112 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

傾轉式旋翼機的主旋翼又稱「旋翼螺槳」（proprotor），同一組槳葉在不同飛行模式下有不同任務：短艙朝上時，旋翼提供垂直升力；短艙向前傾轉後，旋翼主要提供推力，機翼承擔大部分升力。因此，槳葉外型必須兼顧懸停與高速前飛兩種工況，並考量傾轉過程中的氣動與結構特性。

本題分成兩部分作答：先描述槳葉的平面外型與扭轉、剖面等幾何特性，再說明分析時需檢視的性能與設計限制。常用的初步氣動分析方法包括葉素動量理論（BEMT）；細部設計則須配合旋翼氣動、結構與氣動彈性分析。

解題方法

先從「槳葉形狀如何配合懸停與前飛」切入，再逐項連結外型參數與性能影響。作答時應避免只列出「槳葉扭轉、翼型、槳尖」等名詞；每項都要交代它影響的性能或限制。

主旋翼槳葉外型

1. 槳葉數、槳盤與實度 槳葉數與弦長分布決定旋翼實度，常以 $\sigma=\frac{Bc}{\pi R}$ 表示，其中 $B$ 為槳葉數、$c$ 為代表性弦長、$R$ 為旋翼半徑。實度提高可增加槳盤承載能力，但也會增加槳葉阻力、重量及結構負荷。

2. 弦長分布與錐度 槳葉可採非均勻或分段錐度設計，使內、中、外段具有不同弦長。適當錐度有助於調整展向升力與功率分布，並兼顧懸停效率及前飛性能；弦長分布也會影響槳葉重量、慣性與結構強度。

3. 幾何扭轉 槳葉通常沿展向設置扭轉，使各半徑位置在設計工況下具有適當攻角與升力分布。較大的非線性扭轉可改善懸停時的槳盤負荷分布，但須同時考量高速前飛時的入流、迎角及槳葉載荷變化。

4. 槳尖形狀與後掠 槳尖可採後掠、修形或可更換式設計。高速前飛時，前進側槳尖的相對速度與局部馬赫數較高，槳尖後掠可降低局部壓縮性效應並調整載荷；槳尖形狀也影響渦流、噪音與槳尖損失。

5. 翼型與厚度分布 槳葉不同半徑位置可採不同翼型或厚度。翼型須兼顧懸停升力、前飛阻力、失速特性、壓縮性效應及結構厚度需求。外段常面臨較高局部速度，翼型設計尤其要注意高速阻力與局部失速。

6. 槳葉材料與內部結構 複合材料槳葉可配合所需扭轉及外型，並控制重量與剛性；槳葉亦須具有足夠的彎曲、扭轉及疲勞強度。

核心觀念

旋翼機的方向性控制，是控制機身繞垂直軸的偏航，使機頭轉向並維持所需航向。以最常見的單主旋翼、尾旋翼構型為例，主旋翼轉動時會對機身產生反作用力矩；尾旋翼提供側向推力，形成反向力矩以抵銷主旋翼扭矩，並藉由改變尾旋翼推力大小與方向來控制偏航。

以力矩平衡表示：

當兩者平衡時，機身不會因扭矩而持續偏航；尾旋翼力矩大於或小於主旋翼力矩時，機身便會朝相應方向轉動。

解題方法

飛行員踩左、右方向舵踏板（反扭矩踏板），透過操縱連桿改變尾旋翼葉片的總距，進而改變尾旋翼推力及其對重心的力臂所形成的力矩。

• 懸停或低速飛行： 尾旋翼主要負責抵銷主旋翼扭矩及控制機頭方向。踩踏板改變尾旋翼推力，便能使機身向左或向右偏航。
• 增加主旋翼扭矩時： 例如增加總距、提高主旋翼負載，通常須同步增加尾旋翼反扭矩推力，以維持航向。

核心觀念

本題考查旋翼機主旋翼如何調整總升力（推力），以及集體變距與週期變距各自的作用。旋翼葉片旋轉時產生氣動力；飛行員主要透過改變葉片的槳距角，進而改變葉片攻角與氣動力。

升力可用下式表示：

其中 $\rho$ 為空氣密度、$V$ 為相對氣流速度、$S$ 為翼面積、$C_L$ 為升力係數。旋翼轉速與葉片幾何形狀一定時，改變槳距角會改變攻角與 $C_L$，因此改變旋翼產生的升力。實際操縱時，旋翼轉速須維持在規定範圍，並配合引擎功率調整。

