《Nature》刊發(fā)北航重磅成果！Nature、Science首頁(yè)共同推薦

最新研究成果，北航研制新原理發(fā)動(dòng)機(jī)——自然光即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的靜電飛行器，北航能源與動(dòng)力工程學(xué)院漆明凈、閆曉軍等，相關(guān)成果以Article形式在線發(fā)表于《Nature》雜志，并同時(shí)獲Nature和Science首頁(yè)推薦。

北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院漆明凈、閆曉軍等在飛行器領(lǐng)域的最新研究論文：“Sunlight-powered sustained flight of an ultra-light micro aerial vehicle”。論文系統(tǒng)闡述了由北航研制的靜電飛行器“CoulombFly”（Coulomb意為庫(kù)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(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心，實(shí)現(xiàn)了在純自然光供能下的起飛和持續(xù)飛行。該項(xiàng)研究成果由北航科研團(tuán)隊(duì)完全自主研發(fā)，未來(lái)將大幅增加微型飛行器的飛行時(shí)長(zhǎng)，拓展其應(yīng)用范圍。

第一作者：申威（博士研究生）、彭謹(jǐn)哲（博士研究生）。通訊作者：漆明凈（教授）、閆曉軍（教授）。第一（唯一）完成單位：北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院。

微型飛行器得益于小體積、輕質(zhì)量、高機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)，能夠在狹小空間執(zhí)行拍照、探測(cè)和運(yùn)輸?shù)忍胤N任務(wù)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擁有廣泛應(yīng)用前景。然而此類飛行器普遍存在飛行時(shí)間短的痛點(diǎn)問(wèn)題，尤其當(dāng)重量小于10克時(shí)，其飛行時(shí)間一般不超過(guò)10分鐘。究其原因，目前微型飛行器一般采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部件，電磁電機(jī)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(jī)效率下降后，如果采用供電方便的自然太陽(yáng)光作為能量來(lái)源，受限于太陽(yáng)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(tuán)隊(duì)從微型發(fā)動(dòng)機(jī)的原理方面尋求突破，提出一種新的靜電驅(qū)動(dòng)方案，研制在微小尺寸下轉(zhuǎn)速低、發(fā)熱小、效率高的微型靜電電機(jī)，并成功試飛靜電飛行器“CoulombFly”。該飛行器主要由靜電發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)，首次實(shí)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。

靜電飛行器CoulombFly

靜電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(dòng)機(jī)的核心是靜電電機(jī)，它是一種依靠靜子和轉(zhuǎn)子間的庫(kù)侖力（Coulomb force）來(lái)產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的新型微型電機(jī)，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和無(wú)需繞組的優(yōu)勢(shì)，其高電壓（千伏級(jí)）、低電流（微安級(jí)）的工作特性也使其在工作過(guò)程中發(fā)熱少且無(wú)明顯紅外特征。相比傳統(tǒng)電磁電機(jī)，靜電電機(jī)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(dá)傳統(tǒng)電磁電機(jī)的10倍以上，產(chǎn)生相同升力所需功耗僅為電磁電機(jī)的1/10以內(nèi)，因此即便采用小尺寸太陽(yáng)能電池，也可以為微型飛行器提供飛行所需功率。

靜電電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和效率特性

靜電電機(jī)雖然效率高、功耗低，但仍需要千伏級(jí)高壓電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，然而傳統(tǒng)高壓電源由于體積和重量過(guò)大，無(wú)法搭載在微型飛行器上。因此團(tuán)隊(duì)還針對(duì)飛行應(yīng)用場(chǎng)景，研制了千伏級(jí)超輕質(zhì)高壓電源，主要包括太陽(yáng)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(yáng)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(guó)斯坦福大學(xué)研發(fā)的同類技術(shù)升壓比提高了92%，這讓高壓電流在微小尺度下不再那么難以獲取。

千伏級(jí)超輕質(zhì)高壓電源的構(gòu)型與性能

在微型靜電電機(jī)和超輕質(zhì)高壓電源的助力下，CoulombFly的整機(jī)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(yáng)能飛行器的1/10和1/600。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)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(jī)在飛行器進(jìn)一步微型化中的巨大潛力。

現(xiàn)有太陽(yáng)能飛行器參數(shù)對(duì)比和超微型靜電飛行器構(gòu)型

在本成果之前，此領(lǐng)域的最高水平成果是哈佛大學(xué)2019年在Nature發(fā)表的Robobee飛行器，但仍需采用人工光源（三倍太陽(yáng)光）才能實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，而本成果僅依靠自然光即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行，可極大拓展此類飛行器的使用范圍，在微型飛行器的發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑意義。

