說到飛行器，浮現在大家腦海中的可能是大型飛機，或是在旅途中為我們記錄美好時光的無人機。小巧的外形搭配高畫質網絡攝影機，無人機逐漸成為廣大攝影愛好者的拍攝「神器」，出現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，是無人機重量的幾百分之一，續航能力可達幾十分鐘。
無人機拍攝場景。圖片來源：圖蟲創意
微型飛行器：低空飛行的新秀
微型飛行器 （Micro Aerial Vehicles, MAVs） 是一種尺寸極小（不超過50厘米）、重量極輕（不超過100克）的飛行器，被用於在復雜環境中執行偵察、監測、通訊等任務。 它們不僅具備傳統飛行器的飛行能力，還具有微小的體積和敏捷的靈活性，在軍事、民用等多個領域展現出巨大的套用潛力。
能量的供給在微型飛行器中至關重要，由於尺寸和重量的限制，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主要來自鋰電池、氫燃料、太陽能等。
鋰電池能量密度高、重量輕，是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源，適用於對長時間續航有需求和設計輕便的微型飛行器。
氫燃料透過與高壓氣體混合燃燒產生熱能，驅動微型渦輪發動機給飛行器供能。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，由美國麻省理工學院研制的微型渦輪發動機（僅有紐扣大小），就能以較輕質素達到極高轉速。
太陽能電池是解決微型飛行器續航問題的方案之一，由於飛行器通常在室外工作，可以充分利用太陽能實作長時間續航。
此外，隨著太陽能發電技術的發展，混合供能的方式也逐漸被套用到微型飛行器領域。 太陽能發電將多余的電能儲存在鋰電池中，為微型飛行器提供能源保障。盡管太陽能發電技術具有可持續性，但由於微型飛行器的尺寸限制和能源轉化效率低的實際問題，飛行器的續航時間很難提高。
新突破：超輕微型飛行器
2024年7月17日，中國科學家在【自然】 （Nature） 雜誌上發表了一篇關於超輕微型飛行器 （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動飛行器，可以在陽光下持續飛行。
研究成果發表於【自然】（Nature）雜誌。圖片來源：【自然】（Nature）雜誌
該超輕微型飛行器主要由靜電驅動推進系統和超輕千伏電力系統組成，這是它可以實作持續飛行的關鍵。
強大的動力系統：靜電驅動推進系統由一個靜電電機和螺旋槳組成。靜電電機利用由摩擦、接觸或感應產生的靜電（不流動電荷）作為能量源，進行電能和機械能轉換。 該裝置的工作原理是，當高壓直流電施加到靜電電機的電極板，電機內部會產生高壓電場，在電場作用下，電機的葉片發生連續旋轉，帶動螺旋槳轉動，驅動飛行器升空。
a. 超輕微型飛行器；b.飛行測試系統中的飛行器；c.飛行器在陽光下的起飛和持續飛行過程。圖片來源：參考文獻[1]
超輕的供電系統：超輕千伏電力系統由高壓功率轉換器和太陽能電池組成。太陽能電池可以在自然光下產生低壓直流電源，但是低壓直流電源無法直接驅動電機。為此， 研究者設計了一種高壓功率轉換器，可以將4.5伏的低壓直流電轉換成4000伏-9000伏的高壓電，以滿足靜電電機的工作需求。 該超輕千伏電力系統的重量僅為1.13克，電壓與質素比為7.09千伏/克，遠遠高於目前最輕的千伏高壓發電機。
a.高壓功率轉化器和太陽能電池；b.高壓功率轉換器的電路設計圖；c.高壓功率轉換器輸出電壓與頻率關系圖；d.功率轉換效率曲線。圖片來源：參考文獻[1]
實驗結果表明，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，效能幾乎無衰減，可以持續飛行。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，還可以額外負載1.59克重量，可攜帶輕型致動器、傳感器和控制電子器材，未來可實作自主操作。
微型飛行器的套用領域
軍事領域： 微型飛行器被視為未來戰場的偵查工具和攻擊工具，由於體積小，不易被發現，可以更好的執行敵情偵查與監視任務。此外，微型飛行器還可以用於監測化學或生物武器的潛在威脅，為戰術決策提供支持。在通訊器材受損或無法直接進行通訊的情況下，微型飛行器還可以作為臨時的通訊中繼站，確保指揮系統的正常運轉。
無人機穿梭在森林中作業。圖片來源：圖蟲創意
民用領域： 微型飛行器可用於氣象監測、環境監測、海洋監測以及自然災害監測等場景，為環境保護和災害預警提供重要數據。在山林地帶、地震災區等復雜環境中，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動性和強靈活性，未來還有望套用於地形測繪和空中攝影等場景。
無人機測繪農作物生長數據場景。圖片來源：圖蟲創意
結語
隨著技術的進步和套用場景的拓展，微型飛行器的發展前景將越來越廣闊。我們有理由相信，在不遠的將來，微型飛行器會以更加智能、靈活、高效的套用方式，為我們創造更加安全、便捷、美好的生活環境。
參考文獻
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[4]嶽基隆,張慶傑,朱華勇.微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析[J].電光與控制, 2010.
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作者丨石暢 物理化學博士
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