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研究人員報告說，他們開發出了一種他們稱之為 「庫倫飛行器」（CoulombFly）的無人機，只要有陽光照射，它就能自主供電懸停。 這架無人機的形狀與你見過的任何飛行器都不一樣，它結合了太陽能電池、電壓轉換器和靜電馬達來驅動類似直升機的螺旋槳——所有組件都經過了效率和重量的平衡最佳化。
但如果你想買這款無人機，購買之前需要注意的事項也很多。 它沒有機載控制硬體，而且無人機本身也無法進行定向飛行，這意味著如果在戶外釋放，它會隨風飄蕩。 許多零件看起來也很脆弱。 然而，該設計可以微型化，因為研究人員製造了一個僅僅 9 毫克的版本。
圍繞馬達打造
這項發展的一個關鍵是研究人員認識到大多數無人機使用電磁馬達，這涉及大量金屬線圈，會給系統增加相當大的重量。因此，該團隊決定專注於開發輕量級靜電馬達。這些馬達依靠電荷吸引和排斥來驅動，而不是磁力相互作用。
研究人員開發的馬達相對於無人機的尺寸來說相當大。 它由一圈稱為定子的固定帶電板組成。 這些板由覆蓋有鋁箔的薄碳纖維板組成。 運行時，相鄰板具有相反的電荷。 周圍有一圈 64 個旋轉板。
當外圈中的板充電時，馬達開始運行。 由於定子上附近的一個板保證具有相反的電荷，因此拉力將開始旋轉環轉動。 當定子和轉子的板達到最接近時，細線會接觸，允許電荷在它們之間傳輸。 這確保了定子和轉子板現在具有相同的電荷，將吸引力轉換為排斥力。 這使轉子持續運動，並保證轉子的板現在具有與下一個定子板相反的電荷。
這些系統通常只需要很小的電流就可以運行。 但它們確實需要板之間有很大的電壓差。
當連接到 10 公分、八葉片螺旋槳時，該系統可以產生最大 5.8 克的升力。 這為研究人員在設計其餘組件時提供了明確的重量目標。
準備懸停
太陽能電池由一層薄薄的砷化鎵製成，這種材料比其他光伏材料貴得多，但效率更高（30% 的轉換率，相比之下其他材料通常在20％多）。 這往往會提供系統所需的相反的東西：在相對較低的電壓下具有合理的電流。 因此，該系統還需要一個高壓電源轉換器。
在這裡，研究人員犧牲效率來減輕重量，將一堆電壓轉換器串聯起來，創建了一個僅重 1.13 克的系統，但將電壓從 4.5 V 一直提高到 9.0 kV。 但這樣做的功率轉換效率僅為 24%。
由此產生的 CoulombFly 由大型圓柱形馬達控制，頂部是螺旋槳。 下面懸掛著一個平台，一側是太陽能電池，另一側是長而薄的電源轉換器。
為了測試他們的系統，研究人員在北京一個陽光明媚的日子打開了一扇窗戶。 從中午開始，無人機起飛並盤旋了一個多小時，所有跡象都顯示，只要陽光提供足夠的電力，它就會持續下去。
整個無人機系統需要超過 0.5 瓦的功率才能維持在空中。考慮到無人機總重量為 4 克，這意味著它的升力功率效率為每瓦 7.6 克。但這其中有大量的功率在電壓轉換過程中損失掉了。如果單獨考慮馬達本身，它只需要 0.14 瓦的功率，升力功率效率就超過了每瓦 30 克。
研究人員提供了一份很長的清單，列出了他們可以改良設計的方法，包括增加電機的扭矩和螺旋槳的升力、將將太陽能電池放置在結構組件上，以及提高電壓轉換器的效率。但他們不必最佳化的一件事是飛行器的尺寸，因為他們已經製造了一個只有 8 公分高、僅重 9 毫克的小型化版本，但能夠產生1毫瓦的功率，使螺旋槳以每分鐘超過15,000轉的速度旋轉。
同樣，所有這些都是在沒有任何機載控制電路或將機器移動到任何地方所需的硬體的情況下完成的，所以他們基本上是在籠子裡飛行這些無人機，以防止它們隨風飄走。 但是，以這樣的重量似乎還有一些空間可以加入一些額外的硬體，特別是如果他們能做到他們提到的那些改進方案。
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