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米测MeLab

2024-07-27

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

微型飞行器（MAV）由于具有小体积、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，在通信、环境救援和监控等领域拥有广泛应用前景。

关键问题

然而，微型飞行器的发展主要存在以下问题：

1、MAV的飞行时间受限是其广泛应用的重要障碍

现有的 MAV 存在续航时间短的问题。随着超轻型 MAV 尺寸的减小，这个问题更加严重，特别是重量不到10 克的MAV，它们的飞行时间通常不到10 分钟。

2、尚未实现完全由自然阳光驱动的MAV无束缚持续飞行

太阳能是提高超轻型MAV飞行时间的潜在替代方案，但由于飞行器的有效载荷能力有限以及传统推进系统的升力功率效率低，目前研究尚未实现完全由自然阳光驱动的MAV无束缚持续飞行。    

新思路

有鉴于此，北京航空航天大学漆明净、闫晓军等人开发了一种名为CoulombFly的静电飞行器，由升力功率效率高达30.7 g W^-1的静电驱动推进系统和功耗仅为0.568 W的超轻千伏电源系统组成，可在自然阳光条件下（920 W m^-2）实现MAV的太阳能持续飞行。该飞行器总质量仅为4.21克，是目前最轻太阳能飞行器的1/600。

技术方案：

1、进行了太阳能飞行测试

作者开发了一种4.21克的超轻型太阳能微型飞行器CoulombFly，通过静电驱动推进系统和高压电源系统实现阳光供电下的持续飞行。

2、开发了静电驱动推进系统

作者设计了一种新型静电电机用于推进系统，具有高扭矩、低功耗和高升力功率效率。

3、开发了超轻千伏电力系统    

为了满足静电马达的高电压和低电流要求，作者设计了一套超轻2.09g的千伏电源系统，具有效率高，可调输出电压，满足飞行器需求的优势。

4、将飞行器尺寸与现有作品进行比较

通过与现有作品进行比较，证实了本工作研发的超轻太阳能飞行器，采用静电驱动，效率极高，小型化原型飞行表现优异。

技术优势：

1、开发了目前最小、最轻的超轻型太阳能微型飞行器

作者开发了一种名为CoulombFly的超轻型太阳能微型飞行器，总重量仅为4.21g，能够在自然阳光下实现无束缚的持续飞行，展示了完全由阳光驱动的微型飞行器的持续飞行能力。

2、显著提高升力-功率效率的同时实现了飞行器尺寸和重量的大幅减小

作者设计了一种用于无束缚飞行的静电电机和一种高压功率转换器（HVPC），能够在极轻的重量下产生高达9 kV的输出电压，显著提升了升力-功率效率，同时将飞行器尺寸和重量大幅减小至厘米级和克级。

技术细节

飞行器设计和太阳能飞行测试

作者成功开发了一种4.21克的超轻型太阳能微型飞行器CoulombFly，该飞行器利用静电驱动推进系统和超轻型千伏电源系统实现阳光供电下的持续飞行。太阳能电池在自然阳光下产生低压直流电压，通过高压功率转换器(HVPC)转换为高压直流电压，驱动静电电动机产生升力。飞行测试在北京晴朗天气下进行，飞行器在移除遮阳板后迅速起飞并保持稳定飞行。测试结果表明，静电电机功耗为0.137W，升力-功率效率高达30.7gW^-1，整个系统功耗为0.568W，总升力-功率效率为7.6gW^-1，证明了其高效能源利用和飞行稳定性。    

图  集成飞行器及其太阳能持续飞行操作

静电驱动推进系统

作者设计了一种新型静电电机，用于微机电系统（MEMS）中的传感器和飞行器推进，以实现1.52g质量内的高扭矩和低功耗。该电机由碳纤维叶片和铝箔制成的转子，以及由碳纤维骨架和铝箔制成的定子组成。通过电刷和电极进行电荷转移，实现高扭矩和低功耗。该电机能保持恒定扭矩并自动调节速度，适用于推进系统。实验表明，其升力功率效率高达43.3 g W^-1，功耗低，且在长时间运行后温度稳定。根据现有超轻型飞行器总升力功率效率比较，本飞行器的升力功率效率是其他非系留微型飞行器的2-3倍。   

图  静电驱动推进系统结构设计、工作原理及输出特性

超轻千伏电力系统

为了满足静电马达的高电压和低电流要求，作者设计了一套超轻2.09g的千伏电源系统，包含两块高功率密度太阳能电池和一台HVPC。太阳能电池由砷化镓薄膜制成，效率达30%。HVPC采用12级Cockcroft-Walton电压倍增器，实现高电压增益和低功耗。系统在86 kHz和0.2占空比下输出9.0 kV，功率转换效率为24.1%。通过调整负载电阻和开关频率，HVPC的效率可从15%提升至58%，满足飞行器不同动作的电压需求。    

图  超轻千伏电力系统拓扑结构及特性曲线

飞行器尺寸比较与小型化

本工作开发的太阳能飞行器是目前最轻最小的，尺寸和质量分别是现有最小太阳能四轴飞行器的1/10和1/600。采用静电驱动推进系统，升力功率效率是传统方法的两到三倍，实现了阳光驱动持续飞行。作者还展示了小型化原型（8 mm，9 mg）的系留飞行，起飞转速为10,860 rpm，最大转速为15,650 rpm，功耗0.97 mW，升力功率效率高达9.2 g W^-1，是其他系留微型飞行器的两倍多。制造工艺和飞行器刚度是进一步小型化和大型化的主要限制因素。    

图  飞行器尺寸比较与小型化

展望

总之，作者通过系统级设计探索，集成了静电驱动推进系统、超轻 HVPC 和高功率密度太阳能电池，以演示 4.21 g 超轻飞行器的太阳能持续飞行。当前系统测得的最大升力为5.8 g，电压为8.5 kV，额外有效载荷能力约为1.59 g，可携带额外的轻型执行器、传感器和控制电子设备，以供未来自主操作。太阳能持续飞行演示代表了开发长飞行时间 MAV 的重要里程碑。利用静电驱动推进系统进行飞行是 MAV 和纳米飞行器的一种创新有效的方法，为飞行器设计提供了另一种选择。该系统可以大大提高 MAV 的续航能力，从而扩大其未来的潜在应用，例如长距离和长时间的空中侦察。

参考文献：

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