114 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

地面共振（Ground Resonance）是旋翼機停留在地面時，旋翼葉片的前進／後退（lead-lag）運動與機身、起落架的擺動相互耦合，形成振幅逐漸增大的自激振動。嚴重時，機體會劇烈搖晃，甚至在短時間內受損或傾覆。

此現象常見於具有前進／後退鉸鏈或等效柔性機構的多葉片鉸接式旋翼系統。旋翼葉片在圓周方向的位置若變得不均勻，旋翼質心便會偏離旋轉軸，形成旋翼不平衡。若這種不平衡與機身、起落架的振動互相增強，便可能發展成地面共振。

地面共振的形成原因

1. 地面衝擊或擾動使葉片前進／後退位置改變 硬著陸、單側起落架先接地、地面不平或滑橇／輪子受到衝擊，都可能使一片或多片旋翼葉片相對其他葉片前進或後退。

2. 旋翼質量分布失衡 葉片位置不再均勻分布於旋翼盤面時，旋翼的質心會偏離旋轉軸。隨旋翼轉動，偏心質量產生週期性作用力。

3. 起落架彈性使機身產生擺動 起落架受旋翼週期性作用力後會變形、回彈，機身因而在地面上產生側向或前後搖擺。輪式起落架的輪胎及支柱彈性，也會影響其固有振動特性。

4. 旋翼與機體模態耦合，阻尼不足 若旋翼前進／後退運動的頻率與機身、起落架的固有頻率接近，且旋翼前進／後退阻尼或起落架阻尼不足，兩者便會彼此供能。機身搖擺又進一步改變葉片位置，造成更大的旋翼不平衡；不平衡再加劇機身搖擺，形成正回饋，振幅可能迅速增加。

可用下列因果鏈概括：

核心觀念

旋翼機的「翼尖失速」通常指後退旋翼葉片外段（接近葉尖）的失速，英文常稱 retreating blade tip stall 或 retreating blade stall。這是旋翼機高速前飛時的重要速度限制因素。

旋翼葉片同時具有旋轉速度與飛行速度。以前飛方向一側為例，前進葉片的相對氣流速度增加，後退葉片的相對氣流速度降低。若忽略誘導速度，距旋翼軸半徑 $r$ 處的切向相對速度可概略表示為：

其中 $\Omega$ 為旋翼角速度，$V$ 為直升機前飛速度。由於後退側相對速度較低，若旋翼仍須提供足夠總升力，後退葉片必須增加迎角。當迎角超過翼型的臨界迎角，葉片表面氣流分離，升力下降、阻力增加，便形成後退側翼尖失速。

失速通常先出現在葉片外段，並可能隨前飛速度或旋翼負荷增加而向葉根擴展。葉片失速會造成旋翼升力分布不均，常伴隨振動、機頭上仰及向後退側滾轉等現象。

解題方法

本題分成「說明現象」及「列舉成因」兩部分。作答時先交代旋翼前飛時的速度不對稱，再說明後退葉片為維持升力而需增加迎角；最後指出迎角超過臨界值後，氣流分離並造成外段失速。成因則從飛行速度、迎角與負荷、旋翼轉速、環境及操作幾方面整理。

翼尖失速的可能原因

1. 前飛速度過高：前飛速度增加時，後退側相對氣流速度降低，為維持升力需提高迎角，因而較易超過臨界迎角。
2. 旋翼轉速過低：旋翼轉速降低會使葉片旋轉所提供的相對速度減少，後退葉片可用的氣動速度更低，失速裕度縮小。

核心觀念

旋翼機的振動頻率，主要由旋翼轉速及其每轉所產生的振動次數決定。以主旋翼每分鐘轉速 $N$ rpm 表示，旋翼每秒轉數為：

若振動每轉發生 $k$ 次，稱為 $k/\text{rev}$（每轉 $k$ 次），其頻率為：

因此，振動頻率可用來判斷可能的振源：主旋翼低階轉速諧波常見於低頻；機身或旋翼系統的固有振動常見於極低頻或中頻；高速旋轉的傳動與附件則常見於高頻。實際頻帶仍須配合機型維修手冊判讀。

解題方法

依題目指定的四個頻率級別，逐項交代「振動特徵、典型頻率或表現、常見原因」。作答時將「旋翼本身造成的振動」與「機身吸振能力、鬆動零件或高速旋轉組件造成的振動」分開，避免把不同振源混為一談。

各頻率震動與原因

一、超低頻率震動

超低頻率震動的典型表現是機身上部或傳動系統支架的緩慢搖擺，常稱為塔架搖擺（pylon rock）。其頻率約每秒 $2$ 至 $3$ 次，主要與主旋翼、旋翼軸及傳動系統的整體動態特性有關。

傳動系統支架通常設有減振或隔振裝置，以吸收這種低速搖擺，避免振動傳到機身後變得明顯。

二、低頻率震動

低頻震動主要與主旋翼本身有關，常見於 $1/\text{rev}$ 與 $2/\text{rev}$：

• **$1/\text{rev}$：**每轉一次的振動。常見原因是某一旋翼葉片在同一旋轉方位產生的升力與其他葉片不同，造成週期性載荷不平衡。葉片軌跡不一致、重量或氣動特性差異，都可能造成此類振動。
• **$2/\text{rev}$：**每轉兩次的振動，常與旋翼系統的週期性載荷或葉片間差異有關；應依機型及振動方向，進一步檢查主旋翼軌跡、平衡與相關設定。

低頻主旋翼振動常需配合垂直或側向振動方向，以及旋翼追蹤與平衡檢查判讀。

核心觀念

本題考查旋翼機重心（$CG$）的計算。重心站位定義為總力矩除以總重量：

其中：

• $W_i$：各頂機點承受的重量
• $X_i$：各頂機點相對於參考基準線的站位
• $W_iX_i$：各頂機點對參考基準線產生的力矩

解題方法

依圖示資料，各頂機點力矩如下：

前頂機點：

左後頂機點：

右後頂機點：

總力矩：