107 高普考普通考試 航空器維修 旋翼機基本維修概要 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗直升機飛行原理與機械維修之核心基礎，涉及以下力學定律與空氣動力學機制：

1. 牛頓第三運動定律（作用力與反作用力定律）：主旋翼受發動機動力帶動旋轉時，空氣阻力產生的阻力矩會傳遞回機身，形成方向相反的「主旋翼反扭矩」（Main Rotor Torque Effect）。
2. 力矩平衡與偏航控制（Yaw Control）：單旋翼直升機必須具備輔助推力裝置，以克服機身非自主自旋，並提供垂直軸（$Z$ 軸）方向的旋轉控制能力。
3. 多旋翼反向對轉平衡原理（Counter-Rotating Principle）：透過兩組旋翼以相同轉速、相反方向旋轉，使兩者產生的氣動扭矩於機身內部完全相互抵銷，從而在無尾旋翼配置下維持力矩平衡。

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解題方法

本題為標準的申論問答題，答題宜採取「結構化、模組化」的層次展開：

1. 第一部分：單旋翼尾旋翼之功能與工作原理

• 明確拆解為「抗扭（Anti-Torque）」與「航向控制（Directional/Yaw Control）」兩大功能。
• 以力矩平衡公式 $Q_{\text{main}} = T_{\text{tail}} \times L_{\text{tail}}$ 說明尾旋翼工作原理及傳動變距機制。

2. 第二部分：兩種無尾旋翼佈局及其工作原理

• 題幹已排除「交叉雙旋翼（Intermeshing Rotors）」，最標準且被廣泛認可的旋翼佈局為：同軸雙旋翼（Coaxial Rotors） 與 縱列式雙旋翼（Tandem Rotors）。
• 逐一針對結構構型、反扭矩消除機制（扭矩對消）與航向（偏航）控制達成方式進行完整推導與說明。

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申論詳解（試題深入解析）

一、 尾旋翼對於單旋翼直升機的功能及其工作原理

1. 主要功能

• 抵銷主旋翼反扭矩（Anti-Torque）： 依據牛頓第三運動定律，發動機驅動主旋翼朝某一方向旋轉時（例如：美系旋翼由上往下俯視為逆時針旋轉），旋翼葉片所受空氣阻力會對機身施加大小相等、方向相反的扭矩（順時針扭矩），迫使機身反向自旋。尾旋翼所產生的側向推力可建構反向力矩，阻止機身非受控旋轉，維持機頭朝向穩定。
• 航向與偏航控制（Directional / Yaw Control）： 尾旋翼提供直升機繞垂直軸（$Z$ 軸）偏航旋轉的操縱自由度。飛行員透過踩踏抗扭踏板（Anti-Torque Pedals），改變尾旋翼推力大小與方向，使機身受控進行左偏航或右偏航轉向，並在側風或懸停時維持姿態。

2. 工作原理

• 傳動與安裝： 尾旋翼通常安裝於尾桁（Tail Boom）末端，本質為一組高轉速、具備變距機構的橫向螺旋槳。其動力經由主變速箱（MGB）、傳動軸、中間齒輪箱及尾齒輪箱驅動，轉速通常與主旋翼保持固定的齒輪傳動比。
• 力矩平衡機制： 設主旋翼產生的反扭矩為 $Q_{\text{main}}$，尾旋翼推力為 $T_{\text{tail}}$，尾旋翼旋轉中心至直升機重心（主旋翼旋轉軸）之水平距離力臂為 $L_{\text{tail}}$。直升機保持航向平衡之物理條件為： $Q_{\text{main}} = T_{\text{tail}} \times L_{\text{tail}}$
• 推力調節與變距操縱： 尾旋翼不具備週期變距（Cyclic Pitch），而是透過變距滑套機構進行集體變距（Collective Pitch Control）。當飛行員踩踏腳踏板時，連桿機構帶動尾旋翼十字盤或推拉桿，同步改變所有尾旋翼葉片的迎角（攻角）：
• 增加葉片迎角 $\to$ 推力 $T_{\text{tail}}$ 增加 $\to$ 克服反扭矩並使機頭朝反扭矩方向偏航。
• 減少或反向改變迎角 $\to$ 推力 $T_{\text{tail}}$ 減小或反向 $\to$ 主旋翼反扭矩佔優勢，機頭隨反扭矩方向自旋。

