說到飛行器，浮現(xiàn)在大家腦海中的可能是大型飛機(jī)，或是在旅途中為我們記錄美逐漸成為廣大攝影愛好者的拍攝“神器”，出現(xiàn)在我們生活中的頻率越來越高。目前最輕的飛行器僅有幾克的重量，是

　　微型飛行器（Micro Aerial Vehicles, MAVs）是一種尺寸極?。ú怀^50厘米）、重量極輕（不超過100克）的飛行器，被用于在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行偵察、監(jiān)測、通信等任務(wù)。它們不僅具備傳統(tǒng)飛行器的飛行能力，還具有微小的體積和敏捷的靈活性，在軍事、民用等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

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　　能量的供給在微型飛行器中至關(guān)重要，由于尺寸和重量的限制，微型飛行器對電池的要求極高。目前，微型飛行器的供能系統(tǒng)主要來自鋰電池、氫燃料、太陽能等。

　　能量密度高、重量輕，是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源，適用于對長時(shí)間續(xù)航有需求和設(shè)計(jì)輕便的微型飛行器。

　　氫燃料通過與高壓氣體混合燃燒產(chǎn)生熱能，驅(qū)動微型渦輪發(fā)動機(jī)給飛行器供能。氫氣具有密度小和燃燒釋放能量高的特性，能為微型飛行器提供更高的推力和更高的功率。例如，由美國麻省理工學(xué)院研制的微型渦輪發(fā)動機(jī)（僅有紐扣大小），就能以較輕質(zhì)量達(dá)到極高轉(zhuǎn)速。

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　　是解決微型飛行器續(xù)航問題的方案之一，由于飛行器通常在室外工作，可以充分利用實(shí)現(xiàn)長時(shí)間續(xù)航。

　　此外，隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，混合供能的方式也逐漸被應(yīng)用到微型飛行器領(lǐng)域。發(fā)電將多余的電能儲存在中，為微型飛行器提供能源保障。盡管發(fā)電技術(shù)具有可持續(xù)性，但由于微型飛行器的尺寸限制和能源轉(zhuǎn)化效率低的實(shí)際問題，飛行器的續(xù)航時(shí)間很難提高。

　　2024年7月17日，中國科學(xué)家在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于超輕微型飛行器（CoulombFly）的研究工作，該飛行器的重量僅有4.21克，是目前最輕的太陽能驅(qū)動飛行器，可以在陽光下持續(xù)飛行。

　　該超輕微型飛行器主要由靜電驅(qū)動推進(jìn)系統(tǒng)和超輕千伏電力系統(tǒng)組成，這是它可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的關(guān)鍵。

　　強(qiáng)大的動力系統(tǒng)：靜電驅(qū)動推進(jìn)系統(tǒng)由一個(gè)靜電電機(jī)和螺旋槳組成。靜電利用由摩擦、接觸或感應(yīng)產(chǎn)生的靜電（不流動電荷）作為能量源，進(jìn)行電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換。該裝置的工作原理是，當(dāng)高壓直流電施加到靜電的電極板，電機(jī)內(nèi)部會產(chǎn)生高壓電場，在電場作用下，電機(jī)的葉片發(fā)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，驅(qū)動飛行器升空。

　　a. 超輕微型飛行器；b.飛行測試系統(tǒng)中的飛行器；c.飛行器在陽光下的起飛和持續(xù)飛行過程。

　　超輕的供電系統(tǒng)：超輕千伏電力系統(tǒng)由高壓功率轉(zhuǎn)換器和太陽能組成。太陽能電池可以在自然光下產(chǎn)生低壓直流電源，但是低壓直流電源無法直接驅(qū)動電機(jī)。為此，研究者設(shè)計(jì)了一種高壓功率轉(zhuǎn)換器，可以將4.5伏的低壓直流電轉(zhuǎn)換成4000伏-9000伏的高壓電，以滿足靜電電機(jī)的工作需求。該超輕千伏電力系統(tǒng)的重量僅為1.13克，電壓與質(zhì)量比為7.09千伏/克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前最輕的千伏高壓發(fā)電機(jī)。

　　a.高壓功率轉(zhuǎn)化器和太陽能電池；b.高壓功率轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)圖；c.高壓功率轉(zhuǎn)換器輸出電壓與頻率關(guān)系圖；d.功率轉(zhuǎn)換效率曲線。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重量僅有4.21克的微型飛行器，能耗低至0.568瓦。該飛行器在自然光條件下測試1小時(shí)，性能幾乎無衰減，可以持續(xù)飛行。此外，該微型飛行器在8.5千伏電壓下可以具有5.8克的升力，減去自身重量，還可以額外負(fù)載1.59克重量，可攜帶輕型致動器、傳感器和控制電子設(shè)備，未來可實(shí)現(xiàn)自主操作。

　　軍事領(lǐng)域：微型飛行器被視為未來戰(zhàn)場的偵查工具和攻擊工具，由于體積小，不易被發(fā)現(xiàn)，可以更好的執(zhí)行敵情偵查與監(jiān)視任務(wù)。此外，微型飛行器還可以用于監(jiān)測化學(xué)或生物武器的潛在威脅，為戰(zhàn)術(shù)決策提供支持。在通信設(shè)備受損或無法直接進(jìn)行通信的情況下，微型飛行器還可以作為臨時(shí)的通信中繼站，確保指揮系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　民用領(lǐng)域：微型飛行器可用于氣象監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、海洋監(jiān)測以及自然災(zāi)害監(jiān)測等場景，為環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害預(yù)警提供重要數(shù)據(jù)。在山林地帶、地震災(zāi)區(qū)等復(fù)雜環(huán)境中，微型飛行器可以搜尋迷失人員或傷員，為搜救行動提供指引。

　　微型飛行器具有高機(jī)動性和強(qiáng)靈活性，未來還有望應(yīng)用于地形測繪和空中攝影等場景。