115 高普考普通考試 航空器維修 航空發動機概要 考古題詳解

核心觀念

FADEC（Full Authority Digital Engine Control）以數位控制器依據駕駛艙推力桿位置與各項發動機、飛機感測器訊號，計算燃油流量及相關控制指令。常見的雙通道 EEC（Electronic Engine Control）包含兩套可各自執行控制工作的通道，彼此交換資料，以維持故障監控與控制連續性。

推力控制通常有兩種模式：

• 正常模式（EPR mode）：以發動機壓力比 EPR 作為推力控制參數。
• 替代模式（alternate／N1 mode）：EPR 控制所需訊號或控制功能不可用時，改以低壓轉子轉速 $N_1$ 作為推力控制參數。

解題方法

本題分別考查雙通道 EEC 的通道間協調，以及 EPR 控制失效時的備援控制原理。作答時先說明交談邏輯如何比較及分配控制權，再依「失去 EPR 控制條件 → 改用 $N_1$ → 按推力桿位置排定轉速」交代替代模式。

（一）EEC 的交談（cross-talk）邏輯功能

交談是雙通道 EEC 之間交換、比對資料的邏輯功能。兩個通道會比較各自接收的感測器輸入、計算結果與故障狀態，以判斷哪一個通道對特定控制輸出較適合。

通常由主要通道控制輸出驅動器；若交談邏輯判定另一通道對某一輸出驅動器或致動器控制組更可靠，EEC 可將該項輸出的控制權交給另一通道。這種安排讓控制權能依故障狀況逐項分配，而不只是所有輸出一律切換到同一通道。

因此，交談邏輯的主要目的為：

1. 比較兩通道資料與故障狀態，偵測通道或輸入差異。
2. 判定各項輸出應由哪個通道控制。
3. 在單一通道或部分輸入故障時，利用可用通道維持控制，提升可靠度及故障容忍能力。

（二）EPR 模式無法使用時的替代模式及原理

核心觀念

本題考查連續迴路式火警偵測器中，電阻式 Firewire 如何因受熱而改變電阻並觸發警告，以及雙迴路系統如何兼顧降低誤警與維持偵測能力。

「Firewire」是沿著發動機短艙等火警區域敷設的連續感測元件。不同機型的感測材料與控制邏輯可能不同；本題依電阻式 Firewire 的典型構造與雙迴路的典型 BOTH 邏輯作答。

解題方法

作答時先交代 Firewire 的截面構造，再按「正常狀態 → 受熱 → 警告 → 冷卻復歸」說明運作。雙迴路部分則分開回答兩件事：A/B 迴路的設計目的，以及 BOTH 選擇時兩迴路如何共同判斷。

（一）電阻式 Firewire 的構造與運作原理

**構造：**Firewire 是連續敷設於需監控區域的金屬感測管，通常為不鏽鋼外管，內有一條或兩條中央導體；導體與外管之間填有具溫度敏感特性的絕緣材料。典型電阻式設計可使用低熔點共晶鹽等材料，導體與外管之間形成電氣感測路徑。外管在部分設計中接地，內導體則接至控制器。

運作原理：

1. **正常狀態：**感測材料維持高電阻，中央導體與外管之間只有很小的電流，控制器不發出火警。
2. **受熱狀態：**當 Firewire 局部溫度升高至設計門檻，感測材料的電阻大幅下降，中央導體與外管之間的電流增加。
3. **警告觸發：**控制器監測迴路電流或電阻；當變化達到設定值，便判定過熱或火警，並發出相應警告。
4. **冷卻復歸：**火勢熄滅、溫度下降後，感測材料恢復高電阻，電流降回正常範圍，警告通常隨之解除。

答題要點是：受熱使電阻下降、電流增加，控制器據此觸發警告。不宜將此原理與氣動式 Firewire 的壓力變化混為一談。

（二）A/B 兩迴路的設計目的

A、B 是兩套分開監控的感測迴路，主要目的如下：

核心觀念

SOAP（Spectrometric Oil Analysis Program，滑油光譜分析計畫）是透過定期分析滑油中磨耗金屬的種類與含量，監控發動機及其滑油潤滑系統內部零件磨耗狀況的預知維護方法。

金屬零件運轉時會因摩擦產生微小磨粒，磨粒隨滑油流動或懸浮其中。磨粒的元素組成可提供磨耗來源線索；若某元素濃度異常升高，或相對於該發動機的歷次分析趨勢明顯變化，即可據以研判可能磨損的零件，安排檢查或維修，降低故障擴大與發動機失效的風險。

