Vehicles, MAVs）是一種尺寸極小（不超過50厘米）、重量極輕（不超過100克）的飛行器，通常被用于在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行偵察、監(jiān)測、通信等任務(wù)。它們不僅具備傳統(tǒng)飛行器的飛行能力，而且還具有微小的體積和靈活性，在軍事、民用等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

能量的供給在微型飛行器中至關(guān)重要，由于尺寸和重量的限制，微型飛行器對電池的要求極高。目前，微型飛行器的供能系統(tǒng)主要有鋰電池、氫燃料、太陽能等。

太陽能電池板

（圖片來源：veer圖庫）

鋰電池是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源。它具有能量密度高、重量輕的特點，非常適合用于需要長時間續(xù)航和輕便設(shè)計的微型飛行器。

氫燃料可以通過與高壓氣體的混合燃燒產(chǎn)生熱能，驅(qū)動微型渦輪發(fā)動機給飛行器供能。氫氣具有密度小和燃燒釋放能量高的特性，能夠為微型飛行器提供更高的推力和更高的功率。例如，美國麻省理工學(xué)院研制的僅有紐扣大小的微型渦輪發(fā)動機，可以達到極高的轉(zhuǎn)速和較輕的質(zhì)量。

太陽能為微型飛行器供能，可能會成為解決微型飛行器續(xù)航問題的方案之一。由于飛行器的工作環(huán)境通常為室外，可以充分利用太陽能為其供能，實現(xiàn)長續(xù)航的需求。

此外，隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，混合供能的方式也逐漸被應(yīng)用到微型飛行器領(lǐng)域。通過太陽能發(fā)電，將多余的電能儲存在鋰電池中，為微型飛行器提供能源保障。

盡管太陽能發(fā)電技術(shù)具有可持續(xù)的特點，但是由于微型飛行器的尺寸限制和能源轉(zhuǎn)化效率低的問題，飛行器的續(xù)航時間很難提高。

微型飛行器新突破，重量僅有4.21克，可持續(xù)飛行

2024年7月17日，中國科學(xué)家在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于超輕微型飛行器（CoulombFly）的研究工作，該飛行器的重量僅有4.21克，是目前最輕的太陽能驅(qū)動飛行器，并且可以在陽光下持續(xù)飛行。

研究成果發(fā)表于《自然》雜志

（圖片來源：《自然》雜志）

該超輕微型飛行器主要由靜電驅(qū)動推進系統(tǒng)和超輕千伏電力系統(tǒng)組成，這也是其可以實現(xiàn)持續(xù)飛行的關(guān)鍵。

強大的動力系統(tǒng)：靜電驅(qū)動推進系統(tǒng)由一個靜電電機和螺旋槳組成。靜電電機是利用靜電（不流動電荷，由摩擦、接觸或感應(yīng)而產(chǎn)生）作為能量源進行電能和機械能轉(zhuǎn)換的裝置。其工作原理是，當(dāng)高壓直流電施加到靜電電機的電極板上時，電機內(nèi)部會產(chǎn)生高壓電場，在電場的作用下，電機的葉片發(fā)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，從而帶動螺旋槳的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動飛行器升空。

超輕微型飛行器；b.飛行測試系統(tǒng)中的飛行器；c.飛行器暴露在陽光下的起飛和持續(xù)飛行過程

（圖片來源：參考文獻1）

超輕的供電系統(tǒng)：超輕千伏電力系統(tǒng)由高壓功率轉(zhuǎn)換器和太陽能電池組成。太陽能電池可以在自然光下產(chǎn)生低壓直流電源，但是低壓直流電源無法直接驅(qū)動電機。因此，研究者設(shè)計了一種高壓功率轉(zhuǎn)換裝置，該轉(zhuǎn)換器可以將4.5伏的低壓直流電轉(zhuǎn)換成4000-9000伏的高壓電，以滿足靜電電機的工作需求。

此外，該超輕千伏電力系統(tǒng)的重量僅為1.13克，電壓與質(zhì)量比為7.09千伏每克，遠遠高于目前最輕的千伏高壓發(fā)電機。

a.高壓功率轉(zhuǎn)化器和太陽能電池；b.高壓功率轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計圖；c.高壓功率轉(zhuǎn)換器輸出電壓與頻率關(guān)系圖；d.功率轉(zhuǎn)換效率曲線

（圖片來源：參考文獻1）

實驗結(jié)果表明，重量僅有4.21克的微型飛行器，能耗低至0.568瓦。該飛行器在自然光條件下測試1h，性能幾乎無衰減，并且可以持續(xù)飛行。

此外，該微型飛行器在8.5kV的電壓下可以具有5.8克的升力，減去自身的重量，還可以額外負載1.59克，可攜帶輕型致動器、傳感器和控制電子設(shè)備，未來可實現(xiàn)自主操作。

微型飛行器的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？

民用領(lǐng)域：微型飛行器可用于氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測以及自然災(zāi)害監(jiān)測等，為環(huán)境保護和災(zāi)害預(yù)警提供重要數(shù)據(jù)。在山林地帶、地震災(zāi)區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，微型飛行器可以搜尋迷失人員或傷員，為搜救行動提供指引。

微型飛行器具有高機動性和靈活性，未來還有望應(yīng)用于地形測繪和空中攝影等。

無人機噴灑農(nóng)藥

（圖片來源：veer圖庫）

結(jié)語

隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的不斷拓展，微型飛行器的發(fā)展前景將更加廣闊。我們有理由相信，未來微型飛行器將會以更加智能、更加靈活、更加高效的面貌，出現(xiàn)在我們生活的每一個角落，為我們創(chuàng)造更加安全、便捷、美好的生活環(huán)境。

參考文獻：

1.Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et 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,宋筆鋒,宋海龍.微型飛行器的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].飛行力學(xué), 2003.

4.岳基隆,張慶杰,朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關(guān)鍵技術(shù)淺析[J].電光與控制, 2010.