最新研究成果
北航研制新原理发动机
自然光即可实现持续飞行的
静电飞行器
北航能源与动力工程学院
漆明净、闫晓军等
相关成果以Article形式
在线发表于《Nature》杂志
并同时获Nature和Science首页推荐
北京航空航天大学能源与动力工程学院漆明净、闫晓军等在飞行器领域的最新研究论文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。论文系统阐述了由北航研制的静电飞行器“CoulombFly”（Coulomb意为库仑，是电荷单位）。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。该项研究成果由北航科研团队完全自主研发，未来将大幅增加微型飞行器的飞行时长，拓展其应用范围。
第一作者
通讯作者
第一 (唯一)
完成单位
申 威 博士研究生
彭谨哲 博士研究生
漆明净 教授
闫晓军 教授
北京航空航天大学
能源与动力工程学院
微型飞行器得益于小体积、轻质量、高机动等特点，能够在狭小空间执行拍照、探测和运输等特种任务，在国民经济领域拥有广泛应用前景。然而此类飞行器普遍存在飞行时间短的痛点问题，尤其当重量小于10克时，其飞行时间一般不超过10分钟。究其原因，目前微型飞行器一般采用传统的电磁电机作为发动机的驱动部件，电磁电机在微型化后转速高、发热大，能量转化效率急剧下降，甚至降到10%以下。微型电磁电机效率下降后，如果采用供电方便的自然太阳光作为能量来源，受限于太阳能电池的面积，很难满足飞行需求。
为了解决上述难题，北航科研团队从微型发动机的原理方面寻求突破，提出一种新的静电驱动方案，研制在微小尺寸下转速低、发热小、效率高的微型静电电机，并成功试飞静电飞行器“CoulombFly”。该飞行器主要由静电发动机和超轻质高压电源组成，具备低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）优势，首次实现了微型飞行器在纯自然光供能下的起飞和持续飞行。
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
静电发动机的核心是静电电机，它是一种依靠静子和转子间的库仑力（Coulomb force）来产生连续旋转运动的新型微型电机，具备结构简单和无需绕组的优势，其高电压（千伏级）、低电流（微安级）的工作特性也使其在工作过程中发热少且无明显红外特征。相比传统电磁电机，静电电机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，因此即便采用小尺寸太阳能电池，也可以为微型飞行器提供飞行所需功率。
静电电机的结构设计和效率特性
静电电机虽然效率高、功耗低，但仍需要千伏级高压电流来驱动，然而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。因此团队还针对飞行应用场景，研制了千伏级超轻质高压电源，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1.21克的重量下，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升压比提高了92%，这让高压电流在微小尺度下不再那么难以获取。
千伏级超轻质高压电源的构型与性能
在微型静电电机和超轻质高压电源的助力下，CoulombFly的整机仅有巴掌大小（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。更进一步，团队还提出一款翼展8毫米，质量9毫克的超微型静电飞行器，飞行功耗不到1毫瓦，展示了静电电机在飞行器进一步微型化中的巨大潜力。
现有太阳能飞行器参数对比和超微型静电飞行器构型
在本成果之前，此领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发表的Robobee飞行器，但仍需采用人工光源（三倍太阳光）才能实现持续飞行，而本成果仅依靠自然光即可实现持续飞行，可极大拓展此类飞行器的使用范围，在微型飞行器的发展进程中具有里程碑意义。
团队微型飞行器相关研究可追溯到15年前闫晓军教授在实验室中发现的微梁静电颤振现象，发动机专业毕业的闫教授敏锐地感觉到该现象可能用于微型飞行器的动力与推进，当时是博士生的漆明净教授便立刻从涡轮叶片疲劳转到此方向，围绕新现象开展大量的微型机器人动力与推进问题研究。虽然研究跨了力学、电学、控制学和机器人等多个学科，同时也面临缺设备、缺经验的情况，但团队成员依然在静电飞行器的道路上不断地努力和坚持。漆明净教授在留校任教后，仍然带学生一心一意研究静电，终于在申威（研发静电电机）和彭谨哲（研发升压系统）两个博士生的共同努力下取得了突破性进展，同时两个博士生也达成了第一篇论文就发Nature的亮眼成绩！团队上下三代人，怀着对科学的热爱和兴趣，坚持十几年在静电驱动领域深入研究，最终将静电驱动原理用于微型飞行器，也是践行北航人“空天报国”、动力人“自强中国心”精神的生动体现。
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作为成果唯一完成单位，北京航空航天大学近年来顺应空天领域科技发展新趋势，统筹优化学科专业设置，在动力工程及工程热物理一级学科下，凝练航空电推进与智能控制学科方向，在能源与动力工程学院新设电推进系，并牵头增设空天智能电推进技术本科专业。电推进系在学科专业建设中坚定不移践行教育、科技、人才一体化发展，学科、平台、团队一体化建设，教学、科研、思政一体化推进，同时强化力学、电学、控制、人工智能等学科交叉，形成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，今年以来已连续在《Nature》《Nature Communications》等国际顶级综合性期刊发表高水平论文3篇，自主研发推进/冷却融合设计的氢能全电航空发动机北航氢动一号并成功首飞，助力学校加快发展新质生产力，开创新型工业化发展新局面。
“北航氢动一号”全电航空发动机
原文始发于微信公众号（北京航空航天大学）：今天，《Nature》刊发北航重磅成果！Nature、Science首页共同推荐！
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