解題方法

依操縱目的區分「改變升力大小」與「改變升力方向」：

1. 改變升力大小：使用集體變距。 操縱總距桿時，主旋翼各葉片的槳距角會同時、等量增加或減少。槳距增加會使攻角與升力增加；槳距減少則使升力減少。增加槳距也會增加氣動阻力與引擎負荷，因此須配合增加功率，並維持旋翼轉速。

2. 改變升力方向：使用週期變距。 操縱週期桿時，葉片在旋轉一周的不同位置獲得週期性槳距變化，使旋翼盤傾斜。

核心觀念

「動態穩定性」是指旋翼機受到陣風、操縱或其他擾動後，若機體偏離原有平衡狀態，其運動隨時間發展的情形。若偏差逐漸減小，稱為動態穩定；若偏差維持或逐漸增大，則分別為中性穩定或動態不穩定。

動態穩定的關鍵是讓旋翼機具備適當的阻尼：機體產生俯仰、滾轉或偏航角速度時，系統能產生與角速度方向相反的力矩，使擾動後的振盪逐漸衰減。就自由振盪而言，可用阻尼比 $\zeta$ 描述衰減程度；$\zeta>0$ 表示振幅隨時間衰減，$\zeta=0$ 表示等幅振盪，$\zeta<0$ 則表示振盪發散。

旋翼機的穩定特性主要受主旋翼影響，也與尾翼、機體氣動特性及飛控系統共同相關。主旋翼的揮舞與拍動等動態反應，會影響機體姿態和角速度；尾翼可提供氣動穩定作用；穩定增益系統則可協助增加角速度阻尼。

解題方法

本題問「如何達成」，作答應從擾動後如何產生衰減力矩切入，再分述旋翼本身、尾翼設計與飛控增穩等途徑。

1. 利用主旋翼的動態特性 主旋翼葉片會因揮舞、拍動等運動對機體產生反作用力與力矩。透過適當的旋翼型式、葉片鉸接或彈性設計，以及旋翼與機體的匹配，可增加俯仰、滾轉等運動的阻尼，讓角速度及振盪振幅逐漸降低。

核心觀念

本題要求畫出一般旋翼機的主要結構，並說明各部位如何參與飛行。作答重點是把機體結構、旋翼升力系統、推進系統與尾部方向控制系統畫在正確位置，再以力與力矩說明其功能。

旋翼機主要靠主旋翼產生升力與操縱力。懸停或定常飛行時，主旋翼推力的垂直分量平衡重量；前飛時，推力的水平分量提供前進力。旋翼轉動也會對機身施加反扭矩，因此須由尾旋翼或其他抗扭系統抵消。

解題方法：先畫配置，再標示功能

以下為一般單主旋翼、尾旋翼式旋翼機的側視示意圖。考卷作答時可用簡圖，並清楚標出各部位名稱與旋翼力的方向。

 主旋翼（旋翼頭、槳葉）
 ────────────────
 │
 傳動軸／主旋翼桅桿
 │
 尾旋翼 ── 尾梁 ── [機身：座艙、設備、起落架]
 ○ [發動機、傳動系統]
 │ ↑
 尾旋翼傳動軸 主旋翼推力 T
 ↑
 ↓ 重量 W

圖中主旋翼推力 $T$ 的方向會隨旋翼盤傾斜而改變；尾旋翼位置與主旋翼轉向相配合，用以抵消反扭矩並控制偏航。

主要部位與飛行力學功能

1. 主旋翼、旋翼頭與旋翼桅桿

主旋翼由槳葉及旋翼頭構成，是主要的升力與操縱力來源。槳葉旋轉時，翼型產生氣動力，其合力形成主旋翼推力。懸停時推力大致向上；前飛時旋翼盤向前傾斜，推力可分解為垂直分量與水平分量：

其中 $\theta$ 為旋翼推力方向偏離鉛直方向的角度。垂直分量支撐機重，水平分量使旋翼機前進或側移。

旋翼頭負責連接槳葉並傳遞操縱動作；旋翼桅桿則支承並帶動主旋翼旋轉。操縱系統改變槳葉總距或週期變距，進而改變旋翼推力大小與方向。

2. 發動機與傳動系統