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系統識別號 U0002-1607201815594000
中文論文名稱 我國發展太陽能長滯空無人飛機之可行性研究
英文論文名稱 The Feasibility Study on The Development of Solar-Powered Long Endurance UAVs for Taiwan
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 許立根
研究生英文姓名 Lih-Gen Sheu
學號 705430022
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-26
論文頁數 63頁
口試委員 指導教授-蕭富元
委員-馬德明
委員-洪健君
中文關鍵字 太陽能無人機  高空氣球  空中飛船  平流層長滯空航空載具 
英文關鍵字 Solar-Powered UAVs  Balloons  Airships  Stratosphere Long-Endurance Aerial Vehicles 
學科別分類
中文摘要 高空長滯空太陽能無人機被國際航空界認定為大氣層中的衛星,然而若就高空長滯空航空載具之應用,太陽能無人機還須面對高空氣球與空中飛船的競爭,本論文即對太陽能無人機應用於平流層長滯空航空載具的產業可行性進行評估。由本論文的評估,太陽能無人機應考量螺旋槳定翼機不適合於平流層高度飛行,高空氣球與空中飛船運用氦氣囊的空氣浮力來產生升力,相對簡單又自然,太陽能無人機實不須拿自己的不擅長項去和對手的拿手項競爭,應該強調以綠色環保的長滯空優勢來與燃油動力或其他電動無人機相競爭。由於太陽能無人機在操控上比空中飛船、高空氣球都靈活,適合執行機動性高的任務,可作為臨時性高空通訊平台之長滯空航空載具應用,或提供某地區週期的長滯空巡航監視應用,成本較低且自由度大。太陽能無人機須面對其他各種新型長滯空航空載具之競爭,唯有在飛機性能、綠色環保、低製造與維修成本以及安全可靠度等方面不斷精進,方能持續贏得有利之產品應用市場。
英文摘要 A high-altitude long-endurance solar-powered UAVs has been identified to be an atmospheric satellite by the international aviation industry. Applying as a high-altitude long-endurance aerial vehicle, the solar-powered UAVs must compete with the balloons and the airships. In this thesis, we discuss the industry feasibility of developing a solar-powered UAV as a stratosphere long-endurance aerial vehicle. The fact that the propeller aircrafts are not suitable for the flight in the stratosphere should be considered, while the balloons and airships can naturally lift off by using the air buoyancy of their helium airbags. We shouldn’t use the weaknesses of the solar-powered UAVs to compete with the strengths of their rivals. By emphasizing the green-energy and long-endurance advantages of the solar-powered UAVs, the solar-powered UAVs can compete with fuel-powered or other electric UAVs. Besides, the solar-powered UAVs are suitable to perform the high-mobility missions because they are more flexible than the airships and balloons. Due to the advantages of the low-cost and flexible, a solar-powered UAV can be applied as a long-endurance aerial vehicle of the temporary high-altitude communication platform, or used to perform the periodic long-endurance monitoring in a certain region. By improving the flight performances, green energy, low cost, and high reliability, the solar-powered UAVs can win a favorable application market when they face the competitions of new long-endurance aerial vehicles.
