109 高普考普通考試 航空器維修 旋翼機原理 考古題詳解

核心觀念

本題考空氣翼形的幾何定義，以及翼形升力係數 $C_L$ 隨攻角 $\alpha$ 變化的關係。對稱翼形的弦線與平均弧線重合；非對稱翼形（通常指有弯度的翼形）的平均弧線則偏離弦線。這項幾何差異會使兩者的零升力攻角不同。 FAA《Helicopter Flying Handbook》

解題方法：先畫翼形，再比較升力曲線

翼形定義示意圖（非按比例）：

非對稱翼形（有弯度） 對稱翼形
 上表面 上表面
 ______________ ______________
 / \ / \
 / \____ / \____
 \ - - - - - - - - \ \ - - - - - - - \
 \______________________/ \______________________/
 - - - - - - - - - - - - ──────────────────────
 平均弧線（彎曲） 弦線
 弦線為直線 平均弧線與弦線重合

弦線是連接前緣與後緣的直線；平均弧線則是位於上下表面之間的幾何中線。對稱翼形的上下表面相對弦線互為鏡像，平均弧線與弦線重合。非對稱翼形的上下表面形狀不同，平均弧線呈彎曲狀。

升力與攻角曲線示意圖（不表示失速後的實際曲線形狀）：

升力係數 C_L
 ↑
 │ ／ 非對稱翼形
 │ ／
 │ ／
 │ ／
 │ ／ 對稱翼形
 │ ／
────┼──／────────────────────→ 攻角 α
 │ ／
 │
 α_L=0（非對稱） 0
 為負值

在未失速的線性範圍內，升力係數可近似表示為：

核心觀念

主旋翼的**拍動（flapping）**是旋翼葉片因升力變化而在旋轉平面上下擺動的運動。葉片通常繞著槳轂上的拍動鉸鏈擺動；採無鉸鏈或彈性旋翼的機型，則由葉片或槳轂的彈性變形提供相同功能。

本題重點是說明拍動如何回應前進飛行時的左右升力差，以及它如何協助旋翼機保持平衡並控制姿態。

主要原理

直升機前進時，旋翼葉片一側順著飛行方向運轉，稱為前行側；另一側逆著飛行方向運轉，稱為後行側。若以相同角速度比較，前行側的相對氣流速度較大，後行側較小。依升力關係式

在其他條件相同時，前行側升力較大、後行側升力較小，會造成旋翼左右兩側升力不平衡。

葉片受到較大升力時向上拍動，受到較小升力時向下拍動。葉片拍動會改變其運動狀態與迎角分布，使旋翼盤上的升力差得到補償，避免升力不平衡直接造成過大的滾轉力矩。拍動也會帶來相位延遲，因此最大拍動位置通常不會與最大升力位置重合；其相位關係取決於旋翼系統的鉸鏈、阻尼與彈性特性。

功能與飛行操控

核心觀念

旋翼機動量理論又稱致動盤理論。它不逐片分析旋翼葉片，而是把旋翼簡化成一個能對氣流施加壓力差的理想圓盤，再以控制體分析空氣通過旋翼前後的流量、速度與壓力變化。

懸停時，旋翼把空氣向下加速，空氣獲得向下的動量；依作用與反作用，空氣對旋翼產生向上的推力。由理論可得，若旋翼盤面積為 $A$、空氣密度為 $\rho$、盤面誘導速度為 $v_i$，理想懸停推力與誘導功率為

解題方法

第一小題要列出推導推力與誘導功率所依據的基本定律或方程；第二小題則從模型簡化著手，說明理想致動盤與理想流場的條件。題目要求「另擇四項」，因此列出四項假設並交代其物理意義即可。

（一）理論引用的四項定律

1. 牛頓運動定律：尤其是牛頓第二定律，力等於動量變化率；套用於控制體，可由氣流的動量增量求得旋翼推力。牛頓第三定律則說明旋翼對空氣施力時，空氣對旋翼產生大小相等、方向相反的反作用力。

2. 質量守恆定律（連續方程式）：穩定流動時，通過流管各截面的質量流率相同：

核心觀念

本題考查旋翼葉片的外洗（washout）。外洗是指葉片由根部往葉尖，安裝角（或幾何槳距）逐漸減小的扭轉構形；換言之，葉根的幾何槳距較大，葉尖的幾何槳距較小。這裡的「外洗」指葉片沿翼展方向的幾何扭轉，不是葉片的揮舞運動，也不是改變旋翼總距。

解題方法與原理

判斷外洗的關鍵，是比較葉根與葉尖的幾何槳距。對半徑位置 $r$ 的葉片剖面，局部幾何槳距角可表示為 $\theta(r)$；外洗的特徵是：

葉片旋轉時，局部切向速度約為 $\Omega r$，其中 $\Omega$ 是旋翼角速度。半徑愈大，切向速度愈高，因此葉尖相對氣流速度遠高於葉根。若葉片全長採相同安裝角，葉尖容易產生過大的升力與負荷。

核心觀念

平移升力（Translational Lift）是指直升機由懸停進入前飛時，主旋翼相對於空氣的水平速度增加，旋翼吸入較未受干擾、能量較高的空氣，因而減少旋翼誘導流與渦流損失，使旋翼效率及升力增加的現象。

懸停時，主旋翼主要在自己的下洗氣流中工作；進入前飛後，旋翼逐漸離開先前形成的渦流區，並獲得較穩定的新鮮空氣流。這使得在相同旋翼轉速與總距下，主旋翼能產生較大的升力，或以較低的功率維持原有升力。平移升力通常在前飛速度增加至有效平移升力區域時逐漸明顯，並非一達到某個速度就瞬間產生。

解題方法

本題可依序從「主旋翼氣流條件改變」、「尾旋翼效率變化」及「飛行姿態反應」三個面向回答：

1. 主旋翼效率： 前飛使旋翼進入較未受干擾的空氣，誘導流與渦流損失降低，因此主旋翼效率提高、升力增加。
2. 尾旋翼效率： 尾旋翼也因直升機前進而獲得較穩定的相對氣流，尾旋翼效率提高。維持相同反扭矩所需的尾旋翼推力及功率可降低，方向舵或反扭矩操縱需求也會減少。