115 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

本題考查直升機前飛時，主旋翼前進側葉片與後退側葉片的相對氣流差異，以及後退側葉片如何因此限制直升機的最大前飛速度。

葉片旋轉速度為 $\Omega r$，直升機前飛速度為 $V$。在葉尖處，前進側與後退側的相對氣流速度可簡化表示為：

因此，前進側相對氣流較快、後退側較慢，形成旋翼盤左右兩側的升力差異，稱為升力不對稱（dissymmetry of lift）。旋翼藉由葉片拍振與週期變距等作用補償升力差異；但前飛速度愈高，後退側可用的相對氣流愈低，為維持升力便須提高迎角。當迎角超過葉片的失速迎角，後退側葉片局部失速，即為後退葉片失速（retreating blade stall）。

解題方法

作答時依「前飛速度增加 → 後退側相對氣流減少 → 為維持升力而提高迎角 → 超過失速迎角 → 局部失速、升力下降」說明因果關係，再指出其對最大前飛速度的限制。

核心觀念

失去尾旋翼效能（Loss of Tail Rotor Effectiveness，LTE）是尾旋翼提供的反扭矩推力，因氣流受到干擾或所需反扭矩增加而不足，導致直升機偏航控制能力降低的空氣動力現象。LTE 本身不等同於尾旋翼機械故障；尾旋翼仍可能正常運轉，但產生的推力已不足以維持方向控制。

在一般單旋翼直升機中，主旋翼旋轉會使機身受到反向扭矩，尾旋翼須產生反扭矩推力予以平衡。可用下式表示偏航方向的力矩平衡：

當尾旋翼推力因紊流而波動，或主旋翼扭矩需求增加，使尾旋翼推力低於所需值時，機身便會產生未受控制的偏航。以常見主旋翼逆時針旋轉的直升機為例，尾旋翼反扭矩不足時，機頭通常向右偏航。

題目指定的 $210^\circ$–$330^\circ$，是以機頭方向為 $0^\circ$、順時針表示相對風向的尾旋翼渦環狀態風向區間。此區間描述的是相對風向條件，並非所有機型都以完全相同方式受影響。

解題方法：尾旋翼渦環狀態的成因

此題的作答重點是依序說明「風向作用於尾旋翼—渦流形成—推力波動—偏航控制困難」的因果鏈。

1. 左側相對風作用於尾旋翼 當相對風由 $210^\circ$–$330^\circ$ 的扇形區域吹來時，風流會干擾尾旋翼附近的氣流。尾旋翼正常運作時，會建立穩定的穿盤氣流並產生反扭矩推力；左側橫風則會對尾旋翼推力方向的氣流造成影響。

2. 尾旋翼附近形成渦流與非均勻流場 受干擾的氣流可能在尾旋翼周圍捲成渦流，使流入尾旋翼的氣流呈現非均勻且不穩定的狀態。

核心觀念

本題考查主旋翼葉片的兩種基本轉動自由度：

• 撲動（Flapping）：葉片繞近似垂直於旋翼盤面的撲動軸上下擺動，改變葉片在旋翼盤面上的高度與傾角。
• 羽動（Feathering）：葉片繞自身展向軸旋轉，改變葉片槳距角，進而改變迎角與升力。

兩者的轉軸方向與作用不同：撲動是葉片上下擺動；羽動是葉片沿自身長軸改變槳距。升力可概念性地表示為 $L=\frac{1}{2}\rho V^2SC_L$；羽動主要藉由改變迎角影響 $C_L$，撲動則使葉片改變空間姿態，並透過葉片相對氣流與迎角變化，協助調節旋翼盤上的升力分布。

解題方法

作答時分別交代「轉動方式、機械連結、氣動作用」，再說明兩者如何配合。

撲動的作動方式

葉片受到氣動升力與離心力等作用時，會繞撲動鉸鏈上下擺動。全鉸接式旋翼通常以各葉片的撲動鉸鏈提供此自由度；半剛性雙葉旋翼則常以蹺蹺板式鉸鏈，使兩片葉片相對上下撲動。無鉸鏈式旋翼則由葉片或彈性樞轂的彈性變形容許撲動。

前飛時，前進葉片與後退葉片的相對氣流速度不同，容易造成升力不對稱。前進葉片升力增加時會向上撲，後退葉片則相對向下撲；

核心觀念

迴旋桿（Cyclic Pitch Control）藉由隨主旋翼轉動位置而週期性改變各片槳葉的槳距，使旋翼盤（rotor disc）的升力分布不均，進而改變旋翼盤的傾斜方向。這題考的是迴旋桿、槳葉週期變距與陀螺進動性三者的關係。

旋轉中的主旋翼具有陀螺效應。對旋翼施力後，最大反應約在旋轉方向上延遲 $90^\circ$ 出現。控制連桿因此會預先安排槳葉變距，使槳葉在適當的方位增加或減少升力，讓旋翼盤朝飛行員輸入的方向傾斜。

解題方法

以「迴旋桿輸入 → 變距盤傾斜 → 槳葉週期變距 → 升力分布改變 → 旋翼盤傾斜」說明即可。

1. 飛行員將迴旋桿向前、後或側方移動，控制連桿使非旋轉變距盤傾斜。
2. 旋轉變距盤透過變距連桿，依每片槳葉當下的旋轉方位改變槳距；這是週期變距，並非所有槳葉同時等量增減槳距。
3. 槳距增加的一側，槳葉升力增加；槳距減少的一側，升力減少，形成升力不均與使旋翼盤傾斜的力矩。

核心觀念

本題考查半剛性旋翼的**蹺蹺板式揮舞（teetering）**設計，以及低重力狀態下機身與旋翼盤的相對運動。

半剛性旋翼常採雙葉旋翼，兩片槳葉固定在同一個旋翼頭上，並以中央的蹺蹺板鉸鏈連接主承桿。兩片槳葉可像蹺蹺板一樣一上一下揮舞，但旋翼頭的揮舞角度受限。正常飛行時，旋翼升力使旋翼系統承受足夠的載荷，旋翼盤與機身能維持適當的相對位置。

**主承桿撞擊（mast bumping）**是指旋翼頭因揮舞角度過大而撞上主承桿。這種構型特別容易發生此情況，關鍵在於：低重力時，旋翼升力與旋翼盤對機身的側向控制作用減弱，機身可能相對旋翼盤快速滾轉；若兩者的相對傾斜超過旋翼頭的揮舞限度，旋翼頭便會撞擊主承桿。

解題方法

作答時依序說明「構型限制、低重力下的相對運動、撞擊結果」即可：

1. **先指出構型限制：**半剛性旋翼以中央蹺蹺板鉸鏈容許槳葉差動揮舞，旋翼頭可相對主承桿傾斜，但揮舞角度有限。
2. **再說明低重力效應：**低重力（low-G）或失重狀態下，主旋翼盤提供的升力與側向力不足以有效約束機身。此時尾旋翼推力可能使機身滾轉，而旋翼盤因角動量傾向維持原有姿態，因而與機身產生較大的相對傾斜。
3. **最後連結撞擊：**若飛行員在低重力狀態下大幅操縱側向週期變距，或機身滾轉持續增加，旋翼頭會到達揮舞限度並撞上主承桿。