中国科学家突破超轻微型飞行器研究：世界最轻最小

本文转自：人民网-科普中国

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。

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。它们不仅具备传统飞行器的飞行能力，还具有微小的体积和敏捷的灵活性，在军事、民用等多个领域展现出巨大的应用潜力。

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。目前，微型飞行器的供能系统主要来自锂电池、氢燃料、太阳能等。

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，该飞行器的重量仅有4.21克，是目前最轻的太阳能驱动飞行器，可以在阳光下持续飞行。

该超轻微型飞行器主要由静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。该装置的工作原理是，当高压直流电施加到静电电机的电极板，电机内部会产生高压电场，在电场作用下，电机的叶片发生连续旋转，带动螺旋桨转动，驱动飞行器升空。

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。

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，研究者设计了一种高压功率转换器，可以将4.5伏的低压直流电转换成4000伏-9000伏的高压电，以满足静电电机的工作需求。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。

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。

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。

作者：物理化学博士石畅