世界最軽量・世界最小！この小型飛行機は自然光のみで動く

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

飛行機械というと、旅行中に美しい写真を撮ってくれる巨大な飛行機やドローンを思い浮かべるかもしれません。ドローンは私たちの生活の中にますます頻繁に登場するようになっています。コンパクトな外観と高解像度カメラの組み合わせにより、写真愛好家にとって写真を撮るための「魔法のツール」になりつつあります。しかし、現在最も軽い航空機の重量はわずか数グラム、つまりドローンの数百分の1の重さで、何十分も飛行できることをご存知ですか?

ドローン

（写真提供：veerフォトギャラリー）

マイクロ航空機、低高度飛行体の新しいタイプ

超小型航空機 (MAV) は、非常に小型 (50 cm 以下) かつ軽量 (100 グラム以下) の航空機で、通常は複雑な環境で偵察、監視、通信などの作業を行うために使用されます。従来の航空機の飛行能力を備えているだけでなく、小型で柔軟性も備えており、軍事や民間など多くの分野で大きな応用可能性を示しています。

超小型航空機ではエネルギー供給が非常に重要です。サイズと重量の制限により、超小型航空機のバッテリーに対する要件は非常に高くなります。現在、超小型飛行機のエネルギー供給システムは、主にリチウム電池、水素燃料、太陽エネルギーなどで構成されています。

ソーラーパネル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

リチウム電池は、超小型飛行機で最も一般的に使用されるエネルギー源です。高エネルギー密度と軽量という特性があり、長い飛行時間と軽量設計が求められる超小型航空機に最適です。

水素燃料は高圧ガスと混合して燃焼することで熱エネルギーを発生させ、マイクロタービンエンジンを駆動して航空機に動力を与えることができます。水素は密度が低く、燃焼時に高エネルギー放出するという特性があり、小型航空機に高い推力と高出力を提供できます。例えば、マサチューセッツ工科大学が開発したボタンサイズのマイクロタービンエンジンは、極めて高い速度と軽量を実現できます。

太陽エネルギーを利用して小型航空機に電力を供給することは、小型航空機の耐久性の問題に対する解決策の 1 つになる可能性があります。航空機の作業環境は通常屋外であるため、太陽エネルギーを最大限に活用して航空機に電力を供給し、長時間の飛行の要求を満たすことができます。

さらに、太陽光発電技術の発展に伴い、ハイブリッドエネルギー供給方式が徐々に超小型航空機の分野に応用されてきました。太陽エネルギーを利用して発電し、余剰電力をリチウム電池に蓄え、小型航空機のエネルギー安全保障を確保します。

太陽光発電技術は持続可能であるものの、小型航空機のサイズ制限やエネルギー変換効率の低さから、飛行時間を延ばすことは困難です。

重さわずか4.21グラムで持続飛行可能な超小型航空機の新たなブレークスルー

2024年7月17日、中国の科学者らは、超軽量飛行機（CoulombFly）に関する研究論文をネイチャー誌に発表した。この飛行機の重量はわずか4.21グラムで、現在入手可能な最も軽い太陽光発電飛行機となり、太陽の下で連続飛行が可能となる。

研究結果はネイチャー誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャー誌）

超軽量飛行機は主に静電駆動推進システムと超軽量キロボルト電力システムで構成されており、これが持続飛行の鍵ともなっています。

強力な動力システム: 静電駆動推進システムは、静電モーターとプロペラで構成されています。静電モーターは、静電気（摩擦、接触、誘導によって生成される流れない電荷）をエネルギー源として使用し、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。その動作原理は、静電モーターの電極板に高電圧の直流電流を流すと、モーター内部に高電圧の電界が発生するというものです。電界の作用により、モーターのブレードが連続的に回転し、それによってプロペラが回転し、航空機が空中に飛び上がります。

超軽量航空機; b.飛行試験システム内の航空機。紀元前太陽光にさらされた航空機の離陸と継続飛行

（画像出典：参考1）

超軽量電源システム: 超軽量キロボルト電源システムは、高電圧電力変換器と太陽電池で構成されています。太陽電池は自然光の下で低電圧の直流電力を生成できますが、低電圧の直流電力ではモーターを直接駆動することはできません。そこで研究者らは、静電モーターの動作要件を満たすために、4.5ボルトの低電圧直流を4000～9000ボルトの高電圧電気に変換できる高電圧電力変換装置を設計した。

さらに、超軽量キロボルト電力システムの重量はわずか 1.13 グラムで、電圧対質量比は 1 グラムあたり 7.09 キロボルトであり、これは現在入手可能な最も軽量なキロボルト高電圧発電機よりもはるかに高い値です。

a.高電圧電力変換器および太陽電池; b.高電圧電力変換器の回路設計;紀元前高電圧電力変換器の出力電圧と周波数の関係。 d.電力変換効率曲線

（画像出典：参考1）

実験結果によれば、重さわずか4.21グラムのこの超小型飛行機のエネルギー消費量はわずか0.568ワットである。航空機は自然光の条件下で1時間テストされましたが、性能の低下はほとんどなく、連続飛行することができました。

さらに、このマイクロ航空機は 8.5kV の電圧で 5.8 グラムの揚力を実現できます。自重を差し引いた1.59グラムの追加荷重も運ぶことができます。軽量アクチュエータ、センサー、制御電子機器を搭載でき、将来的には自律運転も実現可能です。

超小型航空機の応用分野は何ですか?

民間分野：超小型航空機は気象監視、環境監視、海洋監視、自然災害監視などに利用でき、環境保護や災害警報に重要なデータを提供します。山岳地帯や地震被災地などの複雑な環境下において、超小型航空機は行方不明者や負傷者の捜索や、捜索救助活動の誘導などを行うことができます。

超小型航空機は機動性や柔軟性が高く、将来的には地形図作成や航空写真撮影への活用が期待されています。

ドローンによる農薬散布

（写真提供：veerフォトギャラリー）

結論

技術の継続的な進歩と応用シナリオの継続的な拡大により、マイクロ航空機の開発展望はさらに広がります。将来、超小型航空機はよりインテリジェントで、柔軟かつ効率的な方法で私たちの生活のあらゆる場所に登場し、私たちにとってより安全で、より便利で、より良い生活環境を作り出すと信じる理由があります。

参考文献:

1. Guicherd, M.、Ben Khaled, M.、Guéroult, M. 他自己生分解性プラスチックを作るためにPLAに埋め込まれた人工酵素[J]。自然、2024年。

2.ジャフェリス、ノーザンテリトリー、ヘルブリング、EF、カーペルソン、M. 他。昆虫サイズの羽ばたき翼を持つマイクロスケール航空機の無拘束飛行[J]。ネイチャー、2019年。

3. 李戦科、宋碧峰、宋海龍。超小型航空機の研究現状と主要技術[J]飛行力学、2003年。

4. 岳吉龍、張清傑、朱華勇。マイクロクワッドローターUAVの研究進捗と主要技術分析[J]。電気光学と制御、2010年。