北航自主研发静电电机,助力太阳能微型无人机持续飞行

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太阳能无人机并非新鲜事,但如何驱动微型无人机却一直是业界"硬骨头"。近日,北京航空航天大学的一项新突破,或许为这一难题找到了破解之道。该校科研团队自主研发出新型静电电机,成功助力仅重4.21克的微型无人机实现纯太阳能供电持续飞行。这一创新性成果,已于7月18日登上国际权威学术期刊《自然》。这只"蜻蜓"虽小,蕴含的科研实力却不容小觑。
微型无人机,大有可为

提起无人机,你脑海中浮现的也许是大疆、亚马逊这些商用或工业级的飞行器。它们体型较大,动辄数公斤甚至数十公斤,飞行时间动力十足。而微型无人机,顾名思义,是一类体型极小、重量极轻的特殊飞行器。它们质量一般在数克到数十克,翼展不足20厘米,堪比昆虫or蜂鸟。

别看微型无人机个头不大,应用前景却不可限量。它们体积小、隐蔽性强,可以执行狭小空间的侦察、搜救等特殊任务。在反恐、抢险、考古、生态监测等领域大有可为。更重要的是,这类"蜻蜓级"飞行器更接近自然界昆虫的飞行模式,对研究生物飞行机理、仿生学设计有重要价值。可以说,微型无人机代表了无人机技术的新高度,受到学界、业界的高度关注。
太阳能驱动,难上加难

然而,要实现微型无人机的可控飞行,并非易事。最大的挑战来自动力系统。大家知道,常规电池虽然能量密度高,但本身质量也不轻,搭载在克级飞行器上无异于"羸弱老马拉重车",航时难以保障。故而,太阳能电池成为微型无人机的"首选动力"。

可问题是,太阳能要驱动微型无人机,谈何容易?首先,光伏电池本身转化效率就不高,要把宝贵的电能悉数转化为推进动力,对电机效率提出了极高要求。再者,电机转速过高,发热量大,会严重影响微型飞行器的空气动力学性能。更别提,在复杂气流环境下,还要对飞行器实现精准控制。总之,太阳能驱动微型无人机,难上加难。
静电驱动,开创新局

攻克难题,需要创新的突破口。北航科研团队另辟蹊径,首创性地提出了一种新型静电驱动方案。简单地说,就是利用静电力驱动电机,代替传统的电磁力。那静电力有什么过人之处呢?最突出的就是能量转化效率极高。漆明净教授打了个形象的比方:"这就像滑雪和骑车,静电力驱动就像滑雪,阻力小,能耗低;电磁力驱动则像骑车,阻力大,能耗高。"

基于静电驱动原理,团队攻关研制出一款微型静电电机,让太阳能驱动微型无人机成为可能。这款新型电机具有三大优势:一是转速低,可显著降低空气动力学损耗;二是温升小,最大程度减少热量损耗;三是效率高,太阳能电池产生的电能可以高效转化为机械能。可以说,这款"袖珍"电机让太阳能在微型飞行器上"物尽其用",是微型无人机动力系统的重大突破。
持续飞行,只争朝夕

基于自主研发的新型静电电机,北航团队成功研制出了一款太阳能微型无人机样机。这款"蜻蜓"仅重4.21克,翼展17.5厘米,机身覆盖了柔性太阳能电池膜。在自然光照射下,微型无人机成功实现了26次起飞、持续飞行和受控降落。这标志着太阳能微型无人机在纯自然光供能下的持续飞行成为现实。

漆明净表示,目前该无人机还处于实验阶段,后续团队将致力于进一步提升系统效率,优化飞行器设计,拓展其应用场景。未来有望实现微型无人机的自主决策、集群协同等功能,在侦察监视、通信中继、环境监测等领域发挥更大作用。展望未来,或许有一天,成百上千"蜻蜓"在蓝天翱翔,那将是怎样一番壮观景象?我们拭目以待。
结语

从螺旋桨到涡轮发动机,从太阳能到静电驱动,飞行器动力系统不断革新,人类征服蓝天的脚步愈发矫健。微型无人机,正以"蜻蜓"之姿,开启通天之门。你期待它为世界带来怎样的改变?欢迎留言聊聊~