特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
微型飛行器（MAV）由于具有小體積、輕質量、高機動等特點，能夠在狹小空間執行拍照、探測和運輸等特種任務，在通信、環境救援和監控等領域擁有廣泛應用前景。
關鍵問題
然而，微型飛行器的發展主要存在以下問題：
1、MAV的飛行時間受限是其廣泛應用的重要障礙
現有的 MAV 存在續航時間短的問題。隨著超輕型 MAV 尺寸的減小，這個問題更加嚴重，特別是重量不到10 克的MAV，它們的飛行時間通常不到10 分鐘。
2、尚未實現完全由自然陽光驅動的MAV無束縛持續飛行
太陽能是提高超輕型MAV飛行時間的潛在替代方案，但由于飛行器的有效載荷能力有限以及傳統推進系統的升力功率效率低，目前研究尚未實現完全由自然陽光驅動的MAV無束縛持續飛行。
新思路
有鑒于此，北京航空航天大學漆明凈、閆曉軍等人開發了一種名為CoulombFly的靜電飛行器，由升力功率效率高達30.7 g W-1的靜電驅動推進系統和功耗僅為0.568 W的超輕千伏電源系統組成，可在自然陽光條件下（920 W m-2）實現MAV的太陽能持續飛行。該飛行器總質量僅為4.21克，是目前最輕太陽能飛行器的1/600。
技術方案：
1、進行了太陽能飛行測試
作者開發了一種4.21克的超輕型太陽能微型飛行器CoulombFly，通過靜電驅動推進系統和高壓電源系統實現陽光供電下的持續飛行。
2、開發了靜電驅動推進系統
作者設計了一種新型靜電電機用于推進系統，具有高扭矩、低功耗和高升力功率效率。
3、開發了超輕千伏電力系統
為了滿足靜電馬達的高電壓和低電流要求，作者設計了一套超輕2.09g的千伏電源系統，具有效率高，可調輸出電壓，滿足飛行器需求的優勢。
4、將飛行器尺寸與現有作品進行比較
通過與現有作品進行比較，證實了本工作研發的超輕太陽能飛行器，采用靜電驅動，效率極高，小型化原型飛行表現優異。
技術優勢：
1、開發了目前最小、最輕的超輕型太陽能微型飛行器
作者開發了一種名為CoulombFly的超輕型太陽能微型飛行器，總重量僅為4.21g，能夠在自然陽光下實現無束縛的持續飛行，展示了完全由陽光驅動的微型飛行器的持續飛行能力。
2、顯著提高升力-功率效率的同時實現了飛行器尺寸和重量的大幅減小
作者設計了一種用于無束縛飛行的靜電電機和一種高壓功率轉換器（HVPC），能夠在極輕的重量下產生高達9 kV的輸出電壓，顯著提升了升力-功率效率，同時將飛行器尺寸和重量大幅減小至厘米級和克級。
技術細節
飛行器設計和太陽能飛行測試
作者成功開發了一種4.21克的超輕型太陽能微型飛行器CoulombFly，該飛行器利用靜電驅動推進系統和超輕型千伏電源系統實現陽光供電下的持續飛行。太陽能電池在自然陽光下產生低壓直流電壓，通過高壓功率轉換器(HVPC)轉換為高壓直流電壓，驅動靜電電動機產生升力。飛行測試在北京晴朗天氣下進行，飛行器在移除遮陽板后迅速起飛并保持穩定飛行。測試結果表明，靜電電機功耗為0.137W，升力-功率效率高達30.7gW-1，整個系統功耗為0.568W，總升力-功率效率為7.6gW-1，證明了其高效能源利用和飛行穩定性。
圖 集成飛行器及其太陽能持續飛行操作
靜電驅動推進系統
作者設計了一種新型靜電電機，用于微機電系統（MEMS）中的傳感器和飛行器推進，以實現1.52g質量內的高扭矩和低功耗。該電機由碳纖維葉片和鋁箔制成的轉子，以及由碳纖維骨架和鋁箔制成的定子組成。通過電刷和電極進行電荷轉移，實現高扭矩和低功耗。該電機能保持恒定扭矩并自動調節速度，適用于推進系統。實驗表明，其升力功率效率高達43.3 g W-1，功耗低，且在長時間運行后溫度穩定。根據現有超輕型飛行器總升力功率效率比較，本飛行器的升力功率效率是其他非系留微型飛行器的2-3倍。
圖 靜電驅動推進系統結構設計、工作原理及輸出特性
超輕千伏電力系統
為了滿足靜電馬達的高電壓和低電流要求，作者設計了一套超輕2.09g的千伏電源系統，包含兩塊高功率密度太陽能電池和一臺HVPC。太陽能電池由砷化鎵薄膜制成，效率達30%。HVPC采用12級Cockcroft-Walton電壓倍增器，實現高電壓增益和低功耗。系統在86 kHz和0.2占空比下輸出9.0 kV，功率轉換效率為24.1%。通過調整負載電阻和開關頻率，HVPC的效率可從15%提升至58%，滿足飛行器不同動作的電壓需求。
圖 超輕千伏電力系統拓撲結構及特性曲線
飛行器尺寸比較與小型化
本工作開發的太陽能飛行器是目前最輕最小的，尺寸和質量分別是現有最小太陽能四軸飛行器的1/10和1/600。采用靜電驅動推進系統，升力功率效率是傳統方法的兩到三倍，實現了陽光驅動持續飛行。作者還展示了小型化原型（8 mm，9 mg）的系留飛行，起飛轉速為10,860 rpm，最大轉速為15,650 rpm，功耗0.97 mW，升力功率效率高達9.2 g W-1，是其他系留微型飛行器的兩倍多。制造工藝和飛行器剛度是進一步小型化和大型化的主要限制因素。
圖 飛行器尺寸比較與小型化
展望
總之，作者通過系統級設計探索，集成了靜電驅動推進系統、超輕 HVPC 和高功率密度太陽能電池，以演示 4.21 g 超輕飛行器的太陽能持續飛行。當前系統測得的最大升力為5.8 g，電壓為8.5 kV，額外有效載荷能力約為1.59 g，可攜帶額外的輕型執行器、傳感器和控制電子設備，以供未來自主操作。太陽能持續飛行演示代表了開發長飛行時間 MAV 的重要里程碑。利用靜電驅動推進系統進行飛行是 MAV 和納米飛行器的一種創新有效的方法，為飛行器設計提供了另一種選擇。該系統可以大大提高 MAV 的續航能力，從而擴大其未來的潛在應用，例如長距離和長時間的空中偵察。
參考文獻：
Shen, W., Peng, J., Ma, R. et al. Sunlight-powered sustained flight of an ultralight micro aerial vehicle. Nature 631, 537–543 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07609-4
