说到飞行器，大家脑海中浮现的可能是庞大的飞机或是在旅行中为我们拍摄美丽照片的无人机。无人机在我们生活中出现的频率越来越高，小巧的外形搭配高清摄像头，逐渐成为广大摄影爱好者的出片「神奇」。但是你知道吗，目前最轻的飞行器重量仅有几克，是无人机重量的几百分之一，并且可以达到几十分钟的续航能力。
无人机
（图片来源：veer图库）
微型飞行器，低空飞行的新秀
微型飞行器（Micro Aerial Vehicles, MAVs）是一种尺寸极小（不超过50厘米）、重量极轻（不超过100克）的飞行器，通常被用于在复杂环境中执行侦察、监测、通信等任务。它们不仅具备传统飞行器的飞行能力，而且还具有微小的体积和灵活性，在军事、民用等多个领域展现出巨大的应用潜力。
能量的供给在微型飞行器中至关重要，由于尺寸和重量的限制，微型飞行器对电池的要求极高。目前，微型飞行器的供能系统主要有锂电池、氢燃料、太阳能等。
太阳能电池板
（图片来源：veer图库）
锂电池 是目前微型飞行器中使用最为普遍的能源。它具有能量密度高、重量轻的特点，非常适合用于需要长时间续航和轻便设计的微型飞行器。
氢燃料 可以通过与高压气体的混合燃烧产生热能，驱动微型涡轮发动机给飞行器供能。氢气具有密度小和燃烧释放能量高的特性，能够为微型飞行器提供更高的推力和更高的功率。例如，美国麻省理工学院研制的仅有纽扣大小的微型涡轮发动机，可以达到极高的转速和较轻的质量。
太阳能 为微型飞行器供能，可能会成为解决微型飞行器续航问题的方案之一。由于飞行器的工作环境通常为室外，可以充分利用太阳能为其供能，实现长续航的需求。
此外，随着太阳能发电技术的发展， 混合供能的方式 也逐渐被应用到微型飞行器领域。通过太阳能发电，将多余的电能储存在锂电池中，为微型飞行器提供能源保障。
尽管太阳能发电技术具有可持续的特点，但是由于微型飞行器的尺寸限制和能源转化效率低的问题，飞行器的续航时间很难提高。
微型飞行器新突破，重量仅有4.21克，可持续飞行
2024年7月17日，中国科学家在【自然】（Nature）杂志上发表了一篇关于超轻微型飞行器（CoulombFly）的研究工作，该飞行器的重量仅有4.21克，是目前最轻的太阳能驱动飞行器，并且可以在阳光下持续飞行。
研究成果发表于【自然】杂志
（图片来源：【自然】杂志）
该超轻微型飞行器主要由静电驱动推进系统和超轻千伏电力系统组成，这也是其可以实现持续飞行的关键。
强大的动力系统 ：静电驱动推进系统由一个静电电机和螺旋桨组成。静电电机是利用静电（不流动电荷，由摩擦、接触或感应而产生）作为能量源进行电能和机械能转换的装置。其工作原理是，当高压直流电施加到静电电机的电极板上时，电机内部会产生高压电场，在电场的作用下，电机的叶片发生连续的旋转，从而带动螺旋桨的转动，驱动飞行器升空。
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超轻微型飞行器；b.飞行测试系统中的飞行器；c.飞行器暴露在阳光下的起飞和持续飞行过程
（图片来源：参考文献1）
超轻的供电系统 ：超轻千伏电力系统由高压功率转换器和太阳能电池组成。太阳能电池可以在自然光下产生低压直流电源，但是低压直流电源无法直接驱动电机。因此，研究者设计了一种高压功率转换装置，该转换器可以将4.5伏的低压直流电转换成4000-9000伏的高压电，以满足静电电机的工作需求。
此外，该超轻千伏电力系统的重量仅为1.13克，电压与质量比为7.09千伏每克，远远高于目前最轻的千伏高压发电机。
a.高压功率转化器和太阳能电池；b.高压功率转换器的电路设计图；c.高压功率转换器输出电压与频率关系图；d.功率转换效率曲线
（图片来源：参考文献1）
实验结果表明，重量仅有4.21克的微型飞行器，能耗低至0.568瓦。该飞行器在自然光条件下测试1h，性能几乎无衰减，并且可以持续飞行。
此外，该微型飞行器在8.5kV的电压下可以具有5.8克的升力，减去自身的重量，还可以额外负载1.59克，可携带轻型致动器、传感器和控制电子设备，未来可实现自主操作。
微型飞行器的应用领域有哪些？
军事领域 ：微型飞行器被视为未来战场上的侦查和攻击工具，由于其体积小，不容易被人发现，可以更好地执行敌情侦查与监视的任务。此外，微型飞行器还可以用于监测化学或生物武器的潜在威胁，为战术决策提供支持。
在通信设备受损或无法直接通信的情况下，微型飞行器可以作为临时的通信中继站，确保指挥系统的正常运转。
侦查无人机
（图片来源：veer图库）
民用领域 ：微型飞行器可用于气象监测、环境监测、海洋监测以及自然灾害监测等，为环境保护和灾害预警提供重要数据。在山林地带、地震灾区等复杂环境中，微型飞行器可以搜寻迷失人员或伤员，为搜救行动提供指引。
微型飞行器具有高机动性和灵活性，未来还有望应用于地形测绘和空中摄影等。
无人机喷洒农药
（图片来源：veer图库）
结语
随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，微型飞行器的发展前景将更加广阔。我们有理由相信，未来微型飞行器将会以更加智能、更加灵活、更加高效的面貌，出现在我们生活的每一个角落，为我们创造更加安全、便捷、美好的生活环境。
参考文献：
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Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et al. An engineered enzyme embedded into PLA to make self-biodegradable plastic[J]. Nature, 2024.
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Jafferis, N.T., Helbling, E.F., Karpelson, M. et al. Untethered flight of an insect-sized flapping-wing microscale aerial vehicle[J]. Nature, 2019.
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李占科,宋笔锋,宋海龙.微型飞行器的研究现状及其关键技术[J].飞行力学, 2003.
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岳基隆,张庆杰,朱华勇.微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J].电光与控制, 2010.
出品：科普中国
作者：石畅（物理化学博士）
监制：中国科普博览
