出品：科普中國
作者：石暢（物理化學博士）
監制：中國科普博覽
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說到飛行器，大家腦海中浮現的可能是龐大的飛機或是在旅行中為我們拍攝美麗照片的無人機。無人機在我們生活中出現的頻率越來越高，小巧的外形搭配高清攝像頭，逐漸成為廣大攝影愛好者的出片“神奇”。但是你知道嗎，目前最輕的飛行器重量僅有幾克，是無人機重量的幾百分之一，并且可以達到幾十分鐘的續航能力。
無人機
（圖片來源：veer圖庫）
微型飛行器，低空飛行的新秀
微型飛行器（Micro Aerial Vehicles, MAVs）是一種尺寸極小（不超過50厘米）、重量極輕（不超過100克）的飛行器，通常被用于在復雜環境中執行偵察、監測、通信等任務。它們不僅具備傳統飛行器的飛行能力，而且還具有微小的體積和靈活性，在軍事、民用等多個領域展現出巨大的應用潛力。
能量的供給在微型飛行器中至關重要，由于尺寸和重量的限制，微型飛行器對電池的要求極高。目前，微型飛行器的供能系統主要有鋰電池、氫燃料、太陽能等。
太陽能電池板
（圖片來源：veer圖庫）
鋰電池是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源。它具有能量密度高、重量輕的特點，非常適合用于需要長時間續航和輕便設計的微型飛行器。
氫燃料可以通過與高壓氣體的混合燃燒產生熱能，驅動微型渦輪發動機給飛行器供能。氫氣具有密度小和燃燒釋放能量高的特性，能夠為微型飛行器提供更高的推力和更高的功率。例如，美國麻省理工學院研制的僅有紐扣大小的微型渦輪發動機，可以達到極高的轉速和較輕的質量。
太陽能為微型飛行器供能，可能會成為解決微型飛行器續航問題的方案之一。由于飛行器的工作環境通常為室外，可以充分利用太陽能為其供能，實現長續航的需求。
此外，隨著太陽能發電技術的發展，混合供能的方式也逐漸被應用到微型飛行器領域。通過太陽能發電，將多余的電能儲存在鋰電池中，為微型飛行器提供能源保障。
盡管太陽能發電技術具有可持續的特點，但是由于微型飛行器的尺寸限制和能源轉化效率低的問題，飛行器的續航時間很難提高。
微型飛行器新突破，重量僅有4.21克，可持續飛行
2024年7月17日，中國科學家在《自然》（Nature）雜志上發表了一篇關于超輕微型飛行器（CoulombFly）的研究工作，該飛行器的重量僅有4.21克，是目前最輕的太陽能驅動飛行器，并且可以在陽光下持續飛行。
研究成果發表于《自然》雜志
（圖片來源：《自然》雜志）
該超輕微型飛行器主要由靜電驅動推進系統和超輕千伏電力系統組成，這也是其可以實現持續飛行的關鍵。
強大的動力系統：靜電驅動推進系統由一個靜電電機和螺旋槳組成。靜電電機是利用靜電（不流動電荷，由摩擦、接觸或感應而產生）作為能量源進行電能和機械能轉換的裝置。其工作原理是，當高壓直流電施加到靜電電機的電極板上時，電機內部會產生高壓電場，在電場的作用下，電機的葉片發生連續的旋轉，從而帶動螺旋槳的轉動，驅動飛行器升空。
超輕微型飛行器；b.飛行測試系統中的飛行器；c.飛行器暴露在陽光下的起飛和持續飛行過程
（圖片來源：參考文獻1）
超輕的供電系統：超輕千伏電力系統由高壓功率轉換器和太陽能電池組成。太陽能電池可以在自然光下產生低壓直流電源，但是低壓直流電源無法直接驅動電機。因此，研究者設計了一種高壓功率轉換裝置，該轉換器可以將4.5伏的低壓直流電轉換成4000-9000伏的高壓電，以滿足靜電電機的工作需求。
此外，該超輕千伏電力系統的重量僅為1.13克，電壓與質量比為7.09千伏每克，遠遠高于目前最輕的千伏高壓發電機。
a.高壓功率轉化器和太陽能電池；b.高壓功率轉換器的電路設計圖；c.高壓功率轉換器輸出電壓與頻率關系圖；d.功率轉換效率曲線
（圖片來源：參考文獻1）
實驗結果表明，重量僅有4.21克的微型飛行器，能耗低至0.568瓦。該飛行器在自然光條件下測試1h，性能幾乎無衰減，并且可以持續飛行。
此外，該微型飛行器在8.5kV的電壓下可以具有5.8克的升力，減去自身的重量，還可以額外負載1.59克，可攜帶輕型致動器、傳感器和控制電子設備，未來可實現自主操作。
微型飛行器的應用領域有哪些？
民用領域：微型飛行器可用于氣象監測、環境監測、海洋監測以及自然災害監測等，為環境保護和災害預警提供重要數據。在山林地帶、地震災區等復雜環境中，微型飛行器可以搜尋迷失人員或傷員，為搜救行動提供指引。
微型飛行器具有高機動性和靈活性，未來還有望應用于地形測繪和空中攝影等。
無人機噴灑農藥
（圖片來源：veer圖庫）
結語
隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，微型飛行器的發展前景將更加廣闊。我們有理由相信，未來微型飛行器將會以更加智能、更加靈活、更加高效的面貌，出現在我們生活的每一個角落，為我們創造更加安全、便捷、美好的生活環境。
參考文獻：
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