111 高普考高考三級 航空器維修 航空器液壓系統 考古題詳解

核心觀念

本題為公務人員高等考試三級考試「航空器維修」類科之經典核心題型，依據命題當年度（民國 111 年）現行之航空器適航標準、民航法規及國際航空維修指引（如 FAA AC 43.13-1B、FAA-H-8083-31A），主要評量以下核心知識：

1. 液壓動力傳輸與流體力學性質：帕斯卡原理（Pascal's Principle）、不可壓縮性、黏度與黏度指數（Viscosity Index, VI）、潤滑性、熱穩定性及抗氧化防蝕特性。
2. 航空液壓油分類與材料相容性：礦物油基（Mineral base）、合成烴基（Synthetic hydrocarbon base）與磷酸酯基（Phosphate ester base）的規格標準（MIL-SPEC、SAE AS1241）、辨識顏色及對應之彈性密封件（Elastomer Seals）材質。
3. 地勤維修安全與污染防制：個人防護裝備（PPE）、物質安全資料表（SDS）、防範交錯混油（Cross-contamination）及機體結構／漆面防護。
4. 液壓系統氣蝕（Cavitation）與油箱加壓機制：流體飽和蒸氣壓與高空低環境氣壓的物理關係、淨正吸入水頭（NPSH）、引擎引氣（Bleed air）調壓系統及差動自加壓活塞（Bootstrapped/Self-pressurizing reservoir）機構。

解題方法

本題採「理論機制結合維修實務」之架構作答，切入點如下：

1. 子題 (一) 採三分法鋪陳：

• 功能：由基本動力傳遞延伸至輔助功能（潤滑、冷卻、密封、清潔防蝕）。
• 種類：以化學基底分類，條列規格代號、識別顏色、代表性工作溫度及密封件材質，展現規格化專業知識。
• 處理注意事項：由「人員健康工安」、「機體器材防護」到「維護操作防混油防污染」分層論述。

2. 子題 (二) 採二段式因果對應：

• 何以需要加壓：直擊「高空大氣壓力遞減引發泵浦氣蝕」之物理成因，輔以維持正壓供油與抑制起泡。
• 如何加壓：完整說明民航客機最常見之「氣壓式（引擎引氣）」管路配置，並補強軍機與先進系統之「液壓差動活塞式（Bootstrapped）」，彰顯答題的廣度與深度。

選項分析

本題為專業申論題，非選擇題。各評分面向與閱卷得分要點剖析如下：

• 子題 (一) 評分關鍵要點：
• 功能若僅寫「傳遞動力」分數偏低，必須寫齊潤滑、冷卻散熱、密封與防蝕防沖刷等次要功能。
• 種類必須明確寫出「規格代號（如 MIL-PRF-5606、Skydrol）」與「對應密封件（如 Buna-N、EPDM）」，這是閱卷委員判定是否具備實務維修執照水準的關鍵。
• 注意事項需涵蓋毒性防護（PPE）、漆面腐蝕處理以及嚴禁跨規格混油之維修紀律。
• 子題 (二) 評分關鍵要點：
• 「何以加壓」之關鍵給分詞為「氣蝕（Cavitation）」與「高空低氣壓」。若僅寫「讓油流得順暢」無法拿到高分，需說明蒸氣壓與沸點隨高度降低之物理現象。
• 「如何加壓」必須具備調壓閥、單向閥、洩壓閥等系統組件觀念，若能額外答出無氣源之自加壓活塞油箱，即可取得頂標分數。

解題技巧

1. 口訣記憶對比法：

• 礦物油（MIL-PRF-5606）：紅油配丁腈橡膠（Buna-N），易燃，普遍用於小型機與起落架減震支柱。
• 磷酸酯基（Skydrol / HyJet）：紫油配乙丙橡膠（EPDM/Butyl），耐火但具腐蝕性，現代商用客機主流。

2. 避開閱卷陷阱：

• 絕不可將不同基底之液壓油視為可互換或相容；混用會導致密封圈膨脹、溶解或硬化，導致系統全面失效。
• 油箱加壓的主因是「防止泵浦吸油端產生氣蝕」，而非「推動致動器工作」（致動器是由液壓泵浦輸出之 3,000 psi 或 5,000 psi 驅動）。

