比A4纸还要轻!北航科研团队研发新型无人机,重量只有4.21克
#长文创作激励计划#北京航空航天大学最近公布了一项研究:比纸还轻的无人机,一张A4纸重4.63克,而这架无人机全部重量才有4.21克。
更让人惊喜的是,它的驱动电机和以往的所有电机都不相同!
这样的无人机到底能做什么呢?它那么轻,飞行的能量又是哪里来的?
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比纸还轻的无人机
消息来自于前几天国际学术期刊《自然》发表的一篇文章,这篇文章展示了北京航空航天大学能源与动力工程学院,最新研究成果——用太阳能供电的超轻无人机。
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据悉,这架无人机的最大特点就是“轻”,全部重量仅有4.21克,而一张A4纸也有4.63克,也就说明这架无人机的重量要比A4只还轻,并且这个重量还包含了动力源、发动机、螺旋桨等所有零部件。
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不过这架无人机的外貌,和人们熟知的无人机还是有一定的差别,它的电动机并没有传统电动机的线圈、齿轮等结构部件,取而代之的,是一片片轻薄的电极板,整体看上去就像灯笼一样。
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虽然和人们传统印象中的电机有差别,但是只要给它通上电,它也同样能够转起来。再加上同样是轻薄材质的螺旋桨,这架无人机就能实现垂直飞行。
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那么这种类型的电机究竟是如何运转的?为何如此与众不同?
这种电机如何运转?
据研究人员介绍,他们设计的这种轻薄型电机叫做“静电电机”。顾名思义,它运转靠的是身边常见的静电。
这种电机虽然没有了传统电机的线圈,但是周围的电极片就是它的核心所在,因为在通电之后,它们都会携带静电。
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我们知道在“电磁”的世界里有“同极相斥,异极相吸”的原则,传统的电机依靠的是这个原理,这里的“静电电机”也是利用了这个原理。
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在通电之后,相邻的两个电极片带有完全相反的电荷,中间运动的电极片会被右侧的电极片排斥、被左侧的电极片吸引,如此循环往复,最终转动起来。
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据研究人员介绍,和传统电磁电机相比,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,它的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。
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也就是因为有这样的优势,所以即便采用小尺寸太阳能电池,也可以为它提供飞行所需动力来源。
此外,团队还针对飞行应用场景,研制了千伏级超轻质高压电源,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。站在技术的角度,其实要做到低压升高并不是什么难事,但是能够把升压电路做到如此轻薄,绝对属于高端技术。
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据介绍,他们设计的这套升压电路,要比美国斯坦福大学研发的同类升压比提高了92%。
看到这里,是不是感觉中国的科学家挺有创意的,然而早在2019年,哈佛大学就已经在《Nature》上发表过类似的飞行器,并且也同样依靠光能驱动。
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然而哈佛大学的这架飞行器,却需要人工光源才能动起来,因为它的能量转换效率并不是有多好,需要三倍的太阳光才能驱动起来,想来想去,也只能依靠人工光源才能达到这样的效果。
但其实不管是国内还是国外,能够把无人机的重量做到这种极致,说明技术含量都非常高,但是不管技术有多么高,总是不免让人疑惑,这样又轻又薄的无人机有什么用?就算真的能飞起来,哪怕一阵微风都能把它吹翻,那么它的存在意义又是什么?
这种无人机有什么用?
按照官媒的解释,这种微型太阳能驱动无人机可以在自然光强度的照射下,实现发电、驱动、垂直飞行等一系列动作。它在应急救援、狭小空间探测等多种场景中有望发挥作用,具有广阔的实用价值。
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要把这种飞行器投入使用,抗风能力首先当然要考虑进去,像这种轻薄飞行器,很多人第一反应就是扛不住风力干扰,但其实目前市面上的很多飞行器也都是体积小、重量轻的,这种无人机从设计之初的方向就是要不容易被发现,但是他们在实际使用中,其实也不是一阵风就能吹翻的。
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同样的道理放在这种轻薄的飞行器上也是一样,现在这种飞行器还处于实验研究阶段,要是真朝它吹一口气,它当然一吹就倒,但是如果技术成熟了,后面再配上了稳定的飞控系统,照样能够正常飞行。
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抬杠的人也许还会说,大风来了看它还怎么扛得住?按照现实来说,确实没把握,但是要是非得这么较劲,哪怕是现在市面上的各种类型的无人机,遇到大风都要受影响。凡是机器都有自己的承受范围,不可能十项全能。
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只要能够让这种轻便型的飞行器能够飞起来,并且还有稳定的飞控系统控制,其实这种无人机大有可为。很多人应该都能想到用来做侦察机,这种飞行器绝对一把好手,它就像竹蜻蜓一样无声无息,飘在头上都发现不了。
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但是话又说回来,其实站在技术人的角度来看,北航的这项研究重点不在飞行功能,而是在于“静电电机”技术。就像上文说的,这种电机不需要传统的电磁线圈,很多人应该不清楚这意味着什么?
就这么说,自从人类发明电动机之后,一直使用的基础原理都是电磁转换,也就是必须要通过缠绕线圈的方式建立磁场。虽然后来又多种类型的电机出现,但都离不开这个基础原理。
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但是静电电机打破了这个思维束缚,它不需要线圈,不需要电磁转换,并且电能到机械能的转换效率要比传统电机还高,这在某种程度上来说就是一种科技进步,这种技术一旦成熟,也会带来技术的革命。
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这一研究成果是世界上首款静电驱动的飞行器,同时实现了微型飞行器的太阳能驱动飞行,虽然目前的技术成果还需后续优化,但已经实现了革命式的创新,对外揭示了一种全新的驱动方式。
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