114 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

本題考查主旋翼如何藉由葉片周圍的氣流產生升力，以及旋翼盤面所處氣流在懸停、垂直起降與前進飛行時如何改變旋翼效率。

旋翼葉片可視為旋轉的翼剖面。葉片旋轉時，翼剖面與相對氣流形成迎角，因而產生氣動力；將各葉片的氣動力合成，可分解為垂直於旋翼盤面的推力分量與盤面內的阻力分量。旋翼轉速、總距（collective pitch）和旋翼盤面姿態共同影響總推力的大小與方向。

翼剖面的升力可用下式表示：

其中 $\rho$ 為空氣密度，$V_{\mathrm{rel}}$ 為葉片與氣流間的相對速度，$c$ 為翼弦長，$C_L$ 為升力係數。升力方向大致垂直於相對氣流；在旋翼機上，各葉片氣動力的合力提供支撐機體重量所需的主旋翼推力。

用動量理論描述旋翼盤面，旋翼對空氣施加向下的動量，使空氣穿過旋翼盤面後形成下洗流。在理想懸停狀態，若旋翼盤面面積為 $A$、盤面誘導速度為 $v_i$，則有：

此式表示懸停推力 $T$ 由旋翼向下加速空氣而產生。懸停時下洗速度與誘導功率需求明顯，旋翼必須持續克服誘導阻力，才能維持所需推力。

解題方法

作答時分兩層比較：

1. 先說明升力共同來源：葉片作為旋轉翼剖面，因迎角與相對氣流產生氣動力；各葉片氣動力合成為主旋翼推力。
2. 再比較氣流條件：垂直起降附近的旋翼主要在自身誘導下洗氣流中運作；進入前飛後，旋翼另有水平來流，盤面氣流分布、誘導速度及葉片相對速度均改變，因而影響效率。

「升力機理」在兩種狀態下都是翼剖面氣動升力的合成；差異在於來流條件與推力方向。懸停時合力主要向上支撐機體；前進飛行時，旋翼盤面向前傾斜，合力分解為支撐重量的垂直分量與推動機體前進的水平分量。

垂直起降與懸停時的升力機理及氣流影響

在垂直起飛時，飛行員增加總距，使葉片迎角及總升力增加；當主旋翼推力大於機體重量時，機體上升。垂直下降時則減少推力，使主旋翼推力小於重量。若以穩定懸停為例，主旋翼推力約等於機體重量，旋翼持續將空氣向下加速，形成下洗流。

在低速垂直飛行或懸停時，旋翼盤面附近缺少水平來流，旋翼周圍氣流容易受旋翼自身下洗及尖端渦流影響。尖端渦流可能捲入旋翼盤面，造成局部來流不均與誘導損失；旋翼也需消耗功率來克服較大的誘導功率需求。因此，低速懸停通常比進入有效前飛後需要較大的誘導功率。

垂直下降時，若下降速度與旋翼誘導下洗相互作用，使旋翼吸入自身下洗流形成的渦環，可能進入渦環狀態（vortex ring state）。

核心觀念

本題考查失去引擎動力後，主旋翼如何靠下降氣流維持旋轉，並繼續產生足以控制下降的氣動力。**自轉（autorotation）**是引擎不再驅動主旋翼時，旋翼仍由穿過旋翼盤的相對氣流帶動旋轉的飛行狀態。

直升機下降時，空氣相對旋翼盤由下向上流過；此上升氣流與旋翼葉片的旋轉氣流合成局部相對風。葉片各半徑位置的迎角和氣動力方向不同，因此旋翼不同區域可能吸收旋轉能量、提供旋轉能量，或因迎角過大而失速。

解題方法

作答時依序說明：下降氣流從何而來、葉片如何分區、各區域如何形成轉矩平衡、轉速與升力如何維持，以及自轉為何必要。

在近似穩定的自轉下降中，旋翼轉速大致維持穩定，表示旋翼各葉素對旋轉軸的總氣動力矩與阻力矩平衡：

其中自轉驅動區產生的正轉矩，補償由受驅區、失速區及旋翼機械阻力造成的轉矩消耗。若正轉矩大於阻力矩，轉速上升；若小於阻力矩，轉速下降。

自轉時的氣動力特性

垂直自轉時，旋翼葉片通常可概分為三個區域：

• 受驅區（driven region）：多位於葉片內側。此處的氣動力對旋轉方向形成阻力，會消耗旋翼轉動能量。
• 自轉驅動區（driving region／autorotative region）：通常位於中段。上升氣流使葉片形成適當迎角，氣動力在旋轉方向上的分量提供正轉矩，驅動旋翼持續旋轉。
• 失速區（stall region）：通常位於葉片外側。此處迎角過大時，葉片失速，氣動力與阻力特性惡化，可能增加轉速損失並降低旋翼效率。

各區域的實際位置與大小會受下降率、前進速度、集體變距及旋翼設計影響，並非固定不變。穩定自轉時，驅動區提供的轉矩足以抵銷其他區域的阻力與機械損失，因此旋翼能維持適當轉速。

