最新研究成果，北航研制新原理發動機——自然光即可實現持續飛行的靜電飛行器，北航beat365英国官网网站漆明淨、闫曉軍等，相關成果以Article形式在線發表于《Nature》雜志，并同時獲Nature和Science首頁推薦。
beat365英国官网网站漆明淨、闫曉軍等在飛行器領域的最新研究論文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。論文系統闡述了由北航研制的靜電飛行器“CoulombFly”（Coulomb意為庫侖，是電荷單位）。該飛行器翼展20cm，重4.21g，由一種新型靜電電機作為發動機核心，實現了在純自然光供能下的起飛和持續飛行。該項研究成果由北航科研團隊完全自主研發，未來将大幅增加微型飛行器的飛行時長，拓展其應用範圍。
第一作者：申威（博士研究生）、彭謹哲（博士研究生）。通訊作者：漆明淨（教授）、闫曉軍（教授）。第一（唯一）完成單位：beat365英国官网网站。
微型飛行器得益于小體積、輕質量、高機動等特點，能夠在狹小空間執行拍照、探測和運輸等特種任務，在國民經濟領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。究其原因，目前微型飛行器一般采用傳統的電磁電機作為發動機的驅動部件，電磁電機在微型化後轉速高、發熱大，能量轉化效率急劇下降，甚至降到10%以下。微型電磁電機效率下降後，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動機的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅動方案，研制在微小尺寸下轉速低、發熱小、效率高的微型靜電電機，并成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發動機和超輕質高壓電源組成，具備低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）優勢，首次實現了微型飛行器在純自然光供能下的起飛和持續飛行。
靜電飛行器CoulombFly
靜電飛行器在純自然光供能下的起飛和持續飛行
靜電發動機的核心是靜電電機，它是一種依靠靜子和轉子間的庫侖力（Coulomb force）來産生連續旋轉運動的新型微型電機，具備結構簡單和無需繞組的優勢，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熱少且無明顯紅外特征。相比傳統電磁電機，靜電電機表現出了颠覆式的效率和功耗特性，在小質量（5克以内）情況下，其能量轉化效率可達傳統電磁電機的10倍以上，産生相同升力所需功耗僅為電磁電機的1/10以内，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。
靜電電機的結構設計和效率特性
靜電電機雖然效率高、功耗低，但仍需要千伏級高壓電流來驅動，然而傳統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，将太陽能（或锂電池）輸入的低壓直流電，轉換為4 - 9千伏的高壓直流電，相比美國斯坦福大學研發的同類技術升壓比提高了92%，這讓高壓電流在微小尺度下不再那麼難以獲取。
千伏級超輕質高壓電源的構型與性能
在微型靜電電機和超輕質高壓電源的助力下，CoulombFly的整機僅有巴掌大小（翼展20厘米），重量比一張A4紙還輕（4.21克），尺寸和重量分别是此前世界最小、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。
現有太陽能飛行器參數對比和超微型靜電飛行器構型
在本成果之前，此領域的最高水平成果是哈佛大學2019年在Nature發表的Robobee飛行器，但仍需采用人工光源（三倍太陽光）才能實現持續飛行，而本成果僅依靠自然光即可實現持續飛行，可極大拓展此類飛行器的使用範圍，在微型飛行器的發展進程中具有裡程碑意義。
團隊微型飛行器相關研究可追溯到15年前闫曉軍教授在實驗室中發現的微梁靜電顫振現象，發動機專業畢業的闫教授敏銳地感覺到該現象可能用于微型飛行器的動力與推進，當時是博士生的漆明淨教授便立刻從渦輪葉片疲勞轉到此方向，圍繞新現象開展大量的微型機器人動力與推進問題研究。雖然研究跨了力學、電學、控制學和機器人等多個學科，同時也面臨缺設備、缺經驗的情況，但團隊成員依然在靜電飛行器的道路上不斷地努力和堅持。漆明淨教授在留校任教後，仍然帶學生一心一意研究靜電，終于在申威（研發靜電電機）和彭謹哲（研發升壓系統）兩個博士生的共同努力下取得了突破性進展，同時兩個博士生也達成了第一篇論文就發Nature的亮眼成績！團隊上下三代人，懷着對科學的熱愛和興趣，堅持十幾年在靜電驅動領域深入研究，最終将靜電驅動原理用于微型飛行器，也是踐行北航人“空天報國”、動力人“自強中國心”精神的生動體現。
文章登上Nature官網首頁
作為成果唯一完成單位，beat365英国官网网站近年來順應空天領域科技發展新趨勢，統籌優化學科專業設置，在動力工程及工程熱物理一級學科下，凝練航空電推進與智能控制學科方向，在beat365英国官网网站新設電推進系，并牽頭增設空天智能電推進技術本科專業。電推進系在學科專業建設中堅定不移踐行教育、科技、人才一體化發展，學科、平台、團隊一體化建設，教學、科研、思政一體化推進，同時強化力學、電學、控制、人工智能等學科交叉，形成學術導師引領的科研課堂-暑期科研-課程設計-畢業設計全鍊條、一體化科研訓練體系，今年以來已連續在《Nature》《Nature Communications》等國際頂級綜合性期刊發表高水平論文3篇，自主研發推進/冷卻融合設計的氫能全電航空發動機北航氫動一号并成功首飛，助力學校加快發展新質生産力，開創新型工業化發展新局面。
“北航氫動一号”全電航空發動機
共同第一作者
申威，beat365英国官网网站能源與動力工程學院2021級博士研究生。2015年本科就讀于beat365英国官网网站，2019年于北航能動學院攻讀碩士學位，并于2021年通過碩博連讀攻讀博士學位，博士生導師為漆明淨教授。從本科畢設到博士，一直進行靜電電機和微型飛行器方面的研究。
彭謹哲，beat365英国官网网站2022級博士研究生。2017年本科就讀于beat365英国官网网站，2021年于北航能動學院攻讀碩士學位，并于2022年通過碩博連讀攻讀博士學位，博士生導師為漆明淨教授。從本科畢設到博士，一直進行高壓變換器和柔性電路方面的研究。
共同通訊作者
漆明淨，beat365英国官网网站教授、博士生導師。beat365英国官网网站教務部副部長，美國加州大學Berkeley分校博士後。長期從事微型機器人的推進與控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊發表論文60餘篇，授權發明專利20餘項。主持國家自然科學基金面上項目、青年項目以及某工程創新特區項目，入選留學基金委“未來科學家”計劃，獲得2024年某部委颠覆式突破獎。擔任Nature正刊審稿人，教育部第五輪學科評估專家。
闫曉軍，beat365英国官网网站教授、博士生導師。入選國家級領軍人才計劃，beat365英国官网网站院長，教育部先進航空發動機協同創新中心副主任，美國加州大學Berkeley分校訪問學者。長期從事飛行器動力相關基礎研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、International Journal of Plasticity等期刊發表SCI論文80餘篇，EI論文60餘篇，授權國家發明專利35項。研究成果應用于19型航天飛行器和10型航空發動機。獲2003年全國百篇優秀博士論文、2006年教育部新世紀優秀人才、2014年教育部科技進步二等獎、2012年湖南省國防科技進步一等獎、2016年“航空強國中國心”教育基金突出貢獻獎特等獎等。