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二、 兩種無尾旋翼之直升機旋翼佈局設計及其工作原理

除題幹所述之交叉雙旋翼（如 K-MAX）外，常見且具代表性的無尾旋翼佈局如下：

核心觀念

1. 尾旋翼軌跡（Tail Rotor Tracking）的物理本質： 軌跡校正係指透過量測與調整，使尾旋翼所有葉片在旋轉時，其葉尖路徑平面（Tip Path Plane）重合於同一旋轉平面上。
2. 空氣動力學與震動抑制： 尾旋翼轉速遠高於主旋翼（通常約為主旋翼轉速之 $4$ 至 $6$ 倍，工作轉速常達 $2,000\sim 3,000\text{ RPM}$ 以上）。若葉片軌跡不一致（Out of Track），會導致各葉片在相同腳舵位置下的迎角與推力不均，誘發顯著的高頻垂直與軸向交變震動（High-frequency vibration，通常為 $1\times$ 或 $2\times$ 尾旋翼轉速頻率）。
3. 動平衡（Track and Balance）的不可分割性： 軌跡（Tracking）解決空氣動力升力/推力不對稱；動態質量平衡（Dynamic Balancing）解決質量偏心引起的離心力不對稱。實務上尾旋翼震動消除通常採「先校正軌跡、再微調動平衡」或兩者交互驗證之標準程序。
4. 法規與規範依據： 依據命題當年（民國 107 年）民航法規與原廠維修手冊（AMM）標準（參照 FAA AC 43.13-1B 第八章規範），旋翼系統任何關鍵組件拆裝後，均須實施適航標準之動態平衡與軌跡校驗。

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解題方法

本題為國家考試標準的三段式申論問答題，切入點應嚴格呼應題意之三項核心提問：

1. 目的功用：由「氣動力平衡 $\to$ 消除高頻震動 $\to$ 保護尾桁與傳動結構 $\to$ 確保方向舵操控品質」四個層次層層推進。
2. 執行時機：從「更換構件、定期檢驗、異常震動故障排除、突發事件檢修」四大法定維修事件進行系統化條列。
3. 操作程序：按照航空維修標準作業程序（SOP），以「安全防護與外觀檢驗 $\to$ 儀器架設與感測器安裝 $\to$ 地面試俥與數據量測 $\to$ 調整變距拉桿 $\to$ 複驗試俥 $\to$ 磅件保險與簽放」之完整維修工作流進行敘述。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，故無各別選項辨析。作答重點在於技術名詞之準確度與工序之完整性。

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解題技巧

1. 頻率陷阱（高頻 vs. 低頻）： 主旋翼震動多屬於低頻震動（Low frequency, $1\text{R}$ 或 $n\text{R}$，約 $3\sim 10\text{ Hz}$）；尾旋翼震動則屬高頻震動（High frequency，約 $30\sim 50\text{ Hz}$ 以上，常反應為方向舵踏板的蜂鳴感或發麻感 Pedal buzz）。答題時切記不可將尾旋翼震動誤寫為「低頻」。
2. 調整機構的差異： 主旋翼軌跡調整通常同時具備「變距拉桿（Pitch Change Link）」與「配平片（Trim Tab）」；但尾旋翼葉片通常沒有配平片，其軌跡校正完全依賴調整變距控制拉桿（Pitch Change Rod/Link）的有效長度。
3. 量測工具安全性禁忌： 絕對不可將主旋翼早期使用的人工作業「旗標法（Tracking Stick/Flag method）」套用在尾旋翼上。尾旋翼轉速極高且旋轉面垂直，手持旗標法屬於致命性危險操作。尾旋翼軌跡量測一律採用頻閃儀（Strobe Light）、電子光學軌跡儀或綜合振動分析儀（如 Chadwick-Helmuth / VXP 系統）。

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【答案】

一、直升機尾旋翼軌跡校正（Tracking）之目的功用

1. 消除高頻震動（High-Frequency Vibration）： 使各尾旋翼葉片旋轉時的葉尖路徑維持在同一平面，消除各葉片推力不對稱引起的交變氣動力矩，顯著降低機身尾部與踏板之高頻抖動。
2. 防止結構疲勞損壞： 降低因推力不平衡對尾部變速箱（Tail Rotor Gearbox）、傳動軸承、掛架結構及尾桁（Tail Boom）蒙皮鉚釘所造成的週期性疲勞應力，延長結構與機件壽命。
3. 確保氣動效率與操縱響應： 維持對稱的尾旋翼升力輸出，確保直升機抗扭力（Anti-torque）與偏航控制（Yaw control）之靈敏度，避免方向舵控制系統產生間隙衝擊或回饋抖動。
4. 達成動態平衡之基礎： 氣動力平衡（軌跡）與質量動態平衡相輔相成，唯有葉片處於同一旋轉平面，才能精確進行配重質量微調，將全系統震動值控制在原廠適航限制值（如 $0.2\text{ IPS}$）以內。