主旋翼如何維持轉速及升力

**維持轉速：**引擎失效後，駕駛員降低集體變距，使葉片總迎角與阻力下降，減少旋翼轉速衰減；同時建立適當下降，使空氣持續由下向上流過旋翼盤。

核心觀念

本題考查旋翼葉片與槳轂之間的鉸接方式，以及各自由度如何讓葉片適應旋轉飛行中的受力與操縱需求。常見的三種鉸鏈為：

1. 揮舞鉸鏈（Flapping hinge）：使葉片能上下揮舞。
2. 擺振鉸鏈（Lead-lag hinge、Drag hinge 或 Vertical hinge）：使葉片能沿旋轉平面前後擺動。
3. 變距鉸鏈（Feathering hinge）：使葉片能繞自身縱軸轉動，以改變葉片槳距角。

葉片的上下揮舞、前後擺振、繞縱軸變距，是三種不同的運動自由度；各鉸鏈名稱反映其允許的主要運動方向。

解題方法

按「運動方向—形成原因—設計功用」逐一說明三種鉸鏈。再補充不同旋翼系統如何配置這些自由度：全鉸接式旋翼通常以實體鉸鏈提供運動；半剛性旋翼常以中央蹺蹺板式鉸鏈容許兩葉片共同揮舞；無鉸鏈或剛性旋翼則以葉片或彈性元件的彈性變形，提供部分相同功能。

各類鉸鏈及功用

一、揮舞鉸鏈

揮舞鉸鏈的軸線大致沿旋翼切線方向，使葉片能在近似垂直於旋轉平面的方向上下活動。葉片向上運動稱為上揮，向下運動稱為下揮。

直升機前飛時，前進側葉片與來流相對速度較大，升力較高；後退側葉片相對速度較小，升力較低。揮舞運動讓葉片能調整其迎角與上下位置，以減小前進側與後退側升力差造成的影響，協助維持旋翼盤的受力平衡。此外，揮舞也使葉片能在離心力與升力共同作用下形成適當的錐度。

揮舞鉸鏈可設在槳轂中心附近，也可採偏置設計。偏置揮舞鉸鏈能使旋翼升力對旋翼軸產生較大的操縱力矩；代價是槳轂與旋翼軸承受的彎矩增加，結構設計須配合承載需求。

二、擺振鉸鏈

擺振鉸鏈又稱拖曳鉸鏈或垂直鉸鏈，使葉片沿旋轉平面向前（lead）或向後（lag）擺動。

旋翼轉速或葉片受力改變時，葉片的切向加速度會改變；揮舞造成葉片質心半徑改變時，也會引發科氏力相關的前後擺動。因此，擺振鉸鏈讓葉片能適應旋轉平面內的慣性與氣動負荷變化，降低葉片根部、槳轂及旋翼軸承受的交變扭矩與彎曲負荷。

核心觀念

本題考查旋翼機的自動旋翼穩定系統（Stability Augmentation System, SAS）如何改善飛行穩定性與操縱品質。旋翼機對外界擾動及操縱輸入反應敏感，若穩定性不足，飛行員需持續修正操縱，增加工作負荷。SAS 透過感測飛機運動，並自動施加小幅控制修正，抑制不希望的姿態變化或振盪。

SAS 是穩定性增益系統，目的在改善旋翼機原有的穩定與操縱特性；它通常不負責取代飛行員操縱，也不等同於能自行保持航向、航線或高度的完整自動駕駛系統。

解題方法

作答時可依「目的—感測與修正—主要效果—系統界限」的順序說明：

1. **目的：**提升旋翼機的動態穩定性及操縱品質，減少外界擾動引起的不必要運動，並降低飛行員的操縱負荷。
2. **感測與修正：**系統透過陀螺儀等感測器偵測旋翼機的角速度或姿態變化，經控制器處理後，向相應的操縱軸施加修正控制輸入。
3. **主要效果：**抑制俯仰、滾轉、偏航方向的角運動及振盪，使操縱反應較平順、飛行姿態較穩定。
4. **系統界限：**基本 SAS 著重於短期穩定增益與角速度阻尼；姿態保持或自動駕駛功能可與 SAS 結合，但不應將所有 SAS 都說成能自行維持指定航向或飛行路徑。

核心觀念

本題考查旋翼機在地面效應內（IGE, In Ground Effect）與地面效應外（OGE, Out of Ground Effect）懸停時，旋翼所需功率及懸停性能的差異，以及地面如何改變旋翼下洗氣流。

旋翼懸停時，旋翼向下加速空氣以產生向上的推力。若以理想動量理論表示，懸停推力 $T$ 與誘導速度 $v_i$ 的關係為：

其中 $\rho$ 為空氣密度，$A$ 為旋翼盤面積。誘導功率可近似表示為：

在推力、空氣密度與旋翼盤面積相同時，若地面效應使誘導速度下降，所需誘導功率也隨之降低。

解題方法與物理原理

解題時先從旋翼懸停的下洗流場切入，再說明地面限制氣流後，如何影響誘導速度與功率。

旋翼靠近地面懸停時，向下的氣流受到地面阻擋，無法像高空懸停時那樣持續向下自由發展。氣流在地面附近轉向並向外流動，旋翼下方的流場因此受到改變；同時，旋翼尖端渦流與下洗流場也受地面限制。整體效果是旋翼誘導流減弱，旋翼為維持相同推力所需的誘導功率降低。

地面效應的強弱主要取決於旋翼離地高度與旋翼直徑的比例。高度愈低，地面對下洗流場的限制愈明顯；高度增加後，流場逐漸接近無地面干擾的情況，地面效應便減弱。工程上常以離地高度約小於一個旋翼直徑作為地面效應較顯著的概略範圍，但實際分界會受到旋翼設計、地面狀況及操作環境影響。

對懸停性能的影響