近日，中国科学家自主研发成功世界上迄今最轻、最小的太阳光驱动微型飞行器——静电飞行器(CoulombFly)。
 

这是飞行器领域中国科学家自主研发成果首次在顶刊《nature》发表！顶刊《Science》也在官网首页推荐了这项成果。

该项研究成果来自北京航空航天大学（以下简称“北航”）能源与动力工程学院的研究团队，该飞行器翼展20cm，重4.21g，由一种新型静电电机作为发动机核心，实现了在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。这一突破极大地拓展了微型飞行器的使用范围，对微型飞行器的发展进程具有里程碑意义。    

▍微型飞行器的现状与挑战

微型飞行器，这个听起来充满科幻色彩的名字，实际上已经在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。它们凭借小巧的身形、轻盈的体态以及高超的机动性，能够在狭小、复杂的环境中执行各种特殊任务，如环境监测、目标跟踪、灾害救援等。在军事领域，微型飞行器更是成为侦察、干扰和打击的重要工具。

然而，微型飞行器的发展并非一帆风顺。一个长期困扰着科研人员的难题就是飞行时间。由于体积和重量的限制，微型飞行器很难携带足够的能源来支持长时间的飞行。尤其是当飞行器的重量降至10克以下时，其飞行时间往往不超过10分钟，这极大地限制了它们的应用范围。

问题的根源在于传统的电磁电机。这种电机在微型化后，由于转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，甚至降至10%以下。即使采用太阳能作为能源，受限于太阳能电池的面积，也无法满足微型飞行器的飞行需求。因此，寻找一种更高效、更轻便的驱动方式，成为了微型飞行器领域亟待解决的难题。

▍北航科研团队的突破与创新  

此前，该领域的最高水平成果是哈佛大学于2019年在《自然》上发表的Robobee飞行器，但其持续飞行仍需依赖人工光源（三倍太阳光）。而北航的CoulombFly则完全依靠自然光供能，这一突破极大地拓展了微型飞行器的使用范围，对微型飞行器的发展进程具有里程碑意义。

静电飞行器CoulombFly

静电飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行

静电电机的颠覆性设计

CoulombFly的核心在于其独特的静电电机设计。这种电机依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动，无需传统电机的绕组结构，从而大大简化了电机的结构并降低了制造成本。同时，静电电机的高电压（千伏级）、低电流（微安级）工作特性，使其在工作过程中发热少且无明显红外特征，有效提高了能量转化效率并降低了能耗。

相比传统电磁电机，静电电机在微小尺寸下表现出了颠覆式的效率和功耗特性。在小质量（5克以内）情况下，其能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10以内。这一优势使得静电电机在微型飞行器领域具有广泛的应用前景。   

超轻质高压电源的创新

然而，静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需千伏级高压电流来驱动。传统高压电源由于体积和重量过大，无法搭载在微型飞行器上。为此，北航科研团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源。这一电源主要包括太阳能电池和升压电路两部分。其中，升压电路可以在极小的重量（1.21克）下，将太阳能（或锂电池）输入的低压直流电转换为4-9千伏的高压直流电。相比美国斯坦福大学研发的同类技术，该升压电路的升压比提高了92%，使得高压电流在微小尺度下变得易于获取。

整机设计的极致优化

在静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机设计达到了极致的优化，仅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一张A4纸还轻（4.21克），尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。这一设计不仅极大地提高了飞行器的便携性和灵活性，更为其在狭小空间内的应用提供了可能。研究团队还创新性地推出了一款极致微小的静电飞行器，其翼展仅达8毫米，质量轻至9毫克，且在飞行过程中消耗的功率不足1毫瓦。这一成果深刻彰显了静电电机技术在推动飞行器向更高微型化水平发展中所蕴含的巨大潜力。   

▍从梦想走向现实的探索之旅  

CoulombFly的成功并非一蹴而就，它背后是北航科研团队十几年的不懈努力和坚持。故事的起点可以追溯到闫晓军教授在实验室中偶然发现的微梁静电颤振现象。凭借专业直觉，他认识到这一现象可能应用于微型飞行器的动力与推进系统。当时还是博士生的漆明净教授立刻从涡轮叶片疲劳转到此方向，围绕新现象开展了大量的微型机器人动力与推进问题研究。

研究过程中，研究团队曾面临跨越力学、电学、控制学和机器人学等多个学科的挑战，同时还要克服设备和经验不足的困难。但团队成员始终保持热情，坚持不懈地探索静电飞行器的可能性。

漆明净教授留校任教后，继续带领学生深入研究静电应用。在博士生申威（静电电机研发）和彭谨哲（升压系统研发）的共同努力下，团队取得了重大突破。这项研究成果不仅登上了Nature的封面，还引起了Science的关注，展示了其在国际学术界的重要影响。   

据悉，北京航空航天大学顺应科技发展趋势，统筹优化学科设置，在动力工程及工程热物理一级学科下增设了航空电推进与智能控制方向。学校还在能源与动力工程学院新设了电推进系，并开设了空天智能电推进技术本科专业。

电推进系采取了教育、科技、人才一体化发展的策略，强调学科、平台、团队的一体化建设。他们建立了学术导师引领的科研课堂-暑期科研-课程设计-毕业设计全链条、一体化科研训练体系。今年以来，电推进系在《Nature》、《Nature Communications》等顶级期刊发表了多篇高水平论文。此外，他们还成功研发并首飞了推进/冷却融合设计的氢能全电航空发动机北航氢动一号，推动了新型工业化的发展。

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