核心觀念

本題評量考生對旋翼機（直升機）儀表系統中「動靜壓系統（Pitot-Static System）」的基礎架構、物理運作機制，以及實務維護檢查（滲漏測試）標準作業程序（SOP）之掌握程度。涉及之核心理論與法規標準包含：

1. 流體力學與壓力定義：

• 全壓（總壓/衝壓，Total / Ram Air Pressure, $P_t$）
• 靜壓（環境氣壓，Static Pressure, $P_s$）
• 動壓（Dynamic Pressure, $q$）：依據白努利定律（Bernoulli's principle），在不可壓縮低速流場中滿足： $P_t = P_s + q = P_s + \frac{1}{2}\rho V^2$

2. 儀表作動機構：

• 空速表（ASI）：連接全壓管與靜壓管，感測動壓差（$q = P_t - P_s$），利用差壓膜盒（differential pressure capsule）驅動指針。
• 高度表（Altimeter）：僅連接靜壓系統，內部為真空無液膜盒（aneroid capsule），依環境靜壓變化換算國際標準大氣（ISA）氣壓高度。
• 垂直速度表（昇降率表, VSI）：僅連接靜壓系統，內部膜盒直接連通靜壓，外殼透過校準微洩孔（calibrated leak / metering orifice）延遲平衡靜壓，以差壓測量高度變化率（$\frac{dP_s}{dt}$）。

3. 旋翼機之特殊考量：旋翼產生的強大下洗氣流（downwash）在懸停或低速時會造成顯著的機身表面流場紊流與壓力畸變，因此旋翼機的動靜壓管常安裝於機鼻前方、加長支架上，或選用具全向感測能力之低空速系統。
4. 維護與檢驗規範：依據航空器維修標準（如 FAA AC 43.13-1B 第 12 章、14 CFR Part 43 Appendix E），動靜壓系統在定期檢查、儀表更換或管路拆裝後，必須執行滲漏測試（Leakage Test），以確保儀表讀數精確並排除管路破損或鬆脫風險。

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解題方法

本題為典型的雙核心申論題，答題架構應劃分為兩大區塊：

1. 系統功能與工作原理：

• 採「系統架構 $\to$ 物理原理 $\to$ 個別儀表作動」之邏輯推導。
• 先界定動靜壓系統的本質（為三大基礎飛行儀表提供壓力源），再闡述全壓與靜壓的獲取方式，最後條列說明空速表、高度表與昇降率表的差壓作動原理。

2. 管路滲漏檢查程序（Functional Leak Test）：

• 依「維護實務作業規範」列出步驟，包含：測試前準備（安全預防措施）、靜壓系統滲漏檢查程序（測試高度、持壓時間、合格標準）、動壓系統滲漏檢查程序（測試空速、持壓時間、合格標準），以及測試後系統復原。
• 必須寫出明確的量化數值（如抽氣模擬高度、加壓空速、容許洩漏率），展現專業維修工程師之實務水準。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。評分重點與配分比重拆解如下：

• 動靜壓系統功能（約佔 25%）：須清楚說明系統為飛行員提供飛行速度、氣壓高度與升降速率之基準資訊，直接關係飛行安全。
• 動靜壓系統工作原理（約佔 35%）：須包含白努利原理、全壓/靜壓管構造，以及三種核心儀表（ASI、Altimeter、VSI）與管路的連接機制與膜盒作動方式。
• 管路滲漏檢查程序（約佔 40%）：須分別舉出「靜壓系統」與「動壓（皮托管）系統」之加壓/抽真空測試流程、儀器設備使用（如 Pitot-Static Test Set）、持壓時間標準及允收公差標準。

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解題技巧

1. 旋翼機特性點題：在說明原理時，適度點出旋翼機因旋翼下洗流（rotor downwash）影響，動靜壓探針安裝位置常避開旋翼主流區，能讓考官辨識出考生具備「旋翼機」專屬知識，而非照抄固定翼教材。
2. 記憶口訣與儀表配對：

• 空速表：動＋靜（兩者皆吃）。
• 高度表：純靜壓（量絕對值）。
• 垂直速度表：純靜壓＋延遲洩孔（量變化率）。

3. 滲漏測試實務陷阱：

• 嚴禁吹氣：切忌用口吹皮托管（口水水氣會破壞膜盒，且氣壓過大會擊穿差壓膜片）。
• 釋壓必須緩慢：測試結束洩壓時必須緩速進行，否則劇烈壓力變化會導致儀表指針卡死或膜盒變形。
• 靜壓不可加正壓：靜壓系統通常進行「抽負壓（吸氣）」以模擬上升高度，若誤加正壓易損壞高度表真空膜盒。