3. 加壓公式輔助： 在自加壓油箱中，可列出帕斯卡差動活塞面積比公式： $P_{\text{reservoir}} = P_{\text{system}} \times \frac{A_{\text{small}}}{A_{\text{large}}}$ 展現工程計算基礎。

【答案】

(一) 液壓油之功能、種類及處理注意事項

1. 液壓油之功能

液壓油（Hydraulic Fluid）在航空器液壓動力系統中扮演能量傳輸介質的角色，具備以下五大核心功能：

• 動力傳遞（Power Transmission）：利用液體幾近不可壓縮的物理特性，將液壓泵產生的壓力能透過管路精確傳送至各促動器（Actuators），驅動飛控面、起落架、煞車及反推力裝置。
• 潤滑作用（Lubrication）：在高速、高壓運轉之液壓泵、馬達、控制閥閥芯及致動筒活塞內部金屬接觸面形成強韌油膜，降低機械摩擦與磨損。
• 冷卻與散熱（Cooling and Heat Dissipation）：吸收機件內部摩擦及液流節流減壓產生的熱能，循環流回油箱或熱交換器（Heat Exchanger）釋放熱量，維持工作溫度穩定。
• 密封輔助（Sealing）：填充機件運動表面之間的微小間隙，配合彈性密封圈防止高壓流體內部洩漏，維持系統容積效率。
• 防蝕與清潔防護（Corrosion Prevention and Flushing）：添加防蝕防鏽抑制劑，隔絕水分與氧氣接觸金屬；同時將金屬磨耗微粒沖刷帶往回油濾清器（Return Filter）攔截。

2. 液壓油之種類

航空液壓油依化學基底主要分為三大類：

• 礦物油基（Mineral-Base Fluid, 如 MIL-PRF-5606 / 原 MIL-H-5606）：
• 特性：由石油精煉分餾物製成，外觀通常染成紅色（Red）。具有優良的低溫流動性（黏度指數高），但燃點較低（約 $105^\circ\text{C}$），易引發火災。
• 相容密封件：合成橡膠（丁腈橡膠，Buna-N / Nitrile）。
• 應用：一般通用航空輕型飛機、直升機，或大型客機之起落架油氣減震支柱（Oleo Strut）。
• 合成烴基（Synthetic Hydrocarbon-Base Fluid, 如 MIL-PRF-83282 / MIL-PRF-87257）：
• 特性：為改善 5606 的可燃性而開發之聚 $\alpha$-烯烴（PAO）基合成油，亦染為紅色。燃點高於 $205^\circ\text{C}$，抗燃性顯著提高，可與 MIL-PRF-5606 相互混溶與替代。
• 相容密封件：丁腈橡膠（Buna-N）、氟橡膠（Viton）。
• 應用：現代軍用航空器與部分防低溫、耐高壓系統。

核心觀念

多碟片煞車利用多組摩擦面，在有限的輪內空間產生足夠煞車力矩。其構造由隨機輪轉動的轉子與固定於扭力管的定子交錯排列，再由液壓活塞將碟片組夾緊。

煞車力矩可概念化表示為：

其中 $n$ 為有效摩擦面數，$\mu$ 為摩擦係數，$F$ 為夾緊力，$r_{\mathrm{eff}}$ 為平均摩擦半徑。多碟片設計藉由增加摩擦面數，在較小體積內取得較大的煞車力矩。

解題方法：構造與運作

先辨認各零件的固定方式：轉子跟著輪子轉，定子固定不轉。再說明液壓活塞如何夾緊交錯碟片，以及摩擦力如何使輪子減速。

構造示意圖

以下為沿輪軸方向的簡化剖面；碟片組位於輪內：

 輪子／輪轂（與轉子連接，隨輪轉動）
 ↻
液壓油 → [活塞] → [壓力板] │ 定子 │ 轉子 │ 定子 │ 轉子 │ [後承板]
 └────── 交錯碟片組 ──────┘
 ↑ ↑
 定子固定於扭力管 轉子以花鍵連接輪轂