解題方法

作答分成兩部分：

1. 說明原理與目的：交代磨粒如何進入滑油、光譜分析如何辨識及量測金屬，以及分析結果如何用於狀態監控。
2. 列出元素與零件對照：以常見磨耗金屬為主，配對可能含有該元素的發動機零件或材料。

光譜分析的基本原理是使油樣中的金屬受激發而產生特定波長的光譜；不同元素具有可辨識的特徵光譜，儀器據此辨識元素並量測其含量。結果通常以濃度表示，並與該型發動機的正常範圍及歷次採樣趨勢比較。

（一）原理與目的

發動機運轉時，軸承、齒輪、軸及其他滑油潤滑零件彼此接觸並產生摩擦，即使滑油形成潤滑油膜，仍會有微量金屬磨粒脫落並進入滑油。SOAP 定期採集油樣，以光譜分析辨識磨粒中的金屬元素並測定其濃度。

由於零件材料的元素組成不同，磨粒中的元素種類可協助判斷磨耗來源；而元素濃度的變化則可顯示磨耗速率是否異常。將單次結果與該型發動機的基準及歷次趨勢比較，可及早發現異常磨耗，作為後續檢查、維修與繼續運轉判斷的依據。

SOAP 的目的在於監控內部零件磨耗趨勢、協助故障預警與定位，並避免故障惡化造成更大損壞或發動機失效。分析結果應配合機型、運轉時間、採樣狀況及其他檢查結果判讀；不能只憑單一元素濃度直接認定某零件已故障。

（二）常見金屬元素與對應零件

（一）相角比較扭矩計的量測原理

核心觀念

相角比較扭矩計（Phase Comparison Torquemeter）量測的是傳動軸受扭矩時的扭轉變形，再由扭轉量換算扭矩。扭矩愈大，軸的扭轉角愈大；在材料彈性範圍內，扭矩與扭轉角成正比。

解題方法與量測流程

1. 在傳動軸兩個不同位置裝設齒環或齒盤，並各配置一個磁性拾波器。
2. 軸旋轉時，齒環齒尖依序通過拾波器，產生兩組交流脈波訊號。
3. 無負載或零扭矩時，兩處的相對角位置固定，兩組訊號具有預定的相位關係。
4. 發動機輸出扭矩時，傳動軸因受扭而產生角位移，兩個齒環的相對位置改變，兩組訊號間的相位差也隨之改變。
5. 電路或電子控制器比較兩組訊號的相位差，依校正關係換算成軸扭矩，並顯示為扭矩值或扭矩百分比。

軸的扭轉關係可用下式表示：

其中，$T$ 為扭矩、$\theta$ 為兩測點間的扭轉角、$L$ 為測量段長度、$J$ 為軸截面的極慣性矩、$G$ 為材料的剪變模數。實際儀表通常以相位差訊號及出廠校正值換算，不必在飛機上直接計算上述材料參數。

解題技巧與常見陷阱

作答時抓住「扭矩 → 軸扭轉 → 齒環相對位移 → 訊號相位差 → 扭矩指示」這條因果鏈。相角比較扭矩計不是直接量燃油流量，也不是單純量轉速；它是由軸的扭轉量間接求得扭矩。轉速可影響訊號頻率，但扭矩資訊來自兩組訊號的相位差。

（二）渦輪螺旋槳發動機的 Beta 模式

核心觀念

本題考查螺旋槳防冰／除冰的兩種原理：

• **拋油環（slinger ring）**利用螺旋槳旋轉產生的離心力，把防冰液送到槳葉前緣。
• **電動除冰（electrical de-icing）**利用電熱元件局部加熱，使冰層與槳葉表面之間形成薄水膜，再靠旋轉離心力及氣流使冰脫落。加熱順序須配合冰塊脫離的方向。

（一）拋油環的運作原理

流體防冰系統通常由防冰液儲槽、計量泵、供液管、拋油環及槳葉前緣的導流槽或供液鞋（feed shoe）組成。

防冰液由泵送至引擎鼻錐附近的固定噴嘴，再進入裝在螺旋槳轂上的環形槽，也就是拋油環。拋油環隨螺旋槳旋轉，槽內液體受離心力作用，沿環槽分配並導向各槳葉根部。接著液體進入槳葉前緣的導流槽，向外流布，形成防冰液膜。

防冰液的作用主要是降低水的冰點、抑制冰層形成；若表面已有薄冰，也能使冰與槳葉間的附著力降低，讓旋轉離心力及氣流帶走冰層。導流槽可幫助液體留在易結冰的前緣，減少液體被槳葉周圍氣流帶離而浪費。

（二）為何先加熱外側，再加熱內側