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【答案】

一、旋翼機動靜壓系統之功能與工作原理

（一）系統功能

旋翼機動靜壓系統（Pitot-Static System）主要功能在於自旋翼機外界大氣環境中，精確感測並傳輸**全壓（Total / Ram Air Pressure）與靜壓（Ambient Static Pressure）**至駕駛艙儀表板或大氣數據電腦（ADC），用以驅動三大關鍵飛行儀表：

1. 空速表（Airspeed Indicator, ASI）
2. 氣壓高度表（Altimeter）
3. 垂直速度表 / 昇降率表（Vertical Speed Indicator, VSI）

該系統確保飛行員在各飛行階段（懸停、過渡飛行、巡航及自轉下滑）能即時掌握空速、飛行高度及垂直爬升/下降率，維護飛行操作安全。

核心觀念

本題旨在測驗航空器動力與電氣系統維修後之適航驗證能力。旋翼機（直升機）廣泛採用渦輪軸發動機（Turboshaft Engine），其起動系統多配備起動發電機（Starter-Generator）與起動繼電器（Starter Relay / Contactor）。

1. 電氣作動與控制架構：起動繼電器由起動開關控制其低電流激磁線圈，主接點閉合後導通機載直流主匯流排（$28\text{ V DC}$）之大電流至起動發電機之串激繞組（Series Winding），以輸出高起動轉矩帶動發動機燃氣發生器軸（$N_1$ 或 Ng）。
2. 切斷與模式轉換機制：當發動機達到自持轉速（Self-sustaining Speed，通常約為 $45\%\sim 58\% N_1$），起動器必須及時解聯（Starter Cutout），繼電器跳開斷電，系統平順轉換為發電機模式（Generator Mode）。
3. 適航規範與程序依據：維修完成後之功能測試必須嚴格依據原廠飛機維護手冊（Aircraft Maintenance Manual, AMM）及發動機維護手冊（EMM）規定程序執行。法規面依據我國《航空器適航檢驗作業程序》與民航通告 AC 43-13-1B 航空器維修標準（以命題當年民國 107 年規範為準）。

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解題方法

回答本申論題時，應採用符合航空維修品保標準作業程序（SOP）的歷程導向切入法，將功能測試程序化分為四大階段：

1. 前置準備與安全管制：確保工作環境、人員、電源與旋翼危險區合規。
2. 乾旋轉／冷運轉功能測試（Dry Motoring / Cold Crank Check）：在不供油、不點火狀態下，驗證起動繼電器閉合、主回路導通、起動電流負載與轉動阻力。
3. 地面實際試車起動與自動切斷測試（Operational Engine Start & Starter Cutout Check）：實際點火起動，確認加速平順度、達到自持轉速時起動繼電器之釋放（Cutout）機能，以及轉入發電機模式之電壓建立。
4. 檢查復原與適航簽放：外觀接點檢查、起動循環限制確認與工程紀錄填寫。

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選項分析

本題為非選擇題（問答申論題），無各別選項；將維修功能測試之各程序環節與關鍵判斷標準逐項剖析如下：

• 步驟一：測試前置準備與安全防護（Pre-test Setup & Safety）

• 程序：檢查旋翼機周遭淨空（FOD 防範），設置消音及警戒錐，指派地面滅火人員（Fire Guard）待命；確認燃油關斷閥（Fuel Shutoff Valve）處於關閉狀態、旋翼煞車已釋放、節氣閥在慢車或關閉位置。

• 標準：連接符合規格之地面直流電源車（GPU，通常設定為 $28\text{ V DC}$，電流限制符合手冊）或確認機載蓄電池電壓充足（$\ge 24\text{ V DC}$）。

• 步驟二：冷旋轉測試（Dry Motoring / Cranking Test）

• 程序：不開啟點火開關、不供油。扳動起動開關至「START/CRANK」位置，持續運轉數秒（須嚴格遵守 AMM 規定之最大起動秒數，如 15 秒以內）。

• 檢驗重點：

1. 繼電器吸合動作：應可聽見起動繼電器確實吸合的清脆聲響（Positive Engagement）。
2. 機械傳動與帶動轉速：發動機 $N_1$ 儀表平穩爬升至規定之乾旋轉轉速（一般約 $12\%\sim 15\% N_1$），發動機滑油壓力開始建立。
3. 電氣狀態監控：直流安培表指示高衝擊電流後迅速回降至平穩旋轉電流；繼電器與電纜接頭無異味、無冒煙、無打火現象。
4. 釋放與滑行：鬆開起動開關，確認起動繼電器立即釋放（Disengage），發動機核心軸運轉無卡阻、順暢滑行停止（Free Rotation / Spindown）。