實際碟片數依煞車設計而定，定子與轉子交錯排列；示意圖僅表現其基本關係。

運作過程

1. 施加煞車：飛行員踩下煞車踏板，煞車液壓送至輪內煞車活塞。
2. 夾緊碟片：液壓作用於活塞，活塞推動壓力板，將交錯排列的轉子與定子壓向後承板。
3. 產生煞車力矩：轉子與定子間形成摩擦力。轉子受輪轂帶動，定子則固定於扭力管；摩擦力因此阻止轉子及輪子轉動，讓飛機減速。
4. 解除煞車：踏板放開後，液壓壓力下降，活塞回縮，碟片夾緊力解除，輪子恢復自由轉動。

煞車不靈敏或失效的可能原因

核心觀念

飛機液壓動力系統將引擎或電動馬達提供的機械能轉換成液壓能，再由液壓致動器將液壓能轉換成機械力，驅動飛機的操縱面、起落架、煞車等設備。液壓系統的基本原理是帕斯卡原理：密閉液體中的壓力會向各方向傳遞，致動器產生的力可用 $F=pA$ 表示；液壓功率則為 $P_h=pQ$，其中 $p$ 為壓力、$A$ 為活塞有效面積、$Q$ 為流量。

解題方法

依液壓油的循環順序整理系統元件：由油箱供油，經泵加壓後進入壓力管路，再由方向控制閥導向致動器；致動器回油經回油管路返回油箱。另在壓力管路配置蓄壓器、溢流閥及壓力指示設備，說明各自功能即可完整呈現系統。

（一）液壓動力系統的元件或設備

1. 液壓油箱（reservoir）：儲存液壓油，並提供泵的吸油來源；兼具散熱、排除氣泡及容納熱膨脹油量等功能。
2. 液壓泵（pump）：由引擎或電動馬達帶動，將機械能轉為液壓能，供應系統所需的壓力與流量。
3. 管路與接頭（lines and fittings）：連接各元件並輸送液壓油，分為吸油管、壓力管及回油管。
4. 濾油器（filters）：清除液壓油中的污染物，常設於泵入口、壓力管路或回油管路，以保護泵、閥及致動器。
5. 止回閥（check valve）：限制液壓油逆向流動，防止泵停止時壓力油倒流。
6. 溢流閥（relief valve）：限制系統最高壓力；壓力超過設定值時，將多餘液壓油導回油箱。
7. 蓄壓器（accumulator）：儲存受壓液壓油，補充瞬間流量、減緩壓力脈動，並在泵供油不足時提供短暫供油。
8. 方向控制閥／選擇閥（directional control valve／selector valve）：控制液壓油流向，選擇致動器的伸出、縮回或停止。
9. 致動器（actuator）：將液壓能轉為機械運動；常見型式包括液壓缸與液壓馬達。
10. 壓力表及警示裝置：監測系統壓力，供操作及故障判斷使用。
11. 回油濾器及冷卻器：回油濾器去除回流油中的污染物；冷卻器降低液壓油溫度。依飛機系統設計配置。

（二）液壓動力系統示意圖與油液流向

核心觀念

本題考查直管摩擦壓損、泵浦功率，以及液壓缸兩側壓力作用於不同有效面積時的輸出力。

題目定義摩擦因子為

由管壁剪應力可得直管壓力損失：

各元件位於同一水平面，忽略高程差；管徑與流速相同，因此沿管路計算壓力時，使用直管摩擦損失及方向閥損失即可。

解題方法與計算

（一）泵浦入口壓力與輸入功率

先求雷諾數與摩擦因子：

管壁剪應力為

因此每公尺管長的壓力損失為

油箱至泵浦入口長度為 $L_1=3\ \mathrm{m}$，所以

管內流量為

泵浦的流體功率為 $(P_3-P_2)Q$。依機械效率 $\eta=0.9$，泵浦輸入功率為

（二）液壓缸兩側壓力與輸出力