新型靜電飛行器
微型飛行器小體積、輕質(zhì)量、高機動,能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測和運輸?shù)忍胤N任務,在國民經(jīng)濟領(lǐng)域擁有廣泛應用前景。然而,此類飛行器普遍存在飛行時間短的痛點問題,尤其當重量小于10克時,其飛行時間一般不超過10分鐘。這是因為目前微型飛行器的發(fā)動機驅(qū)動部件一般采用傳統(tǒng)的電磁電機,而電磁電機在微型化后轉(zhuǎn)速高、發(fā)熱大,能量轉(zhuǎn)化效率急劇下降,甚至降到10%以下。微型電磁電機效率下降后,如果采用供電方便的自然太陽光作為能量來源,受限于太陽能電池的面積,很難滿足飛行需求。
為了解決上述難題,北航科研團隊從微型發(fā)動機的原理方面尋求突破,提出一種新的靜電驅(qū)動方案,研制出了在微小尺寸下轉(zhuǎn)速低、發(fā)熱小、效率高的微型靜電電機,并首次實現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行,在微型飛行器的發(fā)展進程中具有里程碑意義。
該飛行器主要由靜電發(fā)動機和超輕質(zhì)高壓電源組成,具備低功耗(0.568瓦)和高升力(30.7克每瓦)優(yōu)勢,首次實現(xiàn)了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。
靜電發(fā)動機的核心是靜電電機,它是一種依靠靜子和轉(zhuǎn)子間的庫侖力來產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的新型微型電機,具備結(jié)構(gòu)簡單和無需繞組的優(yōu)勢,其高電壓(千伏級)、低電流(微安級)的工作特性也使其在工作過程中發(fā)熱少且無明顯紅外特征。相比傳統(tǒng)電磁電機,靜電電機表現(xiàn)出了顛覆式的效率和功耗特性,在小質(zhì)量(5克以內(nèi))情況下,其能量轉(zhuǎn)化效率可達傳統(tǒng)電磁電機的10倍以上,產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機的1/10以內(nèi),因此即便采用小尺寸太陽能電池,也可以為微型飛行器提供飛行所需功率。
電機雖然效率高、功耗低,但仍需要千伏級高壓電流來驅(qū)動,然而傳統(tǒng)高壓電源由于體積和重量過大,無法搭載在微型飛行器上。因此團隊還針對飛行應用場景,研制了千伏級超輕質(zhì)高壓電源,主要包括太陽能電池和升壓電路兩部分,其中升壓電路可以在1.21克的重量下,將太陽能(或鋰電池)輸入的低壓直流電,轉(zhuǎn)換為4 - 9千伏的高壓直流電,相比美國斯坦福大學研發(fā)的同類技術(shù)升壓比提高了92%。
在微型靜電電機和超輕質(zhì)高壓電源的助力下,本項目研發(fā)出的飛行器整機僅有巴掌大小(翼展20厘米),重量比一張A4紙還輕(4.21克),尺寸和重量分別是此前世界最小、最輕太陽能飛行器的1/10和1/600。更進一步,團隊還提出一款翼展8毫米,質(zhì)量9毫克的超微型靜電飛行器,飛行功耗不到1毫瓦,展示了靜電電機在飛行器進一步微型化中的巨大潛力。
北京航空航天大學
2024-07-19