論文目次 目錄
中文摘要 II
表目錄… VI
圖目錄… VII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 太陽能無人機的發展近況 2
1.3 論文章節安排 6
第二章 高空通訊平台用長滯空航空載具的技術發展 8
2.1 高空通訊平台的優勢 8
2.2 高空氣球的技術發展 9
2.3 空中飛船的技術發展 16
2.4 長滯空太陽能定翼無人機的技術發展 22
2.5 繫留式多旋翼無人機的技術發展 27
第三章 長滯空太陽能無人機的初步設計與評估 31
3.1 最小功率需求 31
3.2 長滯空太陽能無人機之重量分析 33
3.3 長滯空太陽能無人機之最佳速度與機翼面積選擇 37
3.4 長滯空太陽能無人機的最小需求功率初步設計 38
3.5 主翼設計 41
3.5.1 主翼翼型選擇 41
3.5.2 主翼的安置角與空氣動力中心位置 43
3.6高空太陽能無人機的設計參數比較與評估 47
3.7 太陽能定翼無人機的利基產品應用 50
第四章 結論 52
參考文獻 54



表目錄
表1 長滯空太陽能無人機的初始參數設定 39
表2 長滯空太陽能無人機之初步設計結果 40
表3 各種飛機機翼典型的最大升力係數大小範圍 42


圖目錄
圖1 美國NASA所開發的Helios太陽能無人機 3
圖2 美國AC Propulsion公司所研發的SoLong太陽能無人機 3
圖3 英國QinetiQ公司所開發的Zephyr 7太陽能無人機 4
圖4 俄羅斯FPI所開發的Owl太陽能無人機 5
圖5 中國航天科技集團公司十一院研發的彩虹-T4型太陽能無人機 6
圖6. Google Project Loon的高空氣球發射 11
圖7 高空氣球飛行高度在地表上方20km的平流層 11
圖8 利用不同階層氣流與控制氣球升降使氣球在區域內來回移動 12
圖9. Google氣球無線通訊網路連接示意圖 14
圖10 美國Lockheed Martin公司的HALE-D空中飛船 18
圖11 美英聯合開發的長滯空多功能智慧空中飛船 20
圖12 中國首個新型平流層空中飛船「圓夢號」 21
圖13 瑞士Stratxx 公司的繫留型空中飛船 X-Tower 22
圖14 瑞士Stratxx 公司的空中飛船通訊網路平台 22
圖15 低雷諾數氣動特性空中試驗示意圖 24
圖16 中國移動集團的繫留式多旋翼機空中基地台 29
圖17 挑選最佳巡航速率與機翼面積的流程圖 38
圖18 巡航速率與最小功率需求之太陽能無人機總重的對應圖 41
圖19. NACA翼型的最大升力係數與理想升力係數分布圖 43
圖20. Selig1223翼型的剖面圖 44
圖21. Selig1223翼型升力係數與攻角的關係圖 45
圖22. Selig1223翼型阻力係數與攻角的關係圖 45
圖23. Selig1223翼型升阻比與攻角的關係圖 46
圖24 主翼配平時之受力與力矩關係圖 47
圖25不同巡航高度設定時的太陽能定翼無人機所需之(a)總重、(b)主翼面積、(c)巡航速率 與 (d)推進功率 48
圖26不同主翼展弦比設定時的太陽能定翼無人機所需之(a)總重、(b)主翼面積、(c)推進功率 與 (d)理想升力係數 49
參考文獻 參考文獻
[1] https://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-068-DFRC.html
[2] https://www.pixpo.net/military/0Ei8moIe.html
[3] https://xpda.com/junkmail/junk173/ACP_SoLong_Solar_UAV_2005-06-05.pdf
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Qinetiq_Zephyr
[5] https://www.rt.com/news/354642-arctic-atmospheric-satellite-sova/
[6] https://kknews.cc/military/marlxb6.html
[7] http://www.rfsister.com/article/23633085.html
[8] http://www.hope.com.tw/DispArt/tw/Project-Loon/Google/%E8%B0%
B7%E6%AD%8C/14010316231B.shtml
[9] http://technews.tw/2017/10/23/google-project-loon-improving-navigation/
[10] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%88%88%E7%99%BB%E5%A0%
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[11] http://news.ffqs.com/qtzs/143
[12] https://newatlas.com/lockheed-martin-hale-d-airship/19360/
[13] http://technews.tw/2014/03/31/worlds-largest-aircraft-unveiled-and-hailed-
game-changer/
[14] http://mil.news.sina.com.cn/2012-09-03/1413699855.html
[15] https://www.ettoday.net/news/20151015/580342.htm
[16] http://www.stratxx.com/products/x-tower/
[17] https://read01.com/zh-tw/md0gxm.html#.WvaTrGYh1jo
[18] https://read01.com/nRA5EN.html#.WvaTQWYh1jo
[19] https://kknews.cc/zh-tw/tech/npyjx52.html
[20] https://read01.com/6GjJPAG.html#.WvabPmYh1jo
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[22] 王以昕,最小功率需求下電動無人載具設計,淡江大學航太系研究所碩士論文,2017。
[23] M. H. Sadraey, Aircraft Design:A Systems Engineering Approach, United Kingdom: Wiley, 2013.
[24] http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=s1223-il
[25] https://dronesplayer.com/uav-drone/%e7%ba%8c%e8%88%aa-6-%e5%
b0%8f%e6%99%82%e6%b0%ab%e9%9b%bb%e6%b1%a0%e7%84%
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