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純自然光供能即可持續(xù)飛行!我國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出太陽(yáng)能動(dòng)力微型無(wú)人機(jī)
最后更新: 2024-07-19 07:58:33據(jù)北京航空航天大學(xué)微信公眾號(hào)18日消息,北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的新型靜電電機(jī),成功研制出僅重4.21克的太陽(yáng)能動(dòng)力微型無(wú)人機(jī),實(shí)現(xiàn)純自然光供能下的持續(xù)飛行。相關(guān)成果7月18日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院漆明凈、閆曉軍等在飛行器領(lǐng)域的最新研究論文:“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。論文系統(tǒng)闡述了由北航研制的靜電飛行器“CoulombFly”(Coulomb意為庫(kù)侖,是電荷單位)。該飛行器翼展20cm,重4.21g,由一種新型靜電電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心,實(shí)現(xiàn)了在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。該項(xiàng)研究成果由北航科研團(tuán)隊(duì)完全自主研發(fā),未來(lái)將大幅增加微型飛行器的飛行時(shí)長(zhǎng),拓展其應(yīng)用范圍。
北航科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的太陽(yáng)能動(dòng)力微型無(wú)人機(jī) 新華社發(fā)
微型飛行器得益于小體積、輕質(zhì)量、高機(jī)動(dòng)等特點(diǎn),能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測(cè)和運(yùn)輸?shù)忍胤N任務(wù),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。然而此類飛行器普遍存在飛行時(shí)間短的痛點(diǎn)問(wèn)題,尤其當(dāng)重量小于10克時(shí),其飛行時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。究其原因,目前微型飛行器一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件,電磁電機(jī)在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大,能量轉(zhuǎn)化效率急劇下降,甚至降到10%以下。微型電磁電機(jī)效率下降后,如果采用供電方便的自然太陽(yáng)光作為能量來(lái)源,受限于太陽(yáng)能電池的面積,很難滿足飛行需求。
為了解決上述難題,北航科研團(tuán)隊(duì)從微型發(fā)動(dòng)機(jī)的原理方面尋求突破,提出一種新的靜電驅(qū)動(dòng)方案,研制在微小尺寸下轉(zhuǎn)速低、發(fā)熱小、效率高的微型靜電電機(jī),并成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發(fā)動(dòng)機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源組成,具備低功耗(0.568瓦)和高升力(30.7克每瓦)優(yōu)勢(shì),首次實(shí)現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。
靜電發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是靜電電機(jī),它是一種依靠靜子和轉(zhuǎn)子間的庫(kù)侖力(Coulomb force)來(lái)產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型微型電機(jī),具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)需繞組的優(yōu)勢(shì),其高電壓(千伏級(jí))、低電流(微安級(jí))的工作特性也使其在工作過(guò)程中發(fā)熱少且無(wú)明顯紅外特征。相比傳統(tǒng)電磁電機(jī),靜電電機(jī)表現(xiàn)出了顛覆式的效率和功耗特性,在小質(zhì)量(5克以內(nèi))情況下,其能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍以上,產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機(jī)的1/10以內(nèi),因此即便采用小尺寸太陽(yáng)能電池,也可以為微型飛行器提供飛行所需功率。
靜電電機(jī)雖然效率高、功耗低,但仍需要千伏級(jí)高壓電流來(lái)驅(qū)動(dòng),然而傳統(tǒng)高壓電源由于體積和重量過(guò)大,無(wú)法搭載在微型飛行器上。因此團(tuán)隊(duì)還針對(duì)飛行應(yīng)用場(chǎng)景,研制了千伏級(jí)超輕質(zhì)高壓電源,主要包括太陽(yáng)能電池和升壓電路兩部分,其中升壓電路可以在1.21克的重量下,將太陽(yáng)能(或鋰電池)輸入的低壓直流電,轉(zhuǎn)換為4 - 9千伏的高壓直流電,相比美國(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)的同類技術(shù)升壓比提高了92%,這讓高壓電流在微小尺度下不再那么難以獲取。
在微型靜電電機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源的助力下,CoulombFly的整機(jī)僅有巴掌大小(翼展20厘米),重量比一張A4紙還輕(4.21克),尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕太陽(yáng)能飛行器的1/10和1/600。更進(jìn)一步,團(tuán)隊(duì)還提出一款翼展8毫米,質(zhì)量9毫克的超微型靜電飛行器,飛行功耗不到1毫瓦,展示了靜電電機(jī)在飛行器進(jìn)一步微型化中的巨大潛力。
在本成果之前,此領(lǐng)域的最高水平成果是哈佛大學(xué)2019年在Nature發(fā)表的Robobee飛行器,但仍需采用人工光源(三倍太陽(yáng)光)才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行,而本成果僅依靠自然光即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行,可極大拓展此類飛行器的使用范圍,在微型飛行器的發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑意義。
- 責(zé)任編輯: 范維 
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