• 步驟三：起動冷卻週期遵從（Starter Duty Cycle Compliance）

• 程序：冷旋轉測試後，必須落實冷卻等待時間（如冷卻 1 分鐘），防止起動器電樞繞組及繼電器接點過熱燒毀。

• 步驟四：發動機實際起動與自持切斷測試（Live Start & Starter Cutout Test）

• 程序：依據正常開車程序（Normal Start Checklist）開車。開啟航行燈，將點火系統備妥，按壓起動開關。

• 檢驗重點：

1. 帶動與點火加速：起動繼電器動作導通，發動機帶動旋轉；達點火轉速引入燃油點火，渦輪出口溫度（TOT/ITT）正常爬升，發動機迅速自力加速。

核心觀念

本題旨在評量應考人對旋翼機（直升機）「地面操作與勤務作業」（Ground Handling and Servicing）中，停機（Parking）與安全繫留程序之專業知識。核心架構涵蓋以下範疇：

1. 氣動力與機械特性：旋翼機停機時旋翼處於滑行慢速（Coast-down）狀態，極易受地面陣風影響產生「葉片飄盪」（Blade Sailing）與非預期揮舞，具高度危險性；且直升機重心高、具尾旋翼危險區，停機程序須兼顧防風、防滑、防外物損傷（FOD）與人員防護。
2. 作業準則與規範：主要參照民航局標準作業程序、美國聯邦航空總署（FAA）維護手冊（如 FAA-H-8083-30、FAA-H-8083-31）及原廠航空器維護手冊（AMM）與旋翼機飛行手冊（RFM）。以命題當年（民國 107 年）航空器適航與地面作業常規為準。

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解題方法

本題為標準申論題，答題切入點應採「時序推進法」與「系統防護邏輯」陳述，架構分為兩大主軸：

1. 一般停機程序（Chronological Procedure）：依「停機前位置選擇與迎風定向 $\rightarrow$ 關車及旋翼停止 $\rightarrow$ 機輪/起落架固定 $\rightarrow$ 接地與操縱系鎖定 $\rightarrow$ 防護裝備安裝」之時間順序逐步說明。
2. 遵守注意事項（Precautions & Safety Measures）：從「動態危險區管制（特別是尾旋翼及主旋翼下垂）」、「環境風力限制與繫留」、「靜電防護」與「手冊遵從性」等面向補充關鍵細節，展現維修人員之安全素養。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），無選項可逐一排除。閱卷給分之關鍵評分要素與內涵如下：

• 要素一：停機姿態與朝向（是否提及迎風停放與避開障礙，此為旋翼機特有重點）。
• 要素二：關車後固定作業（是否完整列出輪擋、操縱摩擦鎖、旋翼煞車時機）。
• 要素三：繫留與防護配件（是否提及葉片繫留繩、靜電接地、皮托管套、進排氣塞）。
• 要素四：安全管制事項（是否強調尾旋翼危險、旋翼低速轉動之葉片下垂距離、FOD 防範）。

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解題技巧

1. 口訣記憶法：「向、固、鎖、地、套、綁」

• 向：迎風向停放。
• 固：安放輪擋（Chocks）固定機身。
• 鎖：上操縱系摩擦鎖（Friction Locks）與旋翼煞車（Rotor Brake）。
• 地：連接靜電接地線（Static Ground Cable）。
• 套：套上進排氣口塞及皮托管保護罩（含飄帶）。
• 綁：旋翼葉片穿套並繫留（Tie-down）。

2. 常見失分陷阱：

• 僅以一般定翼機（客機）之停機概念作答，漏掉旋翼機獨有的「旋翼葉片飄盪」、「尾旋翼危害」及「操縱桿摩擦鎖」。
• 忽略風向影響：若背風或側風停機，強風易將主旋翼掀起或吹彎至碰撞機身（Tail Boom）。

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【答案】

一、旋翼機地面停機一般程序

1. 定位與迎風定向：

• 遵從地面導引員（Marshaller）信號，將旋翼機滑行或拖曳至堅實、平坦且無雜物（FOD）的指定停機坪。