團(tuán)隊(duì)微型飛行器相關(guān)研究可追溯到15年前閆曉軍教授在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的微梁靜電顫振現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)畢業(yè)的閆教授敏銳地感覺(jué)到該現(xiàn)象可能用于微型飛行器的動(dòng)力與推進(jìn)，當(dāng)時(shí)是博士生的漆明凈教授便立刻從渦輪葉片疲勞轉(zhuǎn)到此方向，圍繞新現(xiàn)象開(kāi)展大量的微型機(jī)器人動(dòng)力與推進(jìn)問(wèn)題研究。雖然研究跨了力學(xué)、電學(xué)、控制學(xué)和機(jī)器人等多個(gè)學(xué)科，同時(shí)也面臨缺設(shè)備、缺經(jīng)驗(yàn)的情況，但團(tuán)隊(duì)成員依然在靜電飛行器的道路上不斷地努力和堅(jiān)持。漆明凈教授在留校任教后，仍然帶學(xué)生一心一意研究靜電，終于在申威（研發(fā)靜電電機(jī)）和彭謹(jǐn)哲（研發(fā)升壓系統(tǒng)）兩個(gè)博士生的共同努力下取得了突破性進(jìn)展，同時(shí)兩個(gè)博士生也達(dá)成了第一篇論文就發(fā)Nature的亮眼成績(jī)！團(tuán)隊(duì)上下三代人，懷著對(duì)科學(xué)的熱愛(ài)和興趣，堅(jiān)持十幾年在靜電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域深入研究，最終將靜電驅(qū)動(dòng)原理用于微型飛行器，也是踐行北航人“空天報(bào)國(guó)”、動(dòng)力人“自強(qiáng)中國(guó)心”精神的生動(dòng)體現(xiàn)。

文章登上Nature官網(wǎng)首頁(yè)

作為成果唯一完成單位，北京航空航天大學(xué)近年來(lái)順應(yīng)空天領(lǐng)域科技發(fā)展新趨勢(shì)，統(tǒng)籌優(yōu)化學(xué)科專業(yè)設(shè)置，在動(dòng)力工程及工程熱物理一級(jí)學(xué)科下，凝練航空電推進(jìn)與智能控制學(xué)科方向，在能源與動(dòng)力工程學(xué)院新設(shè)電推進(jìn)系，并牽頭增設(shè)空天智能電推進(jìn)技術(shù)本科專業(yè)。電推進(jìn)系在學(xué)科專業(yè)建設(shè)中堅(jiān)定不移踐行教育、科技、人才一體化發(fā)展，學(xué)科、平臺(tái)、團(tuán)隊(duì)一體化建設(shè)，教學(xué)、科研、思政一體化推進(jìn)，同時(shí)強(qiáng)化力學(xué)、電學(xué)、控制、人工智能等學(xué)科交叉，形成學(xué)術(shù)導(dǎo)師引領(lǐng)的科研課堂-暑期科研-課程設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)全鏈條、一體化科研訓(xùn)練體系，今年以來(lái)已連續(xù)在《Nature》《Nature Communications》等國(guó)際頂級(jí)綜合性期刊發(fā)表高水平論文3篇，自主研發(fā)推進(jìn)/冷卻融合設(shè)計(jì)的氫能全電航空發(fā)動(dòng)機(jī)北航氫動(dòng)一號(hào)并成功首飛，助力學(xué)校加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，開(kāi)創(chuàng)新型工業(yè)化發(fā)展新局面。

“北航氫動(dòng)一號(hào)”全電航空發(fā)動(dòng)機(jī)

共同第一作者

申威，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2021級(jí)博士研究生。2015年本科就讀于北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2019年于北航能動(dòng)學(xué)院攻讀碩士學(xué)位，并于2021年通過(guò)碩博連讀攻讀博士學(xué)位，博士生導(dǎo)師為漆明凈教授。從本科畢設(shè)到博士，一直進(jìn)行靜電電機(jī)和微型飛行器方面的研究。

彭謹(jǐn)哲，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2022級(jí)博士研究生。2017年本科就讀于北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2021年于北航能動(dòng)學(xué)院攻讀碩士學(xué)位，并于2022年通過(guò)碩博連讀攻讀博士學(xué)位，博士生導(dǎo)師為漆明凈教授。從本科畢設(shè)到博士，一直進(jìn)行高壓變換器和柔性電路方面的研究。

共同通訊作者

漆明凈，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。北京航空航天大學(xué)教務(wù)部副部長(zhǎng)，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校博士后。長(zhǎng)期從事微型機(jī)器人的推進(jìn)與控制研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、IEEE Transactions on Robotics等高水平期刊發(fā)表論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目以及某工程創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目，入選留學(xué)基金委“未來(lái)科學(xué)家”計(jì)劃，獲得2024年某部委顛覆式突破獎(jiǎng)。擔(dān)任Nature正刊審稿人，教育部第五輪學(xué)科評(píng)估專家。

閆曉軍，北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家級(jí)領(lǐng)軍人才計(jì)劃，能源與動(dòng)力工程學(xué)院院長(zhǎng)，教育部先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心副主任，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校訪問(wèn)學(xué)者。長(zhǎng)期從事飛行器動(dòng)力相關(guān)基礎(chǔ)研究，在Nature、Science Robotics、Nature Communications、International Journal of Plasticity等期刊發(fā)表SCI論文80余篇，EI論文60余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利35項(xiàng)。研究成果應(yīng)用于19型航天飛行器和10型航空發(fā)動(dòng)機(jī)。獲2003年全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文、2006年教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、2014年教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2012年湖南省國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、2016年“航空強(qiáng)國(guó)中國(guó)心”教育基金突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等。